空气和人类舒适(二)

五、 舒适图和舒适区域^③

图FLA-3展示了刚才描述的研究结果。它就成为舒适图，了解它的用途对于解决舒适空调的设计问题是极其有用的。

重要的是要注意图上的那几个基本假设。它们是：

⒈ 接受实验者是按室内生活正常穿衣

⒉ 接受实验者只是从事轻微的活动——读书、办公室工作、偶尔的室内散步

⒊ 4.57~7.62m/min的空气速度

⒋ 假设可以忽略辐射效果

图中采纳的是几百个接受实验者的平均数。只有经历极端气候的部分乡村地区数值会稍微和这儿有点不同。

干球温度是标在水平轴上，湿球温度标在垂直轴上。相对湿度线从左下角延伸到右上角。100%RH线就称为饱和线。有效温度的刻度是沿着饱和线划分出来的。通常要注意，即使有些人喜欢这种或那种极端的湿度，但对于大部分人来说，70%以上或30%以下的相对湿度是不考虑为最适宜的舒适区域。

冬季舒适区域ABCD围成了一圈对大多数人来说可能会产生冬季舒适的干球温度和相对湿度组合。注意这个区域有效温度跨度范围是从17. 22到21.67℃。同样地，区域EFGH是大多数人的夏季舒适区域，并且有效温度的跨度范围是从18. 89到23.89℃。如果上面列出来的四个假设不生效，这张图上的数值也就不适用了。实际上，如果有巨大的暖和或寒冷的表面向人辐射热，或由人向该表面辐射热，图上的读数就都是不可信的。

例1：安装一个冬季空调系统。业主不想采购加湿控制设备。测试显示，如果光对调节空间单独加热，相对湿度可能会降低到10%。问什么样的干球温度才能产生最可达到的舒适条件？

解：从图FLA-3找到18.89℃有效温度线（97%的冬季接受实验者舒服）并且沿着它下降到10%RH线。从干球温度刻度读出23.33℃。

这个条件不在舒适区域里，但是却是没有加湿设备最可达到的舒适条件。

例2：一个采购了夏季空调的餐馆已经指定要维持25.56℃ DB的温度，但是没有规定相对湿度。那么在设计系统，选择设备和设定运行控制时，为了让70%的顾客在夏季里感到舒服，能允许有多高的相对湿度？

解：进入图上的25.56℃ DB。沿着这条线到23.33℃有效温度线（70%的接受实验者报告这是一个舒适条件）。注意相对湿度大约为60%。

图FLA-3 舒适图。注意在饱和线（100%相对湿读）上的

干球温度、湿球温度和有效温度都是相等的。

在舒适图上显示了被测试人感到舒适的百分比。

例3：一个办公室经理报告说尽管强制通风的炉子（加湿器）象是工作很好，并且房间温度是22.78℃，但许多的办公室人员都抱怨太冷。维修工程师用手摇干湿表测试出相对湿度是10%，问应当去做什么？

解：增加一个加湿器，并且把相对湿度提高到40%或冬季舒适区域之内的某些适当数值。然而注意，如果炉子没有太多的热量输出，就把能这样去做。如果炉子已经在，或接近最大能力，通过增加足够的湿气（不增减热量），达到大约32%的相对湿度，允许干球温度下降到20.56℃以下，可能仍然是刚刚达到舒适区域。这个20.56℃，32%的相对湿度条件刚刚接近（50%的接受实验者认为舒适）舒适区域的拐角，恐怕有些办公室员工仍然会感到太冷。

六、 舒适图的局限性

尽管在解决设计问题时，舒适图是很有用的，但也应该小心，记住舒适图存在明显的局限性。当地的经验可能会要求相当大的违背图上的数值。在制热或制冷状况里存在的值得重视的可伸缩性将会对图表数值有一点影响。假设忽略的辐射影响常常是很重要的。在冬天，即使周围空气是在舒适区域条件之内，人体表面也可能会把很多热量辐射到冷墙壁上，使皮肤温度下降到舒适感以下。

相反地，在夏季，即使周围的空气是凉爽的，但暖和的天花、墙壁和窗户都可能产生不舒适的辐射热。在夏季的晚上，这是一个特别麻烦的问题，对于不通风的阁楼，在太阳下山之后的很长一段时间里，可能还是保持很热（48.89℃，或以上），并且因为传导时间滞后，所以直到午夜时分，天花都可能还是很暖和的。即使当皮肤感到环境空气已经很凉爽时，从天花辐射到人身体表面的热也可能引起不舒服，并且妨碍睡眠。一个解决方案就是在阁楼里安装一个阁楼风扇（平均6个房间的住宅，大约需要4248m³/min能力）把热气吹出阁楼通风口。通过其它的通风口把凉爽的晚间空气吸进来，以替换热的阁楼空气。如果大约在下午7：00时运转风扇，到晚上10：00点就应该产生一个满意的阁楼温度，并大大减少了天花辐射。

