过渡季与采暖季室内人体热适应性调查*
清华大学 曹彬 朱颖心 黄莉
同济大学 周翔
摘要：在过渡季和采暖季两种条件下，对北京地区某大学的教学楼进行了室内热环境的现场测试，并以问卷方式调查了363名受试者的热感觉。调查结果表明，当排除了服装热阻及其它环境参数的影响时，人体热中性温度不随季节变化。在室内温度偏离热中性温度时，人的热感觉受到室外温度的影响，表现出人体在不同季节热适应能力的差异。
关键词：热感觉 PMV评价指标 现场调查 热中性温度 热适应
1 研究背景
对室内热环境的研究在相当长时间内被众多学者所关注。自20世纪后期以来，世界上广泛采用P.O.Fanger教授提出的PMV（Predicted Mean Vote，预测平均投票）模型来预测人体热感觉。这个模型建立在欧美人种人体热反应实验室研究的数据基础之上。然而近年来，世界各国越来越多的现场调查表明，在偏离热中性的环境中PMV预测结果与TSV（Thermal Sensation Vote，热感觉投票）往往存在偏差，并且在非空调环境下表现得尤为明显[1][2][3]。文献[4]的作者在非空调环境下进行了全年的现场调查，得到的结论表明：受试者热感觉（TSV）斜率比PMV小得多（图1），即人们对热感觉的主观判断比预测的敏感程度要小。
不同的学者对这种现象有不同的解释，其中以Fanger为代表的学者认为这主要是非空调环境下人们对环境的期望值低造成的，并提出了修正PMV的方法[6] 。而以Brager和de Dear为代表的学者则提出了适应性热舒适模型[5][7]。适应性模型认为，人体有3种基本的适应模式：生理适应、行为适应和心理适应。室内人员在环境温度偏离舒适温度区间后，会采取自我调节手段来改善自身热状态，并通过生理和心理上的调整去适应环境。该研究通过大量的数据拟合得到舒适温度（热中性温度）和室外月平均温度的线性函数关系，室外温度降低时人的舒适温度也随之降低，如图2所示。
按Fanger的PMV模型预测，人的热中性温度不随室外温度变化而变化，仅由温度、湿度、风速、辐射、服装、活动量六个因素决定；而de Dear的适应性模型指出，在不同季节室内最舒适温度（热中性温度）会有所差异。究竟是何原因引起PMV模型在现场调查中预测热感觉的偏差，室外温度的季节性变化对人体热舒适会产生怎样的影响？本文试图通过现场调查，在修正其它参数（服装、湿度）的情况下，探讨不同季节人体热感觉、热中性温度的变化规律，即室外温度对室内人体热感觉的影响。
2 调查方法
2.1 调查时间、地点
本次调查在北京地区某大学的教学楼内展开。调查经历了4～6月的过渡季以及11～12月的采暖季，共回收问卷363份，受调查者男女比例相近。
2.2 调查方式
本次调查包括室内环境参数的测量及对室内人员的主观问询两部分，二者同时进行。待测的室内环境参数包括干球温度、相对湿度、平均辐射温度、空气流动速度，可使用AM-101 PMV计直接测量；调查者记录室内人员的着装情况和活动情况，结合测得的环境参数，可计算得到PMV。同时，通过让室内人员投票的方式，获知其在当前环境下的实际热感觉。热感觉投票按照ASHRAE的七级分度指标设计，分级范围为-3到+3（图3）。
图3 热感觉投票标尺
3 调查结果
3.1 环境参数分布
图4 室内操作温度与室外温度的分布
由于操作温度To同时包含了对流和辐射的影响因素，因此本文将操作温度作为室内温度的评价指标。在调查进行的时间段中，日平均室外温度与室内操作温度的对应关系如图4所示，采暖季的室外温度在3.4℃-12.5℃，过渡季的室外温度在13.2℃-24.5℃。在过渡季时，室内操作温度随室外温度降低而逐渐下降，但室内采暖以后，室内操作温度有所回升。在某些教室，供暖季室内温度可达27℃以上，远超过18℃的采暖温度标准，能源浪费现象十分严重。
3.2 采暖季人体热感觉与预测值的比较
采暖季人体服装热阻与室外温度的关系如图5所示，随着室外温度降低，人的衣着量递增，但总体变化不大。计算得到采暖季节人的平均服装热阻为1.3clo。
在不同的季节，人的服装热阻和环境相对湿度是不一样的，对于图2所表示热中性温度随室外气温的升高而升高，是否由于不同服装热阻和相对湿度的差异所引起的呢？使用Fanger舒适性方程将被调查者的热感觉和PMV修正到服装热阻和相对湿度统一为1.3clo，50%的状态。以操作温度为横坐标，热感觉标尺为纵坐标分别绘出PMV与TSV的值。PMV与TSV相交于0点，此时相对应的中性温度为21.8℃。在采暖条件下，无论操作温度高于或低于中性温度，人的实际热感觉都高于预测值（图6）。出现这种现象的原因是：采暖季室外温度较低，人对于偏冷环境产生了适应性，而对偏热环境脱适应。当室内偏冷时，人的实际热感觉高于PMV预测值，即人感觉没那么冷，表现出较强的耐受性；而当室内偏热时，由于人对偏热环境的脱适应，使得实际热感觉也高于PMV，即人感觉更热，耐受性较差。
3.3 过渡季人体热感觉与预测值的比较
过渡季时，被调查各教室都不采用任何空调方式，只通过自然通风保持室内空气清新。此时室内操作温度保持在20.5℃-29.4℃之间，而室外日平均温度在13.2℃-24.5℃的范围内。过渡季人体服装热阻与室外温度的关系如图7所示，随着室外温度升高，人的衣着量有所减少，计算得到其平均值约为1.0clo。但为了与采暖季节比较，仍以服装热阻为1.3clo，相对湿度为50%修正计算出过渡季节的PMV和TSV。以操作温度为横坐标，热感觉标尺为纵坐标分别绘出PMV与TSV的值。PMV与TSV相交于0点，此时相对应的中性温度也在22℃附近。
