后疫情下公交、地鐵和高鐵中佩戴口罩對乘員熱舒適影響的評估*

馮印帥 桂訓俊 黃 峙 李思寧 王少鵬 楊芯巖 殷 士 樊一帆

(1.浙江大學,杭州;2.浙江大學平衡建筑研究中心,杭州;3.浙江大學綠色建筑與低碳城市國際研究中心,海寧;4.中國艦船研究設計中心,武漢;5.建科環能科技有限公司,北京;6.浙江工業大學,杭州)

1 研究背景

2019年末暴發的新冠肺炎疫情席卷全球并成為大流行性呼吸道傳染病。截至2022年10月,全球有超過6億2 000萬人感染過新冠肺炎,約655萬人死亡。該疾病的傳播包括3種途徑:飛沫(或大液滴噴霧)途徑、接觸(或觸摸)途徑和空氣(或氣溶膠)傳播途徑[1-2]。為了遏制新冠肺炎疫情的肆虐和減少病毒在空氣中的傳播,除了加強建筑環境通風以外[3],規范佩戴口罩也是最有效且經濟的措施之一[4-5]。由于口罩具有造價低且能有效減少病毒傳播的特點,在疫情期間對全民生命健康起到了極大的保障作用[6]。在中國、日本和韓國,佩戴口罩已經成為常態化舉措,這使得口罩成為了全民日常生活中普遍應用的防護用品。公眾對N95、醫用口罩及棉織和布制等非醫用口罩的需求極大增加[6]。

口罩總體舒適度分為熱舒適度及呼吸設計舒適度[7]。其中呼吸設計舒適度可以通過調整口罩的表面材料及口罩整體結構優化,口罩整體結構優化包括鼻夾設計、呼氣阻力氣流特性研究和口罩帶設計等[8]。嚴玉蓉等人采用涼感纖維作為口罩內層,顯著降低了佩戴口罩導致的空氣不流通性,降低了人員的悶熱感[9]?？谡值母叻雷o功效一般會導致高呼吸阻力,而高呼吸阻力會降低人體呼吸設計舒適度。張晶等人對早期支援武漢的醫護人員進行調研發現,長時間佩戴防護用具,呼吸困難是不良反應中所占比例最高的[10]。Lai等人研究發現,對于大多數人來說,口罩的佩戴將導致明顯的呼吸困難[11]。因此呼吸阻力是口罩舒適度設計中最受關注的因素。

而對于口罩總體舒適度中的熱舒適度,口罩與面部之間高溫高濕的微環境會影響面部皮膚的熱濕感覺,并延伸到全身,最終影響人體熱舒適[7]。Cui等人認為人體熱舒適度是身體局部舒適和全身熱感覺的函數[12]。Zender-wiercz等人利用人體模型研究發現,在溫度低于20 ℃時,干口罩將提高局部或整體熱舒適感[13]。Zhang等人對30名大學生進行了測試,結果表明佩戴口罩可以使達到最佳熱舒適度的溫度降低1.4 ℃[14]。

伴隨著城市化進程的不斷加速,愈來愈多的人涌入城市,導致了城市擁擠指數提高,給城市交通網絡帶來了巨大的壓力[15]。城市公共交通作為國內抗擊疫情的重要組成部分,在維護城市活力的同時,應避免重大公共衛生事件的發生,這對公交車、地鐵及高鐵的運行都提出了極高的要求。在國內,佩戴口罩已經成為疫情期間乘坐公共交通的硬性要求,然而人們在長時間乘坐高擁擠、大流量的公共交通時,佩戴口罩無疑會增加人們的熱不舒適感。因而研究乘員佩戴口罩時的人體熱舒適規律具有重要意義。

本文對公交車、地鐵及高鐵車廂進行了現場測量,獲取了真實準確的背景環境溫度、相對濕度及風速等參數,以及通過視頻錄像獲取了乘員的活動特征及服裝熱阻估計值?；诮浀銹MV-PPD模型和已有研究成果,即不同類型口罩對人體熱舒適的影響[7],合理評價公交車、地鐵及高鐵內佩戴口罩時乘員的熱舒適性。

