创造满足人类生产、生活和科学实验所要求的空气环境是空气调节的任务。随着社会生产力和科学技术水平的提高，空气调节技术学科得到了快速的发展。空调使用的普及，使得室 内环境的热舒适问题越来越引起人们的关注，有关研究也日益增多。
热环境中各因素对人体影响的研究已经历了近一个世纪，美国堪萨斯州立大学和丹麦工业大学P.O.Fanger教授的研究成果[1]尤为引人注目，前者的成果作为制定ASHARE[2]标准的依据，后者的研究成果被国际标准化组织（ISO）作为制定ISO-7730标准[3]的依据。但两者的研究成果多是在稳态空调环境下所进行的。
传统空调的控制策略是以整个房间作为调节对象，力求创造一个稳态的热环境，使人的主观热感觉处于热中性，环境温度保持在相对较低的水平上，相对湿度维持在50%左右，环境的气流速度限制在较低的范围内，一般不大于0.15m/s。然而，在实际的运行中，这种稳态的空调环境存在许多问题：第一，长期生活在稳态空调环境中的人体会产生“空调不适应症”。人们在自然环境中所经历的是非稳态热环境，而传统的空调方式把人置于稳态热环境中，缺少各种环境刺激[4，5]，导致人体体温调节功能衰退和抵抗力的下降；第二，为了减小冷负荷，建筑门窗的密闭性能越来越好，而室内装修材料散发大量的VOCS，因此环境污染和人体产生的生物性污染得不到合理的稀释，加之传统空调工作区处于气流的回流区，人们在这种建筑中长期生活，可能出现“病态建筑综合症”；第三，稳态的空调环境对气流速度严格限制，这种近乎无风的环境与人们生活的自然环境有很大不同。人们在较热的环境中希望利用空气流动来满足人体散热和热舒适的要求，有调查显示，在环境较热时，人们对自然风及自然环境的偏爱[6] ，这与传统空调环境对风速的限制是矛盾的。较低的风速导致空调环境不能充分利用气流的冷却作用，只有降低环境温度以保证人体处于热中性，因此造成房间冷负荷大，耗能多。
基于以上原因，大力开展动态热环境的研究已经成为大势所趋，近年来，国际上已开始重视动态热环境的研究，并且在热环境调节的策略上[7]，初步提出了可操作的模式，利用这一模式，可充分发挥自然通风、室内动态等温空气流动和必要的降温措施联合工作的优点，按北京的气候条件，执行这一模式，预计可以降低能耗达40%-50%[8]。动态热环境下人体的热感觉的研究一直是动态热环境研究中的一个重要方面，本文拟对国内外在动态热环境对于热感觉影响方面的研究做一综述，对清华大学多年来在这一方面的研究成果做比较详细的介绍，并对动态热环境的研究进行展望。
1 国外研究现状
动态化热环境的实现主要依赖空气温度和风速的动态化。国内外对于动态热环境的研究也主要集中在对空气温度和风速动态化上。
1.1 温度动态化研究
早期对于动态环境下热感觉的研究工作主要是关于突变热条件下的热感觉[9-11]。Gagge等人对“中性-热-中性” 和“中性-冷-中性”两种情况进行了研究，结果表明：由中性环境到热环境或冷环境时，皮肤温度的变化存在一个过渡过程，同时热感觉出现“滞后”；然而，当从冷环境或热环境进入中性环境时，出现热感觉“超越”现象，皮肤温度和热感觉有分离现象，Gagge认为这种现象是由于皮肤温度急剧变化所致，即皮肤温度的变化率产生了一种附加热感觉，而这种热感觉掩盖了皮肤温度本身所引起的不舒适感。文献[12]、[13]研究突变温度对人体的影响，结果认为人体对突变环境的生理调节是相当迅速的，并且不会对人体产生不良后果。
对于渐变热环境，研究者们力图弄清楚室内参数在多大范围内变化，才能即满足人体的舒适范围，又能达到节能效果。Berglund和Gonzalez[12]研究了三种服装热阻下（0.5，0.7，0.9clo），环境温度分别以七种速率（0，0.5，1，1.5℃/h）偏离中性温度做单方向变化时，人体热感觉的变化规律，结果表明：低速率（0.5℃/h）的温度递变条件下，受试者几乎感觉不出温度的变化；环境温度递变速率越大，人体所能接受的温度变化范围越大。Berglund解释可能是因为低速率递变时允许了更多的生理调节，如血管扩张、收缩等；服装热阻越大，人对温度变化的感觉越不明显；速率为1℃/h时，单位空气温度变化下，热感觉的变化值总是要比速率为1.5℃/h要高，但与速率为0.5℃/h无此对应关系。
1.2 风速动态化研究
