温度突变下人体热反应的实验研究*

2024-01-25张子扬赵胜凯翟永超

暖通空调 2024年1期

张子扬赵胜凯武峰翟永超△

(1.绿色建筑全国重点实验室,西安;2.西安建筑科技大学,西安)

0 引言

生活中人们经常经历环境温度发生突变的情况,如出入地铁站和办公楼等。探索人体在温度突变环境下的热反应规律,是合理设计建筑物室内外温差和过渡空间温度参数及开发人体热感觉预测模型的基础。

为探索人体在温度突变动态环境中的生理响应及其与主观感觉变化的关系,国内外学者通过在实验室营造不同的温度工况,开展了诸多人体热舒适实验研究。Stolwijk等人通过实验探索了人体在经历28 ℃→33/38/43/48 ℃→28 ℃往返式温度突变时皮肤温度、出汗量、热负荷、皮肤蒸发热损失的变化规律,发现在33 ℃和38 ℃工况下皮肤蒸发热损失和皮肤温度之间有很好的相关性[1]。Gagge等人[2]、Dear等人[3]、Nagano等人[4]、Tsutsumi等人[5]、Zhao等人[6]和Liu等人[7]开展了一系列中性→冷(热)和冷→热的温度突变实验后发现了3条重要规律:1) 在温度突变的情况下,人体产生心理超前现象,表现为热感觉等心理反应变化超前于皮肤温度的变化;2) 突变瞬间人体出现热感觉超越现象,表现为环境温度突升或突降时,热感觉的初始反应非常强烈,而后逐渐减弱至稳态水平;3) 人体进入低温环境时皮肤温度变化幅度大,稳定时间长,生理热调节迟钝,而进入高温环境时相反。此外,Zhang等人在中性→热(冷)→中性往返式温度突变实验中发现前后2次在中性环境中的热感觉投票值不同,表现为经历过低温突变后热感觉投票升高,经历过高温突变后热感觉投票降低,即出现热感觉不对称现象[8]。廖建科在热→中性→热往返式温度突变实验中也发现了该现象[9]。已有的关于人体在温度突变环境中热反应的研究大都集中于中小温差突变,而人们在生活中经常经历一些温差达到20 ℃以上的短时温度突变,而且已有的实验结果局限于皮肤温度、皮肤湿润度和主观反应,缺少在温度突变环境下人体与环境的换热和热负荷规律的探索。

基于实验研究,国内外学者提出了人体热感觉预测模型,主要有2种:1) 直接建立人体热感觉和环境参数的关系,比如Fanger提出的PMV模型[10],这种模型多适用于稳态环境。2) 量化热感觉与生理指标之间的关系,如Wang等人将动态环境中的热感觉分为稳态项和动态项,其中稳态项与皮肤温度呈线性关系,并进一步提出了动态热感觉模型[11];张宇峰等人发现动态项随皮肤温度变化率的变化而变化[12];Arens等人认为人体热感觉除了受皮肤温度影响外,还受核心温度的影响[13];Zhang等人对人体13个部位建立了局部热感觉回归模型,并在模型中增加了核心温度[14];Fiala模型[15]中的动态项也考虑了核心温度的影响,采用核心温度对热中性状态的偏离量作为变量。

综上,本文的主要研究目的为:1) 在人工气候室开展高温和低温突变的人体热舒适实验,获得不同突变温差、突变方向下人体皮肤温度、皮肤湿润度随环境温度及暴露时间的变化规律,并进一步利用人体热平衡方程计算实验过程中的人体热负荷,探索人体生理调节规律;2) 分析人体皮肤温度和主观热感觉之间的关系,建立基于皮肤温度及其变化率的热感觉预测模型;3) 探索温度突变环境中人体热感觉与人体热负荷、皮肤温度之间的关系,从而为动态环境下热感觉的预测和评价提供参考。

