熱舒適性

**熱舒適性**（英文：Thermal comfort）為人體對溫度、濕度、風速等物理環境的感受與喜好狀態，可以透過主觀評估（ASHRAE 55）的方式來確認，不僅影響人體的工作效率，更可能造成健康上的危害。暖通空調設計的主要目的之一就是維持在建築物（或是其他空間）之內的熱舒適性，因此熱舒適性同時也是建築性能模擬中的重要指標。統計上常以不舒適時間的百分比來表示。

人體新陳代謝所產生的熱若可以散發到環境中，人體就和環境達到了熱平衡。影響熱舒適性的主要因素是一些和人體發熱及散熱相關的因素，例如代謝率、衣服隔溫能力、室溫、平均輻射溫度、風速以及相對濕度。而心理因素（例如個人預期等）也會影響熱舒適性。

美國軍方目前正在進行服裝的熱舒適性研究，透過研究新的通風服裝，以加強蒸發的方式來達到熱舒適 。

## 分類

熱舒適模型大致可分為靜態模型（PMV / PPD）和自適應模型兩大類。

平均預測投票（英文：Predicted Mean Vote，PMV）模型是 1970 年代由堪薩斯州立大學和丹麥技術大學的 Povl Ole Fanger 教授所開發，而後被各國廣泛使用的熱舒適模型。它是根據熱平衡原理和在穩態條件下在受控氣候室內收集的實驗數據開發，適用於空調空間的熱舒適性評估。研究人員發現，大多數人都會對一理想溫度感到滿意。隨著室溫逐漸偏離理想溫度，不滿意現狀的比率會增加。可以藉由統計表示為通過_舒適條件_和_預測的平均投票_（PMV）表示滿意的個人百分比。這種方法受到了 ASHRAE 884 項目開發的自適應舒適度模型的挑戰。

1998 年 De Dear 教授研究發現 在中央空調的房間中，受測者的熱舒適感受乎與既有的 PMV 熱舒適模型完全相符。然而出乎他們意料的，平平都是室內空間，PMV 模型對於自然通風房間的受測者熱舒適的解釋度就沒這麼高，受試者在自然通風房間對於溫度高低的容忍力似乎比較大（當室外氣溫若偏高，體感舒適溫度也會略微提升，反之亦同）。 因此提出了自適應模型（英文 Adaptive Model），其構想是使試驗人員動態地與其周圍環境互動。乘員通過衣服，可操作的窗戶，風扇，個人取暖器和窗簾來控制其熱環境 。PMV 模型可以應用於空調空間，而自適應模型則能使用於自然通風空間。

熱舒適可以由各種軟體計算，例如 ASHRAE 55 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 的 CBE 熱舒適工具 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 、ISO 7730 標準和 EN 16798-1 標準進行的熱舒適計算 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）、使用 Python 包 pythermalcomfort （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 和 R 包 comf （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 等。

## 意義

周遭熱環境對生物體的用作有很大影響，因為如果核心體溫達到 37.5–38.3 以上的高溫條件，熱條件可能會威脅人類的生命 °C（99.5–100.9 °F）， 或低於 35.0 的體溫過低 °C（95.0 °F）。 建築物可以改變外部環境的條件，並減少人體在正常的人體溫度下保持穩定所需的工作量，這對於人體生理過程的正常運行很重要。在建築科學研究中，熱舒適性與生產力和健康有關。對熱環境滿意的上班族生產率更高。 高溫和高相對濕度的結合降低了熱舒適性和室內空氣品質。 儘管單個靜態溫度可以使人感到舒適，但是人們會被諸如篝火和涼爽的水池之類的熱變化所吸引。熱愉悅是由從不愉快狀態到愉悅狀態的不同熱感覺引起的，而其科學術語是積極的熱感覺覺過敏。 對一個位於熱中性或舒適狀態的人而言，任何變化都將被視為不舒適。

