室内热舒适性问题
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室内热舒适性综述
朱明贵（暖通 1511024003） 摘要：通过介绍室内热舒适性影响因素，对其评价指标 PMV 等进行综述，详尽分析了改善 室内热舒适性的措施， 展望我国研究学者应该结合自身生理参数、 环境参数对前人研究的模 型进行优化。 关键词：热舒适性、PMV、气流组织 Abstract：Through the introduction of indoor thermal comfort factors, their evaluation were reviewed, a detailed analysis of the measures to improve indoor thermal comfort, and the prospect of our researchers should combine their physiological parameters and environmental parameters on the model of previous studies to be optimized. Keywords：Thermal comfort、PMV、air distribution
人体用来维持舒适温度的生理手段是有限的， 一位裸体者借其生理体温调节所能 维持的舒适范围是很小的。用新有效温度(ET＊)作为环境条件的综合热指标，发 现单纯靠生理性体温调节起作用的 ET＊范围只在 25 ～ 40 ℃之间。事实上，在 大多数情况下，人体体内的热是通过皮肤经服装散发到环境中的，反之亦然。所 以评价热环境对人体热舒适的影响时，考虑服装在热交换方面的作用是必要的。 服装的穿着相当于人体表面散热热阻的增加， 影响人体与环境之间的换热的服装 参数主要有:服装热阻和蒸发阻力。服装热阻的定义是：皮肤表面温度 (Tsk)与环 境校正黑球温度[ Tadb=(Ta+Tr) 2]存在 1℃温差下， 服装或空气层允许通过对流和 辐射进行 6.48W m2 的热交换时相当的热阻为 1clo。 在皮肤和着装人体最外层表 面之间的热传递是相当复杂的， 除了纺织品本身的热传递阻力和纺织品层次之间 的空气层的内部对流和辐射过程以外， 衣服的缝纫和合体对传递阻力也是有影响 的。宽松的衣服，可以出现“烟囱效应” 。而如果衣服变湿了，其热传递阻力则 将会大大下降。 服装的蒸发阻力可直接由人体测得，也可用湿铜人测出透湿系数
范围内的气流对人体的热感觉影响不大， 但是在 0.3～ 0.5Hz 范围内却对人体产 生最强的冷作用，而且操作温度和相对湿度对于频率的影响作用并不显著[5]。气 流脉动频率对人体感受气流强度有十分重要的影响，随着频率的增大，人体感受 到的气流速度随之减小。 1.1.4 环境湿度，湿度直接和间接影响人体的热舒适， 环境湿度对于人体热舒适 的影响，主要表现在影响人体皮肤到环境的蒸发热损失方面。当相对湿度保持在 40 %～70 %范围内时，人体可以保证蒸发过程的稳定，而且此时空气流速的作 用非常重要。 如果空气处于静止状态， 则会造成靠近皮肤的空气层水蒸气分压力 较大，人体表面蒸发受阻，从而导致不适。在高温环境中，如果相对湿度高于 70%，常常会引起人体的不适，而且这种不适感随空气湿度的增加而增加。研究 表明，湿度为 80%下的热不舒适程度要大于 70%或更低湿度状况。同时室内环 境相对湿度较大会造成建筑潮湿，甚至有时会出现凝结水现象；相反，如果湿度 低于 30 %，不但会引起人体热感觉的不满，而且会引起呼吸道疾病[6]。由于湿 度主要影响人体汗液的分泌， 从而影响人体表面皮肤的平均湿度， 而皮肤的平均 湿度是预测人体是否热舒适的一项重要判断指标， 因此衣服作为一种传质的阻力 对湿度的感觉也有比较重要的影响。服装纤维结构的粗糙度与湿度感觉有关。