آسایش شخصی و آسایش حرارتی انسان در محیط‌های ساختمانی

نکات برجسته

•ویژگی های گرمایش PCH ها در حدود -20 درجه سانتیگراد تجزیه و تحلیل شده است.
•یک PCH همرفتی کارآمد با قدرت اصلاحی 38.3K طراحی شد.
•صورت، دست‌ها، ساق پا و پاها قسمت‌هایی بودند که بیشتر مستعد احساس سرما بودند.
•یک روش ارزیابی آسایش حرارتی ایجاد و تایید شد.

خلاصه

قرار گرفتن در معرض محیط های ساختمانی با دمای بسیار پایین در حدود -20 درجه سانتیگراد، خطرات مختلفی برای سلامت انسان ایجاد می کند. با این حال، مطالعات کمی آسایش حرارتی و پاسخ فیزیولوژیکی انسان در چنین محیط‌هایی و همچنین سیستم گرمایش آسایش شخصی را مورد مطالعه قرار داده‌اند. بنابراین، این مطالعه ویژگی‌های گرمایش سیستم گرمایش راحتی شخصی و اثرات آن‌ها بر پاسخ‌های حرارتی و پارامترهای ترموفیزیولوژیکی در محیط‌های ساختمانی با دمای بسیار پایین را بررسی کرد. ما آزمایش‌ها و پرسش‌نامه‌های تجربی را در آزمایشگاه اختلاف آنتالپی برودتی با دمای هوا در محدوده 21.2- تا 15.6- درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 55 درصد انجام دادیم. هشت شرایط آزمایشی با چندین معیار گرمایشی (حصیر گرمایشی، دستکش گرمایشی، بالشتک گرمایشی و هواگرم) طراحی شد. پارامترهای گرمایش سیستم‌های گرمایش راحتی شخصی و همچنین ارزیابی‌های ذهنی و دمای پوست افراد ثبت و تجزیه و تحلیل شد. نتایج نشان داد که شرایط جعبه محفظه هواگرم قدرت اصلاحی تا 38.3 K داشت. رای کلی احساس حرارتی و رای آسایش حرارتی کلی در 0.25 و -0.25 حفظ شد. علاوه بر این، ما متوجه شدیم که صورت، دست‌ها، گوساله‌ها و پاها با بیشترین اختلاف دمای پوست به ترتیب -4.9، -8.1، -6.7 و -7.6 درجه سانتی‌گراد راحت‌تر سرد می‌شوند. علاوه بر این، روابط بین پاسخ‌های حرارتی و بین پاسخ‌های حرارتی و دمای پوست مورد بررسی قرار گرفت، و همچنین یک روش ارزیابی آسایش حرارتی برای محیط‌های با دمای بسیار پایین ایجاد شد.

معرفی

در بیشتر موارد، قرار گرفتن در معرض سرمای شدید در صحنه‌های بیرونی رخ می‌دهد، مانند کارگران معادن روباز در مناطق بسیار سرد [1]، تماشاگران و کارکنان در مکان‌های ورزشی یخ و برف در فضای باز [2]. با این حال، قرار گرفتن در معرض سرمای شدید می تواند در داخل خانه نیز رخ دهد، اگرچه کمتر رایج است. به عنوان مثال، گردشگرانی که از ساختمان های یخی و برفی بازدید می کنند [3]، کارگران در سردخانه ها یا صنایع فرآوری مواد غذایی [4،5]. تمایز اولیه بین قرار گرفتن در معرض سرمای شدید در محیط های بیرونی و داخلی در سرعت هوا نهفته است، که اولی سطوح به طور قابل توجهی بالاتر از دومی را تجربه می کند. تحقیقات مربوطه نشان داد که دمای هوای داخل ساختمان می‌تواند تا 19.8- درجه سانتی‌گراد در چنین محیط‌هایی کاهش یابد [3]. هنگامی که در معرض دمای سرد قرار می گیرند، بافت های پوست تمایل به خنک شدن دارند و از دست دادن گرما افزایش می یابد، که ممکن است بر تعادل حرارتی بدن انسان تأثیر بگذارد [6]. عوامل زیادی بر شدت قرار گرفتن در معرض سرما تأثیر می گذارند، از جمله دمای هوا، سرعت هوا، رطوبت نسبی و مدت زمان در سرما. دمای هوا بیشترین تأثیر را بر شدت قرار گرفتن در معرض سرما در محیط های داخلی دارد. در محیط های کمی سرد (10 تا 20 درجه سانتیگراد)، دمای پوست ممکن است کمی کاهش یابد، اما معمولاً ناراحتی قابل توجهی ایجاد نمی کند. در محیط‌های با دمای پایین (15- تا 10 درجه سانتی‌گراد)، دمای پوست می‌تواند به طور قابل‌توجهی کاهش یابد، بنابراین باعث می‌شود افراد احساس سرما کنند. با این حال، در محیط‌های با دمای بسیار پایین (زیر ۱۵- درجه سانتی‌گراد)، خطر کاهش شدید دمای پوست اندام‌ها وجود دارد که می‌تواند منجر به خطرات قابل‌توجهی شود. به عنوان مثال، عملکرد اعصاب در دست ها و انگشتان ممکن است تحت تاثیر قرار گرفته و مهارت را کاهش دهد. سردی پاها همچنین می تواند بر تعادل و راه رفتن تأثیر بگذارد و احتمال لیز خوردن را افزایش دهد. علاوه بر این، دمای بیش از حد پایین پوست می تواند باعث درد و بی حسی شود و منجر به سرمازدگی موضعی شود [5،7]. به طور خلاصه، افراد در چنین محیط های ساختمانی ممکن است به دلیل قرار گرفتن در معرض سرما از چندین مشکل بهداشتی و ایمنی رنج ببرند. از این رو، اجرای اقدامات حفاظتی برای کنترل اتلاف حرارت ضروری است [8].