2 研究方法

2.1 PMV-PPD模型

人體熱舒適被定義為人體對熱環境表示滿意的意識狀態,即基于個體自身的熱平衡對所處環境的身體及心理感受綜合評價[16]。在熱舒適研究領域中,Fanger提出了人體在穩態條件下基于能量平衡的熱舒適方程,即PMV方程。同時基于采樣觀測統計提出了PMV與不滿意率PPD兩者之間的定量表達式。根據ISO 7730:2005的PMV-PPD模型[17],目前最全面且能準確評價熱環境的指標的計算式為

V=0.303e-0.036M+0.028{M-W-3.05×10-3[5 733-6.99(M-W)-pa]-0.42(M-W-58.15)-1.72×10-5M(5 876-pa)-0.001 4M(34-ta)-3.96×10-8fcl[(tcl+273)4-(tr+273)4]-fclhc(tcl-ta)}

(1)

式中V為PMV指標;M為人體能量代謝率,W/m2,靜坐取58.2 W/m2,放松站立取69.8 W/m2;W為人體所作的機械功,W/m2,在靜坐和平地活動時為0;pa為人體周圍空氣的水蒸氣分壓力,Pa;ta為人體周圍空氣溫度,℃;fcl為人體覆蓋服裝面積與裸露面積之比;tcl為服裝外表面溫度,℃;tr為平均輻射溫度,℃;hc為表面傳熱系數,W/(m2·K)。

D=100-95e-(0.033 53V4+0.219 7V2)

(2)

式中D為PPD指標,%。

(3)

式中Icl為服裝熱阻,clo。

tcl=35.7-0.028(M-W)-Icl{3.96×10-8fcl[(tcl+273)4-(tr+273)4]+fclhc(tcl-ta)}

(4)

式中hc按式(5)中大值確定。

(5)

式中va為室內風速,m/s。

由于佩戴口罩會對人體熱舒適產生影響,故需對PMV模型進行修正,修正后的PMV模型如式(6)所示。

Vc=V+q

(6)

式中Vc為修正后的熱舒適值;q為口罩對人體產生的熱附加值,與口罩類型有關。

佩戴口罩與否的不滿意率差值ΔD的計算式為

ΔD=Dc-D

(7)

式中Dc為乘員佩戴口罩修正后的預測不滿意率。

ISO和ASHRAE等組織依據PMV-PPD指標,規定了一般室內熱環境的舒適標準為:-0.5

2.2 口罩熱舒適附加值

在疫情常態化防控背景下,將口罩的影響考慮到PMV-PPD模型中,可以使人員的熱舒適評價更為精準。王麗娟等人對26 ℃與32 ℃的偏熱環境進行研究,結果表明:同一操作溫度下,男性和女性佩戴不同類型口罩時的熱舒適存在顯著性差異;在不同環境溫度下(26 ℃和32 ℃),佩戴同一類型口罩與未戴口罩之間的熱舒適附加值相差較小[7]。因此,在本文中假設背景環境溫度對佩戴口罩與否的熱舒適附加值影響較小,而口罩的類型影響較大。未佩戴口罩和佩戴不同類型口罩(醫用外科、棉布和N95)情況下的V和熱舒適附加值如表1所示。

表1 佩戴與未佩戴口罩狀態下V和熱舒適附加值[7]

