在不同淋浴温度和流量下，以及寒冷环境中的动态热响应与感官体验预测

《Energy and Buildings》：Dynamic thermal response and sensation prediction under different showering temperatures and flow rates with cold ambient environment

沐浴水温及流量对人体热动态响应的影响研究。实验发现水温显著影响皮肤温度（差异1.58~3.81℃），核心温度持续上升6.5~14.5分钟。动态热感知模型（R2=0.788）通过热负荷、皮肤温度及变化率实现主观感受预测。

　　

高毅|李晓静|娄金源|郎彦刚|洪世一|周翔|罗茂辉

同济大学机械工程学院，上海，中国

摘要

淋浴和沐浴是与清洁需求和居民健康相关的日常活动。本研究调查了人体在使用不同水温（36、40、44℃）和水流速度（4、7、10 L/min）淋浴时的生理和心理动态热响应。共有8名受试者（4名男性和4名女性）参与了实验，淋浴时间为15分钟。收集了三种类型的数据，包括环境参数、生理参数和热感知数据。结果表明，水温对皮肤温度有显著影响，不同水温下的皮肤温度差异为1.58～3.81℃。淋浴后6.5～14.5分钟内，核心体温持续上升。淋浴过程中，皮肤温度和热感觉受水温和水流速度的影响，心率受水温的影响，而热舒适度则受到水温和水流速度共同作用的影响。所提出的动态热感觉预测模型以热负荷、皮肤温度和皮肤温度变化率为变量，具有较好的拟合度（R2=0.788，RMSE=0.581）。这些发现为淋浴环境控制及淋浴设备开发提供了实际指导和理论支持。

引言

全球变暖和极端天气频发促使低碳节能技术受到越来越多的关注。据统计，建筑能耗占全球总能耗的30%以上。在住宅建筑中，家庭热水能耗已成为仅次于供暖和空调能耗的第二大能耗[1]。与沐浴相比，淋浴作为一种节省时间和水资源的日常清洁方式，占家庭热水能耗的80%以上[2]。热水器的电耗几乎占每个家庭年总电耗的一半，尤其是在冬季[3]。淋浴所消耗的热能通常与水温（T_w）、水流速度（WFR）、淋浴时间和空气温度（T_a）有关[4]。研究表明，居民平均每周淋浴6.2次，每次淋浴时间约为15分钟[5][6]。因此，在确保人体热舒适度的基础上，优化淋浴系统的运行以实现节能具有重要意义。空气温度（T_a）和相对湿度（RH）的不均匀分布以及冷水或热水对身体的直接刺激，会在短时间内引发强烈的生理和心理热反应，从而导致一系列健康问题[7][8]。

人体的生理和行为调节活动是由皮肤下层感受器受到的外部热刺激产生的脉冲信号引发的[9]。淋浴的热舒适度受到供水参数（包括T_w、WFR）和环境参数（包括T_a、RH、风速（v_a）、平均辐射温度（T_mrt）以及个人因素（如年龄、性别和体重）的影响[10][11]。许多研究者使用控制变量方法定性和定量分析了各种因素对淋浴的影响，如表1所示。然而，淋浴是一个水和空气混合暴露的复杂场景。身体与水之间的热交换不仅来自水和皮肤表面的强烈对流，还来自水雾的蒸发。同时，未接触水的部位也会受到封闭空间内热环境变化的影响[12][13]。目前相关研究忽略了这些复杂多变因素对淋浴场景中热感知的综合作用。因此，T_w、WFR、T_a、RH、v_a和T_mrt对淋浴场景中主观热感觉和热舒适度判断的影响仍需进一步探讨。

