科学通报
2020-05-25 10:28
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人们早就知道，温度与湿度是相互耦合的，不同空气湿度下，人们对温度的感受不同，反之亦然。然而，现有的相关研究主要是在中性或偏热温度下进行的，对于更广泛的温、湿度范围，我们的认识尚不充分。为了更系统地认识全年较大温湿度范围内的人体热响应和热舒适，重庆大学的研究者开展了一项人体热舒适实验：他们在夏天和冬天分别招募10男10女，共计20名志愿者，让他们穿着具有一定热阻的衣物，进入一定温度、湿度条件的“人工气候室”，并在90分钟的正式测试时间中多次填写调查问卷、进行打分，汇报他们对温度、湿度、刺激感、空气质量等指标的感受。
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人工气候室和实验示意图. (a) 气候室外; (b) 气候室内; (c, d) 现场实验这项实验涵盖从低温16℃到偏热32℃、从低湿15%到高湿85%的较大温湿度范围，最终累计实验800人次，获得了较大的样本数据。对这些数据进行分析，研究者得到了以下一系列的结论：一、温度高一些，才能感到湿度变化在较低温度下，志愿者对湿度变化不太敏感。无论实际湿度如何改变，他们的湿感觉打分都接近0，既不感觉干燥，也不感觉湿润。但是，当冬季温度升高到28℃、夏季温度升高到32℃的偏热环境时，人们对湿度的感觉会变得敏感，真实湿度低时他们会感觉干燥，真实湿度高时他们会感觉湿润，且明显感觉更暖（冬季）或更热（夏季）。
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不同工况下受试者稳态湿感觉. (a) 夏季; (b) 冬季二、眼鼻喉的刺激感如果粘膜蒸发失水过快或者过慢，人们会感觉眼、鼻、喉等处有刺激感。志愿者也对这种感受进行了打分。结果显示，在冬季实验中，低温（16℃）条件下，湿度越低，志愿者的刺激感就越强。而在更高的温度下，则存在一个“最适湿度”，低于或高于该湿度的时候，眼鼻喉的刺激感都会增强。这可能是因为，温度较高时，高湿度会抑制人的粘膜蒸发和呼吸散热，从而引发不适。在夏季实验中，志愿者的刺激感整体水平更低，而且变化趋势不太明显。这可能是因为，在相对湿度相同的前提下，夏季空气中的绝对含湿量高于冬季（空气中水蒸气含量更高），因而更少引起不适。三、对空气质量的接受度温湿度也会影响人们对空气品质的感受。整体来看，在温度、湿度较低的环境下，人们对空气质量的接受度更高。而且，在90分钟的测试过程中，志愿者的感受也在发生变化。低温、低湿条件下，志愿者对空气质量的接受度有逐渐降低的趋势；而在较高的温、湿度条件下，志愿者会逐渐适应环境，对空气品质的接受度逐渐升高。这可能是由于低温低湿下呼吸道需要更多的水分来加热加湿吸入的干冷空气。四、引入两个变量： Qres和SET为了更好地描述温湿度耦合，以及二者对热感觉、空气质量感受的影响，研究者引入了两个变量。首先是呼吸热损失（Qres），它表示呼吸从人体带走的热量，在代谢率一定的情况下，温度、湿度越高，Qres就越低。研究者发现，Qres与热感觉、空气新鲜感几乎线性地负、正相关。也就是说，随着Qres的升高（温、湿度降低），志愿者感觉越来越凉爽，空气则越来越新鲜。第二个变量是标准有效温度（SET），它是一种利用平均皮肤温度和皮肤湿润度来综合描述人体热状态的方法。在等SET条件下，不同热环境对应的人体热感觉相同。结果，在实验数据中，SET与热感觉正相关，与感知到的空气品质负相关，且线性良好。
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不同工况下热感觉（TSV）和感知空气品质（AQV）随SET变化. (a) 冬季; (b) 夏季五、温湿度耦合作用下的舒适区间从上图可以看出，SET与热感觉和感知空气品质之间存在良好的线性关系。所以，研究者基于这一参数，确定了可以令80%和90%的人都感到满意（不太热也不太冷）的SET取值范围，并给出此范围相对应的温度和湿度范围，结果如下图所示。
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这一结果量化了温湿度耦合作用对人员热舒适的影响，可以确定在不同温度下对应的舒适湿度变化范围，也可以确定在不同相对湿度下对应的可接受温度范围，更适合应用于供暖空调的运行调控，从而实现最优化的供暖空调运行和系统节能。在上述结果的基础上，研究者又进一步讨论了极端湿度、服装等因素对室内舒适度的影响。并由此提出，在进行室内热环境设计时，应根据各个气候区的特点分别进行考虑，从而保证室内热环境的舒适与健康。
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