1 研究方法

1.1 实验平台

实验在西安建筑科技大学人工气候室进行,实验室由2个可单独调控的房间(A室和B室)组成,A室尺寸为4.5 m(长)×3.9 m(宽)×2.6 m(高),B室尺寸为3.0 m(长)×2.4 m(宽)×2.1 m(高),A室和B室之间由净宽800 mm的保温密封门连通,2个房间之间装有1 510 mm×1 100 mm的双层真空玻璃窗。人工气候室的空气经空调机组压缩、加湿、变温等处理后,从上送风口和带孔板的吊顶送入室内,由下回风口及带孔板的架空地板回风,形成通风循环,确保了A室和B室的室内热环境参数分布均匀。其性能指标如下:A室和B室空气温度控制精度为±0.3 ℃,相对湿度控制精度为±5%;送风量在设计送风量的50%～100%之间可调。以上的性能指标在一定程度上确保精确营造稳定均匀的室内环境。实验中人工气候室的布置情况见图1。

图1 人工气候室布置

1.2 受试者

招募24名身体健康的受试者,其中男生和女生各12名,均为西安建筑科技大学在校学生,受试者基本信息见表1。受试者在实验过程中穿着统一服装,根据ISO 7730:2005[16],夏季工况服装热阻为0.57 clo(短袖T恤、长裤、运动鞋),过渡季工况服装热阻为0.7 clo(长袖衬衫、短袖T恤、长裤、运动鞋),冬季工况服装热阻为1.8 clo(长袖衬衫、厚外套、短款羽绒服、秋裤、长裤、运动鞋)。

表1 受试者详细信息

1.3 相关参数及测量

1.3.1环境参数测量方法

实验期间测量的环境参数为空气温度、相对湿度、气流速度及黑球温度,测量仪器见表2。测量位置为A、B室内0.1、0.6、1.1 m高度处。

表2 环境参数测量仪器

1.3.2生理参数测量方法

本研究测试了与人体热舒适相关的生理参数:皮肤温度、皮肤湿润度。测量仪器见表3。

表3 生理参数测量仪器及测量位置

1.3.3生理参数计算方法

皮肤温度:利用热电偶对身体16个部位的皮肤温度进行连续测量,采用其中7个部位的皮肤温度计算平均皮肤温度,计算式为[17]

tsk,m=0.07tfh+0.35tp+0.14tla+

0.05tlh+0.19tlt+0.13tll+0.07tlf

(1)

式中tsk,m为平均皮肤温度,℃;tfh为前额皮肤温度,℃;tp为骨盆皮肤温度,℃;tla为左小臂皮肤温度,℃;tlh为左手皮肤温度,℃;tlt为左大腿皮肤温度,℃;tll为左小腿皮肤温度,℃;tlf为左脚皮肤温度,℃。

皮肤湿润度:将iButton温湿度传感器布置在受试者的4个部位以采集皮肤与服装之间空气间层的温度和皮肤表面相对湿度数据,温湿度传感器与皮肤表面间隔0.3 cm,以确保测量部位的汗液能够正常蒸发。皮肤湿润度计算式如下[18]:

w=0.3wch+0.3wa+0.2wt+0.2wl

(2)

式中w为全身皮肤湿润度;wch为左前胸皮肤湿润度;wa为左上臂皮肤湿润度;wt为左大腿皮肤湿润度;wl为左小腿皮肤湿润度。

人体热负荷:根据人体热平衡方程[19],环境中人体的热负荷LT可以表示为

LT=M-W-R-C-Esk-Cres-Eres

(3)

式中M为静坐状态的代谢率,W/m2,取60 W/m2;W为对外做功,W/m2,在本实验中取0 W/m2;R为辐射换热量,W/m2;C为对流换热量,W/m2;Esk为皮肤蒸发散热量,W/m2;Cres和Eres分别为来自呼吸显热和潜热的散热量,W/m2。

R=3.96×10-8fcl[(tcl+273)4-(ta+273)4]

(4)

C=hcfcl(tcl-ta)

(5)

(6)

Cres=0.001 4M(34-ta)

(7)

Eres=1.7×10-5M(5 867-pa)

(8)