McIntyre[14]认为利用风扇可以在室内造成一个舒适环境，然而风速不得超过2m/s，太大的风速使人不舒适。ASHRAE热舒适标准55-1981[15]规定了夏季热舒适温度上限为26℃。但堪萨斯州立大学的Rohles[16]等人认为在环境相对湿度为50%时，只要给一定风速，该温度上限能达到29.4℃。Arens[17]认为在相对湿度40%时，衣服热阻为0.4clo，空气速度为1.02m/s时，舒适温度上限可达33.3℃。Wu. H[18,19]的实验结果为：人的衣量为0.5clo，轻微活动程度， 空气温度为31.1、32.2、 33.3℃，对应的相对湿度为50%、39%、30%；房间吊扇以1.05m/s的风速吹，有85%以上的人感到舒适；摇头风扇的最大风速为1.52m/s时，80%以上的人感到舒适。
1.3 动态热环境下人体热反应的预测
动态热环境下人体热反应的预测模型大多建立在人体体温调节模型的基础上，1963年Wissler和Crossbie[20]首次在模型中考虑了人体体温调节功能，提出体温调节包括三种方法：比例调节、双位调节和被调对象的变化率调节。此模型可以预测稳态的皮肤温度和核心温度，也可用于预测动态的皮肤温度变化。1971年，Stolwijk[21]提出了六节段模型，模型中着重考虑了体温调节功能，并用生理学上的“调定点”原理进行了数学描述。该模型比较符合生理规律，在许多领域得到了应用。随后Gordon等将Stolwijk模型扩展到14节段11层，体温调节功能的描述则又增加了皮肤热流这一项。1982年，Wissler[22]又进一步将模型扩展到15节段15层。1983年Indira Chatlerjee[23]将人体划分为476个单元，综合考虑了各种生理参数分布的不均匀性，该模型可以求解人体的三维温度场。Gagge等[24]提出了二节点模型，该模型将人体简化为核心和外层皮肤两部分，控制系统由皮肤感受器和核心感受器组成，给出了皮肤血流、出汗率、寒颤等的控制方程。Gagge将此模型应用于热感觉研究，提出了标准有效温度（SET）的概念。
2 国内研究现状
国内在这方面的研究起步较晚，清华大学和同济大学在这方面都做过研究，本文拟对清华大学在动态热环境下人体热感觉的研究进行简要介绍。
董静[25]研究了动态温度和动态风综合作用下的人体热反应，分别在稳态温度、动态风以及动态温度、动态风两种组合的实验条件下，对33名受试者进行了实验，研究参数对人体热感觉的影响。受试者的服装热阻为0.6clo，实验中保持静坐状态。实验结果证明，在该实验的各种工况下，采用动态风均能够达到即改善热环境又不引起吹风不适感的目的，并且给出了满足人体舒适感的较佳工况：相对湿度50%，服装热阻为0.6clo的情况下，当动态温度波动范围为27-29℃，升降温时间比为20min：20min，动态风参数为=1.5m/s，n=6rpm时，值基本在（-0.5，+0.5）范围内波动，可较好地满足人体舒适性需要。根据实验结果，作者对Fanger的PMV稳态模型进行了变化，建立了动态热环境下预测人体心理热反应的TPMV模型，该模型可以用于动态热环境下人体热反应的预测，但是作者没有对该模型进行系统的描述和讨论。
夏一哉[26，27]对中性－热环境下气流脉动强度和频率对人体热感觉的影响进行了研究，从实验和模拟两个方面对气流脉动强度和频率的影响作用进行了探索和研究。研究气流脉动频率对于人体热感觉影响的实验[26]在清华大学的气候室中进行，受试者年龄18-20岁，总的服装热阻为0.7clo，新陈代谢率为1.0met。气候室温度设定点分别为26.0，27.5，29.0，30.5℃，相对湿度分别为35%，65%，低相对湿度工况包含40个样本，高相对湿度工况包含22个样本。实验结果表明：环境操作温度和相对湿度对受试者选择频率和可接受的频率范围没有明显影响，可接受的频率范围集中在0.2-0.65Hz。随着频率的增加，人体感受到的气流速度随之减小。受试者能够通过自由调节风速和频率得到热满意状态，但在较高温度下，选择风速不能使他们保持热中性状态，并且有一定比例的受试者感到不愉快的吹风感。根据该实验结果，夏一哉扩展了吹风感的定义，并且证明在中性-热的环境下，频率在0.3Hz-0.5Hz范围内的气流对人体产生的冷作用最强，该结论与Fanger在中性-冷的环境下的实验结论一致。
