热舒适性

热舒适性（英文：Thermal comfort）为人体对温度、湿度、风速等物理环境的感受与喜好状态，可以透过主观评估（ASHRAE 55）的方式来确认，不仅影响人体的工作效率，更可能造成健康上的危害。暖通空调设计的主要目的之一就是维持在建筑物（或是其他空间）之内的热舒适性，因此热舒适性同时也是建筑性能模拟中的重要指标。统计上常以不舒适时间的百分比来表示。

人体新陈代谢所产生的热若可以散发到环境中，人体就和环境达到了热平衡。影响热舒适性的主要因素是一些和人体发热及散热相关的因素，例如代谢率、衣服隔温能力、室温、平均辐射温度、风速以及相对湿度。而心理因素（例如个人预期等）也会影响热舒适性。

美国军方目前正在进行服装的热舒适性研究，透过研究新的通风服装，以加强蒸发的方式来达到热舒适。

## 分类

热舒适模型大致可分为静态模型（PMV / PPD）和自适应模型两大类。

平均预测投票（英文：Predicted Mean Vote，PMV）模型是1970年代由堪萨斯州立大学和丹麦技术大学的Povl Ole Fanger教授所开发，而后被各国广泛使用的热舒适模型。它是根据热平衡原理和在稳态条件下在受控气候室内收集的实验数据开发，适用于空调空间的热舒适性评估。研究人员发现，大多数人都会对一理想温度感到满意。随着室温逐渐偏离理想温度，不满意现状的比率会增加。可以借由统计表示为通过舒适条件和预测的平均投票（PMV）表示满意的个人百分比。这种方法受到了ASHRAE 884项目开发的自适应舒适度模型的挑战。

1998年 De Dear 教授研究发现 在中央空调的房间中，受测者的热舒适感受乎与既有的PMV热舒适模型完全相符。然而出乎他们意料的，平平都是室内空间，PMV模型对于自然通风房间的受测者热舒适的解释度就没这么高，受试者在自然通风房间对于温度高低的容忍力似乎比较大（当室外气温若偏高，体感舒适温度也会略微提升，反之亦同）。因此提出了自适应模型（英文Adaptive Model），其构想是使试验人员动态地与其周围环境互动。乘员通过衣服，可操作的窗户，风扇，个人取暖器和窗帘来控制其热环境。PMV模型可以应用于空调空间，而自适应模型则能使用于自然通风空间。

热舒适可以由各种软件计算，例如 ASHRAE 55 的CBE 热舒适工具、ISO 7730标准和EN 16798-1标准进行的 热舒适计算、使用Python包 pythermalcomfort 和R包 comf 等。

## 意义

周遭热环境对生物体的用作有很大影响，因为如果核心体温达到37.5–38.3以上的高温条件，热条件可能会威胁人类的生命 °C（99.5–100.9 °F），或低于35.0的体温过低 °C（95.0 °F）。建筑物可以改变外部环境的条件，并减少人体在正常的人体温度下保持稳定所需的工作量，这对于人体生理过程的正常运行很重要。在建筑科学研究中，热舒适性与生产力和健康有关。对热环境满意的上班族生产率更高。高温和高相对湿度的结合降低了热舒适性和室内空气品质。尽管单个静态温度可以使人感到舒适，但是人们会被诸如篝火和凉爽的水池之类的热变化所吸引。热愉悦是由从不愉快状态到愉悦状态的不同热感觉引起的，而其科学术语是积极的热感觉觉过敏。对一个位于热中性或舒适状态的人而言，任何变化都将被视为不舒适。

## 影响因素

由于人的生理和心理满意度差异很大，因此很难找到给定空间中每个人的最佳温度。已经收集了实验室和现场数据，以定义适合特定百分比试验人员的条件。

直接影响热舒适度的六个主要因素可以分为两类：个人因素（因为它们是试验人员的特征）和环境因素（它们是热环境的条件）。前者是新陈代谢率和着衣量，后者是气温、平均辐射温度、空气速度和湿度。即使所有这些因素都可能随时间变化，标准通常还是要研究稳态温度来研究热舒适性，只允许有限的温度变化。

### 代谢速率

人们具有不同的代谢率，这些代谢率会因活动水平和环境条件而波动。ASHRAE 55-2010标准将代谢率定义为生物体内代谢活动将化学能转化为热量和机械功的水平，通常以整个体表的单位面积表示。代谢率以单位为单位表示，定义如下：