式(4)～(8)中fcl为服装面积因子,fcl=1.00+0.28Icl(其中Icl为服装热阻,clo,1 clo=0.155 m2·℃/W);tcl为服装表面温度,℃;ta为空气温度,℃;hc为对流换热系数,W/(m2·K),hc=2.38(tsk-ta)0.25,其中tsk为皮肤表面温度,℃;psk,s为平均皮肤温度对应的饱和水蒸气分压力,Pa;pa为环境空气中的水蒸气分压力,Pa;Re,cl为服装的蒸发热阻,m2·Pa/W,Re,cl=Rcl/0.005 61,其中Rcl为服装热阻,m2·℃/W;he为蒸发传热系数,W/(m2·Pa),he=0.016 5hc。

1.3.4主观热感觉调查

采用问卷调查受试者的主观热感觉。问卷包括受试者对热环境的全身和局部的主观感受,包括热感觉、热舒适等问题。热感觉投票采用ASHRAE标准中的9级连续标尺:-4非常冷、-3 冷、-2凉、-1稍凉、0不冷不热、1稍暖、2暖、3热、4非常热。热舒适投票为断裂标尺,不舒适的投票范围从“-4非常不舒服”到“-0.01有点不舒服”,舒适的投票范围从“0.01有点舒服”到“4非常舒服”。

1.4 实验控制及工况

通过人工气候室完成不同的温度突变过程,A室模拟不同季节的中性温度,B室模拟不同工况下的高温和低温条件。实验包括9种不同温度的工况,各工况A、B室温度设定值见表4。每次实验完成1个工况,夏季工况模拟受试者在夏季经历短时高温环境后进入中性环境的场景;过渡季工况模拟受试者在过渡季经历短时偏凉环境后进入中性环境的场景,冬季工况模拟受试者在冬季经历短时寒冷环境后进入中性环境的场景。A、B室的相对湿度均控制在50%,空气流速控制在0.05 m/s以内,平均辐射温度近似于空气温度。

表4 实验工况设计

1.5 实验步骤

实验时间为2020年9月和12月,2021年3月和5月。实验开始前,受试者更换统一服装,固定测量皮肤温度的热电耦及测量皮肤湿润度的纽扣。实验流程如图2所示,第1阶段受试者在A室中预暴露30 min,第2阶段进入B室停留15 min,第3阶段再进入A室中静坐40 min。整个实验过程中连续测量皮肤温度、皮肤湿润度及环境参数。

注:○表示主观问卷记录时刻。图2 实验流程

2 实验结果

2.1 生理反应

图3显示了各工况下受试者平均皮肤温度随时间的变化规律。可以看出:在预暴露后期皮肤温度处于稳定状态;在进入低温或高温环境时,突降或突升温差越大,受试者的平均皮肤温度降低或升高越显著;突变温差越大,受试者的皮肤温度在返回中性温度环境后达到稳定的时间越长;在夏季各工况下,受试者由偏热环境回到中性温度环境时,平均皮肤温度均在较短时间内(约5 min)迅速降低并逐渐趋于稳定;而冬季和过渡季各工况下,受试者由偏冷环境回到中性温度环境时,平均皮肤温度升高缓慢,这表明人体皮肤温度对冷刺激的调节快于热刺激的响应。对比温度突变前后中性温度下受试者的平均皮肤温度,当突变温差Δt≤4 ℃时,受试者皮肤温度在第3阶段结束时近似等于第1阶段的皮肤温度,表明该温差范围内人员能较好地响应温度调节,并在短时间内恢复自身热平衡。当突变温差Δt≥9 ℃时,突变前后皮肤温度出现一定的不对称性。这与以往的研究结果一致[7,20]。

图3 各工况下受试者平均皮肤温度的逐时变化

由于本次实验中受试者只有在夏季工况下存在出汗行为,故仅对夏季各工况下皮肤湿润度测量结果进行分析,结果如图4所示。可以看出:在预暴露过程中受试者的皮肤湿润度均能达到稳定;受试者进入高温环境后人体体温调节系统发挥作用,出汗量迅速增加以促进皮肤蒸发散热,且增加的幅度随突变温差的增大而增大;在回到中性环境后皮肤湿润度逐渐降低,但一直到实验结束仍未恢复至经历高温突变前的水平。

