室内温度变化周期对人类主观温度感知、生理反应以及在灵活空调运行条件下的认知表现的影响

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Effects of Indoor Temperature Cycles on Human Subjective Thermal Perception, Physiological Responses and Cognitive Performance under Flexible Air-Conditioning Operation

　　摘要
建筑能源消耗约占全球能源需求的30%，而灵活的空调运行方式可以有效降低建筑物的运营能耗。目前，空调的灵活调度通常伴随着室内温度的循环变化。为了评估温度循环的接受度，设计了两种温度循环条件（25-29°C，变化率为4°C/h和8°C/h，对应的循环周期分别为120分钟和60分钟），以及一种稳态控制条件（26°C）。研究招募了30名健康的大学生（18名男性和12名女性），每位参与者都完成了所有实验条件。测量了受试者的主观评分、生理反应和认知表现。结果表明，与稳态条件相比，温度循环条件下的热感觉评分（TSV）在可接受范围内，心率变异性（仅限男性）没有显著差异，记忆力未受影响，注意力有所提高。温度变化方向显著影响热舒适度。在相同的空气温度（Ta）下，降温阶段的TSV低于升温阶段。研究提示，在8°C/h的循环条件下可能存在热适应效应，第二次循环时的TSV较低，平均皮肤温度略有下降。建立了TSV与Ta和dTa/dt之间的关系，并确定了TSV在0到0.85范围内的热舒适区。这项研究可以为灵活空调运行策略的制定和实施提供有价值的支持。

引言
能源消耗和气候变化是21世纪人类面临的两个紧迫挑战[1]。2024年，全球总能源消耗超过了450艾焦（EJ），其中建筑行业占比约为30%[2]。可再生能源的整合已成为促进建筑行业节能和减排的重要策略[3]。然而，由于可再生能源的间歇性和不稳定性，需要需求响应策略来提高需求方的能源使用灵活性，并促进可再生能源更好地融入电力系统[4]。目前，空调、热泵等设备是广泛分布的需求侧资源，在需求响应应用中具有巨大潜力[5]。Wang等人[6]提出了一种空调需求响应方案，在保持人体热舒适度的同时显著降低了冷却能耗。Behboodi等人[7]用舒适温度范围取代了传统的固定温度设定点策略，使空调或热泵能够自主适应实时电价和电网供需状况，从而在供暖和制冷模式下将电费降低了10%以上。传统的固定温度设定点无法充分发挥空调系统的灵活性。适当的温度变化可以实现运营灵活性和节能效果，同时确保热舒适度和工作效率[8]。

1. 时间温度变化的分类
时间温度变化可以分为温度步长、温度循环、温度坡度和漂移[9]。Vellei等人[10]回顾了自1960年以来的动态热舒适度实验研究，发现大多数研究集中在温度步长变化上。温度步长表示温度的不连续变化[11]，通常发生在使用者在不同热区之间切换时[12,13]，因此不适合需求响应操作中的连续温度变化场景。连续温度变化包括温度循环、坡度和漂移。根据ISO 7730[14]的定义，温度循环具有特定的幅度和频率；单调的非周期性温度变化则被称为温度坡度或漂移。在需求响应应用中，温度循环应得到更多关注[10]。

2. 标准中对连续温度变化的限制
ASHRAE标准55[15]规定，温度循环的周期应小于15分钟，峰谷温差不得超过1.1°C；周期超过15分钟的周期性变化则被视为温度坡度或漂移。该标准 further 规定，在15分钟、30分钟、1小时、2小时和4小时内，操作温度的最大允许变化分别为1.1°C、1.7°C、2.2°C、2.8°C和3.3°C。自Fanger[16]提出预测平均评分（PMV）- 预测不满意百分比（PPD）模型以来，该模型长期主导着热舒适度评估体系，并成为包括ISO 7730[14]和ASHRAE 55[15]在内的国际标准的基础。这些标准主要基于人体处于热平衡稳态环境的假设。当环境参数随时间显著波动时，传统的稳态评估方法就不适用了。因此，现行标准对温度循环、坡度和漂移设置了相对保守的限制，无法全面反映人体在动态温度变化下的实际热舒适度反应。

多项关于温度循环的研究表明，即使超过标准限制也能实现热舒适度。Li等人[17]研究了25-28°C和26-29°C范围内的温度循环，变化率分别为3°C/h和6°C/h，发现参与者保持了较高的热舒适度和接受度。Zhang等人[18,19]研究了23-29°C范围内的温度循环，变化率为6-12°C/h，发现这些条件下的热接受度高于80%，提供的热舒适区比稳态环境更宽，并且没有显著影响认知表现。其他学者也研究了温度坡度和漂移。Ivanova等人[20]研究了2.58°C/h范围内的温度漂移，在17-25°C范围内发现近80%的受试者在更宽的热感觉评分（TSV）范围内保持热舒适度。Wu等人[21]研究了26-32°C范围内变化率为6-18°C的温度坡度，发现与稳态条件相比，热不适感较低。Zhang和Zhu[22]发现，将空气温度（Ta）从26°C升高到28°C，变化率为6°C/h，并不会显著影响从事低强度活动的舒适度。因此，适当放宽温度循环、坡度和漂移的标准限制不会显著降低热舒适度，同时还能增强需求响应能力和提高节能效果。

3. 连续温度变化研究中的共识与争议
温度范围、方向和变化率都会影响热舒适度，但现有研究的结果并不一致。首先，由于目标气候区域和季节的不同，研究中使用的温度范围也不同。Li等人[17]在中国夏季进行了25-28°C和26-29°C范围内的温度循环实验；Zhao等人[23]研究了中国办公楼在23-27°C范围内的冬季需求响应事件；Aghniaey等人[24]在美国进行了夏季实验，操作温度范围为22-24.5°C。所有这些研究都在各自的条件下实现了热舒适度。因此，应根据地区和季节特点制定特定的温度范围以满足人体热舒适需求。