1met= 58.2 W /m²（18.4 Btu / h·ft²），等于静坐的普通人每单位表面积产生的能量。一个普通人的表面积为1.8平方米（19 ft²）。

ASHRAE-55标准提供了各种活动的符合率表。一些常见的值是：睡眠时为0.7met，静坐时为1.0met，轻度站立时为1.2-1.4met，涉及运动、步行、举起重物或操作机械的活动为2.0met或更高。对于间歇性活动，标准规定，如果个人进行的活动在一小时或更短时间内发生变化，则可以使用时间加权平均新陈代谢率。对于更长的时间，必须考虑不同的代谢率。

根据ASHRAE基础手册，估计代谢率很复杂，并且对于高于或等于二或三的活动水准（尤其是通过多种方式执行此类活动的情况），准确性较低。因此，该标准不适用于平均水准高于二的活动。还可以使用经验公式，比列表中的表格更准确地确定Met值，该公式考虑了呼吸氧气消耗和二氧化碳的产生速率。由于心率与耗氧量之间存在关系，因此有一种与心律有关的方法，虽有生理性质依据，但准确性较差。饮食习惯可能会影响代谢率，从而间接影响热量偏好。这些影响可能会根据食物和饮料的摄入量而变化。身体形状是影响热舒适性的另一个因素。散热取决于身体表面积。身材高大，瘦长的人比表面积大的人更容易散热，并且比体型丰满的人更能忍受更高的温度。

### 衣着因子

人穿着的绝热材料的数量对热舒适度有实质性影响，因为它会影响热量散失，进而影响热量平衡。多层隔热衣服可以防止热量散失，并且可以帮助人体保暖或导致过热。通常，衣服越厚，其具有的绝缘能力越强。根据制成衣服的材料类型，空气流动和相对湿度会降低材料的绝缘能力。

1clo等于0.155平方米·K / W（0.88 °F·ft²·h / Btu）。这对应于裤子，长袖衬衫和夹克。在ASHRAE 55中可以找到其他常见服装或单身服装的衣服隔热值。

### 气温

空气温度是围绕位置和时间的试验人员周围空气的平均温度。根据ASHRAE 55标准，空间平均值考虑到了脚踝，腰部和头部的水平，这对于就座或站立的乘员而言会有所不同。时间平均基于三分钟的间隔，至少有18个等间隔的时间点。空气温度通过干球温度计测量，因此也称为干球温度。

### 平均辐射温度

辐射温度与从表面传递的辐射热量有关，并且取决于材料吸收或发射热量的能力或其发射率。平均辐射温度取决于周围表面的温度和发射率以及视界因子，或物体“看见”的表面数量。因此，在阳光直射的房间中，一个人所经历的平均辐射温度根据他/她的身体在阳光下的多少而变化。

### 风速

在HVAC中，风速定义为某一点的空气运动速率，不考虑方向。根据ANSI / ASHRAE标准55，它是人体暴露于空气中的相对于位置和时间的平均速度。根据SET热生理模型，时间平均值与气温相同，而空间平均值基于人体暴露于均匀风速的假设。但是，某些空间可能会提供非常不均匀的空气速度场，并因此导致皮肤热量损失，这不能被认为是均匀的。因此，设计者应确定适当的平均值，尤其是包括入射在无衣服的身体部位上的风速，它们具有更大的冷却效果并可能导致局部不适。

### 相对湿度

相对湿度（RH）是空气中的水蒸气量与空气在特定温度和压力下可以保持的水蒸气量之比。人体在皮肤内具有在感觉热和冷方面相当有效的传感器，而相对湿度则是间接检测到的。出汗是一种有效的热量流失机制，它依赖于皮肤的蒸发。但是，在相对湿度较高的情况下，空气接近可以容纳的最大水蒸气，因此蒸发减少，因此热量损失减少。另一方面，非常干燥的环境（RH <20-30％）也很不舒服，因为它们会影响粘膜。在空调建筑物中，室内湿度的推荐水平在30-60％的范围内 但是新标准（例如自适应模型）允许较低和较高的湿度，这取决于涉及热舒适性的其他因素。

最近，在洗澡后对人进行了低相对湿度和高风速的影响测试。研究人员发现，较低的相对湿度会引起热不舒适以及干燥和发痒的感觉。为了获得最佳舒适性，建议在浴室中保持相对湿度高于其他房间的湿度。