图4 夏季各工况下受试者皮肤湿润度的逐时变化

2.2 主观反应

图5显示了各工况下受试者全身热感觉的逐时变化情况。可以看出:过渡季和冬季各工况下,受试者由中性温度环境进入低温环境的瞬间热感觉下降幅度随突变温差的增大而增大,在低温环境中受试者的热感觉不断降低,当受试者重新回到中性温度环境时,热感觉恢复至突变前的水平并趋于稳定;夏季各工况下,受试者由中性温度环境进入高温环境的瞬间热感觉上升幅度随突变温差的增大而增大,热感觉投票值随暴露时间的延长不断提高,当受试者重新回到中性温度环境时,暴露初始时刻热感觉投票值降低至负值,出现明显的“冷感超越”现象,在发生降温突变的前2 min内“超越”现象最明显,且该“超越”现象随着突变温差的增大显得更明显。对比夏季各工况前后2次在中性温度环境中的热感觉投票值,发现经历过高温突变后热感觉投票值降低,出现热感觉不对称现象。Zhang等人[8]和Ji等人[21]对这种不对称现象的解释是:在热感觉达到稳定后,皮肤温度还在继续变化,而此时的皮肤温度变化率对热感觉的影响大于皮肤温度,使得热感觉继续变化,偏离中性条件下的热感觉投票值。

图5 各工况下受试者全身热感觉的逐时变化

图6显示了各工况下受试者全身热舒适的逐时变化情况。可以看出:各工况预暴露过程中受试者热舒适投票值基本在1.5以上,经历温度突降或突升的初始时刻,热舒适投票值迅速降低,且突变温差越大,其热舒适投票值越低;随着暴露时间的延长,-10 ℃和45 ℃环境中的热舒适投票值由初始时刻的-2降低到-3以下,其余工况的热舒适投票值也降低了超过0.5,这可能是由于受试者的热负荷或冷负荷随着暴露时间的延长而增大,导致其热舒适水平持续降低;第3阶段初始时刻的热舒适投票值均低于第1阶段,且这种差异在20 ℃→-10 ℃→20 ℃和26 ℃→45 ℃→26 ℃工况下最明显,这可能是由于这2种工况的突变温差过大,导致受试者需要更长的时间去适应;在各突变工况下,主观反应变化均超前于生理反应,即出现心理超前现象。

图6 各工况下受试者全身热舒适的逐时变化

2.3 全身热负荷

图7显示了各工况下受试者全身热负荷随时间的变化规律。可以看出:在预暴露过程中,受试者的全身热负荷稳定在0～10 W/m2之间;夏季工况下受试者进入高温环境的初始时刻,由于空气温度和平均辐射温度均高于皮肤温度,所以全身热负荷剧增,且突变温差越大热负荷增加越多,随后体温调节系统开始发挥作用,表现为皮肤湿润度持续上升以促进蒸发散热,因此热负荷在受试者进入高温环境3 min左右便开始下降;受试者回到中性温度环境后,热负荷出现“超越”现象,随后热负荷逐渐恢复,但直至实验结束仍低于第1阶段,这是由于人体在高温环境中大量出汗,返回中性温度环境后皮肤表面积蓄的汗液持续从皮肤表面带走热量;在过渡季和冬季工况下受试者进入低温环境的初始时刻,由于空气温度和平均辐射温度均低于皮肤温度,所以全身热负荷降低,且突变温差越大热负荷降低越多,随后体温调节系统开始发挥作用,表现为平均皮肤温度持续降低以减少人体辐射散热和对流散热,因此热负荷在受试者进入低温环境2 min左右便开始逐渐上升,在回到中性温度环境时,热负荷逐渐恢复并趋于稳定。