热舒适度和热感觉通常与客观生理指标（如T_sk和T_cr）高度相关[24][25][26]。通过环境和生理参数预测热感觉，进而反推出舒适的供水参数，可能是实现淋浴热舒适度的可行途径。尽管一些研究测量并预测了淋浴或沐浴时人体的T_sk和血压[27][28]，但大多数研究忽略了热感觉的预测。最近，仅有一项研究基于生理指标预测了淋浴时的主观感受[29]。这些指标的计算仍基于在空气中开发的方程。淋浴时皮肤和水的对流换热与水的覆盖面积、T_w和水流速度有关。许多研究报道了人体在不同T_w下的生理热响应预测[30][31][32]，但关于WFR的研究较少。很少有研究明确揭示了由于不同T_w或WFR淋浴后体温调节延迟导致的人体生理和心理热响应的变化。例如，罗等人[14]和桥口等人[22]仅探讨了环境参数对淋浴后人体热响应的影响。此外，仅限于淋浴阶段的探讨显然是不够的。淋浴过程可以分为淋浴前、淋浴中和淋浴后三个阶段，不同阶段的环境存在阶跃变化，不合理的热暴露容易导致热安全问题。增田等人[10]和金田等人[33]的研究发现，热水沐浴时血压显著下降，而暴露在寒冷环境中时血压上升。空气环境变化的研究表明，在T_a和RH变化阶跃下，TSV（皮肤温度-环境温度）会出现超调或滞后[34][35][36]。然而，淋浴不同阶段环境变化对人类生理和心理的热响应仍需进一步探索。

本研究关注健康成年人在非特殊生理条件（如非运动、非睡前）下的常规淋浴行为，主要目的是获得淋浴期间和之后的舒适体验。研究探讨了不同T_w和水流速度在寒冷环境中对人体的时空维度上的热生理响应的协同机制，这与大多数仅关注T_w的先前研究不同。研究量化了水流刺激引起的瞬时热感知变化范围、人体对供水参数的可接受阈值和舒适区间，并揭示了淋浴各变化阶段的热超调或滞后现象。所建立的动态热感觉预测模型填补了淋浴场景中人体对不同T_w和水流速度主观响应的研究空白，实现了淋浴后热感觉的预测。这为实现浴室系统的实时智能控制奠定了理论基础，有助于创造舒适的淋浴环境并减少家庭热水能耗。

实验平台

实验在位于上海的同济大学淋浴测试平台进行，该地区属于亚热带季风气候。通过设置喷雾环境，模拟了日常家庭淋浴行为。淋浴测试平台包括准备室、实验室和设备室，布局如图1(a)所示。准备室模拟了穿着少量衣物时的热中性条件，例如装有供暖的普通卧室

浴室内的热环境变化

淋浴间是一个相对封闭的环境。淋浴过程中，由于空气流通不良且与外界的热交换较少，水喷射产生的热量在狭小空间内积聚，导致T_a和RH迅速升高。图4显示了在不同T_w和水流速度下，淋浴时1.1米高度处的T_a和RH随时间的变化情况。T_a持续上升，RH在淋浴约4分钟后接近饱和。在相同的水流速度下，温度越高……

影响因素和潜在机制

在实际淋浴场景中，尤其是在冬季，人体常常处于热环境不对称的状态，即T_a较低，而T_w保持在舒适或温暖范围内。淋浴过程中，水流作为热源，导致人体局部加热、血管扩张和热感觉；而冷空气则作为热源，引起周围冷却、血管收缩和冷应激。这两种因素的共同作用导致了……

结论

本研究通过物理参数测量和问卷调查，比较了人体在寒冷环境中使用不同T_w和水流速度淋浴时的生理和心理热响应差异。明确了人体淋浴时对T_w和水流速度的可接受阈值和舒适区间。建立了基于客观参数的淋浴各阶段TSV（皮肤温度-环境温度）预测模型，并分析了影响淋浴热舒适度的潜在因素

作者贡献声明

高毅：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法论，形式分析。李晓静：方法论，调查。娄金源：验证，数据管理。郎彦刚：资源获取。洪世一：资源获取。周翔：监督，项目管理。罗茂辉：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论，资金争取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了上海市自然科学基金（项目编号：25ZR1401349）、中央高校基本科研业务费以及上海消防研究所基础科学研究基金（项目编号：24SX05）的支持。作者感谢美的公司的资金和技术支持。