## 影響因素

由於人的生理和心理滿意度差異很大，因此很難找到給定空間中每個人的最佳溫度。已經收集了實驗室和現場數據，以定義適合特定百分比試驗人員的條件。

直接影響熱舒適度的六個主要因素可以分為兩類：**個人因素**（因為它們是試驗人員的特徵）和**環境因素**（它們是熱環境的條件）。前者是新陳代謝率和著衣量，後者是氣溫、平均輻射溫度、空氣速度和濕度。即使所有這些因素都可能隨時間變化，標準通常還是要研究穩態溫度來研究熱舒適性，只允許有限的溫度變化。

### 代謝速率

人們具有不同的代謝率，這些代謝率會因活動水平和環境條件而波動 。 ASHRAE 55-2010 標準將代謝率定義為生物體內代謝活動將化學能轉化為熱量和機械功的水平，通常以整個體表的單位面積表示。代謝率以單位為單位表示，定義如下：

1met= 58.2 W /m²（18.4 Btu /h・ft²），等於靜坐的普通人每單位表面積產生的能量。一個普通人的表面積為 1.8 平方米（19 ft²）。 

ASHRAE-55 標準提供了各種活動的符合率表。一些常見的值是：睡眠時為 0.7met，靜坐時為 1.0met，輕度站立時為 1.2-1.4met，涉及運動、步行、舉起重物或操作機械的活動為 2.0met 或更高。對於間歇性活動，標準規定，如果個人進行的活動在一小時或更短時間內發生變化，則可以使用時間加權平均新陳代謝率。對於更長的時間，必須考慮不同的代謝率。 

根據 ASHRAE 基礎手冊，估計代謝率很複雜，並且對於高於或等於二或三的活動水準（尤其是通過多種方式執行此類活動的情況），準確性較低。因此，該標準不適用於平均水準高於二的活動。還可以使用經驗公式，比列表中的表格更準確地確定 Met 值，該公式考慮了呼吸氧氣消耗和二氧化碳的產生速率。由於心率與耗氧量之間存在關係，因此有一種與心律有關的方法，雖有生理性質依據，但準確性較差。飲食習慣可能會影響代謝率，從而間接影響熱量偏好。這些影響可能會根據食物和飲料的攝入量而變化。 身體形狀是影響熱舒適性的另一個因素。散熱取決於身體表面積。身材高大，瘦長的人比表面積大的人更容易散熱，並且比體型豐滿的人更能忍受更高的溫度。

### 衣著因子

人穿著的絕熱材料的數量對熱舒適度有實質性影響，因為它會影響熱量散失，進而影響熱量平衡。多層隔熱衣服可以防止熱量散失，並且可以幫助人體保暖或導致過熱。通常，衣服越厚，其具有的絕緣能力越強。根據製成衣服的材料類型，空氣流動和相對濕度會降低材料的絕緣能力。 

1clo 等於 0.155 平方米・K / W（0.88 °F・ft²・h / Btu）。這對應於褲子，長袖襯衫和夾克。在 ASHRAE 55 中可以找到其他常見服裝或單身服裝的衣服隔熱值。 

### 氣溫

空氣溫度是圍繞位置和時間的試驗人員周圍空氣的平均溫度。根據 ASHRAE 55 標準，空間平均值考慮到了腳踝，腰部和頭部的水平，這對於就座或站立的乘員而言會有所不同。時間平均基於三分鐘的間隔，至少有 18 個等間隔的時間點。空氣溫度通過乾球溫度計測量，因此也稱為乾球溫度。

### 平均輻射溫度

輻射溫度與從表面傳遞的輻射熱量有關，並且取決於材料吸收或發射熱量的能力或其發射率。平均輻射溫度取決於周圍表面的溫度和發射率以及視界因子，或物體「看見」的表面數量。因此，在陽光直射的房間中，一個人所經歷的平均輻射溫度根據他 / 她的身體在陽光下的多少而變化。

