全社会在注重建筑用水效率的同时, 对于用水舒适度的要求也越来越高, 冷热混水龙头是建筑内主要用水点, 用水舒适度评价方法的研究有利于优化用水点的设计。但至今国内外还没有相关评价方法。调查显示, 用水舒适度的主要影响因素包括以下3点:出水温度、水流与手接触时是否产生飞溅、洗手效率。理论分析可知水流与人体皮肤的温度差 (以下简称温差) 影响热舒适性, 水流对皮肤的冲击力度 (以下简称冲击力) 影响打击痛觉及飞溅程度、清洗的洗净度。所以利用温差、冲击力双参数进行用水舒适度评价研究具有重要意义。

水温方面, 过高或过低都会引起用水不舒适, 对于老幼及体弱敏感人群尤为明显, 严重情况下还会损伤皮肤健康。现实中存在较多因供水温度过高而造成热能浪费的问题。冲击力方面, 建筑供水压力偏小则器具出流量偏小, 用水时间往往延长, 用水者心情烦躁, 用水舒适度下降, 用水量可能不减反增。如《水嘴用水效率限定值及用水效率等级》 (GB25501-2010) 中认定的一级节水型水龙头^[1], 供水压力为0.10～0.15MPa时, 洗手流量较小, 洗手效率低且达不到舒适要求, 节水效果也较差。当供水压力过大时, 水流冲击力过大, 易产生飞溅造成用水不舒适和水资源的浪费。所以合理的节水必须是满足用水舒适性前提下的节水。本试验选用住宅中较普通使用的冷热混水龙头作为研究对象, 有助于规范并引导水龙头市场向着节水、舒适的方向发展。

至今, 建筑用水舒适度相关的研究在日本较多, 包括淋浴、沐浴、洗衣、餐具清洗^[2]。欧盟、美国、澳大利亚等国家对水龙头和花洒的用水舒适度和节水性进行过研究, 并出台了相应的国家标准。我国大陆的相关研究还很少, 已有的研究也仅着眼于舒适流量的单因素考虑, 且未对各类型受试者进行针对性研究, 缺乏严谨性和准确性。所以国内外至今还没有明确的各类型人群用水舒适度评价方法。现有的人体舒适度评价研究中, 较集中和成熟的是暖通空调、服装等与室内外环境相关的行业, 建筑给排水行业几乎没有相关研究。目前人体舒适度评价方法主要有2种: (1) 直接应用舒适度指标公式计算; (2) 对测量参数进行综合信息处理^[3]。前者是指通过试验获得大量数据进行计算、订正, 确定出基本适合的经验公式。国内外已认可的多种人体舒适度预报公式仍在不断讨论并针对不同气候条件区域进行修正^[4]。后者是指无法得到明确、可行的指标公式, 需要对各参数进行综合分析, 一般需要建立复杂的数学模型。其中衡量室内环境人体舒适度的最常用评价方法是基于PMV评价指标的人体热反应数学模型, 该模型结果代表了同一环境中大多数人的冷热平均感觉。PMV评价指标设定了从冷到热的7级感觉, 以人体的新陈代谢率和热舒适系统的能量传输率来计算, 并以预测不满意百分数来减小不同人群的热感受差异。另外也有运用多元统计分析中的图表达和图分析理论进行数据融合, 以质量面积评价室内环境的舒适度大小的方法^[5]。以上方法计算量大且较为复杂。用水舒适度不仅涉及温差, 冲击力也是重要的影响参数, 不同群体的用水舒适度差异性较大是用水舒适度评价方法结果统一的最大难点。本文参考各专业人体舒适度评价方法, 探索用水舒适度的指标公式和对测量参数进行综合信息处理的方法。

测试对象分为青年 (18～30岁) 、中年 (31～55岁) 、老年 (55岁以上) 3个年龄段, 测试工况包括使用和不使用洗手液, 计算其在用水舒适时的温差与冲击力2个指标。