当 皮肤平均湿度达到 25%的情况时， 皮肤表面与服装的摩擦显著增大， 而且在皮肤 平均湿度高于 25%的情况下，没有人会感到舒适。在湿度较低的情况下，热感觉 是热舒适的重要衡量指标但在高湿度的情况下， 热感觉并不能很好地预测人体的 热舒适。 另外， 湿度不仅影响人体的热感觉， 同时也影响着室内空气品质。 Toftum 的实验结果表明： 干燥和冷一些的空气让人感觉空气更新鲜， 同时受试者对空气 的可接受程度与空气焓值有直接关系[7]。Berglund 也发现，即使在一间干净、无 异味、通风良好的房间中，随着湿度的增加，受试者仍会感觉到空气质量变差， 而且这种感觉并没有随着暴露时间的增加而改善 [8] 。最后需要说明的是， ASHRAE55 标准对于湿度的限制范围，无论是夏季还是冬季对于人体热舒适的 影响均比较小。从数值上看对于轻体力活动而言，相对湿度增加 10%，相当于环 境温度升高 0.3℃。 1.2 人体的温度、散热、体温调节及心理 从保持人体热平衡的观点看，这一点是很重要的。人体的产热量，基本上由
加上建材、装潢油漆散发的甲醛、氡气等有害气体，以及通风空调的设计不当等 原因产生的有害气体难以排除都能使人们患上“病态建筑综合症”。因此，对室内 热环境的研究和评价处理解决问题有重要的现实意义。
1. 室内热舒适性的影响因素
1.1 环境气象条件 1.1.1 空气温度， 空气温度是影响热舒适最主要的因素[1]， 它直接影响人体通过对 流及辐射的显热交换｡ 人体对温度的感觉是相当灵敏的｡ 反复实验表明， 人判断冷 热感觉的重现能力，并不比机体生理反应的重现能力低｡ 1.1.2 辐射温度， 平均辐射温度取决于周围表面温度｡ 在实际的生产､ 生活环境中， 空气温度和平均辐射温度并不总是均匀的､ 相等的，人们常常会遇到机体某一部 分受冷和受热，比如室内上下温度明显不对称，人体一侧有辐射热源等等，所以 研究平均辐射温度相对于空气温度的偏差以及不对称受热或散热对人体生理或 感觉反应的影响，确定其允许限值是很重要的｡ 苏联学者研究明，为保持工作者 热舒适状态，周围空气温度于围墙温度的差值不得超过 7℃｡ Fanger 通过对加热 天花板舒适限值的研究，发现即使在热舒适条件下，无不对称热辐射时，也有 3.5%的人感到不适[2]｡ 如果按不适人数以不超过 5%为标准， 则对称热辐射限值应 小于 4℃｡ 1.1.3 气流速度，在热环境中，空气流动能为人体提供新鲜的空气，并在一定程 度上加快人体的对流散热和蒸发散热，提供冷却效果，使人体达到热适，同时， 空气的流动速度过大也可能导致有吹风感的危险， 因此空气流动速度的大小是一 不可避免的矛盾。20 世纪 70 年代，McIntyre 的两个重要实验使这方面的研究 有了突破性的进展：(1)在对高温条件下由于空气的高速流动人体热接受性的验 证中， 发现受试者所满意的风扇速度低于保持他们自身的生理热中性的风速，而 且空气的流动在环境温度即使达到 28 ℃时仍能补偿温度的升高[3]；(2)通过实验 研究探讨受试者脸部的吹风感， 发现受试者觉得冷时感到空气流速不满意，在觉 得热时感到空气流速满意， 而且初始时的冷感觉随着时间的延长而逐渐变得不太 明显[4]。夏一哉等作了关于气流的脉动强度和频率对人体的热感觉的研究，并得 出这样的结论:在“中性-热”的环境工况下，增加气流的脉动强度，可以加大热 舒适程度，并减少不愉快吹风感的产生。实验同时发现，频率在 0.05 ～0.18Hz