过渡季时的PMV和TSV呈现出“剪刀差”的现象，即无论偏冷还是偏热，TSV均比PMV接近热中性（图8）。这是因为相比于采暖季节，过渡季的室外温度有所升高，室内外温差减小，人对较热环境逐渐适应，在室内偏热时，人的实际热感觉低于PMV预测值，表现出对偏热环境耐受性的增强。
3.4 讨论与小结
图9 不同季节PMV、TSV与室内操作温度的关系
将采暖季和过渡季的实验结果合并（图9），可以看出PMV基本重合为一条直线。说明在去除服装热阻和相对湿度对PMV的影响后，PMV指标和操作温度具有较好的线性关系，PMV随操作温度的升高而递增。当操作温度低于中性温度时，采暖季和过渡季的人体热感觉均高于预测值。当操作温度高于中性温度时，采暖季的人体热感觉高于预测值，过渡季的人体热感觉低于预测值。
在过渡季，当室内处于偏热状态时，室外温度往往高于室内操作温度，而当室内偏冷时，室外温度基本上又低于室内操作温度，但室内外温度普遍差别不大。由于室外温度的影响，被调查者对偏热或偏冷环境产生了较强的适应性，使其在室内的热感觉比预测值更加接近中性。而在进入采暖季之后，室外温度很低，室内外温差较大，人在室外温度的影响下无法建立对偏热环境的适应性，自身热调节能力下降，进入采暖房间之后，对于短期热暴露表现出更高的热感觉。
中性温度是人体感到不冷不热时的温度，实质上是人体不需要为维持自身的热平衡做额外的生理调节，人体用于体温调节所消耗的能量最少。如果对用户的服装和环境参数作严格控制，排除用户行为适应对热感觉的额外影响，所得的实验结果应是中性温度不随季节、气候而变化。
2007年4月至7月，清华大学的研究者[8]在人工气候室中进行实验，严格控制室内温度、湿度、风速等环境参数，并统一规定受试者的着装。其结果证明，季节（室外温度）对人的热感觉存在着一定影响，主要表现在不同季节热适应有所差异，从而对偏热（或偏冷）环境的耐受性不同。但季节对中性温度无影响，现场调查结果中所发现的中性温度随季节变化主要是由于不同季节的服装、湿度、风速等参数差异引起的。
由此推测，在空调季由于室外温度较高，人对偏热环境已经产生适应，而对偏冷的环境脱适应。在室内偏热时，人的实际热感觉低于PMV预测值，即人感觉没那么热，表现出较强的耐受性；而在室内空调温度很低时，实际热感觉将低于PMV预测值，即人比预测值感觉更冷，耐受性较差。为证明以上推测是否成立，本课题组将在夏季时针对空调房间进行现场调查，作进行进一步研究。
4 结论
4.1 去除服装热阻、相对湿度影响的情况下，人体中性温度可以用PMV方程预测，不随室外温度变化而变化，现场调查得到的中性温度随室外温度变化是由于服装、环境湿度在不同季节有所差异。
4.2 采暖季由于室外温度较低，人适应偏冷的环境，对偏热的环境脱适应。人的热感觉在室内偏冷时高于PMV预测值，表现出较强的耐受性；在室内偏热时也高于PMV预测值，即人感觉更热，耐受性较差。
4.3 过渡季由于室外温度升高，人逐渐适应较热环境。人的热感觉在室内偏热时低于PMV预测值，更接近中性，表现出耐受性的增强。
致谢
本文所涉及的分析数据，均建立在大量的现场调查基础之上。在此，对参与现场调查工作的曾臻、华金晶、王彧等同学表示感谢。本论文工作先后接受国家自然科学基金面上项目（50278044、50478008）、国家“十一五”科技支撑计划项目（2006BAJ02A06）的资助，特此致谢。
参考文献
[1] de Dear R J and A Auliciems. Validation of the predicted mean vote model of thermal comfort in six Australian field studies [J]. ASHRAE Trans, 1985, 91(1): 452-468.
[2] Schiller G E. A comparison of measured and predicted comfort in office buildings [J]. ASHRAE Trans, 1990, 96 (1): 609-622.
[3] 纪秀玲,王保国,戴自祝, 等. 江浙地区非空调环境热舒适研究[J]. 北京理工大学学报, 2004, 24(12), 1100-1103.
[4] 江燕涛,杨昌智,李文菁, 等. 非空调环境下性别与热舒适的关系. 暖通空调,2006,36(5),17-21.
[5] de Dear R, Richard J, Brager G S. Thermal comfort in naturally ventilated buildings: revisions to ASHRAE Standard 55. Energy and Buildings, 2002, 34 (6): 549-561.
[6] Fanger P O, Toftum J. Extension of the PMV model to non-air-conditioned buildings in warm climates. Energy and Buildings, 2002, 34 (6): 533-536.
[7] Brager G S, de Dear R. A standard for natural ventilation. ASHRAE J, 2000, 42 (10): 21-28.
[8] 周翔,朱颖心,曹彬, 等. 偏热环境下操作温度、服装热阻、季节对人体热感觉影响的实验研究. 全国暖通空调制冷2008年学术年会论文集,2008.
曹彬，男，1984年7月生，硕士研究生，北京清华大学建筑技术科学系，100084，联系电话：010-********，传真：010-********，E-mail：caobin.thu@gmail.com
