焦娇 刘建麟 胡蓉
东华大学环境科学与工程学院，东华大学暖通空调研究所
【摘 要】城镇居民新冠疫情期间需佩戴口罩外出已常态化，这给探究行人室外热舒适提出了新挑战。本文通过在夏热冬冷的上海开展室外热环境测试及受试者问卷调研，以探究佩戴一次性医用口罩对行人室外热舒适的影响。研究给出了受试者皮肤温度的动态变化、平均热感觉投票、平均热舒适投票、平均愉悦度投票与生理等效温度之间的关系，结果初步表明佩戴口罩影响热感觉显著，尤其是70.8%的受试者行走时感到面部和胸部不舒适。同时，受试者热感觉与生理等效温度的相关性为0.49，表明该热舒适指标在此特定工况下值得进一步修正。
【关键词】室外热舒适；行人热感觉；一次性医用口罩；生理等效温度（PET）
【基金项目】国家自然科学基金（No. 52008079）
0 引言
高密度的人口、建筑和交通使得城市热环境不断恶化[1]，然而良好的户外空间品质会极大地提高人们进行散步、晒太阳、晨练等活动的频率，研究[2]表明，户外活动有效帮助人们产生正面情绪，促进身心健康。此外，更多的户外活动还可以降低空调和人工照明的建筑能耗[3]。因此，探究室外热舒适非常重要。行人室外热舒适是一个受多种因素影响的复杂问题，环境因素、生理因素和心理因素相互作用直接影响室外热舒适 [4]。自2020年初新冠疫情发生以来，口罩因其为新冠防控中非常重要的一环逐渐成为研究热点[5]，城镇居民外出进行购物、通勤等日常活动时已习惯佩戴口罩，这给探究行人室外热舒适提出了新挑战。目前研究者主要聚焦于提高口罩材料对病毒及污染物的防护性能[6]，本文从佩戴口罩者热感觉与热安全的视角出发，探究口罩对其室外热舒适性的影响。
1 实验方法
1.1 实验地点
本实验从2020年11月7日至2020年12月6日在夏热冬冷气候典型城市上海开展，受试者从起点1出发途经地点2到终点3，再原路折返回起点1（图1）。
图1 实验地点
1.2 实验仪器
在起点和终点分别放置一台HOBO微气象站，用于记录1.1米高度的空气温度（Ta）、相对湿度（RH）、太阳辐射（SR）和2米高度的风速（Va），每分钟记录一次读数。实验过程中使用iButton测量皮肤温度和心率带测量心率，每两分钟记录一次读数。实验仪器的详细资料见表1，所有的仪器要求符合ISO 7726[7]。
表1 实验仪器的详细参数
1.3 实验流程
一组实验耗时90分钟，我们将实验分为5个阶段（图2）。第一阶段为准备阶段，受试者静坐30分钟；第二阶段为运动阶段，受试者被要求行走15分钟；第三阶段为受试者休息20分钟；第四阶段为受试者佩戴一次性医用口罩行走15分钟；第五阶段受试者休息10分钟。受试者以0.9m/s（很慢地走）、1.2m/s（慢走）和1.8m/s（快走）三种不同速度行走，过程中使用行者骑行APP来控制速度，保持匀速。
图2 实验流程图
1.4 受试者问卷调查
本实验共招募了13名健康的受试者，包含7名女性受试者和6名男性受试者 ，每名受试者参与1～3组实验，受试者的服装热阻平均值为1.15clo。表2列举了受试者的一些生理信息。
表2 受试者的生理信息
本实验使用问卷星发放电子问卷，总共回收528份有效问卷。受试者调查问卷总共分为三部分，第一部分为受试者的基本信息，包含受试者年龄、身高、体重、服装和活动状态等，第二部分包含受试者的热感觉投票（TSV）、热舒适投票（TCV）和愉悦度投票（PV）相关问题，第三部分为受试者环境参数偏好投票。
1.5 数据分析方法
1.5.1 皮肤温度
在人体的各种生理参数中，皮肤温度是最常用的一种[8, 9]，皮肤在人体热调节过程中发挥着重要作用，影响人体热舒适。本次实验采用iButton测量14个身体局部部位的皮肤温度（图3），全身平均皮肤温度由14个局部部位的皮肤温度平均而来[10]。
图3 身体局部部位测量点
1.5.2 代谢率
代谢率也是影响热舒适的重要参数之一。Zhai等[11]实验结果表明测量的代谢率与现有的标准存在差异，本次实验的代谢率选择由心率计算而来[12],其表达式为：
（1）
式中，M’ —— 代谢率，w/m2；
M0 —— 初始状态下的代谢率，w/m2；
HR —— 心率，bpm；
HR0 —— 初始状态下的心率，bpm；
RM —— 每单位代谢率心率的增加。
2 结果与讨论
2.1 局地热环境参数分布
热环境参数包含空气温度（Ta）、相对湿度（RH）、太阳辐射（SR）和风速（Va），图4显示了实验期间的热环境参数条件。实验期间日平均空气温度最低6.3℃，最高23.7℃，太阳辐射最低为37.1W/m2，最高为384.2W/m2， 2米高日平均风速最小为0.54m/s，最大为6.52m/s，日平均相对湿度最低为24.1%，最高为73.3%。
