《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Effect of the heating modes of the hand-heating box on thermal comfort, performance, and electroencephalography in moderately cold outdoor environments
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公共手加热箱在7.9°C冬季户外环境中对比连续可调加热、间歇加热及相变材料加热三种模式，发现均显著提升热舒适度。短期（10分钟）连续加热TSV评分最高，但长期使用参与者倾向更低温度设置；间歇加热在认知任务表现上提升5.38%-6.15%，EEG显示theta活动增强、beta活动减弱，表明其促进放松或创造性思维；相变材料加热能耗最低。研究为公共过渡空间开发节能高效局部加热设备提供依据。
郑双|任一成|吴旭新|刘宏|科索宁·里斯托|何梦媛|朱雪月
浙江科技大学土木工程与建筑学院，中国杭州310018
摘要
局部加热设备在寒冷的户外环境中非常有效；然而，现有的研究主要集中在极端寒冷环境中的保暖服装上，对于中等寒冷公共空间中的局部加热设备仍有改进的空间。本研究提出了一种公共手部加热箱，并评估了三种加热模式：可调连续加热（Adj.-con.-heating）、间歇加热（Int.-heating）和使用相变材料（PCM-heating）的加热。实验在中国冬季室外（7.9°C）进行，比较了这些模式与不加热情况下的效果。研究调查了生理和心理因素，包括热感觉评分（TSV）、积极和消极情绪量表（PANAS）、任务表现以及脑电图（EEG）。结果表明，与不加热情况相比，所有三种加热模式都显著提高了热舒适度。其中，可调连续加热模式在短期（10分钟）使用中表现较好，使上半身的TSV更高，但参与者在长时间使用后（例如30分钟）更喜欢较低的温度。间歇加热模式在长期表现上更为优越，在“双1-back”和“转动螺丝”测试中分别提高了5.38%和6.15%的任务表现。脑电图分析显示，间歇加热模式下θ波活动增加，β波活动减少，表明参与者在这种模式下更加放松或具有创造性。此外，本研究提出的公共手部加热箱在提高热舒适度的同时，能耗远低于以往的研究，适用于中等寒冷的公共过渡空间。
引言
开放的户外空间对日常生活和工业生产至关重要。然而，气候变化导致极端天气频发，暴露在寒冷中的风险也在增加[1]。这对户外工作者（如交通警察、环卫工人）和流动人群（如公交乘客和户外访客）构成了健康风险，包括心血管和呼吸系统疾病发病率的增加[2,3]以及认知功能受损，如短期记忆下降[4,5]。值得注意的是，流行病学研究表明，中等寒冷环境（0-20°C）带来的健康风险甚至可能超过极寒条件（<0°C），因为人们往往低估了相关风险，例如未充分穿着保暖衣物，从而增加了对寒冷压力的敏感性[6]。因此，研究中等寒冷户外环境中的人类热保护措施至关重要。
个人舒适系统（PCSs）是一种用户控制的微气候技术，具有显著的技术潜力[7,8]。PCS包括局部加热和冷却技术，使个人能够根据个人舒适偏好适应热环境[9,10]。这些个人加热设备根据传热方式分为四种类型：基于传导的加热座椅[[11], [12], [13]]、加热地板垫[14,15]、加热桌面[16]；基于对流的加热风扇[17,18]、小型风扇加热器[19,20]；以及基于辐射的加热设备，如脚部保暖器[21]和辐射桌面[22]等。第四种类型是配备多种传热机制的加热设备，显著提高了热感觉和舒适度。He等人[23]在初始室内温度为14、16和18°C的情况下研究了结合传导和辐射的PCS，发现整体舒适度与局部加热部位的舒适度之间存在高度相关性。Rugani等人[24]提出了一种红外加热桌面，结合了传导和辐射功能，能够在凉爽的室内环境中（如17°C）保持热舒适度。在后续研究中，Rugani等人[25]通过整合较大的下部加热面和较小的上部加热面进一步改进了红外加热桌面，使能耗降低了69-82%。然而，现有研究主要集中在室内稳态环境中。为户外环境设计的少数PCS，如加热鞋垫[26]、加热服装[27]和加热座椅[28]，旨在提高热舒适度，但也面临类似的挑战。尽管可穿戴系统便携，但受到户外电源容量有限的限制[26,27]，而加热座椅由于结构暴露，在低温环境（-5°C）下会损失热量，加热效率仅约为25%[28]。因此，迫切需要开发适用于公共过渡空间的高效局部加热设备，以减轻寒冷暴露带来的健康风险。
先前的研究表明，身体不同部位感受到的热感觉会对整体热舒适度产生不同程度的影响[29]。手、脚和头部等关键部位的热感觉评分（LTSVs）对整体TSV有决定性影响[30]。冬季服装通常通过保持躯干温暖来提供更好的隔热效果。然而，由于手的表面积与体积比（103.9-122.5 m-1 ）远高于躯干（13.9-16.6 m-1 [31]），它们更容易受到环境温度的影响，通常是身体最冷的部分[32]。此外，在有风的中等寒冷户外环境（5.4°C）中，手部加热相对有效[33]。因此，有必要进一步研究不同的局部手部加热策略，以提高中等寒冷环境中的热舒适度。