3 測量數據

3.1 測量儀器及背景環境參數

本文研究的公共交通均以杭州市為起點或在杭州市內營運。公交車型號為K9A;長、寬、高分別為12 000、2 550、3 360 mm;座椅數量為40個;線路全長23 km,單程時間約90 min;現場測量時間為2021-05-10(工況B1)。地鐵型號為B型鼓型車;車廂長、寬、高分別為20 000、2 880、2 100 mm;座椅數量為41個;線路全長43.3 km,單程時間約70 min;現場測量時間為2021-06-03(工況S1)、2021-06-05(工況S2)和2021-07-29(工況S3)。高鐵動車為復興號CR400型/和諧號CRH300型;長、寬、高分別為25 800、3 660、2 800 mm;座椅數量為90個/84個;單程(杭州至上海)時間約60 min;現場測量時間為2021-03-11(工況H1)、2021-03-19(工況H2)和2021-04-16(工況H3)。

相對濕度與溫度使用手提式多功能復合氣體分析儀(型號為JK90-M9)測量,精度為3%,相對濕度分辨率為1%,溫度分辨率為0.1 ℃;風速測量則采用多參數風速儀(型號為TSI9545),測量精度為3%,分辨率為0.01 m/s。其中,平均輻射溫度根據黑球溫度約高于空氣溫度2～3 ℃(選取2 ℃)計算[19],原因是地鐵內無太陽直射,高鐵及公交車車廂內有窗簾,當有太陽直射時,乘員會主動使用窗簾避免受到太陽直射輻射(從視頻錄像得知)。

3.2 人體參數估計

人體能量代謝率M與人員的活動狀態有關,公共交通內乘員的活動類型分為靜坐或站立2種,人體代謝率范圍為1.0～1.2 met。而服裝熱阻Icl首先根據季節進行粗略估計,然后結合視頻錄像中的衣著進行調整。通過查閱文獻得到不同服裝類型所對應的Icl,如表2所示。

表2 不同服裝類型的熱阻值[17,20]

夏季時乘員的典型Icl為0.6 clo左右;冬季時的典型Icl為1.0～1.1 clo左右。由于測量時間不同及乘員對冷熱偏好的差異性,基于視頻錄像中乘員穿著特征,對公交車、地鐵和高鐵內乘員的Icl進行合理估計,其范圍分別為0.6～0.9、0.5～0.8、0.8～1.1 clo。

4 研究結果與分析

4.1 風速及溫濕度

基于實地測量,地鐵、高鐵和公交車內風速統計結果如圖1所示,溫度和相對濕度統計結果如圖2所示。

圖1 地鐵、高鐵和公交車內風速箱型圖

圖2 地鐵、高鐵和公交車內溫濕度箱型圖

從圖1可知:地鐵內風速波動范圍最大,最大值達到7 m/s,高鐵次之,公交車內的風速變化范圍最小;高鐵車廂內的風速統計結果中值較接近,分別為0.31、0.18、0.13 m/s,地鐵車廂內的風速統計結果中值相差較大,分別為0.89、1.18、2.20 m/s,這或許是因為地鐵內乘員密度波動大,產生的遮擋效果影響了風速測量結果。

車廂內風速是評估熱舒適的重要參數之一?？紤]到風速測量結果的波動性,基于圖1的統計結果,選取風速中值及75%分位點值作為典型值。經計算,公交車內風速典型值為0.20、0.62 m/s,地鐵內風速典型值為1.42、3.56 m/s,高鐵內風速典型值為0.21、0.66 m/s。將上述典型風速值作為修正后的PMV-PPD模型的輸入參數。

從圖2可見:公交車內溫度范圍為24～29 ℃;地鐵內溫度范圍為22～27 ℃;高鐵內溫度范圍為21～25 ℃。平均來看,公交車內溫度最高,最高達到29 ℃,地鐵次之,高鐵內溫度最低。地鐵和高鐵車廂內溫度中值都較為接近,地鐵內溫度中值分別為24.2、24.0、23.6 ℃,高鐵內溫度中值分別為21.7、22.0、22.1 ℃,公交車內溫度中值為25.4 ℃。