هدف روش‌های گرمایش سنتی فراهم کردن محیطی یکنواخت و از نظر حرارتی خنثی برای همه ساکنان است. با این حال، سیستم‌های گرمایش معمولی در ساختمان‌های مسکونی یا اداری ممکن است برای ساختمان‌های محیطی با دمای بسیار پایین برای ارضای عملکرد خود عملی نباشد. علاوه بر این، به دلیل تفاوت زیاد دما، از منظر صرفه جویی در مصرف انرژی نیز گزینه مناسبی نیستند. در نتیجه، بررسی راه حل های جایگزین برای بهبود آسایش حرارتی پرسنل در چنین محیط هایی ضروری است. در محیط‌های با دمای بسیار پایین، تمرکز بر حذف ناراحتی حرارتی موضعی بخش‌های حیاتی بدن برای بهبود آسایش حرارتی کلی بسیار مهم است [2]. مفهومی که با این ایده سازگار است، سیستم راحتی شخصی (PCS) است. ژانگ و همکاران [9] ابتدا این مفهوم را در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، در سال 2015 معرفی کرد. PCS به دستگاه‌ها یا سیستم‌هایی اطلاق می‌شود که آسایش حرارتی را با پرداختن به شرایط حرارتی محلی بهبود می‌بخشند. آنها به افراد اجازه می دهند تا محیط حرارتی فوری خود را تنظیم کنند و در عین حال از اتلاف انرژی مرتبط با روش های سنتی که نیاز به گرم کردن یا خنک کردن کل اتاق دارند اجتناب کنند. در مورد PCS که برای گرمایش استفاده می شود، سیستم گرمایش راحتی شخصی (PCHs) نامیده می شود. زمانی که ژانگ و همکاران [9] PCS را پیشنهاد کردند، آنها همچنین قدرت اصلاحی را برای تعیین کمیت اثربخشی PCS تعریف کردند. توان اصلاحی به توانایی PCS در خنثی کردن اثرات خنک کردن دمای محیط به سمت خنثی اشاره دارد.

با توجه به مزایای PCHs، کاربرد PCHs در بسیاری از مطالعات مورد بررسی قرار گرفته است. ما کار اخیر را بر اساس انواع PCHs، انواع تجربی، دمای محیط ( $T_{a m b}$ )، سرعت باد ( $v_{a}$ ) و قدرت اصلاحی، همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است. همانطور که قبلاً بیان شد، مطالعات روی PCH ها بر اساس دمای محیط به سه گروه طبقه بندی شده اند: محیط های کمی سرد، دمای پایین و محیط های بسیار کم دمای.