#### 皮肤湿度

皮肤湿度被定义为“被汗水覆盖的身体总皮肤表面积的比例”。皮肤在不同区域的潮湿度也会影响感知到的热舒适度。湿度会增加身体不同部位的湿度，从而导致不适感。这通常位于人体的不同部位，皮肤湿润的局部热舒适极限因人体位置而异。肢体对潮湿引起的热不适比身体的躯干要敏感得多。尽管可能由于潮湿而引起局部热不适，但是某些部位的潮湿不会影响整个身体的热舒适感。

#### 温度和湿度的相互作用

已经开发出各种类型的体感温度以结合空气温度和空气湿度。对于较高的温度，存在定量标度，例如热指数。对于较低的温度，只能定性的描述其相互作用：高湿度和低温会使空气感到凉爽。相对湿度高的冷空气比相同温度的干燥空气“感觉”更冷，因为在寒冷的天气中高湿度会增加人体的热传导。对于潮湿的冷空气比干燥的冷空气感觉更冷，一直存在争议。有人认为这是因为当湿度高时，我们的皮肤和衣服变湿并成为更好的热导体，因此通过传导进行的冷却更多。

### 自然通风

许多建筑物使用HVAC单元来控制其热环境。其他建筑物自然通风，不依靠机械系统提供热舒适性。根据气候，这可以大大减少能耗。但是，有时将其视为一种风险，因为如果建筑设计不当，室内温度可能会过高。设计合理，自然通风的建筑物可使室内条件保持在一定的范围内，夏季可在此范围内打开窗户并使用风扇，冬季则应穿上额外的衣服，以使人们保持温暖。

## 与室内空气质量的关联

虽然传统的热舒适模型（如 PMV/PPD）主要基于热平衡原理，仅考虑六项物理因素，但后续研究指出，热环境条件亦可能影响人体对室内空气质量（Indoor Air Quality, IAQ）的主观感受。

研究显示，在相同污染浓度（如 TVOC 浓度相同）的情况下，当空气温度或湿度较高（即焓值较高）时，受试者对空气质量的不满意度可能提高，显示热舒适性与空气质量感知之间存在交互关系。

另有研究在控制温湿度条件下发现，降低室内污染源后，受试者对“闷热”或“干燥”等感受的评价可能改变。

部分文献指出，挥发性有机化合物（volatile organic compounds, VOCs）可能透过三叉神经相关的化学感觉机制影响人体的感知反应。由于三叉神经同时参与温度与化学刺激的传导，化学刺激与热感觉在感知层面上可能存在交互作用。

此外，世界卫生组织（WHO）指出，潮湿与霉菌环境所产生的微生物挥发性有机化合物（microbial volatile organic compounds, MVOCs）与头痛、疲劳与黏膜刺激等非特异性症状相关，这些因素亦可能间接影响对室内环境舒适度的评价。

整体而言，相关研究显示热舒适与室内空气质量之间可能存在感知层面的交互关系，并促使部分学者重新探讨传统热舒适模型中对空气质量因素的整合。

## 模型

在讨论热舒适性时，可以使用两种主要的不同模型：静态模型（PMV / PPD）和自适应模型。

### PMV / PPD方法

PMV / PPD模型是由PO Fanger使用热平衡方程式和有关皮肤温度的经验研究开发的，以定义舒适度。标准的热舒适度调查从冷（-3）到热（+3）的七分制向受试者询问其热感觉。Fanger方程用于针对空气温度，平均辐射温度，相对湿度，空气速度，新陈代谢率和衣物隔热性的特定组合计算一组对象的预测平均投票（PMV）。PMV等于零表示热中性，舒适区由PMV处于建议限值（-0.5 S量化，FS越高的个体，对非理想热条件的耐受性较低。耐受性较低的群体包括孕妇，残疾人以及年龄在14岁以下或60岁以上（被视为成人范围）的个人。现有文献提供了一致的证据，表明对热和冷表面的敏感性通常会随着年龄的增长而下降。也有证据表明，六十岁以后，人体对体温调节的有效性逐渐降低。这主要是由于人体下部的反作用机制反应迟缓，用于将人体核心温度维持在理想值。老年人比年轻人更喜欢温暖的温度（76与72华氏度）。

