人体对间歇式运行的分体式空调非均匀冷却方式的热反应

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Human thermal responses to non-uniform cooling from intermittently operated split air conditioners

本研究比较了分体空调送风直射区（Jet Region, JR）与非直射区（Non-Jet Region, NJR）的动态非均匀冷暴露对人体生理响应和主观热感的影响。通过12名受试者在30-28/26/20℃三种间歇冷却条件下的测试，发现JR区与NJR区在皮肤温度、血压等生理指标及热感评价中存在显著差异，且冷刺激强度和持续时间越大，空间温度不均匀性越明显。研究提出时空累积非均匀冷暴露（TANCE）概念指标，为分体空调的能效优化设计提供量化工具。

　　

严海燕|李亚伟|托马斯·帕金森|斯特凡诺·斯基亚冯|张慧|孙瑞吉|赵胜凯|赵伟|孙振|史芳宁

河南工程技术大学建筑与艺术设计学院，焦作市，河南454000，中国

摘要

分体式空调的间歇性运行是建筑节能的重要策略，但由此产生的室内冷却不均匀对人体的影响尚未得到充分研究。为探讨这一问题，本研究比较了房间内两个不同气流区域的反应：一个直接暴露在冷气喷射区域（喷射区域），另一个远离冷气喷射区域（非喷射区域）。测试了三种不同的间歇性冷却强度（从30°C降至28/26/20°C），以观察12名参与者的生理和主观反应。结果表明：（1）在空调启停周期中，两个区域之间的冷暴露存在动态不均匀性，且随着冷刺激强度和持续时间的增加，这种差异也越大；（2）两个区域在平均皮肤温度、血压和主观反应方面存在显著差异（心率除外）；（3）本研究提出了一个概念性指标：非均匀冷暴露的时间累积（TANCE），为分体式空调的设计和控制策略提供了定量工具。

引言

在碳减排目标和日益增长的热舒适度需求背景下，优化建筑能耗已成为一个关键挑战。中国提出了到2030年实现碳排放峰值、到2060年实现碳中和的目标。预计到2050年，全球分体式空调的安装量将从2018年的16亿台增加到56亿台[1]。这一增长归因于其较低的前期成本和灵活的安装方式，以及其在有效改善室内空气质量方面的优势[2]。然而，传统分体式空调启动后，出风口的气流方向通常是固定的，并且经常处于间歇性运行状态[3]。这种运行模式会导致房间内冷却和加热分布不均[4,5]。空气供应路径和由此产生的气流模式往往导致空间温度、气流速度和相对湿度的不均匀分布[3,6]。传统的分体式空调控制策略依赖于安装在主单元内的恒温器测量的单一温度来检测周围回风温度，但无法准确捕捉房间内不同空间的热环境变化[7]。因此，系统无法针对局部过热区域进行调节，只能通过延长运行时间或增加冷却强度来应对单点温度反馈。研究表明，当设定温度降低1°C时，空调系统的能耗会增加约10%[[8], [9], [10]]。国际能源署（IEA）预测，到2050年，全球空调能耗将比当前水平增加三倍以上[1]。因此，在节能的前提下协调舒适度控制和空调系统的能效优化已成为一个紧迫的技术瓶颈。

现有的热舒适度模型通常基于均匀和稳态环境的假设[11,12]。这种假设使得它们不适用于预测分体式空调系统引起的动态、局部冷却效应。虽然之前的研究探讨了分体式空调系统造成的温度和速度的空间变化[3]，但对于居住者在这种情景下对非均匀冷却的反应了解有限。随着全球分体式空调安装量的快速增长，其能源影响将变得显著。这凸显了需要更高效和个性化的冷却方法的迫切性。

在实际使用中，分体式空调通常以间歇模式运行，导致室内热环境动态不均匀。现有研究主要关注两个相对独立的现象：一方面，一些研究分析了空调开启后集中气流引起的静态空间不均匀性，表现为靠近出风口处迅速冷却，而远离出风口的地方由于对流有限而保持相对温暖[5],[13],[14],[15]；另一方面，一些研究关注空调启停周期的整个过程，描述了室内温度随时间的变化[16]。然而，现有研究通常将空间不均匀性和时间动态视为独立现象，这限制了人们对间歇运行期间不同位置冷却不均匀性累积方式的理解。因此，可能低估或误判了人体热暴露的区域差异，传统的应对措施往往通过增加或减少整体冷却强度来补偿局部不适，导致不必要的能源消耗[17]。这种缺乏时空整合的视角揭示了一个关键问题：非均匀冷暴露如何随时间在不同区域演变，以及这些演变差异如何影响人体的热反应。

近年来，动态非均匀冷暴露对人类生理和主观反应的影响受到了广泛关注。这类环境的核心特征可以概括为空间不均匀性和时间动态性，两者共同塑造了人体的热反应和生理调节机制。