محققان در سراسر جهان در سال های اخیر تحقیقات گسترده ای در مورد PCH ها در محیط های کمی سرد انجام داده اند. ژانگ و همکاران [10] یک سیستم تهویه مطبوع محیطی (TAC) برای ساختمانهای اداری، متشکل از یک دست گرم کننده و یک گرم کننده پا پیشنهاد کرد. بر اساس یافته‌ها، TAC به طور موثر آسایش حرارتی شرکت‌کنندگان را حتی در شرایط زمستانی تضمین می‌کند. متعاقبا، ژانگ و همکاران. [11] یک مطالعه میدانی شش ماهه با استفاده از گرمکن پا انجام داد و دریافت که آنها نقطه تنظیم دمای داخل خانه را 2.2 درجه سانتیگراد کاهش دادند. Veselý و همکاران [12] یک PCH را پیشنهاد کرد که شامل یک صندلی گرم، یک تشک میز گرم و یک تشک پای گرم می شود. این سیستم حس حرارتی را 1.9 واحد در محیط های کمی سرد بهبود بخشید.

در حال حاضر، PCH ها عمدتاً در ساختمان های اداری استفاده می شوند و کمتر در ساختمان های مسکونی و سایر تنظیمات استفاده می شوند. ون لوی و همکاران [13] PCH ها را در ساختمان های مسکونی اعمال کردند و یک بررسی یک هفته ای انجام دادند. PCH ها شامل یک پانل مادون قرمز، یک پتوی گرم، یک بالشتک گرم و یک تشک کف بودند. بر اساس این مطالعه، 94 درصد از ساکنان احساس راحتی می کردند. وانگ و همکاران [14] اثرات گرمایش تابشی موضعی، گرمایش مچ پا، گرمایش مچ دست، گرمایش تنه و گرمایش ترکیبی را بر راحتی حرارتی کارگران در محیط‌های کمی سرد مطالعه کردند. این مطالعه نشان داد که گرمایش تنه یک روش موثر برای گرمایش موضعی است. وانگ و همکاران [15] همچنین تأثیر تشک های گرمایش از کف را بر آسایش حرارتی کارگران در محیط های کمی سرد بررسی کرد و دریافت که استفاده از تشک های گرمایش از کف باعث افزایش شدت ستون حرارتی در اطراف بدن انسان و افزایش دمای محیط اطراف می شود.

PCHهای ذکر شده قبلی به طور مستقیم بخش های خاص بدن را با استفاده از اصول هدایت و تابش گرم می کنند، در حالی که تنها تعداد کمی از محققان PCH های همرفتی را مطالعه کرده اند. انوموتو و همکاران [16] اثرات فیزیولوژیکی و روانی گرمایش پایین بدن در اتاقک آب و هوا با دمای محیط 14 درجه سانتی گراد را بررسی کرد. این مطالعه نشان داد که حفظ دمای هوا بین 32 تا 38 درجه سانتی گراد در جعبه تهویه مطبوع به سوژه ها کمک می کند تا به راحتی حرارتی مطلوب دست یابند. واتانابه و همکاران [17] یک سیستم کنترل مستقل متشکل از یک صندلی گرمایش همرفت، یک پانل گرمایش تابشی، یک پانل گرمایش تابشی کف، یک دستگاه ترمینال هوا، و یک دستگاه پایانه هوا پانل متحرک گرد طراحی کرد. استفاده از این سیستم کنترل مستقل معادل افزایش دمای هوای داخلی به میزان 5.2 درجه سانتیگراد بود.

اکثر مطالعات روی PCH ها معمولا در محیط های کمی سرد انجام می شود و مطالعات کمتری در محیط های با دمای پایین انجام شده است. در طول زمستان های سرد، ساختمان های دانشگاه در کوهستان های روستایی چین و شهرهای کنار رودخانه یانگ تسه به سیستم های گرمایش متمرکز دسترسی ندارند. راه حل ممکن برای این موضوع توسط Song و همکاران پیشنهاد شد. [18]، که استفاده از لباس گرم را پیشنهاد کرد. این مطالعه نشان داد که استفاده از این معیار گرمایشی می تواند به طور قابل توجهی راحتی حرارتی کلی و محلی را افزایش دهد و حتی باعث افزایش دمای پوست مناطق گرم نشده مانند دست شود. Huotong، یک وسیله گرمایش شخصی با سابقه چندین قرن، معمولاً در مناطق روستایی استفاده می شود. بر اساس مطالعات میدانی و آزمایشگاهی انجام شده توسط He et al. [19،20]، کشف شده است که Huotong می تواند محدوده دمای قابل قبول را گسترش دهد.