研究气流脉动强度对人体热感觉的影响的实验[27]也在气候室内进行，该气候室无外窗，气流从吊顶孔板中以小于0.1m/s的速度均匀送出，维持室内温度一定。室内及壁面分布着热敏电阻感受器和相对湿度监测器，每分钟控制系统将温湿度参数巡检一次，并自动调节室内温湿度达到设定状态。位于气候室外侧的风机将室中的气流抽出，再回送到送风装置中，经过均流后送出，以降低噪声并提供等温气流。在装置的出风口处，均匀排列着纵向活动百页，直流小电机带动百页横向摆动，产生按照一定频率变化的周期性气流。受试者可以通过变频器改变风机的转速来调节气流的速度。通过测定发现，在距离风口1.2 m和2.5 m 处，气流脉动强度分别约为25％和40％，受试者坐在面对风口的位置，从胸部到膝盖可以感受到气流的流动。由于没有外辐射，气候室中的平均辐射温度接近于空气温度。用操作温度to（空气温度和平均辐射温度对各自的换热系数的加权平均）来表征环境的温度状态。受试者的情况与文献[26]中所示情况相同，实验在4种操作温度，2种气流脉动强度，2种相对湿度，共16种工况下进行，温度和相对湿度设定同文献[26]，脉动强度分别为25%和40%,低相对湿度下，每种工况有40个样本，高相对湿度下每种工况的样本数为22个，实验结果表明，大多数受试者可以通过调节空气流动速度达到满意的热舒适状态，但在较高的温度下，人们选择的风速不能使他们保持热中性状态，对该结果夏一哉的解释为：气流在“热”环境中的作用体现在两个方面——冷却作用和由于风压引起的“吹风感”，人们选择风速时，往往要在这两个方面进行一个折衷，在高温条件下人们选择的风速小于达到中性状态要求的大小，即以牺牲热中性为代价降低“吹风感”；选择风速的概率分布符合正态分布规律，取值取决于操作温度to、相对湿度Rh、气流脉动强度Tu和受试者的不同偏爱；在“中性-冷”环境中，大的脉动强度会引起吹风感，但在“中性-热”环境中，却可以减少“吹风感”的产生；根据实验数据，利用分对数回归的方法，得到了一个新的预测等温热环境下产生吹风感几率的模型
PDV=100/[1+exp(15.5538-0.4124to-0.0872Rh-0.0774Tu+0.00219Tu*to+0.000972to*Rh+
0.00078Rh*Tu)]
其中：to=26-30.5℃,Rh=35%-65%,Tu=25%-45%
贾庆贤对动态化送风的末端进行了研究[6]，分析了自然风和机械风两种空气流动方式的区别。研究了湍流度、风速概率分布、频谱曲线对于热感觉的影响，实验结果如下：自然风与机械风频谱存在较大差异，决定差异的不仅是频谱的大小，同时频谱分布的不同决定了两者的不同特性，自然风风速的波动以低频为主，而机械风风速波动以高频为主；等温送风条件下，平均速度相同，平均湍流度不同的气流对于人体热感觉的影响不同，湍流度在0.48-0.57之间比较合适；偏态分布的流动方式比正态分布的流动方式接受性更好，把1Hz作为人体对气流波动感受的上限，频率大于1Hz时人体对不同频率气流波动的感受差别已很轻微，既使频谱不同，风作用对人体的影响也没有区别，而频率下限在0.000244-0.000488 Hz范围内；频谱对热舒适的影响比较明显，频谱越接近自然风，对人体的负面影响越小；确定了动态空调环境的舒适区，并提出了相应的调节方式。定性分析了动态空调与传统空调的区别及节能潜力。同时根据动态空调的特点定性分析了动态空调末端装置的调节方式及运行调节；30℃等温送风可以作为维持热舒适环境的上限，而环境温度在28.5℃-30℃范围内时7.3℃以内的送风温差是可以接受的。
孙淑凤[28]全面阐述了动态空调策略的基本理念，分析了热环境动态化的基本方法，给出了动态空调策略的具体模式，研发了盘管式动态末端装置和柜式动态送风装置，对盘管式动态末端装置在动态条件下的出流特性和换热特性进行了实验研究，对其出风速度进行了频谱分析，对柜式动态送风装置进行了人体热舒适实验。结果表明：所开发的盘管式动态末端装置能够实现不同的出风动态方式，利用该动态风机盘管可实现出风速度和出风温度的动态化，出风频谱与自然风的频谱十分相似；利用动态柜机对人体舒适性进行了研究，结果表明，动态风的可接受性比稳态风显著提高；经过对比分析，在空气-水半集中式办公楼空调系统中，动态送风系统具有明显的节能效果。
3 前景展望
本文对动态热环境对于人体热感觉的影响的研究结果作了介绍，这方面的研究已经取得了一些令人兴奋的成果，但是，应该了解到，对于该领域的研究，还有很长的路要走，如何从微观的角度（例如涡的尺度）解释自然风和机械风的区别，如何将已研究出的科研成果应用于实践，在个体化空调下，动态热环境对于人体热舒适性的影响，这些都是值得探讨的问题。无疑，对于动态热环境的研究将越来越受到重视。
参考文献：
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