在空间不均匀性中，皮肤温度由于对环境变化的高度敏感性，已成为评估非均匀冷却的关键生理指标[18]。局部冷却会引发相应的血管收缩和血流变化[19]，而心率血压等系统生理指标的反应相对较弱，通常只有在极端温度梯度下才会显示出显著变化[20,21]。气流是造成空间不均匀性的关键参数，其速度和方向直接影响局部对流散热和人体热平衡[[22],[23],[24]]。从主观感知的角度来看，这种空间不均匀性直接导致身体不同部位的热感觉差异显著，突显了人体的区域敏感性[25,26]。更重要的是，局部不适往往主导整体热舒适度的评估[27,28]，在较冷或中性环境中，局部气流容易引起不适感[29,30]。

从时间维度来看，暴露时间的长短深刻影响生理调节机制。短期冷暴露可能引发血流和皮肤温度的周期性波动，如冷诱导的血管扩张[31]；而长期暴露可能增强个体的冷适应能力，并影响自主反应，如心率变化[32]。

值得强调的是，在非均匀环境中，全身热感觉是调节对局部不适耐受性的关键变量。研究表明，当全身感觉接近中性或略微温暖时，个体对局部冷感觉的耐受性显著增强[33,34]。这揭示了生理局部刺激与整体心理评估之间的复杂相互作用。

尽管之前的研究分别探讨了空间不均匀性、时间动态性和局部-整体条件之间的相互作用，但这些发现大多基于控制实验，仅单独考察一个或少数几个因素。然而，在分体式空调的典型实际应用场景中，间歇性运行模式自然会产生时空耦合的非均匀冷却场。目前缺乏关于分体式空调独特的动态和非均匀冷暴露如何影响人体生理调节和主观热反应的研究。阐明这一机制对于填补这一研究空白和制定更具适应性和能效的冷却策略至关重要。

为探讨上述问题，本研究比较了分体式空调房间内两个不同气流区域的反应：一个直接暴露在冷气喷射区域（喷射区域，JR），另一个远离冷气喷射区域（非喷射区域，NJR）。本研究描述了这两个区域环境的时间变化特征，并探讨了动态不均匀环境、生理调节和主观感知之间的关系。具体研究目标包括：

(1)

量化分体式空调间歇性冷却过程中房间不同区域的环境参数变化情况；

(2)

揭示喷射区域和非喷射区域之间生理和主观反应的差异及其逻辑；

(3)

提出一个概念性指标，用于评估非均匀冷暴露对人类热感觉的影响。

实验地点和气候

实验于2021年7月27日至8月11日在河南省焦作市的一栋大学建筑内进行。根据中国国家标准GB 50176-2016[35]，焦作市属于寒冷气候区。所有实验均在晴朗天气条件下进行。实验房间为砖混结构，尺寸为6.0×4.8×3.8米。朝南的外墙被常春藤和山楂树遮挡，其余三面为内墙

温度和气流特征

在间歇性冷却过程中，JR和NJR在室内空气温度（T_a,in）和气流速度（V_a）方面表现出核心环境差异（图2(a)-(b)），同时在相对湿度（RH）和温度不均匀系数（NCT）方面也存在背景环境差异（图2(c)-(d)）。

在空调运行期间，JR的T_a,in显著低于NJR（p < .001）（见图2(a)）。在30-28°C和30-26°C的温度变化范围内，ΔT

非均匀冷暴露下的强度依赖性空间变化

研究结果表明，空间感知的差异与冷刺激的强度密切相关。在30-28°C（低强度）条件下，JR和NJR在生理指标和主观体验上没有显著差异。当刺激强度增加到30-26°C（中等强度）和30-20°C（高强度）时，两组之间的差异不仅变得显著，而且效应大小也有所增加

结论

我们展示了分体式空调单元造成的非均匀环境如何影响人体生理和主观热评价。这是通过比较研究空间内两个不同区域的环境参数和人体热反应来实现的：一个直接暴露在冷气供应处（喷射区域，JR），另一个位于其远离处（非喷射区域，NJR）。

首先，环境参数表现出明显的非均匀模式。在所有条件下，JR的温度都较低

CRediT

严海燕：概念化、方法论、监督、项目管理、数据管理、资源协调、写作-审稿与编辑、可视化、资金筹集。李亚伟：软件开发、初稿撰写、正式分析、验证。托马斯·帕金森：写作-审稿与编辑、方法论。斯特凡诺·斯基亚冯：概念化、写作-审稿与编辑、方法论、可视化。张慧：方法论、写作-审稿与编辑。赵胜凯：方法论、数据管理

数据可用性

数据可应要求提供。

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关于写作过程中使用的生成式AI和AI辅助技术的声明：在准备本工作时，作者使用了DeepSeek和ChatGPT来优化表达。使用这些工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。

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