### 風速

在 HVAC 中，風速定義為某一點的空氣運動速率，不考慮方向。根據 ANSI / ASHRAE 標準 55 ，它是人體暴露於空氣中的相對於位置和時間的平均速度。根據 SET 熱生理模型，時間平均值與氣溫相同，而空間平均值基於人體暴露於均勻風速的假設。但是，某些空間可能會提供非常不均勻的空氣速度場，並因此導致皮膚熱量損失，這不能被認為是均勻的。因此，設計者應確定適當的平均值，尤其是包括入射在無衣服的身體部位上的風速，它們具有更大的冷卻效果並可能導致局部不適。 

### 相對濕度

相對濕度（RH）是空氣中的水蒸氣量與空氣在特定溫度和壓力下可以保持的水蒸氣量之比。人體在皮膚內具有在感覺熱和冷方面相當有效的傳感器，而相對濕度則是間接檢測到的。出汗是一種有效的熱量流失機制，它依賴於皮膚的蒸發。但是，在相對濕度較高的情況下，空氣接近可以容納的最大水蒸氣，因此蒸發減少，因此熱量損失減少。另一方面，非常乾燥的環境（RH <20-30％）也很不舒服，因為它們會影響黏膜。在空調建築物中，室內濕度的推薦水平在 30-60％的範圍內 但是新標準（例如自適應模型）允許較低和較高的濕度，這取決於涉及熱舒適性的其他因素。

最近，在洗澡後對人進行了低相對濕度和高風速的影響測試。研究人員發現，較低的相對濕度會引起熱不舒適以及乾燥和發癢的感覺。為了獲得最佳舒適性，建議在浴室中保持相對溼度高於其他房間的溼度。 

#### 皮膚濕度

皮膚濕度被定義為「被汗水覆蓋的身體總皮膚表面積的比例」。 皮膚在不同區域的潮濕度也會影響感知到的熱舒適度。濕度會增加身體不同部位的濕度，從而導致不適感。這通常位於人體的不同部位，皮膚濕潤的局部熱舒適極限因人體位置而異。 肢體對潮濕引起的熱不適比身體的軀幹要敏感得多。儘管可能由於潮濕而引起局部熱不適，但是某些部位的潮濕不會影響整個身體的熱舒適感。

#### 溫度和濕度的相互作用

已經開發出各種類型的體感溫度以結合空氣溫度和空氣濕度。對於較高的溫度，存在定量標度，例如熱指數。對於較低的溫度，只能定性的描述其相互作用：

> 高濕度和低溫會使空氣感到涼爽。 
> 
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> 相對濕度高的冷空氣比相同溫度的乾燥空氣「感覺」更冷，因為在寒冷的天氣中高濕度會增加人體的熱傳導。 
> 
> 

> 對於潮濕的冷空氣比乾燥的冷空氣感覺更冷，一直存在爭議。有人認為這是因為當濕度高時，我們的皮膚和衣服變濕並成為更好的熱導體，因此通過傳導進行的冷卻更多。 
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### 自然通風

許多建築物使用 HVAC 單元來控制其熱環境。其他建築物自然通風，不依靠機械系統提供熱舒適性。根據氣候，這可以大大減少能耗。但是，有時將其視為一種風險，因為如果建築設計不當，室內溫度可能會過高。設計合理，自然通風的建築物可使室內條件保持在一定的範圍內，夏季可在此範圍內打開窗戶並使用風扇，冬季則應穿上額外的衣服，以使人們保持溫暖。 

