室内环境温度均匀稳定能够保持人体热舒适, 但在办公场所、商场、工厂等不需要全部使用空调的区域会造成能量的浪费[1]。而个性化舒适系统无室外新风供给, 侧重于人体热感觉和热舒适, 在其提供的非对称环境中, 人体整体热舒适甚至高于中性环境[2-3]。

　　 个性化舒适系统包括风扇、供热/供冷辐射板和座椅等, 通过作用于个体的局部位置, 使室内环境温度达到居住者可以接受的水平, 既保证了人体的热舒适, 又节约了能量。Kaczmarczyk等人在室温20℃、相对湿度30%时使用个性化送风装置向人体面部供应暖风, 结果表明稍高于室温的送风温度有助于改善人体热舒适, 并且减少吹风感[4]。Oi等人发现在空气温度低于15℃的初始加热期间, 汽车内加热座椅能有效改善热舒适性, 且防止了皮肤温度的降低[5]。He等人采用问卷调查、环境测量和访谈相结合的方法调查了湘西地区在住宅中使用火桶 (传统加热装置) 的情况, 调查结果表明火桶使人在极端环境中仍能保持舒适状态, 被调查人员可接受温度区间的下限为9.2℃[6]。Melikov等人设置的带有局部辐射加热的工作台用于加热人体背部、大腿和小腿前后两侧, 其辐射得热能够补偿背景温度降低, 进而保持人体热舒适[7]。Zhang等人在18~30℃时通过局部加热或供冷装置使人体热舒适保持在能被接受的状态, 并且能提高工作效率[8]。Oi等人在12种不同实验条件下研究了汽车内加热座椅和脚部加热器对人体热感觉和热舒适的影响, 结果表明热感觉为中性时的室内温度在使用加热的座椅或足部加热器时约降低3℃, 在使用2种设备时约降低6℃[9]。但现有的个性化舒适系统研究侧重于单个部位或2个部位对整体热感觉和热舒适的影响, 很少涉及多个部位同时加热;同时很少分析加热前后身体局部对整体主观反应的作用差异, 缺少个性化加热装置使用前后热感觉评价模型的对比分析。

　　 本文研究了背景温度为16℃和18℃时个性化舒适系统对人体局部热舒适的影响, 采用电热坐垫和暖脚板对人体足部、大腿和臀部进行局部加热, 分析了加热部位热感觉和热舒适的变化及局部热感觉 (热舒适) 与整体热感觉 (热舒适) 的关系, 并通过线性回归分析得出加热前后局部加热部位对整体热感觉的影响程度。

　　 如图1所示, 实验房间4.5 m (长) ×3.5 m (宽) ×3.5m (高) 。房间设置1个测点, 分别记录0.1, 0.6, 1.1m高处的温湿度。实验模拟正常办公室环境, 设置2个座位。

　　 每次实验, 2名受试者同时进入房间内。每个座位配有1个暖脚板和1个电热坐垫 (各有1个无级功率控制器) , 最大功率分别为20 W和24 W。实验过程中受试者根据自己的需求自主调节功率。室内温度和相对湿度由温湿度记录仪TR-72Ui测量记录, 测量精度分别为±0.3℃和±5%。室内风速由热线风速仪ZRQF-D30测量, 精度为±3%。加热设备表面温度由Pt100热电偶测量。

　　 背景温度设置为16℃和18℃, 相对湿度为60%, 风速控制在0.1m/s以内。实验工况分为对照组和实验组, 对照组中受试者不脱鞋子, 而实验组中受试者脱去鞋子, 共4个工况 (见表1) 。

　　 受试者共18人, 全部为在校大学生, 其信息如表2所示。受试者平均服装热阻为1.2clo, 其中上身、下身、袜子、鞋子和座椅的平均热阻分别为0.74, 0.28, 0.03, 0.05, 0.1clo。下身穿内衬裤+薄长裤, 足部穿厚袜+厚底运动鞋或靴子, 座椅为办公室座椅。

　　 投票部位分为加热部位和非加热部位。Arens等人在研究局部热感觉与整体热感觉时把人体分为4个部分:头部、躯干、四肢和手足, 且发现在冷环境下手足末端对环境更敏感, 而头部的敏感程度较低[10-11]。手部虽然对整体热舒适有较大影响, 但由于手部经常处于活动状态, 实际加热手部的效果非常差[8]。因此加热部位选取坐姿时活动较少、确保有效加热、对人体热感觉影响较大的部位, 分别为臀部、大腿和足部。

　　 对于没有加热的上半身, 各部位热感觉变化较为接近, 且对整体热感觉影响不大[6], 同时减少受试者因身体局部投票太多而产生的混淆, 因此把上半身作为一个整体。故投票部位分为上半身、臀部、大腿、小腿和足部。