七、 有效温度和人类舒适的最近研究

在1963年，美国暖通、制冷和空调工程师协会（ASHRAE）在美国发起了一个新的长期的人类舒适研究。试验是由美国暖通、制冷和空调工程师协会（ASHRAE）承包给堪萨斯州大学环境研究协会主持实施。

大约1600名学生（男生和女生）参与了长达几年周期的研究。热舒适是定义为“大脑表示满意的热环境条件”。热环境自身的特色是低空气流动（小于22.86 m/min）；接受实验者轻松地穿衣，做典型的办公室工作；并且没有重大的辐射影响。干球温度和相对湿度是试验变量。

从这个实验里获得的结果是以一个新的已经被开发出来的有效温度刻度为基础。在图FLA-4里描写了它的舒适包络线（ABCD），它是根据美国暖通、制冷和空调工程师协会（ASHRAE）1974年出版的标准55-74《人类居住的热环境条件》和美国暖通、制冷和空调工程师协会（ASHRAE）1977年出版的基本原理手册提供的数据改写的。

注意（图FLA-4），舒适包络线较低的边界线已经接近20%RH线。沿着这个边界线，“舒适”条件线大约是在22.22℃ DB和26.11℃ DB之间。舒适包络线上面的边界线横跨在65%RH线上，并且这里的“舒适”存在于20.11℃ DB和25℃ DB之间。

这些最近的研究采用了平均的衣服热绝缘概念。显而易见，人体是通过穿衣服来防备热损失（并且在一定范围内也防备热获取）而绝热的。衣服热绝缘的单位就称为克洛（clo）或衣着指数。正如R值是建筑物绝缘材料热阻的计量单位一样，克洛（clo）值是身体绝缘材料（衣服）热阻的计量单位。克洛（clo）和R值的关系如下：

1clo=0.155R

或

1clo=0.155(m²)(℃)/W

对于通常需要长久坐着的成年男性，1克洛（clo）意味着等于中等重量的毛料或部分毛料的西装。对于妇女，1克洛（clo）是代表一件暖和的长袖衣服配上连身衬衣或薄羊毛衫，或长袖的宽松上衣配上暖和的套裙和长袖的羊毛衫或毛料或部分毛料的长裤。图6-3是基于穿大约0.6克洛（clo）的衣服。

对于备有空气调节装置的空间，并且拥有25.56℃ DB（夏天），估计适合穿大约0.3到0.6克洛（clo）衣服(通常的轻量级短袖夏季服装)。然而，当在冬季必须要“调整到”20℃（或大概甚至是18.89℃）时，实际上是不得穿上更加厚重的冬季衣服。当房间空气温度是18.33~18.89℃时，为维持皮肤表面温度在32.22℃，（惯于久坐的人）就需要衣服的热阻范围在1.4~1.8克洛（clo）——男人们要穿长内衣裤、长袖衬衫和中等到厚重的长裤、暖和的毛线衫或外套，以及羊毛袜；女人们也要穿同样厚重的衣服。

在“新”和“旧”舒适标准之间比较

在旧的和新的舒适区域和舒适包络线之间看来有一个合理的量度标准协议。然而，也有一些值得注意的差异。现代接受实验者似乎更能容忍较低的湿度范围，但是对于较高的湿度范围却有着和半个世纪前的接受实验者差不多同样的反应。

关于干球温度，现代人群在两个极端温度似乎相当缺少忍耐性。例如（图FLA-3）在40%RH和21.11℃ DB时，近一半的1930年人群都反应舒适（冬季）。相反，对于1970年的人群，21.11℃就显然是舒适的较低界限。在较高的温度端，在40%RH和27.5℃ DB，大体上半数的1930年人群都反应舒服（夏季）。然而温度在26.11℃ DB以上，1970年的人群是不“舒服的”。

这些差异有几种可能的解释。大概在50年前的冬季里，惯于久坐的工作者都穿着很厚重的衣服（毛料是比今天更为流行的衣料，就像80年代刚刚富裕起来的东北人，每个人都有几套“料服”，人人都要穿带“毛”的衣服）。然而，由于生理和心理条件作用的影响，许多显著的差异是无庸置疑地。人一般都已经变得习惯于控制室内气候，在冬季加热和在夏季制冷。在半个世纪的期间似乎都没有限制过能源的使用，对许多人来说，室内舒适的热限制已经变得有点勉强了。因为我们正处于一个能源短缺的时代，所以下面将要讨论这个问题的一些建议。