## 模型

在討論熱舒適性時，可以使用兩種主要的不同模型：靜態模型（PMV / PPD）和自適應模型。

### PMV / PPD 方法

PMV / PPD 模型是由 PO Fanger 使用熱平衡方程式和有關皮膚溫度的經驗研究開發的，以定義舒適度。標準的熱舒適度調查從冷（-3）到熱（+3）的七分制向受試者詢問其熱感覺。 Fanger 方程用於針對空氣溫度，平均輻射溫度，相對濕度，空氣速度，新陳代謝率和衣物隔熱性的特定組合計算一組對象的預測平均投票（PMV）。 PMV 等於零表示熱中性，舒適區由 PMV 處於建議限值（-0.5 <PMV <+0.5）之內的六個參數的組合定義。 儘管預測人群的熱感覺是確定舒適條件的重要步驟，但是考慮是否滿足人們的需求更為有用。 Fanger 開發了另一個方程，將 PMV 與預測的不滿意百分比（英文：Predicted Percentage Dissatisfied，PPD）相關聯。這種關係是基於對室內可以精確控制室內的被調查者進行調查的研究。

PMV / PPD 模型已在全球範圍內應用，但並未直接考慮適應機制和室外溫度條件。 

ASHRAE 標準 55-2017 使用 PMV 模型設置室內熱條件的要求。它要求至少 80％的居住者滿意。 

用於 ASHRAE 55 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）的 CBE 熱舒適工具 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）允許用戶輸入六個舒適參數，以確定某種組合是否符合 ASHRAE 55。結果顯示在濕度或溫度相對濕度圖表上，並指示在給定其餘四個參數的給定輸入值的情況下適合的溫度和相對濕度範圍。 

PMV / PPD 模型的預測並不夠準確。 使用世界上最大的熱舒適性現場調查資料庫， PMV 預測人員的熱感的準確性僅為 34％，這意味著可以正確預測三分之二的熱感。 PPD 高估了受試者在熱中性範圍之外（-1≤PMV≤1）的熱不可接受性。 PMV / PPD 的準確性在通風策略，建築物類型和氣候之間差異很大。

### 自適應舒適度模型

自適應模型基於這樣的思想：室外氣候會影響室內舒適度，因為人類可以在一年中的不同時間適應不同的溫度。適應性假設預測，環境因素（例如可以使用環境控制和過去的熱歷史）會影響建築物居住者的熱期望和偏好。 許多研究人員在全球範圍內進行了實地研究，他們在同時進行環境測量的同時，調查了建築物居住者的熱舒適度。對來自這些建築物中 160 座建築物的結果資料庫進行分析後發現，與通風良好的密封建築物相比，自然通風建築物的居民所接受的溫度範圍甚至更廣，因為其首選溫度取決於室外條件。 這些結果作為適應性舒適模型納入了 ASHRAE 55-2004 標準。自適應圖表將室內舒適溫度與主要室外溫度相關聯，並定義了 80％和 90％滿意度的區域。 

ASHRAE-55 2010 標準引入了當前的平均室外溫度作為自適應模型的輸入變量。它基於相關日期前連續不少於 7 天且不超過 30 天的平均每日室外溫度的算術平均值。 也可以通過用不同的係數對溫度進行加權來計算，從而對最近的溫度越來越重視。如果使用此加權，則無需考慮後續幾天的上限。為了應用自適應模型，該空間不應有機械冷卻系統，居住者應進行久坐運動，代謝率應達到 1-1.3，平均平均氣溫為 10－33.5 °C（50.0－92.3 °F） 。

該模型特別適用於由人員控制的自然條件空間，在該空間中，室外氣候實際上會影響室內條件，從而影響舒適區。實際上，de Dear 和 Brager 的研究表明，自然通風的建築物中的居住者可以承受更大的溫度範圍。 這是由於行為和生理上的調整，因為有不同類型的適應性過程。 ASHRAE 標準 55-2010 指出，近期的散熱經驗，衣服的變化，控制選項的可用性以及乘員期望的變化等方面的差異會改變人們的散熱響應。 

在其他標準（例如歐洲 EN 15251 和 ISO 7730 標準）中實現了熱舒適度的自適應模型。儘管確切的推導方法和結果與 ASHRAE 55 自適應標準略有不同，但它們基本相同。適用性上的差異更大。 ASHRAE 自適應標準僅適用於未安裝機械冷卻的建築物，而 EN15251 可以適用於混合模式的建築物（前提是系統未運行）。 