　　 提前打开空调系统对实验房间环境进行预处理30min, 将室内环境参数控制到所需水平, 并在实验过程中保持室温相对稳定。

　　 受试者进入实验房间后, 随机选择座位。对照组中受试者不使用设备, 实验组中受试者脱去鞋子, 穿上暖脚板后, 立刻打开电热坐垫和暖脚板开始实验。实验组和对照组每10 min填一次问卷, 实验持续时间为40 min, 共填写4次。问卷采用He等人的热感觉与热舒适投票等级划分方法[12] (见表3) 。

　　 实验过程中室内环境参数实测值如表4所示。受试者所在区域温度分布均匀, 相对湿度和室内空气流速皆控制在一定范围内。

　　 实验过程中, 室内空气流速和相对湿度控制在一定范围内, 80%以上的受试者感觉室内空气流速既不高, 也不低, 且受试者全部都能接受此时的室内空气流速;80%以上的受试者感觉室内空气既不干燥, 也不潮湿, 且90%以上的受试者能接受空气湿度。受试者的主观感觉十分接近。

　　 电热坐垫和暖脚板由受试者自主调节。在16℃和18℃实验组中, 电热坐垫表面温度逐渐升高, 但温度波动范围均为35~40℃。暖脚板与人体接触部分的表面温度变化如图2所示。2种工况下表面温度变化趋势相同, 稳态时平均温度为40~44℃。16℃时个别设备表面温度瞬时值达到54.4℃, 但整个过程温度波动范围小于18℃时的波动范围。

　　 图3显示了背景温度16℃和18℃时加热部位和整体动态热感觉。从图3a可见, 16℃对照组中臀部的热感觉投票值TSV基本在0附近, 而大腿、足部和整体TSV逐渐降低, 其中大腿热感觉接近有点冷, 整体热感觉TSV低于臀部、大腿、足部这3个部位的热感觉。受试者使用电热坐垫和暖脚板后, 3个受热部位的热感觉明显改善, 臀部TSV稳定在0.3, 足部TSV提高最为显著。与对照组相比, 稳态时大腿TSV从-1.1提高到-0.5, 足部TSV从-0.7提高到0.6, 整体TSV从-1.2提高到0.2。从图3b可见, 18℃对照组中臀部TSV无明显变化, 整体TSV稳定在-0.4上。与图3a中16℃对照组相比, 大腿和足部TSV分别提高了0.8和0.1, 虽然有所提高, 但两部位的TSV均在-0.6~-0.3之间。在使用加热设备后, 足部和臀部TSV迅速提高, 而大腿TSV变化很小。原因可能是加热方式为热传导, 大腿与坐垫直接接触的面积比较小, 得到的热量少。

　　 对比16℃和18℃对照组, 2种工况下, 臀部热感觉都在热中性附近, 大腿和足部的热感觉有了明显提高。整体TSV的差值为0.76, 背景温度的升高提高了局部和整体热感觉。对比16℃和18℃实验组, 稳态时整体热感觉由-0.17提高到热中性。2种工况下臀部和足部的热感觉差别不大, 而18℃实验组大腿热感觉高于16℃实验组。因为臀部和足部完全与设备接触, 加热设备提供的热量抵消了背景温度的作用效果, 而大腿只有部分被加热, 大腿的热感觉同时受到背景温度的影响。

　　 图4显示了背景温度16℃和18℃时加热部位和整体动态热舒适。从图4a可见, 使用电热坐垫和暖脚板时, 局部和整体热舒适投票值TCV明显高于不使用电热坐垫和暖脚板的情况。对照组中大腿和足部TCV在-1~-0.5之间, 受试者感到有点不舒适。使用加热设备后, 臀部和大腿TCV提高到0.1和1。结合图3a, 16℃对照组中臀部热感觉属于热中性, 但TCV并不高, 而16℃实验组中臀部受热之后, TCV迅速提高。与其他部位相比, 受试者的足部最舒适, TCV为1.7。而整体热感觉属于热中性, 其热舒适仅次于足部。从图4b可见, 在18℃对照组中, 臀部、大腿、足部和整体的TCV均有降低。随着电热坐垫和暖脚板表面温度的提高, 3个部位的TCV都明显提高。臀部和大腿TCV分别提高0.6和0.4, 足部热舒适最好, TCV从-0.5提高到1.4。同样地, 在人体局部热感觉大于热中性时, 局部热舒适更好。

　　 未使用电热坐垫和暖脚板时, 背景温度的升高提高了加热部位和整体的TCV, 其中整体TCV从-1.2提高到0.11。对比16℃和18℃实验组, 大腿受到背景温度的影响较大, 18℃时大腿的TCV高于16℃时, 整体的TCV也远高于16℃时。

