随着建筑节能需求的增加和人们生活水平的提高, 如何创造节能又舒适的空调环境成为当下的热点问题。在这种情况下, “工位空调”[1-5]“冷/热座椅”[6-8]等个性化舒适系统 (PCS) 受到广泛关注。Zhang等人的研究发现, 相比于未使用PCS的情况, 在达到相同热感觉的情况下, 使用PCS拓宽了舒适温度范围 (夏季:1~6℃, 冬季:2~10℃) [9]。可见, PCS是一种既能保证人体热舒适又节能的空调系统。

　　 研究非均匀环境下局部热感觉对人体整体以及其他部位热感觉的影响是个性化舒适系统研究中的一个重要环节。丁千茹研究发现, 在室温26~30℃的房间里将局部气流 (温度20℃) 作用于足部, 不仅会使足部热感觉发生显著变化, 腿部热感觉也从“偏热”变为“偏冷”, 并且其余非刺激部位热感觉也有所改善[10]。Pasut等人的研究结果表明:在16, 18℃环境温度下使用加热靠椅后, 人体整体热感觉得到显著改善, 盆骨热感觉达到“稍暖”, 背部热感觉从“冷”变为“热”[6]。Zhang等人的研究表明, 当人体感觉冷时, 给足部进行局部供暖能有效提高整体热舒适[11]。Watanabe等人研究了可加热座椅、桌下加热板、地面加热板3种供暖设备共用下的局部环境, 结果表明:20℃时采用地面加热板后, 整体温度仅提升了2.1℃, 但足部有效温度提高了4.3℃。因此, 在具有竖直温度梯度的房间里, 使用足部供暖设备能有效缓解下肢热舒适问题[2]。Wang等人对比分析了严寒地区采用散热器供暖与地板供暖对人体皮肤温度、心率和血压的影响, 结果表明:地板供暖比散热器供暖热可接受度高;相对于其他身体部位, 踝关节温度对整体热舒适性影响最大;久坐者在稍冷环境下觉得地板供暖最舒服[12]。王昭俊等人研究了外窗冷辐射与地板供暖造成的不对称、非均匀热环境中人体的生理和心理反应规律, 结果表明:同一工况下局部皮肤温度、局部热感觉和热舒适都存在差异;不同工况下局部皮肤温度、平均皮肤温度、局部和整体的热感觉和热舒适均具有显著差异, 其中小腿的热感觉和热舒适变化最显著[13]。端木琳在对桌面工位空调系统的研究中发现, 局部热感觉随局部送风参数的变化而变化, 并且与整体热感觉显著相关[14]。

　　 综上可知, 已有的研究中供暖设计温度大多在ASHRAE标准[15]规定的舒适区范围内, 偏离舒适区的工况很少。本文研究室内较低环境温度下, 足部供暖对人体整体以及局部热感觉的影响, 并进一步分析加热部位与整体以及其他局部热感觉的关系。

　　 实验在湖南大学人工环境实验室 (5.0 m (长) ×3.5m (宽) , 平面布置见图1) 中进行, 采用分体空调器调节室内温度, 采用加湿器维持室内相对湿度在中等水平。在实验房间中心位置0.1, 0.6, 1.1 m高度处布置测点, 采用TR-72Ui温湿度记录仪连续测量室内外温度 (测量精度为±0.3℃) 和相对湿度 (测量精度为±5%) , TSI-8347热线风速仪测量室内空气流速 (测量精度为±3%) , 以及TSI-8762空气品质仪测量室内二氧化碳浓度 (测量精度为±3%) 。

　　 实验共包括3种工况, 即分别在室内温度为14, 16, 18℃条件下, 使用地暖板+空调系统供暖, 供暖期间受试者可以自主调节地暖板表面温度, 相对湿度控制在55%, 室内空气流速控制在0.1m/s以下, 平均二氧化碳体积分数低于400×10^-6。