### 生物性别差异

虽然性别之间的热舒适性偏好似乎很小，但仍存在一些平均差异。研究发现，由于温度升高，男性平均感到不适的时间要比女性早得多。平均而言，男性也比女性估计更高的不适感。一项最近的研究对穿着相同棉质衣服的男性和女性进行了测试，他们在进行脑力劳动的同时使用表盘投票来报告他们在不断变化的温度下的热舒适性。很多时候，雌性会喜欢较高的温度。但是，尽管女性倾向于对温度更敏感，但是男性倾向于对相对湿度水平更敏感。

在马来西亚沙巴州亚庇的自然通风住宅楼中进行了广泛的现场研究。这项研究探讨了非空调住宅建筑中性别对室内环境的热敏感性。选择分类主持人的多元层次回归进行数据分析；结果表明女性对室内空气温度的敏感性比男性略高。而在热中性条件下，发现男性和女性具有相似的热感觉。

### 地区差异

在世界不同地区，热舒适性需求可能会因气候而异。在过去的几十年中，由于人口的快速增长，与热舒适有关的节能已成为中国的一大问题。现在，研究人员正在研究为中国的建筑物供暖和降温的方法，以降低成本并减少对环境的危害。在巴西的热带地区，快速的都市化带来热岛效应。这些城市地区由于过度的水泥铺面而营造出蓄热的都市环境，仅在雨季时才落在舒适范围之内。

在沙特阿拉伯炎热潮湿的地区，热舒适性问题在清真寺中很重要，因为它们是非常大的开放式建筑物，只能间歇使用（星期五非常忙于中午祈祷），很难为它们通风。大的建筑物需要大量的通风，这需要大量的能量，因为这些建筑物仅在短时间内使用。由于间歇性的需求，清真寺的温度调节是一个挑战，导致许多清真寺太热或太冷。堆栈效果也因其尺寸较大而发挥作用，并在清真寺中的人们上方产生了一层热空气。新设计将通风系统放置在建筑物的下部，以在地面上提供更多的温度控制。

## 应用

### 医疗环境

只要所引用的研究试图讨论一个房间中不同组乘员的热状况，这些研究最终都会基于主观研究简单地提出热舒适满意度的比较。没有研究试图调和强制性必须住在一个房间的不同类型乘员的不同热舒适性要求。因此，有必要研究医院中不同群体的乘员所需的不同热条件，以协调他们在这一概念中的不同要求。为了协调所需的热舒适条件的差异，建议通过合适的机械系统测试在一个房间内使用不同范围的局部辐射温度的可能性。

尽管对医院患者的热舒适性进行了不同的研究，但也有必要研究热舒适条件对医院患者康复质量和数量的影响。也有原始研究表明工作人员的热舒适度与他们的生产率水平之间的联系，但是在该领域的医院中尚未单独进行任何研究。因此，建议针对该主题单独研究覆盖率和方法。还建议针对免疫系统保护水平较低的患者（如HIV患者，烧伤患者等）进行冷却和加热输送系统方面的研究。使用不同的加热系统来防止患者体温过低并同时提高医院工作人员的热舒适度，仍然需要重点关注一些重要领域，包括工作人员的热舒适度及其与生产率的关系。

最后，医院中人，系统和建筑设计之间的交互是一个需要进一步工作的领域，以提高人们对如何设计建筑物和系统的知识的理解，以调和占用建筑物的人们的许多冲突因素。

### 个人舒适系统

个人舒适系统（英文：Personal comfort systems，PCS）是指个人加热或冷却建筑物居住者的设备或系统。与中央HVAC系统相比，该概念得到了最好的理解，中央HVAC系统在大范围区域具有统一的温度设置。个人舒适系统包括各种风扇和空气扩散器（例如台式风扇，喷嘴和插槽扩散器，顶置风扇，大容量低速风扇等）以及个性化的辐射或传导性热源（暖脚器，暖腿器，热水袋）等等）。PCS有可能比当前的HVAC系统更好地满足个人舒适性要求，因为由于年龄，性别，体重，新陈代谢率，衣服和热适应性造成的人际间的热感差异可达到2-5 K的等效温度变化，这是中央统一的HVAC系统无法满足的。此外，研究表明，控制人的热环境的感知能力倾向于扩大人的容许温度范围。传统上，PCS设备彼此隔离使用。Andersen等（2016）认为，PCS设备网络可产生良好连接的热舒适性微区，并对应人员在各种不同的情境（例如聚会，会议，音乐会等）下任意选用，以实现最大程度的热舒适性。