FLIR T600红外热像仪;电子秤;冷热混水龙头。

通过受试者在2种工况下进行冷热混水龙头用水舒适度测试, 获得大样本数据。由每位受试者自由调节洗手水流至舒适状态后, 用FLIR T600红外热像仪测定洗手水流与人体手表皮的温差, 用电子秤测定水流对人手表面皮肤的冲击力。每位受试者的2个参数均测定3次, 得到每位受试者的舒适温差和舒适冲击力的数值。其中为了保证每次试验的数据具有相对统一性, 水流与双手接触点距离出水口的距离均为10cm, 水流与双手接触所成的冲击角度均为60°。对大样本数据进行分类和分析, 得到每个年龄段每个性别的人群分别在使用和不使用洗手液情况下的舒适温差和舒适冲击力。

每次针对受试者类型和是否使用洗手液的条件, 保持温差为舒适值, 调节水龙头的开启程度, 记录受试者在不同冲击力大小下的洗手舒适情况, 直至受试者感受到冲击力超出舒适范围, 得出冲击力范围与舒适度的对应关系。保持冲击力为舒适值, 调节水龙头的开启程度, 记录受试者在不同温差大小下的洗手舒适情况, 直至受试者感受到温差超出舒适范围, 得出温差范围与舒适度的对应关系。利用标准正态分布函数的3个常用概率反推出一种用水舒适度评价方法。

不同人群在使用和不使用洗手液情况下的用水舒适温差与冲击力均不同, 温差数值上大体呈现女性大于男性、老年约等于中年大于青年、使用洗手液大于不使用洗手液的规律。冲击力数值上大体呈现男性大于女性、中年约等于老年小于青年、使用洗手液大于不使用洗手液的规律。不同人群洗手舒适温差与冲击力值见表1。

从表1可知, 各年龄阶段、2种性别的人群在不使用洗手液时的舒适温差、冲击力均值分别为8.8℃、0.213 N, 使用洗手液时舒适温差仅高出0.2℃, 舒适冲击力相差很小, 仅偏大0.016N。所以普适于所有类型人群的用水舒适温差、冲击力分别约为8.9℃、0.221N。

不同人群用水舒适时的温差与冲击力关系见图1a。以青年男性不使用洗手液为例, 其用水舒适时的温差与冲击力关系见图1b, 其他情况的温差与冲击力关系图均类似于图1b。

由图1可知, 综合情况及单情况下用水舒适时的冲击力随温差增大均呈现波动式微上升趋势, 舒适冲击力与舒适温差2个参数分布较随机, 利用均值法难以得出2个指标之间的具体函数公式, 且为了直观地反映用水舒适度状况, 应将温差与冲击力两者区间范围综合处理探索用水舒适度的判断图。

青年、中年、老年的男性、女性分别在有与没有使用洗手液情况下用水舒适时的舒适温差范围对比见图2。

由图2分析可知, 各年龄阶段、2种性别的人群在不使用洗手液时的舒适温差范围为7.1～13.0℃, 使用洗手液时为7.5～13.6℃。不同人群在使用冷热混水龙头时的用水舒适温差在数值上仍大体符合女性大于男性、老年约等于中年大于青年、使用洗手液大于不使用洗手液的规律。

在性别方面, 女性平均洗手舒适温差约大于男性1.09%;在年龄方面, 青年的洗手舒适温差最小, 中年与老年的洗手舒适温差近似等同, 比青年约大5.27%;在是否使用洗手液方面, 使用洗手液的舒适温差比不使用洗手液的舒适温差约大2.06%。舒适温差下限为青年男性不使用洗手液时的7.1℃, 上限为老年女性使用洗手液时的13.6℃, 分析是因为青年男性相对身体素质最强, 自身温度较高, 所以所需水温差较小, 而老年女性身体相对最弱, 对温暖的需求更强烈, 自身温度较低, 特别是在使用洗手液时出于洁净要求所需水温提高。偏低温的较舒适区间非常窄, 仅为0.7℃, 偏高温的较舒适区间为2.6℃, 约为偏低温的较舒适区间的4倍。分析原因是人群在使用冷热混水龙头洗手时, 对冷感觉相对于热感觉更敏感, 所以应注重水龙头用水舒适度的下限温度设计。