图FLA-4 新的有效温度刻度，阴影部分为舒适区域（ABCD）。

舒适区域只适用于长久坐在空气流动量很小的房间

里的穿着单薄衣服的人，并且忽略了辐射影响。

八、 在设计中的妥协因素

已经把工程学定义为人类需要和希望应用的科学和艺术。这样的定义暗示工程学一定是一个很实际的事情，科学发现将会与人类的需求和愿望相吻合，而且有时能够通过当时的紧急要求，妥协严格的工程设计，以应对特殊的情况。经常在做出什么是令人想要的决定之后，工程师接下来就要决定什么是可以接受的，于是尽可能近的把各方意见合拢到一起，通过妥协产生令人满意的和可能的结果。

所以在设计、销售和安装舒适性空气调节系统时，不能死脑袋瓜，要学会变通和妥协。当正确的应用时，舒适图或新的有效温度刻度表明设计会产生最适宜的舒适。但是许多预期的夏季制冷购买者都希望减轻一些热量和湿气，但是却没有足够的资金来（或心甘情愿的）支付产生最适宜的舒适条件的系统。关于这一点，作为一个行业参与者，笔者知道在过去的20年中，中国已经在世界范围内开发了一个巨大分体空调（Mini-split ductless air conditioner）市场。事实上分体空调只是一台“制冷和不受控的除湿”机，并不能构成一个真正意义上的室内空气调节系统。但从省钱的观点来看，在设计一个夏季制冷系统时，应用工程师有时必须要稍微偏离最佳效果，因此采用简单分体空调就是一个非常省钱的夏季制冷方案。然而值得注意的是，尽管许多人会在最佳夏季制冷效果上妥协，但无人想在最佳冬季制热效果上妥协。

对预期的消费者解释妥协的确切特性是专业工程师的职责，好让他或她了解采购一套空气调节系统就像采购一台汽车一样，性能与价格是紧密相关的。

另外，经济因素和某些其它的考虑因素都可能要求偏离舒适图最佳效果。居住的持续时间就是其中之一。舒适图和舒适包络线数值是针对长期居住者的，例如呆在办公室、住宅和剧院里的人。当占用者是短暂停留时（例如银行、百货公司、超级市场、杂货店），进入顾客的舒适可能就是一个控制因素，在设计安排上要优于雇员的舒适。在长时间暴露于高的室外温度之后，当一个人进入一个很冷的空间时，第一感觉就是很明显的寒意。由于汗腺没有立即关闭，所以汗水仍然流到皮肤上并蒸发。蒸发进一步增加寒冷的感觉，并且可能直发抖的冷到骨子里去。这种突然的温度变化可能会给某些人带来热伤风，并且不管怎样都会暂时打乱身体的温度控制机能。

对于短暂停留是控制因素的空间来说，应该稍微修改一下舒适区域最佳效果。不论室外多么热，对于短暂停留的空间，里面的温度都不应该比室外温度低11.11℃以上。相对湿度可能在40%和65%之间变化，如果不影响空间里的雇员舒适的话，还是较低的数值比较好。

空气流动是另一个成为实用性设计的因素。在有效温度时的空气流动效果呈现在表6-3里。

注意，当空气速度上升时，用人判断出来的效果就像是减少了干球温度一样。例如在26.67℃ DB和50%RH时，6.1m/min的空气速度给出了23.44℃的有效温度，然而在60.96m/min的空气速度时，有效温度则是22.06℃。

不管这个有效温度如何减少，都必须要避免空气速度非常过分的超过30.48m/min。从出风口来的冷却空气是相当冷的，通常大约为14.44℃，并且这个温度的空气直接吹到人的皮肤上会产生一个不舒服的感觉。在蒸发冷却的情况下，出风口处的空气温度大约是21.11~23.89℃，空气速度可能是非常高，但没有引起寒冷的感觉。

与冷空气的气流相比，大多数人都对暖和的空气气流非常敏感。从出风口吹来的暖空气可能是43.33℃或更高，并且这个热的气流是很讨厌的。对于冬季空调，越过皮肤的空气流速不应该超出12.19m/min，否则就会导致不舒服。

表6-3 在有效温度时的空气运动效果（相对湿度50%）

干球温度 ℃	有效温度，℃
	空气速度，m/min
	6.1	30.48	60.96	91.44
18.33	16.78	15.56	14.44	13.33
21.11	18.94	17.89	17.11	16.17
23.89	21.28	20.44	19.56	18.89
26.67	23.44	22.67	22.06	21.39
29.44	25.56	24.89	24.33	23.89
32.22	27.50	27.00	26.56	26.11