#### 心理適應

由於心理因素，個體在給定環境中的舒適度可能會隨著時間的流逝而發生變化和適應。對熱舒適性的主觀感知可能會受先前經驗的記憶影響。當反覆接觸降低了對未來的期望以及對感覺輸入的反應時，就會發生習性。這是解釋自然通風建築中現場觀測值與 PMV 預測值（基於靜態模型）之間差異的重要因素。在這些建築物中，與室外溫度的關係比預期的強兩倍。 

車身具有多種熱調節機制，可在劇烈的溫度環境中生存。在寒冷的環境中，身體利用血管收縮；這可以減少血液流向皮膚，降低皮膚溫度和散熱。在溫暖的環境中，血管舒張會增加流向皮膚的血液，熱傳遞以及皮膚溫度和散熱。 如果儘管進行了上述血管舒縮調節後仍存在失衡，則在溫暖的環境中將開始產生汗水並提供蒸發冷卻。如果這還不夠的話，就會出現體溫過高的現象，體溫可能會達到 40 °C（104 °F） ，可能會發生中暑。在寒冷的環境中，發抖會開始，不由自主地迫使肌肉工作並將熱量產生增加多達 10 倍。如果不能恢復平衡，則會導致體溫過低，這可能是致命的。 幾天至六個月的極端溫度長期調節可能會導致心血管和內分泌調節。炎熱的氣候可能導致血液量增加，血管舒張效果提高，出汗機制性能增強以及熱偏好的調整。在寒冷或過熱的情況下，血管收縮會變得永久性，從而導致血容量減少和人體新陳代謝率提高。

#### 適應行為

在自然通風的建築物中，當室內條件逐漸變得不適時，居住者會採取多種行動以保持舒適。常見的適應性策略包括操作窗戶和風扇，調節百葉窗 / 窗簾，換衣服以及食用食物和飲料。其中，調整窗口是最常見的。 那些採取這種行動的乘客在溫暖的溫度下會比不採取這種行為的人感到涼爽。 研究人員正在開發行為模型以提高模擬結果的準確性。例如，迄今為止已經開發了許多開窗熱舒適模型，但是對於觸發窗口打開的閾值尚無共識。

## 差異性和敏感性

### 個體差異

個體的熱敏感性由參數 _F_S 量化，_F_S 越高的個體，對非理想熱條件的耐受性較低。耐受性較低的群體包括孕婦，殘疾人以及年齡在 14 歲以下或 60 歲以上（被視為成人範圍）的個人。現有文獻提供了一致的證據，表明對熱和冷表面的敏感性通常會隨著年齡的增長而下降。也有證據表明，六十歲以後，人體對體溫調節的有效性逐漸降低。 這主要是由於人體下部的反作用機制反應遲緩，用於將人體核心溫度維持在理想值。 老年人比年輕人更喜歡溫暖的溫度（76 與 72 華氏度）。 

### 生物性別差異

雖然性別之間的熱舒適性偏好似乎很小，但仍存在一些平均差異。研究發現，由於溫度升高，男性平均感到不適的時間要比女性早得多。平均而言，男性也比女性估計更高的不適感。一項最近的研究對穿著相同棉質衣服的男性和女性進行了測試，他們在進行腦力勞動的同時使用錶盤投票來報告他們在不斷變化的溫度下的熱舒適性。 很多時候，雌性會喜歡較高的溫度。但是，儘管女性傾向於對溫度更敏感，但是男性傾向於對相對濕度水平更敏感。 

在馬來西亞沙巴州亞庇的自然通風住宅樓中進行了廣泛的現場研究。這項研究探討了非空調住宅建築中性別對室內環境的熱敏感性。選擇分類主持人的多元層次回歸進行數據分析；結果表明女性對室內空氣溫度的敏感性比男性略高。而在熱中性條件下，發現男性和女性具有相似的熱感覺 。