im 后与服装的基本热阻计算获得。透湿系 im 是一无量纲单位，当完全不透湿时 为 0，当在环境水蒸气分压作用下水蒸气能够完全透过织物时，im =1，这通常只 能在高风速且非着装条件下逼近。静止空气的透湿系数 im 略低于 0.5，而即使是 密闭服装，也往往不能使 im 为 0，一般为 0.08。 1.4 空气离子 存在于大气中的空气离子， 实际就是带正电或带负电的大气分子， 称为正离子和 负离子。近半个世纪以来，由于轻离子奇迹般的生物学效应，特别是轻负离子对 机体所产生的防止疲劳、止汗、镇静、止痛、降压、促食、呼吸舒畅以及精神焕 发的效能， 引起了愈来愈多的人的兴趣。尽管目前对空气离子与热舒适的关系还 不甚了解，但有些实验已初步证明其生物学效应与环境温度、湿度、气流以及空 气成分、 微粒等还是有一定关系的。川崎弘司曾报道过空气中轻离子的浓度随空 气湿度增加而明显下降[10]。Kimnra 等发现，尽管室内温度和二氧化碳都维持在 舒适水平，但若轻离子减少，人就要出汗，并感到不舒畅，从而影响热舒适感。 空气离子浓度究竟多大最为合适， 我国目前尚无空气离子数的标准值。 综上所述， 目前已充分证实人体热舒适是多种因素综合作用的结果，就热舒适本身来说，它 是一个精神的、主观的、心理的状态，因此提出心理变量在判断热舒适中也是有 意义的。
人的活动方式决定，而活动方式在某种程度上与人的年龄和性别有关，从技术观 点看，人体的产热量是不可控制的。人体的散热量在很大程度上取决于衣服，同 时也取决于上述因素的共同影响。 皮肤温度是反映外部环境条件和身体外在条件 (身体活动与服装)对人体影响的重要生理指标。机体主要通过皮肤表面与外环境 进行热交换。 常温下处于安静状态的或从事轻工作的人， 产生的热量约 70%经皮 肤辐射和对流散发。 故通过平均皮肤温度测定， 在很大程度上可以估算机体热交 换的情况。同济医科大学研究证明，稳态热环境中，皮肤变化与人体舒适感密切 相关(P <0.01)， 其对冷热负荷反应较大， 在舒适情况下比其它生理指标， 如脉率、 体温、出汗量等更为敏感，可认为皮肤温度是热舒适的生理基础[9]。从中性环境 突变到冷或热环境下受试者的热反应实验研究表明， 皮肤温度变化有一个过渡过 程，同时热感觉出现滞后。然而，当从冷或热环境进入中性环境时，出现热感觉 “超越”现象。也就是此时皮肤温度和热感觉存在分离现象，皮肤温度和心理热 反应的一一对应关系不在存在。 显然， 这时决定心理热反应的不仅仅是皮肤温度 还存在着其它生理参数。Berglund 等人通过突变热环境下的人体热反应，得出： 人体在环境突变的生理调节周期时，皮肤温度不能独立地作为热感觉评价尺度。 1.3 服装参数
2.室内热环境舒适性的评价指标
2.1 预测平均评价 PMV PMV 指标就是引入反应人体热平衡偏离程度的人体热负荷 TL 而得出的[11]， 其理论依据就是人体处于稳态的热环境下，人体的热负荷越大，人体偏离热舒适 的状态就越远，即人体热负荷正值越大，人就觉得越热,反之越冷｡ Fanger 通过实 验得出人的热感觉与人体热负荷之间的实验回归公式如下： PMV= [0.303exp(-0.036M)+0.0275]TL 其中人体热负荷定义为人体产热量与人体向外界散出的热量之间的差值｡ PMV 指标采用了 7 级分度，见表， 指人体对热湿环境感到满意的主客观评价。热舒适是人体 自身通过热平衡和感觉到的环境状况并综合起来获得是否舒适的感觉， 它是由生 理和心理综合决定的，并且，更偏重于心理上的感受,影响人体热舒适性的环境 参数主要有空气温度、气流速度、空气的相对湿度和平均辐射温度；人的自身参 数有衣服热阻和劳动强度。 人体热舒适的研究涉及建筑热物理、人体热调节机理 的生理学和人的心理学等学科。 人的一生中有 80%以上的时间是在室内度过的， 室内环境品质如声､光､热环 境及室内空气品质对人的身心健康､舒适感及工作效率都会产生直接的影响。同 时，大量的国内外研究表明，室内空气品质也与热环境有关：1)空气温湿度以及 风速会影响室内污染物的放； 2)对污染物的感觉与温度有关， 国外有关研究认为， 在室内空气的化学成分保持不变的情况下，温度降低会使人感到舒服一点，对空 气品质的不满意率也会降低｡ 为了获得舒适的热环境， 各国每年都要消耗大量的能源用于供热和空调。因 缺乏对热舒适的正确理解，往往造成对建筑过分的加热或者过分的冷却，这样， 不仅对人体造成不适，同事，也浪费了大量的能量。 经济的发展，人们对室内的设计构建高标准的审美学。由于房间的气密高，
