冬季服装条件下脚踝吹风感风险模型

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Ankle draft risk model under winter clothing conditions

　　

ASHRAE标准55中的脚踝吹风感模型源自参与者主要穿着夏季服装且脚踝暴露（约0.6 clo）的研究，这可能导致在冬季条件下（此时 occupants 通常穿着长裤、袜子和封闭式鞋子，约0.75 clo）对周边供暖或立面保温要求过于保守。研究人员在受控实验室实验中，以51名参与者为对象，评估了这些条件下脚踝高度吹风感的热舒适反应。在受试者内重复测量设计中，参与者被暴露于九种条件，这些条件在脚踝高度空气温度（17–20°C）和空气速度（0.1–0.7 m/s）上有所变化，模拟窗户下吹气流。现有脚踝吹风感模型在所有条件下均系统性地高估了不满意率。尽管先前暴露脚踝的研究报告不满意率为23–57%，但研究人员仅观察到6–20%，现有模型平均高估了2.3倍，在高空气速度下甚至高达30%。研究人员根据本次及先前研究，分别开发了覆盖脚踝和未覆盖脚踝条件下的广义线性混合效应模型。覆盖脚踝模型显示出较低的基线不满意风险和降低的对空气速度的敏感性。只有全身热感觉和脚踝高度空气速度是显著预测因子；在测试范围内，脚踝空气温度和室温不显著。这些结果受限于20分钟的暴露时间以及排除了冷窗表面的辐射不对称性。这些发现支持将ASHRAE标准55脚踝吹风感标准按服装水平进行区分。采用覆盖脚踝标准可在不降低 occupant 舒适度的情况下，显著减少周边供暖和立面保温，对能源使用和碳排放有益。

**论文解读：冬季服装条件下脚踝吹风感风险模型研究**

**研究背景与问题**

在冬季建筑环境中，窗户附近的冷下沉气流是导致局部热不舒适的主要来源之一。当室外温度降低时，窗户内表面温度显著低于周围空气，导致附近空气冷却、密度增加并下沉，形成局部气流，对坐姿 occupants 的下肢造成不适。为应对此问题，设计人员通常通过增加窗户保温、添加竖框或安装周边供暖系统（如散热器或地暖）来抵消下沉气流效应。然而，ASHRAE标准55中现有的脚踝吹风感风险模型基于参与者穿着夏季服装（约0.6 clo）且脚踝暴露的实验研究，这可能高估了冬季条件下（occupants 穿着长裤、袜子及封闭式鞋子，约0.75 clo）的实际不舒适风险。当前标准未区分脚踝覆盖与暴露状态，导致可能过度设计周边供暖或立面保温，造成不必要的初次成本、能源消耗及碳排放。因此，本研究旨在评估冬季服装条件下脚踝高度吹风感的热舒适反应，为建筑标准提供更准确的预测模型。

**研究目的与方法**

研究人员通过受控实验室实验，招募51名参与者（来自大学社区），采用受试者内重复测量设计，模拟窗户下沉气流条件。实验在加州大学伯克利分校建筑环境中心的气候室中进行，设置三个工作站，背景环境维持约22°C操作温度、50%相对湿度及低于0.1 m/s的背景风速，目标全身热感觉为-0.5（略微凉爽）。参与者穿着长袖上衣、长裤（至脚踝上方）、薄袜及封闭式鞋子，整体服装保温约0.75 clo。实验分为三个会话，每个会话对应一个送风温度（SAT）水平（15°C、17°C、19°C），并在每个会话内以平衡顺序施加三个脚踝高度空气速度水平（低、中、高，范围0.1–0.7 m/s）。每个暴露时长为20分钟，与基础研究一致。测量包括环境参数（头部及脚踝高度空气温度、风速、湍流强度）、生理参数（小腿皮肤温度，使用iButton传感器）及主观反馈（热感觉、热舒适、热可接受度、空气流动可接受度等）。统计分析采用广义线性混合效应模型（GLMM），结合当前研究及Liu等人（2017）的数据集，开发覆盖与未覆盖脚踝条件下的新模型。

**主要技术方法**

关键方法包括：1）受控实验室实验，使用定制置换通风散流器模拟窗户下沉气流，从参与者后方吹向脚踝区域；2）环境测量使用AirDistSys 5000全向热线风速仪（脚踝高度0.1 m）和Atmocube监测仪（头部高度1.1 m）；3）生理测量使用iButton传感器连续记录小腿皮肤温度；4）主观反馈采用标准化问卷，包括热感觉、热可接受度、空气流动可接受度等；5）统计建模采用广义线性混合效应模型，考虑重复测量间的非独立性，并通过蒙特卡洛模拟获得边际预测概率，拟合逻辑形式近似方程。

**研究结果**

**3.1 参与者与环境条件**：51名参与者（30名女性，21名男性），中位年龄22岁。环境条件稳定，头部温度约21.9°C，脚踝高度空气温度因送风设置不同而分别达到17–18°C、18–19°C和19–20°C，空气速度低、中、高分别约为0.15 m/s、0.4 m/s和0.6 m/s，湍流强度保持在低至中等水平。