　　 挑选20位在校学生 (10男、10女) 参加实验, 年龄在21~25岁之间, 健康状况良好, 身高和体质量分别为 (166.48±8.26) cm, (56.84±9.52) kg, 身体质量指数BMI (body mass index) 在18.8~22.1之间。受试者穿冬季服装, 总热阻为 (1.29±0.17) clo, 其中上装热阻为0.89clo, 下装热阻为0.21clo, 鞋袜热阻为0.11clo。从热阻数据可以看出受试者的穿着习惯为上厚下薄, 其中, 腿部穿着主要类型为内衬裤+薄长裤或厚长裤, 足部穿着主要类型为厚袜+运动鞋或薄袜+靴子/皮鞋。在整个实验过程中, 受试者可坐在办公座椅上阅读、上网或使用手机, 但不允许交流与实验有关的内容。

　　 实验中使用地暖板 (850 mm (长) ×400 mm (宽) ) 作为地面局部供暖设备 (地暖板结构及供暖示意图见图2) 。地暖板的上层 (直接接触人体足部) 为镀锌防潮层和钢板传热层, 中间为碳纤维发热层, 下层 (接触地面) 为起保温和阻燃作用的聚氨酯发泡绝缘层、底部防潮锡纸层和金属保护层。地暖板放置于办公桌下, 受试者坐在办公桌前, 穿上鞋套踩在地暖板上对足部进行加热, 受试者使用LB-SM6智能温控器自主控制与足部直接接触设备的表面温度。

　　 实验分为稳定期、适应期和暴露期3个阶段。稳定期:实验开始前受试者在20℃的房间停留15min, 达到热中性状态;适应期:不进行足部供暖, 受试者在14, 16, 18℃3种环境温度下对整体与局部热感觉进行投票;暴露期:在3种环境温度下, 采用地暖板对敏感部位 (足部) 供暖, 同时受试者填写热感觉调查问卷。其中, 问卷调查热感觉评价采用ASHRAE 7级热感觉标尺 (见图3) 。

　　 表1给出了实验测得的室内各环境参数。各工况下测得的平均背景温度与设定背景温度相近, 但有一定的竖直温差, 而地暖板能起到减小竖直温差的作用;相对湿度基本符合设定范围;风速测量值都在设定范围内;二氧化碳平均体积分数不超过400×10^-6, 室内空气新鲜。

　　 实验过程中, 使用Pt100传感器测量与足部接触的地暖板表面温度, 使用UT230A-II功率计 (测量精度为±1%) 测量设备消耗的电量。图4给出了各环境温度下地暖板表面温度与功率。由图4可知:14℃时, 地暖板表面温度为 (44.7±8.9) ℃, 功率为 (47.0±12.2) W;16℃时, 地暖板表面温度为 (43.7±8.7) ℃, 功率为 (44.2±10.8) W;18℃时, 地暖板表面温度为 (42.1±6.3) ℃, 功率为 (41.7±10.9) W。通过以上数据分析可知, 足部供暖设备功率较低, 节能效果明显。

　　 组内方差分析可知, 适应期与暴露期内受试者热感觉投票值都在30min内达到稳定 (最后2次投票差异检验水平P>0.05) , 以下分析都基于热感觉稳定状态。各环境温度下足部供暖前后热感觉投票值差异检验水平见表2。

　　 图5显示了14℃环境温度下足部供暖前后人体整体与局部热感觉投票值的变化。从图5可以看出:进行足部供暖后人体整体与局部 (除颈部) 热感觉都有所提升。其中, 人体偏上的部位 (呼吸区、头部、颈部、胸部、背部、腹部、臀部、上臂) 局部热感觉投票值稍有增大, 但差异不具有显著性 (P>0.05) ;前臂热感觉投票值上升了0.3个尺度 (P=0.030) ;手掌、大腿、小腿热感觉投票值均上升了0.5个尺度以上;足部热感觉投票值上升1个尺度, 从“冷”侧提升到“热”侧;手掌、大腿、小腿以及足部热感觉投票值具有非常显著的差异性 (P<0.01) 。人体整体热感觉投票值上升0.5个尺度 (P=0.004) , 使用地暖板前后具有显著性差异。