图7 各工况下受试者全身热负荷的逐时变化

3 讨论

3.1 人体热负荷与热感觉的关系

由热感觉和热负荷逐时变化曲线可以看出,高温到中性温度突变瞬间,热感觉出现明显“冷感超越”现象的时刻对应于人体热负荷发生“超越”的时刻。针对这种现象,图8显示了夏季工况下人体各项散热量的逐时变化,散热量为正值时说明人体向外界散热,为负值时说明人体从外界得热。可以看出:30 ℃环境中空气温度略低于皮肤温度,人体通过对流换热、辐射换热和皮肤蒸发向外界散热,但在空气温度更高的环境中由于空气温度近似于或高于皮肤温度,导致人体通过对流换热、辐射换热向外界散热很少(35 ℃)或从外界得热(40 ℃和45 ℃),作为补偿,皮肤蒸发散热量随着出汗量的增大而增大;从高温环境到中性温度环境后,人体皮肤蒸发散热量急剧增大,总散热量大于产热量,导致人体出现冷感;在夏季4个工况中,45 ℃→26 ℃工况下皮肤蒸发散热量增加幅度最大,也导致了该工况下“冷感超越”最明显;随着体温调节系统开始发挥作用,皮肤蒸发散热量逐渐下降,突变后的冷感逐渐消失;在突变后25 min左右皮肤蒸发散热量基本趋于平稳,这与热感觉的稳定时间较为一致。

图8 人体各项散热量的逐时变化

3.2 基于皮肤温度的热感觉预测

温度突变过程中,热感觉与平均皮肤温度及其变化率相关。因此动态热环境中的人体热感觉预测需要分别建立热感觉模型的稳态项和动态项,动态热感觉(TDTS)视为稳态项(Ts)与动态项(Td)之和,即

TDTS=Ts+Td

(9)

3.2.1预测模型稳态项Ts

将各工况3个阶段最后1 min的热反应视为稳态,之前的反应视为动态。对各个工况下全身热感觉和平均皮肤温度的稳态值作回归分析,结果如图9所示。全身热感觉与平均皮肤温度的回归模型为

图9 稳态情况下热感觉与皮肤温度的关系

Ts=0.96tsk,m-32.22 (R2=0.74)

(10)

由图9可以看出,稳态情况下人体的全身热感觉投票值与平均皮肤温度呈较好的线性关系,平均皮肤温度每升高1 ℃,全身热感觉投票值增加0.96。对应热感觉为中性的平均皮肤温度即皮肤温度的设定点为33.56 ℃,这与以往的研究结果[2]相差很小。

3.2.2预测模型动态项Td

动态项假定只与平均皮肤温度变化率r有关,r可由下式计算:

(11)

式中tsk,mτ为τ时刻的平均皮肤温度,℃;tsk,mτ-1为τ-1时刻的平均皮肤温度,℃。

先按式(10)和逐时平均皮肤温度计算热感觉的稳态项,然后由动态热感觉和式(9)计算得到热感觉动态项,热感觉动态项与平均皮肤温度变化率的关系如图10所示。

图10 热感觉动态项与平均皮肤温度变化率的关系

由图10可知,热感觉动态项随平均皮肤温度变化率的变化而变化,突变初始时刻的平均皮肤温度变化率较大,分散在两边,其后时刻的平均皮肤温度变化率较小,集中在中间,故将平均皮肤温度变化率r≤-0.1 ℃/min和r≥0.1 ℃/min的数据点看作初始反应,将-0.1～0.1 ℃/min间的数据点看作其后反应,分别作回归。

中性温度环境→非中性温度环境:

初始反应

Td=6.00r+0.06 (R2=0.90)

(12)

其后反应

Td=16.25r+0.03 (R2=0.30)

(13)

非中性温度环境→中性温度环境:

初始反应

Td=7.44r+0.58 (R2=0.88)

(14)

其后反应

Td=23.89r+0.10 (R2=0.54)

(15)

可以看出:2种突变过程的初始反应中,受试者热感觉动态项与平均皮肤温度变化率呈显著的线性关系,平均皮肤温度变化率越大,热感觉动态项越大,最大可达3.37;2种突变过程的其后反应中,受试者热感觉动态项与平均皮肤温度变化率的线性关系不再显著,这是由于受试者的热感觉和平均皮肤温度在新环境中都达到稳定;热感觉动态项随平均皮肤温度变化率线性变化的趋势在初始时刻较为平缓,在其后时刻较为陡峭,即在其后时刻热感觉随皮肤温度变化率的变化更为敏感。以上结果证实了Gagge等人提出的皮肤温度变化率的重要作用[2],也可以更好地解释不对称现象。结合式(9)～(15)可得到基于皮肤温度的人体热感觉预测模型。