　　 实验进行30min后受试者热感觉和热舒适基本稳定。取稳态时热感觉和热舒适投票平均值进行分析, 并将对照组和实验组进行配对t检验。图5为背景温度为16℃和18℃时加热部位和整体稳态热感觉箱线图。从图5a可见, 电热坐垫和暖脚板的使用提高了局部和整体热感觉。实验组臀部热感觉与对照组产生了显著性差异 (P<0.05, P为配对t检验概率值) , 而大腿、足部和整体热感觉产生了极显著差异 (P<0.01) 。其中实验组足部较热, 整体热感觉提高到热中性。从图5b可见, 与16℃实验组相比, 受试者大腿和整体热感觉明显改变。对比18℃对照组和实验组, 实验组腿部热感觉有所提高, 但没有产生显著性差异 (P>0.05) 。而受试者臀部热感觉产生了显著性差异 (P<0.05) , 足部和整体热感觉产生了极显著差异 (P<0.01) 。且受试者整体热感觉全部处于热中性。

　　 受试者在背景温度16℃使用加热装置达到稳态时, 其整体热感觉投票值TSV集中在-0.17±0.36, 臀部TSV集中在0.25±0.47, 99.5%的受试者大腿TSV在-1~0之间, 88.9%的受试者足部TSV在0~1之间;背景温度18℃稳态时, 整体TSV全部为0, 臀部TSV集中在0.22±0.40。虽然存在个体之间的舒适需求差异, 但不同调节温度使主观热感觉集中在一定范围内, 即主观反应在相似水平上。

　　 图6为背景温度16℃和18℃时加热部位和整体稳态热舒适箱线图。从图6a可见, 电热坐垫和暖脚板的使用提高了局部和整体热舒适。实验组局部和整体热感觉与对照组具有极显著差异 (P<0.01) 。与其他部位相比, 足部热舒适提高效果最显著, 100%受试者TCV在0.5~3之间, 表明受试者足部保持良好的热舒适。实验组受试者在稳态时整体热感觉处于热中性, 83%受试者TCV在0~2之间, 只有极少数人感觉有点不舒适。从图6b可见, 电热坐垫和暖脚板极大地提高了人体的热舒适。实验组腿部热舒适没有产生显著性差异 (P>0.05) 。而受试者臀部、足部和整体热舒适产生了极显著差异 (P<0.01) 。使用电热坐垫和暖脚板后, 在实验中臀部和足部接触温度范围内, 88.9%以上的受试者感到臀部、足部和整体舒适。其中94%的受试者TCV在1~3之间;100%的受试者足部TCV在0~3之间;仅有6%的受试者感到臀部有点不舒适, 即较长时间可接受的温度范围大多数受试者臀部为35~40℃、足部为40~44℃。

　　 使用电热坐垫和暖脚板达到稳态时, 局部和整体的热感觉和热舒适都明显提高。整体热感觉低于最高的热感觉, 介于最高热感觉 (足部) 与其他部位热感觉之间。

　　 在对照组和实验组分别对局部和整体热感觉进行多元线性回归分析, 得到人体热感觉评价模型:

　　 式 (1) , (2) 中TSV₁为对照组整体热感觉投票值;TSV₂为实验组整体热感觉投票值;TSV_u为上半身的热感觉投票值;TSV_p为臀部的热感觉投票值;TSV_t为大腿的热感觉投票值;TSV_c为小腿的热感觉投票值;TSV_f为足部的热感觉投票值;R²为相关系数。

　　 由对照组和实验组人体热感觉评价模型可以看出:未使用加热设备时, 臀部和上半身对整体热感觉的影响较大, 在局部加热臀部、大腿和足部后, 上半身影响因子从0.30减小为0.16, 而大腿的影响因子增大到0.34, 足部由0.16增大到0.21。2个模型的差异表明了局部加热将改变身体局部对于整体反应的影响力, 有助于解释现有研究中不同加热方式产生的身体局部作用差异。表5总结了前人研究的局部-整体热感觉模型。胡鹏超在小腿送风状态下对整体和局部热感觉进行多元线性回归分析, 得到了与本文类似的结论, 刺激部位所在的下半身对整体热感觉的影响较大[13]。而Arens等人研究了单一部位热感觉对整体的影响, 得出臀部对整体热感觉的影响最大, 回归系数为1.34[10]。康诚祖在室内均匀环境下得出热感觉评价模型, 其中臀部、足部及腿部等部位没有显著影响, 胳膊对整体热感觉的影响最大[14]。丁千茹发现刺激四肢对整体热感觉的影响较小, 单一加热足部甚至对整体热感觉没有影响[15]。上述局部-整体热感觉模型与本文结果存在显著差异, 这可能是因为本研究中加热设备并非单一刺激一个部位, 而是对下身3个部位同时加热, 加热部位之间相互影响, 受试者更易感知到下肢加热, 从而造成下身特别是大腿对整体热感觉影响更大。