هنگامی که افراد در خارج از منزل هستند، سرعت هوا نقش مهمی در تضمین آسایش حرارتی آنها در مقایسه با محیط های داخلی که قبلا ذکر شد ایفا می کند. در محیط‌های سرد بیرون، تماشاگرانی که رویدادها را تماشا می‌کنند ممکن است در دست‌ها، پاها و پاهای خود احساس ناراحتی کنند [2]. علاوه بر این، آسایش حرارتی کلی معمولاً به مقدار دوم به آخرین مقدار آسایش حرارتی محلی بستگی دارد که به طور کلی با دست ها یا پاها مطابقت دارد. به گفته دنگ و همکاران. [21]، وسایل گرمایشی که ثابت کردند در افزایش آسایش حرارتی کلی موثر هستند، بالشتک های گرمایشی، کفی های گرمایشی و دسته های گرمایشی بودند. لی و همکاران [22] به طور سیستماتیک اثرات لباس گرم شده را بر پارامترهای روانی و فیزیولوژیکی در سطوح مختلف فعالیت در آزمایشگاهی با دمای پایین در 14- درجه سانتیگراد مورد مطالعه قرار داد.

تحقیقات در مورد PCH ها در محیط هایی با دمای کمتر از -15 درجه سانتیگراد کمیاب است. مطالعه ژانگ [3] و همکاران. محیط حرارتی بازدیدکنندگان و سطح آسایش در ساختمان‌های پوسته یخی را بررسی کردند، اما PCHها را مطالعه نکردند. بدون هیچ گونه معیار گرمایشی، میانگین احساس حرارتی بین “سرد” و “سرد” متغیر بود، و میانگین آسایش حرارتی “کمی ناراحت کننده” بود. جو و همکاران [23] یک PCH جدید برای محیط های بسیار کم دمای توسعه داد. PCH ها شامل یک لباس گرم شده بودند که به طور موثر حس حرارتی سوژه ها را به حالت تقریبا خنثی با قدرت اصلاحی 35 K تنظیم می کرد.

می توان شاهد بود که محققان تحقیقات متعددی در مورد PCH ها انجام داده اند و از مطالعات بررسی شده فوق به نتایج تحقیقاتی خاصی دست یافته اند. با این حال، هنوز سه موضوع کلیدی وجود دارد که باید در این مطالعه با توجه به اهداف آن مورد توجه قرار گیرد.

(1)
تحقیقات محدودی در مورد آسایش حرارتی و گرمایش شخصی در محیط‌های با دمای بسیار پایین انجام شده است. بیشتر مطالعات موجود بر روی PCH ها در محیط های داخلی مانند دفاتر و منازل مسکونی با دمای محیط معمولا بین 10 تا 20 درجه سانتی گراد انجام می شود. در سال های اخیر، تحقیقات مرتبط [2، [21]، [22]، [23]] سناریوی کاربرد PCH ها را در محیط های بیرونی از 15- تا 10- درجه سانتی گراد گسترش داده است. با این حال، تفاوت‌های عمده با محیط‌های ساختمانی با دمای بسیار پایین باقی می‌ماند که در این مطالعه مورد مطالعه قرار می‌گیرد.
(2)
مدل‌های ارزیابی آسایش حرارتی در محیط‌های بسیار کم دمای هنوز ایجاد نشده است. زمانی که آسایش حرارتی و آزمایش‌های ترموفیزیولوژیکی در محیط‌هایی با دمای بسیار پایین انجام می‌شود، محیط حرارتی معمولاً غیریکنواخت و گذرا است. پاسخ‌های روان‌شناختی و فیزیولوژیکی افراد در مقایسه با سایر تنظیمات بسیار متفاوت است و مدل‌های ارزیابی آسایش حرارتی موجود ممکن است برای این نوع محیط قابل اجرا نباشد.
(3)
مطالعات مربوط به اقدامات گرمایش شخصی در محیط های با دمای بسیار پایین کمیاب است. تحقیقات فعلی بر گرم کردن مستقیم بخش‌های خاص بدن از طریق رسانش گرما، مانند دستکش‌ها، لباس‌ها و کفی‌های گرم شده تمرکز دارد. متأسفانه، این دستگاه‌ها نمی‌توانند به طور مؤثر کل بدن را گرم کنند، که منجر به توزیع نابرابر گرما و سرما در بخش‌های مختلف بدن می‌شود. علاوه بر این، پوشیدن دستکش های گرم شده ممکن است انعطاف پذیری را کاهش دهد.