其次，现有研究表明温度上升和下降对热舒适度的影响是不对称的。Favero等人[25]研究了温度坡度下的热舒适度，发现升温阶段的不适主要由操作温度决定，而降温阶段的不适主要由操作温度的相对变化决定。他们的结果进一步表明，人体对降温阶段的敏感度高于升温阶段。Wu等人[21]和Jiang等人[26]实验观察到，降温阶段的TSV比升温阶段低约0.5个刻度单位。Li等人[17]也发现，在四种温度循环条件下，降温阶段的热感觉更冷。相比之下，Wu等人[27]发现降温阶段的TSV略高于升温阶段。总体而言，这些研究表明温度上升和下降对热舒适度的影响是不对称的，但结论并不一致，可能是因为实验条件不同。

第三，关于温度变化率对热舒适度的影响，现有研究结果也不明确。Wu等人[21]报告称，温度变化率通过改变热量暴露时间间接影响热舒适度，升温速度越快，热舒适度越好。Li等人[17]发现，3°C/h变化率下的热舒适度温度高于6°C/h变化率。Wu等人[27]观察到，较高的温度变化率会导致较差的热舒适度。因此，需要进一步研究以量化温度变化率对热舒适度的影响。

研究动态温度变化对热舒适区的影响对于制定合理的室内温度动态控制策略至关重要。然而，现有研究关于动态热条件下的热舒适区变化结论并不一致。Nevins等人[28]和Rohles等人[29]认为，环境温度变化与恒定温度条件下的热舒适区无差异；相反，Li等人[17]和Zhang等人[18,19]发现温度变化会扩大居住者的热舒适区。Sprague[30]报告称，随着温度变化率的增加，热舒适区会缩小，而Wyon等人[31]观察到的趋势则相反。因此，需要进一步研究以明确动态温度条件下的热舒适区。

为了实现空调系统的灵活调节潜力，明确温度循环对人类热舒适度和认知表现的影响至关重要。尽管现有研究表明适当的温度循环不会损害热舒适度和认知表现，但关于温度变化范围、方向和速率的影响仍存在争议，导致缺乏针对温度循环的定量调节策略。因此，本研究旨在探讨夏季室内温度循环对热舒适度的影响。Li等人[17]研究了夏季温度循环对主观热感知和生理反应的影响。在先前工作的基础上，本研究在几个方面进行了扩展：首先，增加了稳态控制条件以进行更严格的比较；其次，通过改变温度变化率来扩大温度循环条件范围；第三，进行了认知测试以评估参与者的认知表现；第四，结合了心电图（ECG）和皮肤电反应（GSR）测量来全面评估生理反应。这些扩展使人们能够更全面地评估温度循环条件下的主观、生理和认知反应及其对工作表现的潜在影响。

本研究设计了三种实验条件，包括两种25-29°C范围内的温度循环（变化率分别为4°C/h和8°C/h），以及作为对照的26°C稳态条件。实验过程中测量了受试者的主观评分、生理反应和认知表现。本研究探讨了以下问题：
1. 室内温度循环条件下，主观热感知、生理反应和认知表现如何变化？
2. 温度循环条件与稳态条件之间存在哪些差异？
3. 温度变化范围、方向和速率如何影响人类热舒适度？

**样本量确定**
本研究使用了G*Power 3方法来确定样本量。根据Lan和Lian[32]的方法，选择了所需的功效水平1 - β（0.8）、显著性水平α（0.05）和效应大小（0.25），计算得出该实验所需的最小样本量为28名参与者。共有30名18岁以上的健康大学生（18名男性和12名女性）参与了实验。所有参与者均居住在中国北京附近的太原市。

**环境测量**
图3a显示了实际空气温度（Ta）随时间的变化情况。在S26条件下，测得的Ta值与设定值基本一致。在25-29 V4条件下，Ta以平均4°C/h的速率经历了升温和降温循环，在第90分钟达到28.8 ± 0.1°C。在25-29 V8条件下，Ta以平均8°C/h的速率经历了两次升温和降温循环，在第60分钟和第120分钟分别达到29.0 ± 0.1°C和29.1 ± 0.2°C。

**温度循环与稳态条件之间的差异**
本研究考察了两种温度循环条件和稳态条件下的主观热感知、生理反应和认知表现。在两种温度循环条件下，TSV（热感强度）均保持在-1到1的范围内，属于可接受的热感觉范围；而在稳态条件下的TSV则处于中性水平。Wyon等人[53]的研究表明，较大且变化较慢的周期性温度波动与人体工作量的增加有关。

**结论**
本研究探讨了夏季室内温度循环对人类主观热感知、生理反应和认知表现的影响。实验招募了30名健康的大学学生（18名男生和12名女生），在25-29°C的温度范围内进行了温度循环实验，温度变化速率为4°C/h和8°C/h，同时设置了26°C的稳态条件作为对照。主要结论如下：

**作者贡献声明**
刘毅：撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验实施、数据分析、数据整理。
杜新晨：指导研究、方法设计、概念构建。
曹斌：修订与编辑、指导工作、概念构建。
张聪：指导研究、概念构建。
薛青文：软件开发与指导、实验实施。
嵇文杰：指导研究、方法设计、概念构建。
贾欣宇：撰写与编辑、方法设计、资金联系。

**单位信息**
太原理工大学土木工程学院，中国太原030024