关于局部加热设备和热舒适度的实验研究主要集中在提高居住者的热舒适度上。然而，考虑到许多事故与认知表现下降和人为错误有关[34]，改善认知功能同样重要。寒冷暴露会直接损害神经行为表现。例如，在4°C的空气中暴露60分钟会降低记忆任务的表现[35]，而在10°C的环境中会降低工作记忆（-5%）、选择反应时间（-9.5%）和执行功能（-6.7%）[36]。总体而言，这些发现强调了在中等寒冷环境中提供热保护的紧迫性，以维持和改善认知功能。
此外，可以使用脑电图（EEG）等技术客观评估与表现相关的心理状态[37]。特别是θ波（4-8 Hz）、α波（8-13 Hz）和β波（13-30 Hz）频段的活动提供了与表现相关的认知功能指标，涵盖了情绪状态[38,39]和心理负荷[40]。这种方法不仅消除了感知偏差，还记录了来自环境条件的实时神经反馈[41]，使其成为评估人类表现研究中心理负荷的宝贵补充方法。
PCS的不同操作模式在能耗和舒适度之间存在权衡。例如，Shin等人[43]在0.6°C的环境中测试了保暖服装，发现间歇加热可节省71%的能源。Gopi等人在冬季小屋环境（-10°C）中的研究发现，间歇加热在保持热舒适度的同时节省了45.3%的能源。然而，Gu等人[45]报告称，在寒冷的户外条件下（5.8-9.2°C），连续加热在短期舒适度方面更有效。此外，使用相变材料（PCM）的加热是一种高效的热调节方法[46]，通过潜热储存提供稳定的加热和增强的安全性[47]。然而，很少有研究全面比较了不同加热模式在热舒适度、认知表现任务、神经生理反应（EEG）和能源效率方面的表现。为了全面评估PCS设备在热舒适度和能源效率方面的改进，引入了Corrective Power（CP）[48]和Corrective Energy & Power（CEP）[49]指标（详细说明请参见[48,49]）。然而，目前的性能评估主要依赖于受控实验和计算流体动力学模拟[50]。这些方法依赖于稳态热假设，无法准确模拟动态环境中的人类反应，从而限制了它们在评估户外PCS性能方面的直接适用性。
鉴于关于中等寒冷户外环境中人类热保护的研究有限，大多数研究主要集中在大面积躯干加热上，而现有的户外局部加热设备面临操作限制（如电源不足和效率低下），因此迫切需要一种能耗更低、热舒适度更高的局部加热策略。因此，本研究的新颖性和贡献在于提出了一种在中等寒冷户外环境中以比以往研究更低的能耗维持热舒适度的局部加热设备，并通过比较包括热舒适度、认知表现任务、神经生理反应（EEG）和能源效率在内的综合性能来进一步优化加热模式。
本研究在中国炎热夏季和寒冷冬季（HSCW）地区的冬季进行了实地实验，使用了一种适用于户外过渡空间（如公交车站/户外休息区）的公共手部加热箱。与不加热情况相比，评估了三种加热模式对户外居住者热舒适度的影响：可调连续加热（Adj.-con.-heating）、间歇加热（Int.-heating）和使用相变材料（PCM-heating）的加热。该设备专为户外人员（如环卫工人、公交乘客和户外访客）在非工作时间或短暂停留期间设计，以缓解寒冷气候下的生理压力并确保户外热安全。
实验设计
本研究在浙江省杭州市的一所大学开放空间进行（北纬30°31′，东经120°35′），如图1所示。杭州具有湿润的亚热带气候，属于中国的HSCW气候类型。根据气象数据，最冷的月份（1月）平均气温在1.8°C（低）到8.3°C（高）之间，年平均相对湿度（RH）在73%到80%之间[51]。实验的主要阶段是从2025年1月9日到25日。
热环境
图5显示了根据参与者实际情况调整的三种加热模式下加热箱内部温度随时间的变化曲线。
测试结果显示，在三种加热模式下，加热箱内的局部热环境（包括加热片和空气）随时间稳步升高，并在大约20分钟后逐渐稳定。值得注意的是，在可调连续加热模式下，约31%的参与者增加了...
室内和室外局部加热设备的热舒适度和能源效率
为了标准化比较，本研究提出了一个改进的指标CEPcomf ，使用Griffiths [82]提出的舒适温度（Tcomf ）。该指标直接将PCS设备的能源输入与人类热舒适度的实际变化相关联，而不是依赖于稳态热假设。该指标根据以下关系评估局部加热设备每单位热舒适度增益（ΔTcomf ）所消耗的平均加热功率：
结论
本研究测试了一种半封闭结构的公共手部加热箱，比较了三种不同加热模式（可调连续加热、间歇加热和使用相变材料（PCM-heating）与不加热情况对冬季暂时停留在中等寒冷户外过渡场所的居住者的热舒适度的影响。招募了20名大学生，通过主观问卷评估了他们对不同加热模式的体温生理反应。
郑双： 撰写——初稿、软件开发、调查、数据分析、数据整理。任一成： 可视化、验证、调查、概念化。吴旭新： 撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、概念化。刘宏： 资源提供、资金获取。科索宁·里斯托： 撰写——审稿与编辑、资金获取。何梦媛： 撰写——审稿与编辑。朱雪月： 撰写——审稿与编辑。