　　 图6显示了环境温度16℃下足部供暖前后人体整体与局部热感觉投票值的变化。从图6可以看出:足部供暖后局部与整体热感觉投票值都有所增大。其中, 人体头部、上肢和躯干部位热感觉投票值稍有增大, 热感觉完全达到热中性, 但供暖前后无显著差异 (P>0.05) ;供暖部位 (足部) 与近供暖部位 (大腿、小腿) 热感觉投票值分别提升了1.05, 0.50, 0.45个尺度, 供暖前后差异性极显著 (P分别为0, 0.004, 0.004) 。整体热感觉投票值提升了0.45个尺度 (P=0.004) , 足部供暖后整体热感觉接近热中性 (投票值为-0.15) 。

　　 图7显示了18℃环境温度下足部供暖前后人体整体与局部热感觉投票值的变化。从图7可以看出:足部供暖后整体与局部 (除大腿、小腿) 热感觉投票值都有所增大, 且热感觉都达到热中性以上, 大腿、小腿热感觉投票值也分别提升了0.25, 0.3个尺度, 供暖前后差异具有显著性;人体整体热感觉达到热中性状态, 使用地暖板前后具有显著性差异 (P<0.05) 。

　　 从表2与图5~7可以看出:

　　 1) 足部供暖不仅能提升足部热感觉, 对大腿、小腿热感觉也能产生显著影响, 且室内环境温度越低, 影响越大, 差异性越显著。四肢离人体核心部位较远 (受环境影响较大) , 而大腿、小腿离加热部位较近 (足部加热使其周围微环境温度提升) , 地暖板通过热辐射和加热空气, 可作用于腿部, 从而影响腿部热感觉。因此, 足部加热对大、小腿热感觉影响显著。此外, 环境温度为14℃时, 使用地暖板前后手掌热感觉具有显著性差异, 但环境温度升高到16, 18℃后, 热感觉无显著性差异。分析原因为:14℃时, 环境温度较低, 适应期受试者手掌热感觉投票值低于“-1”, 在暴露期观察到部分受试者将手挪至腿部的行为 (靠近地暖板) , 提高了手的热感觉。而在16, 18℃时, 适应期受试者手的热感觉投票值已趋近“0”, 受试者的手一直放在桌面上, 受热辐射和加热空气的影响不明显。

　　 2) 足部供暖对头部和躯干热感觉影响较小。躯干和头部离人体核心部位较近, 人体系统自主调节保证核心温度处于稳定状态, 足部供暖前, 人体的躯干和头部热感觉已趋近热中性状态, 且离加热部位 (足部) 较远, 因此头部和躯干局部热感觉变化不显著。

　　 3) 整体热感觉随局部热感觉的提升而得以改善。环境温度14℃下, 适应期手掌、大腿、小腿、足部热感觉投票值低于-1, 其他局部热感觉投票值高于-0.5, 整体热感觉投票值为-1.15;暴露期手掌、大腿、小腿、足部热感觉投票值提升0.5个尺度以上, 整体热感觉提升0.5个尺度, 其他部位无显著差异。16℃环境温度下, 适应期大腿、小腿、足部热感觉投票值低于-0.6, 其他局部热感觉投票值高于-0.3, 整体热感觉为-0.65;暴露期大腿、小腿、足部热感觉投票值提升0.45个尺度以上, 整体热感觉投票值提升0.55个尺度, 其他部位无显著差异。18℃环境温度下, 适应期大腿、小腿、足部热感觉投票值低于-0.35, 其他局部热感觉投票值高于-0.1, 整体热感觉为-0.35;暴露期大腿、小腿、足部热感觉投票值都提升0.25个尺度以上, 整体热感觉投票值提升0.35个尺度, 其他部位无显著差异。可见, 实验适应期身体末端部位比其他部位明显偏凉, 从而造成整体热感觉偏凉的现象。暴露期采用地暖板后, 身体末端部位被加热, 局部热感觉上升, 整体热感觉也随之提升。Wang等人研究地板供暖对人体热舒适影响的结果表明:在稍凉或温热的状态下, 脚踝的热舒适度对整体热舒适影响显著, 提升脚踝的热舒适能促进整体热舒适的提高[12]。Zhang等人的研究也表明:强烈的局部热感觉对整体热感觉起主导作用, 在非均匀环境下, 总体舒适度接近最不舒适局部的热舒适水平[16]。