**3.2 全身热感知**：全身热感觉投票主要分布在“凉爽”至“略微温暖”之间。脚踝空气温度升高与全身热感觉呈弱正相关（中高风速下斜率约0.15–0.16/°C），但解释方差极小（R2 ≤ 0.03）。脚踝空气速度与全身热感觉无系统关系。全身热可接受度在所有条件下均主要为“可接受”，与脚踝温度或速度无实际相关（R2 ≤ 0.01）。

**3.3 脚踝水平观察**：脚踝热感觉普遍低于全身评级，空气温度呈正相关，空气速度呈负相关，且在17–18°C条件下负相关最强（b = -1.23，R2 = 0.05）。空气流动可接受度在脚踝水平主要为可接受，与空气速度呈一致负相关（b ≈ -0.56至-0.7），但解释方差低（R2 ≤ 0.023）。小腿皮肤温度在暴露期间下降0.8°C至1.7°C，下降幅度随空气速度增加而增大，低风速与中、高风速间差异显著，但中高风速间仅在最冷温度条件（19–20°C）下显著。外推分析显示，20分钟后皮肤温度可能继续下降0.2–0.4°C，但主观热感觉变化小于0.3 TSV，主要结论受暴露时长影响有限。

**3.4 脚踝吹风感不满意率**：现有模型在所有条件下均系统性地高估了不满意率。校准曲线偏离理想线，平均预测不满意率为30%，而实际观察仅为13%，高估约2.3倍。在高风速（0.6 m/s）及19–20°C条件下，模型预测PPD（预测不满意百分比）为42%，实际仅17%，高估26%。尽管现有模型具备可接受的区分能力（AUC = 0.77），但校准偏差显著。

**3.5 冬季条件更新模型**：通过筛选变量，仅脚踝空气速度、全身热感觉和脚踝覆盖状态（覆盖vs.未覆盖）为显著预测因子，而脚踝空气温度、室温、湍流强度及性别不显著。数据来源无显著系统差异。分别建立了覆盖与未覆盖脚踝的GLMM模型。覆盖模型截距比未覆盖模型低1.9单位（对数尺度），空气速度系数更小，表明基线风险更低且对空气速度敏感性降低。最终边际预测近似公式为：未覆盖脚踝PPD_AD = exp(-2.087 + 2.255V - 0.915TS) / (1 + exp(-2.087 + 2.255V - 0.915TS))；覆盖脚踝PPD_AD = exp(-3.224 + 1.884V - 0.983TS) / (1 + exp(-3.224 + 1.884V - 0.983TS))，其中V为脚踝空气速度（m/s），TS为全身热感觉。

**讨论与结论**

**讨论部分总结**：本研究核心发现是冬季服装条件下（≥0.75 clo）脚踝吹风感不满意率显著低于现有模型预测及先前暴露脚踝研究。生理机制方面，服装覆盖增加了局部热阻，减弱了气流冷却效应，尽管局部保温仅约0.02 clo（薄袜），但仍抑制了皮肤温度变化的幅度和变异性；心理因素方面，occupants 可能因穿着较厚下肢服装而产生“受保护”感知，增强对局部气流的耐受性。对建筑设计与标准的意义：建议采用区分覆盖与未覆盖脚踝的双标准框架，对于冬季加热场景应用覆盖脚踝模型，可降低周边供暖需求，减少初次成本、能耗及碳排放，同时保持舒适度。该模型同样适用于置换通风和地板送风等系统。局限性包括：实验室环境控制、参与者年龄范围有限、20分钟暴露时长、空气速度范围未涵盖极端情况、气流方向仅为后方、未考虑冷窗辐射不对称等。

**研究结论翻译**：本研究评估了典型冬季服装条件下脚踝高度吹风感的热舒适反应。通过受控实验室实验，参与者穿着约0.75 clo的覆盖脚踝服装，研究人员在模拟窗户下沉气流的脚踝空气温度（17–20°C）和空气速度（0.1–0.7 m/s）范围内，表征了局部和全身热感知。主要发现表明，现有脚踝吹风感模型在冬季服装条件下系统性地高估了不满意率。先前暴露脚踝的研究在类似空气速度下报告不满意率为23%–57%，而本研究覆盖脚踝的观察仅为6%–20%。这表明脚踝覆盖显著降低了对局部吹风感的敏感性，本研究开发的覆盖脚踝模型证实了这一点，该模型在logit尺度上截距比未覆盖模型低1.9单位，且对空气速度的反应降低。与先前模型结构一致，全身热感觉和脚踝空气速度是不满意的主要预测因子，而脚踝空气温度、室温和湍流强度在测试范围内不显著。冬季服装下敏感性降低似乎源于生理机制与潜在心理因素的结合。生理上，服装覆盖增加的热阻减弱了局部冷却效应，所有实验条件下小腿皮肤温度下降0.8°C至1.7°C；心理上，服装带来的受保护感也可能贡献了敏感性降低。这些发现支持在建筑标准中采用区分化的脚踝吹风感评估方法。对于冬季加热场景（occupants 通常穿着覆盖脚踝的服装，≥0.75 clo），覆盖脚踝模型比当前ASHRAE标准55标准提供更准确的预测。采用覆盖与未覆盖条件的独立标准，可在不损害 occupant 舒适度的情况下显著减少周边供暖需求，从而在安装成本、能耗和碳排放方面带来益处。