從圖2還可見:公交車內相對濕度范圍為40%～80%;地鐵內相對濕度范圍為74%～91%;高鐵內相對濕度范圍為60%～80%。地鐵內相對濕度最高,是由于地鐵交通位于地下,導致地鐵車廂內相對濕度高且波動范圍大,同時地鐵在高峰期時的載客量大,也會增加車廂環境中的濕度;高鐵次之;公交車相對濕度最低。地鐵內相對濕度中值相差較大,分別為91%、74%、85%;高鐵內相對濕度中值較接近,分別為66%、66%、72%;公交車內相對濕度中值為56%。

在評估乘員的熱舒適中,風速、溫度和相對濕度等參數之間的差異性除了與自身運行設計參數和運行環境有關之外,也受參數測量時間選取的影響(乘員服裝熱阻的差異性)。本文高鐵、公交車和地鐵實地測量時間分別在3、4月,5月和6、7月。

4.2 熱舒適比較與分析

基于圖1、2中公交車、地鐵和高鐵3類公共交通工具的背景環境參數、乘員活動特征和Icl的估計值,根據式(1)～(6)進行乘員熱舒適評估。從視頻錄像中可知公交車、地鐵及高鐵內乘員所佩戴的口罩均為醫用口罩。不同Icl、真實背景環境(溫濕度)及風速典型值下的熱舒適圖,無口罩(V)及佩戴醫用口罩(Vc)時乘員的熱舒適結果如圖3～5所示。圖3～5中綠虛線框表示V和Vc在-1～1之間,即熱舒適區,且每個矩形單元均代表1個真實工況,并假設每個特定工況的發生概率相同。

圖3 不同服裝熱阻和口罩佩戴情況下公交車內乘員熱舒適評估圖

對公交車而言,整體熱舒適范圍為中性到偏暖(見圖3)。對于佩戴醫用口罩的乘員,熱舒適有所下降,熱舒適區范圍將縮小。對于公交車車廂內的不同典型風速0.20、0.62 m/s,熱舒適區分別減小23%、9%,平均減小14%。ΔD范圍為0～11%,平均值為6%。

對于熱環境較冷的地鐵,整體熱舒適范圍為中性到冷(見圖4)。對于佩戴醫用口罩的乘員,熱舒適有所提高(口罩會導致人更暖和),熱舒適區范圍擴大。但是,醫用口罩對乘員熱舒適的提高效果并不明顯,主要原因是地鐵車廂內風速過大,尤其是在3.56 m/s這一典型風速工況下,乘員無論是否佩戴醫用口罩都不會影響熱舒適區的變化。對于地鐵車廂內的不同典型風速值1.42、3.56 m/s,熱舒適區范圍分別增大40%和0,平均增大31%。ΔD范圍為-11%～0,平均值為-7%。

圖4 不同服裝熱阻和口罩佩戴情況下地鐵內乘員熱舒適評估圖

對于嚴格控制溫濕度的高鐵,整體熱舒適范圍為稍涼到稍暖(見圖5)。對于佩戴醫用口罩的乘員,熱舒適既存在提高效果,又存在降低效果。高鐵內佩戴口罩的乘員的熱不舒適區存在從涼不舒適區變化到暖不舒適區的現象。對于地鐵車廂內的不同典型風速值0.21、0.66 m/s,熱舒適區范圍分別減小10%和增大12%。ΔD范圍為-9%～10%,平均值為-0.5%。

圖5 不同服裝熱阻和口罩佩戴情況下高鐵內乘員熱舒適評估圖

從圖3～5可知,公交車、地鐵、高鐵內乘員熱舒適區(Vc)占比分別為62.5%、27.1%、92.5%,表明高鐵對乘員熱舒適的保障效果最佳,公交車次之,地鐵保障效果最弱。將圖3～5中修正后的Vc進行統計分析,所得結果如圖6所示。

注:μ為平均值;σ為標準差。

在95%置信區間下,公交車、地鐵和高鐵的熱舒適指標Vc服從正態分布,均值分別為0.73、-1.46 和0.14,標準差分別為0.69、0.91和0.56。從圖6可知,高鐵的熱舒適指標均勻分布在-1～1之間,相比“冷地鐵”和“稍暖公交車”,高鐵的熱舒適最佳。