　　 4) 足部供暖后, 热感觉投票值大于0, 可见受试者自主调节时更希望加热部位处于稍热的感觉, Humphreys等人的研究结果显示, 57%的受试者所期望的热感觉并非热中性[17]。

　　 主要分析足部热感觉投票值 (TSV_f) 对大腿热感觉投票值 (TSV_t) 、小腿热感觉投票值 (TSV_c) 以及整体热感觉投票值 (TSV_o) 的影响。经过S-W检验可知, 足部、大腿、小腿以及整体热感觉投票值都近似服从正态分布 (P分别为0.085, 0.053, 0.052, 0.094) 。

　　 图8显示了足部热感觉投票值与大腿、小腿热感觉投票值的关系, 图中各点表示所有受试者的投票均值。

　　 1) 适应期。由图8可知, 均匀环境下 (无足部供暖) TSV_f与TSV_t, TSV_c的线性拟合关系呈显著线性变化 (相关系数R²≥0.94, P<0.001) , 大腿热感觉投票值稍高于小腿热感觉投票值, 但小腿热感觉投票值变化率高于大腿热感觉投票值。当环境温度较低 (14℃) 时, 足部热感觉投票值低于-1, 大腿、小腿热感觉投票值低于-0.9;当环境温度提高后 (16, 18℃) , 足部热感觉投票值增大 (-0.6以上) , 大腿、小腿热感觉也得以改善。

　　 2) 暴露期。由图8可以看出, 非均匀环境下足部热感觉投票值与人体大腿 (图8c) 、小腿热感觉投票值 (图8d) 具有很强的高斯函数曲线拟合关系 (R²≥0.92, P<0.001) 。当TSV_f<0, 即足部热感觉处于冷的状态时, TSV_c与TSV_t上升速度缓慢;当TSV_f>0时, 即足部热感觉处于热的状态时, 人体大腿与小腿热感觉投票值随之快速提升;当TSV_f达到0.5左右时, TSV_t, TSV_c趋近热中性状态。

　　 图9, 10显示了足部热感觉投票值与整体热感觉投票值之间的关系, 图中各点含义与图8一致。

　　 1) 适应期。由图9可知, 均匀环境下 (无足部供暖) TSV_f与TSV_o呈显著线性变化 (R²=0.89, P<0.001) 关系。当环境温度较低 (14℃) 时, 足部热感觉投票值低于-1, 整体热感觉投票值低于0.6;当环境温度提高后 (16, 18℃) , 足部热感觉投票值迅速增大 (-0.6以上) , 整体热感觉投票值随之增大, 但都低于-0.1。

　　 2) 暴露期。由图10可以看出, 足部热感觉投票值与人体整体热感觉投票值拟合程度较好 (R²=0.83, P<0.001) 。当TSV_f<0时, TSV_o增大速度缓慢;当TSV_f>0时, TSV_o随之快速增大, TSV_f=0.5时, TSV_o达到热中性。

　　 由图8~10可知:在所研究温度范围内, 适应期和暴露期大腿、小腿和整体热感觉都随足部热感觉的提升而提升;大腿热感觉投票值大于小腿热感觉投票值, 大腿、小腿与足部热感觉投票值的拟合关系优于整体与足部热感觉投票值的拟合关系;不同环境温度下, 适应期热感觉投票值都低于0;暴露期足部热感觉为偏热时, 大腿、小腿以及整体热感觉都接近热中性。