朱明贵（暖通 1511024003） 摘要：通过介绍室内热舒适性影响因素，对其评价指标 PMV 等进行综述，详尽分析了改善 室内热舒适性的措施， 展望我国研究学者应该结合自身生理参数、 环境参数对前人研究的模 型进行优化。 关键词：热舒适性、PMV、气流组织 Abstract：Through the introduction of indoor thermal comfort factors, their evaluation were reviewed, a detailed analysis of the measures to improve indoor thermal comfort, and the prospect of our researchers should combine their physiological parameters and environmental parameters on the model of previous studies to be optimized. Keywords：Thermal comfort、PMV、air distribution
人体用来维持舒适温度的生理手段是有限的， 一位裸体者借其生理体温调节所能 维持的舒适范围是很小的。用新有效温度(ET＊)作为环境条件的综合热指标，发 现单纯靠生理性体温调节起作用的 ET＊范围只在 25 ～ 40 ℃之间。事实上，在 大多数情况下，人体体内的热是通过皮肤经服装散发到环境中的，反之亦然。所 以评价热环境对人体热舒适的影响时，考虑服装在热交换方面的作用是必要的。 服装的穿着相当于人体表面散热热阻的增加， 影响人体与环境之间的换热的服装 参数主要有:服装热阻和蒸发阻力。服装热阻的定义是：皮肤表面温度 (Tsk)与环 境校正黑球温度[ Tadb=(Ta+Tr) 2]存在 1℃温差下， 服装或空气层允许通过对流和 辐射进行 6.48W m2 的热交换时相当的热阻为 1clo。 在皮肤和着装人体最外层表 面之间的热传递是相当复杂的， 除了纺织品本身的热传递阻力和纺织品层次之间 的空气层的内部对流和辐射过程以外， 衣服的缝纫和合体对传递阻力也是有影响 的。宽松的衣服，可以出现“烟囱效应” 。而如果衣服变湿了，其热传递阻力则 将会大大下降。 服装的蒸发阻力可直接由人体测得，也可用湿铜人测出透湿系数
范围内的气流对人体的热感觉影响不大， 但是在 0.3～ 0.5Hz 范围内却对人体产 生最强的冷作用，而且操作温度和相对湿度对于频率的影响作用并不显著[5]。气 流脉动频率对人体感受气流强度有十分重要的影响，随着频率的增大，人体感受 到的气流速度随之减小。 1.1.4 环境湿度，湿度直接和间接影响人体的热舒适， 环境湿度对于人体热舒适 的影响，主要表现在影响人体皮肤到环境的蒸发热损失方面。当相对湿度保持在 40 %～70 %范围内时，人体可以保证蒸发过程的稳定，而且此时空气流速的作 用非常重要。 如果空气处于静止状态， 则会造成靠近皮肤的空气层水蒸气分压力 较大，人体表面蒸发受阻，从而导致不适。在高温环境中，如果相对湿度高于 70%，常常会引起人体的不适，而且这种不适感随空气湿度的增加而增加。研究 表明，湿度为 80%下的热不舒适程度要大于 70%或更低湿度状况。同时室内环 境相对湿度较大会造成建筑潮湿，甚至有时会出现凝结水现象；相反，如果湿度 低于 30 %，不但会引起人体热感觉的不满，而且会引起呼吸道疾病[6]。由于湿 度主要影响人体汗液的分泌， 从而影响人体表面皮肤的平均湿度， 而皮肤的平均 湿度是预测人体是否热舒适的一项重要判断指标， 因此衣服作为一种传质的阻力 对湿度的感觉也有比较重要的影响。服装纤维结构的粗糙度与湿度感觉有关。当 皮肤平均湿度达到 25%的情况时， 皮肤表面与服装的摩擦显著增大， 而且在皮肤 平均湿度高于 25%的情况下，没有人会感到舒适。