青年、中年、老年的男性、女性分别在有与没有使用洗手液情况下用水舒适时的舒适冲击力范围对比见图3。

由图3分析可知, 各年龄阶段、2种性别的人群在使用冷热混水龙头时, 使用和不使用洗手液条件下的舒适温差范围差别细微, 均集中为0.22～0.28N。且冲击力在数值上仍大体符合女性小于男性、中年约等于老年小于青年、使用洗手液大于不使用洗手液的规律

在性别方面, 男性平均洗手舒适冲击力约大于女性5.51%;在年龄方面, 中年与老年的洗手舒适冲击力近似等同, 青年的洗手舒适冲击力最大, 比中老年约大4.31%;在是否使用洗手液方面, 使用洗手液的舒适冲击力比不使用洗手液的舒适冲击力约大7.6%。较舒适的用水冲击力区间与较舒适的用水温差区间均最窄, 说明较舒适区间作为最舒适和不舒适区间的过度, 人体感受变化较快。其中2个较舒适区间与很舒适区间均在0.03N左右, 所以人群对于水头用水舒适度的冲击力大小感受较均匀。

因为用水的舒适性评价同时受到温差与冲击力的影响, 所以当温差在舒适区间而冲击力不属于舒适区间时, 用水仍达不到舒适要求。标准正态分布是数理统计法中最具影响力的函数之一, 利用标准正态分布函数的3个常用概率将温差与冲击力区间范围划分为高集中、中集中和低集中区间, 即68.27%、95.45%、99.73%, 分别代表距平均值小于1个、2个、3个标准差之内的数值范围。该方法计算量少且可直观表征能满足绝大多数人群用水舒适度的参数区间。考虑老年人群作为一个特殊群体, 现有大量养老院等老年专用建筑, 将人群分为2类:青中年、老年, 研究使用冷热混水龙头的用水舒适度判断见图4。

青中年总测试人数123人。高集中区要求用水能够满足大多数青中年人的要求, 占比应为68.69%, 由图4a可知实际占比为68.29%, 该区间内同时满足温差在7.7～10.5℃范围内和冲击力在0.212～0.258N范围内。中集中区间要求用水能够满足较多数青中年人的要求, 其与高集中区间占比之和应为95.45%, 所以其占比应为27.16%, 实际占比为26.02%, 该区间内温差和冲击力分别在7.2～7.7℃和10.5～12.8℃、0.209～0.212N和0.258～0.270N范围内。低集中区内用水无法满足青中年大众舒适用水的需求, 其与高、中集中区间占比总和应为99.73%, 所以其占比应为5.42%, 实际占比5.69%。

老年总测试人数50人, 其高、中、低三区间的意义与青中年相同。由图4b可知, 老年高集中区间占比68%, 区间内同时满足温差在8.4～10.6℃范围内, 冲击力在0.227～0.265N范围内。中集中区间占比26%, 温差和冲击力分别在8.1～8.4℃和10.6～11.8℃、0.220～0.227 N和0.265～0.273N范围内。低集中区间占比6%。

(1) 青中年测试样本数为123, 老年测试样本数为50, 本评价方法利用标准正态分布函数的3个常用概率推出温差、冲击力双参数三区间判断框图是合理可行的。方法简单直观, 计算量少。

(2) 满足标准正态分布函数68.27%的青中年区间为温差7.7～10.5℃和冲击力0.212～0.258N;老年区间为温差8.4～10.6℃和冲击力0.227～0.265N。

(3) 满足标准正态分布函数95.45%的青中年区间为温差7.2～12.8℃和冲击力0.209～0.270N;老年区间为温差8.1～11.8℃和冲击力0.220～0.273N。

(4) 满足标准正态分布函数99.73%的青中年区间为温差7.1～13.5℃和冲击力0.205～0.283N;老年区间为温差8.0～12.3℃和冲击力0.221～0.286N。

(5) 冷热混水龙头出水在高集中区间时, 中青老年出水最高温度为36.3℃, 最大流量为0.078L/s。《建筑给水排水设计规范》 (GB 50015-2003, 2009年版) 规定住宅、别墅、宾馆等建筑的洗脸盆使用水温30℃, 未满足最佳舒适水温要求。出水舒适流量相对于一级节水龙头的流量0.1L/s还存在节水潜力, 节水率达22%。所以, 本方法有利于同时评价冷热混水龙头的舒适性和节水性。