湿度是第三个能够作妥协的设计因素，在某种程度说，不会有严重的后果。可以认为50%的相对湿度是理想的，但是对于动机和夏季系统来说，这个理想有时是很难获得的。由于大多数人在30%到70%的相对湿度范围内都是相当舒服的，因而大多数舒适系统都是设计在这个范围内。人体对干燥和潮湿的空气都是很敏感的，当然，也就构成了一个特殊的问题。对于夏季制冷，如果可能，经验显示最好是呆在50%RH以下；对于冬季制热，20%RH到40%RH是令人满意的。然而，在夏季除湿和冬季加湿却要花费钱，并且成本因素可能再次需要偏离舒适图最佳效果。在实际情况里，并且当健康或过敏条件不是控制因素时，就可能允许相对湿度在夏季制冷时高达65%，在冬季制热时低至20%，如果没有真实地不舒适，提供干球温度在季节舒适区域之内就可以了。

对空气里污染物的过敏反应折磨着许多人，有些还达到了生病的程度。花粉、灰尘、霉菌、孢子和其它含有过敏原的小粒子都可能导致严重的呼吸困难，包括鼻窦不舒服和哮喘发作。舒适图没有包含人对过敏原反应的信息。然而，所有良好设计的空气调节系统都应该包括过滤室外空气和返回空气的设备。事实上，并非拿走了所有污染物，但是如果过滤系统正常工作，并且如果起重要作用的静电吸尘、玻璃棉或其它的接触型过滤网都能正常工作，则95%的花粉和其它麻烦的粒子都会被拿走。通常是拿不走有害的气体，除非它们可以溶解在制冷盘管（夏季循环）的冷凝水里，或除非是用化学活性材料（例如活性碳）作过滤系统。

九、 舒适与节约能源

能源短缺威胁变得一年年地更加严重。除了油和电的成本以外，还有无论如何可能都不够的能源，已经是摆在空调产业面前的现实问题。早在1970年，典型美国家庭的制热费用数量要小于家庭食物费用的四分之一。从1980年时起，在寒冷的乡村区域里，一些家庭燃料花费差不多就等于食物费用。自从1973年以来，这几十年其间电能成本也在暴涨。

对于冬季和夏季空调来说，将输送进和出调节空间里的热量减到最少，就是减少整个能源消费的一种最有效的方法。另一个方法就是提高所有制热和制冷设备的运行效率，使它们处于或接近设计水平。例如许多控制研究已经表明，在典型的家庭炉子里有超过一半的热量被浪费掉了——不是损失在烟道里，就是通过墙壁、门和窗户损失掉了。

第三个节约空调能源的方法包括要逐渐改变我们的“舒适”观。我们已经变得习惯于集中供热，并且冬季室内温度范围都在21.67~25℃。尽管是在冬季的室内，大多数人也都不喜欢穿着厚毛衣或任何种类的“暖和”衣服。这些习惯大概需要立即开始改变。在最近几年里，把温控器“拨到”20℃或甚至18.89℃可能是平常的事。住宅控制系统只需要把选定的房间保持在舒适的暖和，并且在室内也要穿上暖和的衣服是一个明显的趋势。

小心的关注相对湿度控制（也就是说40%RH），大约50%的正常穿衣人都能够允许靠近冬季舒适区域的18.89℃ DB温度。再次强调要想产生较高的湿度来增加舒适就必须要花钱——能源（燃料）——把水蒸发成蒸汽。

夏季制冷也一样，必须优先考虑节省能源。空气调节工程师长期以来都坚决反对许多建筑物管理人员在夏季制冷季节里把室内温度保持在荒谬的寒冷温度。许多银行、餐馆、超级市场、剧院和公共建筑物是如此的寒冷，以至于从暖和的室外里走进去的人都感到“刺骨的冷”。这些在控制“冷却空气”系统的人似乎定义空气调节的意思就是“保持我们的建筑物在夏季比冬季还要冷！”

实际上，大多数消费者并不知道空调器出风温度太低反而会不舒适。在国内家电商场，常有空调促销人员为了使消费者确信他所推销的空调器制冷量足，而把空调温控器设定到最低挡，同时也把风速调到最低速，使得空调出风口直往外吹“白雾”，这是因为出风干球温度太低，空调出口的寒冷空气一遇外部潮湿的高温空气就直接凝露成小水珠，看起来就是“白雾”，这时空调器就变成了除湿机。遗憾的是，学过制冷的人都知道，温度和制冷量是两个完全不同的物理量。事实上，空调器出口空气温度和风速越低，其制冷量反而越低，而不是越大（可笑的是这些空调促销员自己往往都不知道这一制冷现象）。

夏季（舒适）空气调节的最大好处就是能够在调节空间里获得不冷于26.67℃的干球温度——如果相对湿度保持在或低于50%。

必须要相当迅速的去适应这些能源要求。大多数人“舒适”的概念都必须要彻底的重新定义（以小泉首相为首的日本政府官员在2005年夏天就曾经号召日本人不要穿西装，打领带，要调高室内空调控制温度，以节省能源）。并且必须要重新关注设备的有效运行和建筑物的保温，挡风条和堵缝，以便将热损失将到最低程度。