在湿度较低的情况下，热感觉 是热舒适的重要衡量指标但在高湿度的情况下， 热感觉并不能很好地预测人体的 热舒适。 另外， 湿度不仅影响人体的热感觉， 同时也影响着室内空气品质。 Toftum 的实验结果表明： 干燥和冷一些的空气让人感觉空气更新鲜， 同时受试者对空气 的可接受程度与空气焓值有直接关系[7]。Berglund 也发现，即使在一间干净、无 异味、通风良好的房间中，随着湿度的增加，受试者仍会感觉到空气质量变差， 而且这种感觉并没有随着暴露时间的增加而改善 [8] 。最后需要说明的是， ASHRAE55 标准对于湿度的限制范围，无论是夏季还是冬季对于人体热舒适的 影响均比较小。从数值上看对于轻体力活动而言，相对湿度增加 10%，相当于环 境温度升高 0.3℃。 1.2 人体的温度、散热、体温调节及心理 从保持人体热平衡的观点看，这一点是很重要的。人体的产热量，基本上由
加上建材、装潢油漆散发的甲醛、氡气等有害气体，以及通风空调的设计不当等 原因产生的有害气体难以排除都能使人们患上“病态建筑综合症”。因此，对室内 热环境的研究和评价处理解决问题有重要的现实意义。
1. 室内热舒适性的影响因素
1.1 环境气象条件 1.1.1 空气温度， 空气温度是影响热舒适最主要的因素[1]， 它直接影响人体通过对 流及辐射的显热交换｡ 人体对温度的感觉是相当灵敏的｡ 反复实验表明， 人判断冷 热感觉的重现能力，并不比机体生理反应的重现能力低｡ 1.1.2 辐射温度， 平均辐射温度取决于周围表面温度｡ 在实际的生产､ 生活环境中， 空气温度和平均辐射温度并不总是均匀的､ 相等的，人们常常会遇到机体某一部 分受冷和受热，比如室内上下温度明显不对称，人体一侧有辐射热源等等，所以 研究平均辐射温度相对于空气温度的偏差以及不对称受热或散热对人体生理或 感觉反应的影响，确定其允许限值是很重要的｡ 苏联学者研究明，为保持工作者 热舒适状态，周围空气温度于围墙温度的差值不得超过 7℃｡ Fanger 通过对加热 天花板舒适限值的研究，发现即使在热舒适条件下，无不对称热辐射时，也有 3.5%的人感到不适[2]｡ 如果按不适人数以不超过 5%为标准， 则对称热辐射限值应 小于 4℃｡ 1.1.3 气流速度，在热环境中，空气流动能为人体提供新鲜的空气，并在一定程 度上加快人体的对流散热和蒸发散热，提供冷却效果，使人体达到热适，同时， 空气的流动速度过大也可能导致有吹风感的危险， 因此空气流动速度的大小是一 不可避免的矛盾。20 世纪 70 年代，McIntyre 的两个重要实验使这方面的研究 有了突破性的进展：(1)在对高温条件下由于空气的高速流动人体热接受性的验 证中， 发现受试者所满意的风扇速度低于保持他们自身的生理热中性的风速，而 且空气的流动在环境温度即使达到 28 ℃时仍能补偿温度的升高[3]；(2)通过实验 研究探讨受试者脸部的吹风感， 发现受试者觉得冷时感到空气流速不满意，在觉 得热时感到空气流速满意， 而且初始时的冷感觉随着时间的延长而逐渐变得不太 明显[4]。夏一哉等作了关于气流的脉动强度和频率对人体的热感觉的研究，并得 出这样的结论:在“中性-热”的环境工况下，增加气流的脉动强度，可以加大热 舒适程度，并减少不愉快吹风感的产生。实验同时发现，频率在 0.05 ～0.18Hz
im 后与服装的基本热阻计算获得。透湿系 im 是一无量纲单位，当完全不透湿时 为 0，当在环境水蒸气分压作用下水蒸气能够完全透过织物时，im =1，这通常只 能在高风速且非着装条件下逼近。静止空气的透湿系数 im 略低于 0.5，而即使是 密闭服装，也往往不能使 im 为 0，一般为 0.08。 1.4 空气离子 存在于大气中的空气离子， 实际就是带正电或带负电的大气分子， 称为正离子和 负离子。近半个世纪以来，由于轻离子奇迹般的生物学效应，特别是轻负离子对 机体所产生的防止疲劳、止汗、镇静、止痛、降压、促食、呼吸舒畅以及精神焕 发的效能， 引起了愈来愈多的人的兴趣。