### 地區差異

在世界不同地區，熱舒適性需求可能會因氣候而異。在過去的幾十年中，由於人口的快速增長，與熱舒適有關的節能已成為中國的一大問題 。現在，研究人員正在研究為中國的建築物供暖和降溫的方法，以降低成本並減少對環境的危害。在巴西的熱帶地區，快速的都市化帶來熱島效應。這些城市地區由於過度的水泥鋪面而營造出蓄熱的都市環境，僅在雨季時才落在舒適範圍之內。

在沙烏地阿拉伯炎熱潮濕的地區，熱舒適性問題在清真寺中很重要，因為它們是非常大的開放式建築物，只能間歇使用（星期五非常忙於中午祈禱），很難為它們通風。大的建築物需要大量的通風，這需要大量的能量，因為這些建築物僅在短時間內使用。由於間歇性的需求，清真寺的溫度調節是一個挑戰，導致許多清真寺太熱或太冷。堆疊效果也因其尺寸較大而發揮作用，並在清真寺中的人們上方產生了一層熱空氣。新設計將通風系統放置在建築物的下部，以在地面上提供更多的溫度控制。 

## 應用

### 醫療環境

只要所引用的研究試圖討論一個房間中不同組乘員的熱狀況，這些研究最終都會基於主觀研究簡單地提出熱舒適滿意度的比較。沒有研究試圖調和強制性必須住在一個房間的不同類型乘員的不同熱舒適性要求。因此，有必要研究醫院中不同群體的乘員所需的不同熱條件，以協調他們在這一概念中的不同要求。為了協調所需的熱舒適條件的差異，建議通過合適的機械系統測試在一個房間內使用不同範圍的局部輻射溫度的可能性。

儘管對醫院患者的熱舒適性進行了不同的研究，但也有必要研究熱舒適條件對醫院患者康復質量和數量的影響。也有原始研究表明工作人員的熱舒適度與他們的生產率水平之間的聯繫，但是在該領域的醫院中尚未單獨進行任何研究。因此，建議針對該主題單獨研究覆蓋率和方法。還建議針對免疫系統保護水平較低的患者（如 HIV 患者，燒傷患者等）進行冷卻和加熱輸送系統方面的研究。使用不同的加熱系統來防止患者體溫過低並同時提高醫院工作人員的熱舒適度，仍然需要重點關注一些重要領域，包括工作人員的熱舒適度及其與生產率的關係。

最後，醫院中人，系統和建築設計之間的交互是一個需要進一步工作的領域，以提高人們對如何設計建築物和系統的知識的理解，以調和占用建築物的人們的許多衝突因素。 

### 個人舒適系統

個人舒適系統（英文：Personal comfort systems，PCS）是指個人加熱或冷卻建築物居住者的設備或系統。 與中央 HVAC 系統相比，該概念得到了最好的理解，中央 HVAC 系統在大範圍區域具有統一的溫度設置。個人舒適系統包括各種風扇和空氣擴散器（例如台式風扇，噴嘴和插槽擴散器，頂置風扇，大容量低速風扇等）以及個性化的輻射或傳導性熱源（暖腳器，暖腿器，熱水袋）等等）。 PCS 有可能比當前的 HVAC 系統更好地滿足個人舒適性要求，因為由於年齡，性別，體重，新陳代謝率，衣服和熱適應性造成的人際間的熱感差異可達到 2-5 K 的等效溫度變化，這是中央統一的 HVAC 系統無法滿足的。 此外，研究表明，控制人的熱環境的感知能力傾向於擴大人的容許溫度範圍。 傳統上，PCS 設備彼此隔離使用。Andersen 等（2016）認為，PCS 設備網絡可產生良好連接的熱舒適性微區，並對應人員在各種不同的情境（例如聚會，會議，音樂會等）下任意選用，以實現最大程度的熱舒適性。

## 參考資料