　　 GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[16]规定在人员长期逗留区域, 热舒适等级Ⅰ级时室内空气温度为22~24℃, 热舒适等级Ⅱ级时室内空气温度为18~22℃, 其中要求热舒适等级Ⅱ级的不满意率≤27%。本实验18℃对照组中, 55.6%的受试者热感觉在-1~-0.5之间, 未能充分满足热舒适需求, 受试者需要局部供暖。且实际供暖中室内空气温度的设定值往往高于20℃。王怡进行了西安冬季集中供暖和空调房间热环境调查分析, 测得集中供暖房间和空调房间平均温度分别为23.2℃和21.8℃[17]。赵温江等人实测得到沈阳市冬季办公建筑室内温度集中在19~24℃[18]。因此, 在18℃及更低温度时设置局部加热装置是有必要的。故本文以国家标准规定的温度下限18℃作为背景温度, 另取背景温度为低于下限的16℃。在2个非均匀冷环境中使用个性化加热设备, 以验证加热设备对提高人体热感觉和热舒适的作用。

　　 ISO 11855-1:2015规定在居住者久坐或站立的辐射供冷/供暖房间中, 地板表面温度范围为19~29℃, 墙体表面温度范围为35~50℃[19]。文献[20]规定对于纺织品材料的地板, 其表面供暖温度最高不超过28℃。以上规范和手册所涉及的表面温度供暖范围针对的是整体式地板供暖, 并不适用于本研究中个性化装置的局部供暖。

　　 个性化装置局部供暖有诸多影响因素, 如加热设备的加热方式、是否与人体接触、人体的活动状态、背景温度及局部部位的衣物热阻等。个性化装置局部供暖表面温度目前没有具体规定, 但前人有过详细的研究。Zhang等人通过对以往文献的总结和问卷分析得到对于室内温度21~23℃, 地板表面最优温度为26~30℃, 最高不超过31℃[21]。Sohn推荐最舒适的地板表面温度为31.6~33.8℃[22]。Melikov等人给出的局部辐射加热表面温度高达60℃[7]。而Foda等人在大厅区域采用局部地板辐射供暖, 当室内温度18℃时, 其表面最高温度为40℃[23]。与Foda等人的研究相似, 本文实验达到稳态时电热坐垫表面温度波动范围为35~40℃, 暖脚板表面平均温度为40~44℃。这是因为本文实验所使用的加热设备与人体直接接触, 接触时间短, 局部加热面积小, 且实验的背景温度较低。本研究中加热面温度高于Zhang等人[21]和Sohn[22]给出的表面温度, 但不超过低温烫伤 (接触时间6h) 的温度阈值44℃[24]。虽然不同于一般地面整体式供暖表面温度, 但本研究的结果表明, 小面积、高温度的局部供暖方式能耗非常低。同时, 实验中有超过88.9%的受试者感到臀部和足部舒适, 受试者舒适度高, 有效地扩展了舒适温度区间。所以, 对于小面积的局部供暖, 可在不产生生理伤害的前提下采用更高的表面温度, 从而实现节能和舒适两方面的效益。本研究也可为将来相关规范的扩展提供依据, 在16℃和18℃、臀部接触温度35~40℃和足部接触温度40~44℃时具有一定的参考价值。

　　 设定温度的降低可使空调能耗降低, 同时室内人员对环境的不满意百分比随之增大。使用个性化舒适系统一方面提高了室内人员对环境的满意度, 另一方面增加了系统能耗。但个性化舒适系统增加的能耗小于由于室内设定点温度降低而减少的能耗。本文加热设备功率太小, 因此以最大功率计算能耗。电热坐垫和暖脚板最大功率分别为20W和24 W, 每次2个受试者, 实验总时长6h, 共消耗电量0.264kW·h。设定温度16, 18, 22℃时分体式空调能耗如表6所示[25]。与设定温度22℃、只使用分体式空调的房间相比, 最大节能率为57.2%。因此本实验使用的电热坐垫和暖脚板具有较大的节能潜力。

　　 1) 随着电热坐垫和暖脚板表面温度的提高, 臀部、大腿和足部的热感觉明显改善。足部热感觉高于大腿和臀部的热感觉。

　　 2) 与16℃和18℃对照组相比, 电热坐垫和暖脚板能够显著提高人体局部和整体热舒适, 且整体热感觉投票值低于最高热感觉投票值, 介于最高热感觉 (足部) 与其他部位热感觉之间。

　　 3) 在不均匀偏冷环境中, 人体局部热感觉大于热中性时, 局部热舒适较好;整体热感觉接近热中性时, 整体热舒适较好。

　　 4) 局部热感觉共同决定整体热感觉, 局部热感觉对整体热感觉的影响程度不同。当背景温度为16℃和18℃时, 在电热坐垫和暖脚板作用下, 大腿对整体热感觉和热舒适的影响最大。