尽管目前对空气离子与热舒适的关系还 不甚了解，但有些实验已初步证明其生物学效应与环境温度、湿度、气流以及空 气成分、 微粒等还是有一定关系的。川崎弘司曾报道过空气中轻离子的浓度随空 气湿度增加而明显下降[10]。Kimnra 等发现，尽管室内温度和二氧化碳都维持在 舒适水平，但若轻离子减少，人就要出汗，并感到不舒畅，从而影响热舒适感。 空气离子浓度究竟多大最为合适， 我国目前尚无空气离子数的标准值。 综上所述， 目前已充分证实人体热舒适是多种因素综合作用的结果，就热舒适本身来说，它 是一个精神的、主观的、心理的状态，因此提出心理变量在判断热舒适中也是有 意义的。
人的活动方式决定，而活动方式在某种程度上与人的年龄和性别有关，从技术观 点看，人体的产热量是不可控制的。人体的散热量在很大程度上取决于衣服，同 时也取决于上述因素的共同影响。 皮肤温度是反映外部环境条件和身体外在条件 (身体活动与服装)对人体影响的重要生理指标。机体主要通过皮肤表面与外环境 进行热交换。 常温下处于安静状态的或从事轻工作的人， 产生的热量约 70%经皮 肤辐射和对流散发。 故通过平均皮肤温度测定， 在很大程度上可以估算机体热交 换的情况。同济医科大学研究证明，稳态热环境中，皮肤变化与人体舒适感密切 相关(P <0.01)， 其对冷热负荷反应较大， 在舒适情况下比其它生理指标， 如脉率、 体温、出汗量等更为敏感，可认为皮肤温度是热舒适的生理基础[9]。从中性环境 突变到冷或热环境下受试者的热反应实验研究表明， 皮肤温度变化有一个过渡过 程，同时热感觉出现滞后。然而，当从冷或热环境进入中性环境时，出现热感觉 “超越”现象。也就是此时皮肤温度和热感觉存在分离现象，皮肤温度和心理热 反应的一一对应关系不在存在。 显然， 这时决定心理热反应的不仅仅是皮肤温度 还存在着其它生理参数。Berglund 等人通过突变热环境下的人体热反应，得出： 人体在环境突变的生理调节周期时，皮肤温度不能独立地作为热感觉评价尺度。 1.3 服装参数
2.室内热环境舒适性的评价指标
2.1 预测平均评价 PMV PMV 指标就是引入反应人体热平衡偏离程度的人体热负荷 TL 而得出的[11]， 其理论依据就是人体处于稳态的热环境下，人体的热负荷越大，人体偏离热舒适 的状态就越远，即人体热负荷正值越大，人就觉得越热,反之越冷｡ Fanger 通过实 验得出人的热感觉与人体热负荷之间的实验回归公式如下： PMV= [0.303exp(-0.036M)+0.0275]TL 其中人体热负荷定义为人体产热量与人体向外界散出的热量之间的差值｡ PMV 指标采用了 7 级分度，见表， 指人体对热湿环境感到满意的主客观评价。热舒适是人体 自身通过热平衡和感觉到的环境状况并综合起来获得是否舒适的感觉， 它是由生 理和心理综合决定的，并且，更偏重于心理上的感受,影响人体热舒适性的环境 参数主要有空气温度、气流速度、空气的相对湿度和平均辐射温度；人的自身参 数有衣服热阻和劳动强度。 人体热舒适的研究涉及建筑热物理、人体热调节机理 的生理学和人的心理学等学科。 人的一生中有 80%以上的时间是在室内度过的， 室内环境品质如声､光､热环 境及室内空气品质对人的身心健康､舒适感及工作效率都会产生直接的影响。同 时，大量的国内外研究表明，室内空气品质也与热环境有关：1)空气温湿度以及 风速会影响室内污染物的放； 2)对污染物的感觉与温度有关， 国外有关研究认为， 在室内空气的化学成分保持不变的情况下，温度降低会使人感到舒服一点，对空 气品质的不满意率也会降低｡ 为了获得舒适的热环境， 各国每年都要消耗大量的能源用于供热和空调。因 缺乏对热舒适的正确理解，往往造成对建筑过分的加热或者过分的冷却，这样， 不仅对人体造成不适，同事，也浪费了大量的能量。 经济的发展，人们对室内的设计构建高标准的审美学。由于房间的气密高，