هدف این مطالعه بهبود آسایش حرارتی افراد در محیط‌های ساختمانی با دمای بسیار پایین است. برای رسیدن به این هدف، آزمایش‌های عینی و ذهنی را روی PCHs، پاسخ‌های حرارتی و پارامترهای ترموفیزیولوژیکی در چنین محیط‌هایی انجام دادیم. علاوه بر این، ما یک PCH کارآمد را پیشنهاد کردیم که برای محیط‌های بسیار کم دمای مناسب است. هدف ما ارائه راه حل گرمایش معقول تر، کارآمدتر و راحت تر برای افرادی است که در چنین محیط هایی می مانند. در نهایت، مدل‌های ارزیابی آسایش حرارتی را ایجاد کردیم که برای محیط‌های ساختمانی با دمای بسیار پایین قابل استفاده است، که به ما کمک می‌کند آسایش حرارتی را ارزیابی کنیم و طراحی PCHs را به طور جامع راهنمایی کنیم.

قطعات بخش

آزمایشگاه تفاوت آنتالپی برودتی

این آزمایش در اتاق آزمایش بیرونی آزمایشگاه تفاوت آنتالپی برودتی 20 کیلوواتی در موسسه فناوری هاربین انجام شد. نمای پلان اتاق آزمایش در شکل 1a نشان داده شده است. اتاق آزمون دارای ابعاد 4.8 متر ( $L$ ) × 5.4 متر ( $W$ ) × 3.5 متر ( $H$ ). اتاق آزمایش از شکل سازماندهی جریان هوای تامین هوای بالا و برگشت هوای جانبی استفاده می کند که می تواند یکنواختی دما را در فضا تضمین کند، همانطور که در شکل 1b نشان داده شده است. نمونه‌بردار هوای اتاق آزمایش دمای محیط را کنترل می‌کند،

ویژگی های افزایش دما در اتاق آزمایش

شکل 7a مشخصه پارامترهای محیطی (میانگین ± std) اتاق آزمایش در فضای باز را در طول آزمایش نشان می دهد. دمای اولیه محیط 0.2 ± 21.2- درجه سانتی گراد بود و پس از 30 دقیقه با افزایش 5.6 درجه سانتی گراد به 0.8 ± 15.6- درجه سانتی گراد رسید. رطوبت نسبی در حدود 55 درصد ثابت بود. بنابراین، محیط داخلی محیط داخلی را می توان در طول آزمایشات با دمای بسیار پایین تضمین کرد. به گفته لی و همکاران. [31]، کاهش (یا افزایش) دمای محیط معنی‌دار نیست

روابط بین پاسخ های حرارتی

در بسیاری از تحقیقات، روابط بین پاسخ حرارتی موضعی ( $L T R$ ) و پاسخ حرارتی کلی ( $O T R$ ) مورد مطالعه قرار گرفته اند [[34]، [35]، [36]، [37]، [38]]. چندین روش برای توسعه مدل های ارزیابی وجود دارد. ما از تحلیل رگرسیون خطی چندگانه برای ساخت مدل‌ها استفاده کردیم. به عنوان اولین گام، ما تجزیه و تحلیل همبستگی را بر روی پاسخ‌های حرارتی محلی و پاسخ‌های حرارتی کلی در نقاط زمانی مختلف (به‌جز دقیقه صفر)، همانطور که در ضمیمه B ذکر شده است، انجام دادیم.

نتیجه

در این مطالعه، چهار نفر 30 دقیقه قرار گرفتن در معرض سرما را در یک محیط ساختمانی با دمای بسیار پایین با دمای هوا از 21.2- تا 15.6- درجه سانتی گراد و رطوبت نسبی 55 درصد تجربه کردند. هشت شرایط آزمایشی برای بررسی ویژگی‌های گرمایش PCHs، الگوهای تغییرات پاسخ‌های حرارتی انسان و پارامترهای ترموفیزیولوژیکی، و مدل‌های ارزیابی آسایش حرارتی قابل اجرا در این محیط توسعه داده شد. نتیجه گیری اصلی به شرح زیر است