　　 18℃环境温度下, 比较Vesel等人开发的足部供暖设备———地热毯[18]与本文介绍的供暖设备———地暖板可知, 2种足部供暖设备都能显著提高足部热感觉, 并对手部以及整体热感觉有所改善, 对头部热感觉的影响无显著差异 (见表3) 。本文的热感觉投票值普遍高于文献[18]中的热感觉投票值, 原因在于本文中受试者服装总热阻为 (1.29±0.17) clo, 文献[18]中的实验服装热阻为 (0.76±0.02) clo。地暖板不仅能显著提高足部热感觉, 还能提高腿部热感觉以及整体热感觉。由第2.2节可知, 本文使用的供暖设备功率较低, 具有节能性。

　　 通过第2.3节实验结果分析发现, 足部供暖对足部热感觉有显著影响, 而对大腿、小腿以及整体热感觉的影响具有显著差异性。适应期足部热感觉投票值与大腿、小腿投票值以及整体热感觉投票值呈线性关系;张宇峰等人的研究表明:热感觉、热舒适以及热可接受度在均匀环境下线性相关[19]。可见, 均匀环境下局部与整体热感觉、整体热感觉与热舒适等局部和整体热反应都具有线性相关关系。张宇峰等人的研究表明:热感觉、热舒适以及热可接受度在非均匀环境下出现分离现象, 不再呈线性相关, 但仍有一定的对应范围[19]。本文研究表明:暴露期足部热感觉投票值与大腿、小腿投票值以及整体热感觉投票值具有较好的高斯函数曲线拟合关系。

　　 在均匀和非均匀环境下, 足部与整体热感觉投票值的拟合结果都稍逊于足部与大腿、小腿热感觉投票值的拟合结果。丁千茹认为, 整体热感觉是人体各个部位热感觉信号在大脑中的整合结果, 它不但受刺激部位局部热感觉的影响, 还受其他部位热状态的影响。说明足部供暖不仅对大、小腿热感觉有影响, 也有助于提升整体热感觉[10]。

　　 ASHRAE 55-2010标准指出, 地板温度在19~29℃之间时, 可满足90%的人的热舒适[15];ISO 7730:2005标准指出, 针对站立或久坐不动的人, 地板温度约为24℃时满意率最高, 温度过高或过低都会降低满意率[20]。本文研究中地板温度平均为43.5℃, 明显高于标准中的舒适区地板温度, 原因如下:1) 本文实验中用于测量地板表面温度的Pt100探头位于受试者足下, 所测地板温度为与受试者脚底直接接触的地板表面温度, 而非直接暴露于空气中的地板表面温度;2) 本文研究在实验室中进行, 设定的环境温度低于一般地面供暖对应的室内空气温度, 且不同于一般地面供暖, 该设备仅在人员所处位置地面设置, 相对于整个房间而言, 只有人员所在区域实现局部地面供暖;3) 本文实验中地板温度并非固定, 而是由受试者根据自身需求自主调节。

　　 1) 足部供暖不仅提高足部热感觉, 对大腿、小腿以及整体热感觉也影响显著 (P<0.05) , 环境温度越低, 影响越显著。

　　 2) 均匀环境温度下, 足部热感觉投票值与整体以及大腿、小腿热感觉投票值呈线性相关关系 (R²≥0.89) 。

　　 3) 非均匀环境下, 足部热感觉投票值与整体、大腿、小腿热感觉投票值呈高斯函数曲线拟合关系 (R²≥0.83) 。足部热感觉投票值小于0时 (偏冷) , 整体与其他局部热感觉投票值随足部热感觉投票值的增大而缓慢增大;足部热感觉投票值大于0时 (偏热) , 整体与其他局部热感觉投票值随足部热感觉投票值的增大而快速增大;足部热感觉投票值达到0.5左右时, 整体以及其他局部热感觉接近热中性状态。