5 討論

本文探究了醫用口罩對公交車、地鐵和高鐵內乘員熱舒適的影響?？谡謨任h境及車廂內CO2濃度對乘員的健康、思維意識、判斷能力[21]、面部皮膚敏感性[22]具有顯著影響,特別是對老人和有呼吸疾病的特殊人群,可能會引起不舒適的呼吸感受。然而,限于篇幅本文也暫未進行深入的分析。另外,由于時間及疫情期間管控措施的限制,本研究中口罩對熱舒適影響的實驗測量主要集中于外界環境偏熱的時間段,而對于冬季偏冷環境,有待于未來研究。PMV-PPD修正模型在較低背景溫度下佩戴口罩對乘員產生的熱舒適的附加值是否與中高背景溫度的取值一致也是值得深入探究的,新的修正系數可能會被提出。

在公交車內乘員佩戴口罩會增加熱感,從而增大乘員摘下口罩的行為概率。在疫情大流行的情況下,為避免發生疫情的聚眾性近距離及遠距離傳播,公交車內的空調溫度可適當調低或增大風速。調低溫度和增大風速勢必會增加能耗,在碳達峰、碳中和國家戰略背景下,如何平衡能耗及疫情大規模傳播之間的矛盾值得進一步研究。在后續的研究中,筆者將利用環境艙來控制不同溫濕度,研究人群摘掉口罩的概率與不同溫濕度控制的關系,同時利用問卷調查的方式來驗證環境艙中的實驗結果。

對于環境偏冷的地鐵,佩戴口罩會提高乘員熱舒適,但整體上地鐵內乘員熱舒適差,不滿意率高。由于車廂內風速過大,車廂內外壓差導致大量滲透風流入車廂內部,因此設計人員在設置空調送風參數及風量時應充分考慮滲透風對乘員熱舒適的影響。

ΔS的選取根據是在人工環境艙室得到的實驗結果[7],而對于乘坐公共交通時佩戴口罩的乘員,ΔS值或許會受到當時地面路況的影響。特別是對于公交車而言,擁堵的交通可能導致焦慮情緒,進一步加重口罩對人體熱舒適的負作用。這些影響也值得在未來研究中深入探討。同時,人體生理參數也并未考慮,這是該模型的一個局限性,受試者均為青少年群體[7],對于中年甚至老年人,該修正模型是否仍然適用需進一步研究。

6 結論

1) 在測量時段內,地鐵內平均風速最大,公交車內平均溫度最高,地鐵內平均相對濕度最大。公交車內熱環境集中在中性和暖之間;地鐵內熱環境集中在中性和冷之間;而高鐵車廂內熱環境集中在稍涼和稍暖之間。

2) 公交車、地鐵及高鐵內乘員佩戴的口罩大多為醫用口罩。佩戴醫用口罩時,高鐵內熱舒適區域占比最大(92.5%),公交車次之(62.5%),地鐵最小(27.1%),即高鐵對乘員的熱舒適保障程度最高,而地鐵對熱舒適保障程度最弱。

3) 對于公交車,佩戴醫用口罩會降低乘員熱舒適,會使乘員感受向暖和熱偏移,ΔD平均值為6%,即佩戴醫用口罩對公交車內乘員熱舒適存在負作用;地鐵內佩戴醫用口罩會提高乘員熱舒適,使乘員冷感受被削弱,ΔD平均值為-7%,即佩戴醫用口罩對地鐵內乘員的熱舒適存在正作用,但在高風速背景環境下,正作用效果并不顯著,是因為風速過高導致體表對流換熱強度過高,從而失熱感明顯;而高鐵內佩戴口罩的乘員ΔD平均值為-0.5%,即佩戴醫用口罩對高鐵內乘員的熱舒適存在極微弱的正作用。