图4 热环境参数趋势图：(a)空气温度 (b)太阳辐射 (c)风速 (d)相对湿度
2.2 受试者生理参数
2.2.1 皮肤温度
皮肤温度可连接室外热环境与个人热感觉，对平均热感觉投票（MTSV）与全身平均皮肤温度（Tmsk）进行简单的线性回归（图5（a））。MTSV和Tmsk具有较好的线性相关性，相关系数R2=0.75，全身平均皮肤温度每变化1℃，MTSV则相应的变化0.25个单位。当MTSV=0时，Tmsk=33.8℃。
图5（b）描述了实验过程中受试者全身平均皮肤温度和热感觉投票的动态变化。受试者在运动期间全身平均皮肤温度呈下降趋势，这是因为运动期间，受试者周围对流扰动增强，受试者的皮肤排出汗液，停止运动时，受试者的全身平均温度立即上升。 受试者佩戴一次性医用口罩运动时的热感觉投票明显高于未佩戴口罩运动时的热感觉投票，佩戴一次性医用口罩有效提高受试者的热感觉。
图5 全身平均皮肤温度和热感觉投票（TSV）（a）回归（b）随时间变化
2.2.2 代谢率
表3为本实验和ASHRAE 55标准中三个不同行走速度的代谢率，本实验的代谢率与标准中的代谢率值存在差异，佩戴一次性医用口罩运动时代谢率与ASHRAE 55规定的代谢率值差异更加显著，而且快走的代谢率在标准中明显被低估。
表3 受试者代谢率
2.3 受试者热感觉与热舒适
图6为受试者的整体热感觉、热舒适和愉悦度投票，受试者的热感觉多数偏冷（TSV= -1、-2、-3、-4），占比为70.8%，受试者热舒适投票选择适中（TCV=0）的比例最高，占比47.2%。受试者的愉悦度投票选择PV= -1、-2和-3的比例明显高于选择PV= 1、2和3的比例。
图6（a）整体热感觉投票 （b）整体热舒适投票 （c）整体愉悦度投票
表4为佩戴一次医用口罩和未佩戴口罩的TSV、TCV和PV的独立性t检验结果，当p＜0.05时表示两者差异显著。佩戴一次性医用口罩和未佩戴口罩的受试者的TSV和TCV存在显著差异，PV无明显差异。图7为佩戴一次性医用口罩和未佩戴口罩的受试者的热感觉、热舒适和愉悦度投票。佩戴口罩的受试者选择偏冷热感觉的占比64.8%明显低于未佩戴口罩的占比76.9%。同时佩戴一次性医用口罩的受试者热舒适投票选择非常不舒适、不舒适和稍不舒适的比例37.9%也明显低于未佩戴口罩的比例56.4%。在寒冷的冬季，佩戴一次性医用口罩可以提升人们的热感觉，提高人们的热舒适度。
表4 佩戴口罩与否的独立性t检验结果
图7 佩戴口罩与否：（a）热感觉投票 （b）热舒适投票 （c）愉悦度投票
70.8%佩戴一次性医用口罩的受试者以不同速度行走时感到面部和胸部不舒适（图8），口罩影响受试者的呼吸，受试者呼出的水蒸气无法及时排出口罩外。图9表示受试者对温度、湿度、风速、太阳辐射、空气质量和噪音的期望，受试者期望改善风速条件的比例最高。在冬季，受试者多数期望温度升高，风速减弱。未佩戴一次性医用的受试者全部期望风速减小，但是佩戴一次性医用口罩的受试者出现期望风速增大的情况，多数受试者对于湿度、太阳辐射、空气质量和噪音期望保持不变。
图8 佩戴口罩的受试者感觉不舒服的部位 图9 受试者环境参数偏好
2.4 受试者热舒适与热指标PET结果差异
PET被广泛应用于评价室外热舒适[13]，以1℃的PET为一区间做与MTSV、MTCV和MPV的关系图（图10）。图10（a）中佩戴一次性医用口罩的线性回归表达式为y=0.0231x-1.3193，相关性R2=0.49，未戴口罩的线性回归表达式y=0.0451x-1.9431，相关性R2=0.60，未佩戴口罩的受试者的MTSV与PET的相关性更显著，热感觉变化更加敏感，在同一PET下，佩戴一次性医用口罩的受试者的MTSV更高；图10（b）与（c）中PET与MTCV、MPV成抛物线关系，佩戴一次性医用口罩的受试者更加舒适，但是愉悦度比未佩戴口罩的受试者低。
图10 PET关系图：（a）MTSV （b）MTCV （c）MPV
3 结论
为了探究一次性医用口罩对行人室外热舒适的影响，在夏热冬冷气候典型城市上海开展热环境测试及受试者问卷调研，研究结果如下：
（1）ASHRAE 55标准中1.8m/s的代谢率为3.80 met，本实验佩戴一次性医用口罩受试者1.8m/s行走的代谢率为5.11met，活动强度越高测得的代谢率与ASHRAE 55标准规定的差异越大，高强度活动情况下佩戴口罩的代谢率对室外热舒适性的影响在未来值得深入研究。
（2）佩戴一次性医用口罩的受试者与未佩戴口罩的受试者的热感觉和热舒适投票差异性显著，佩戴一次性医用口罩有效提高受试者热感觉，特别是70.8%的受试者行走时还感到面部和胸部部位不舒适。
（3）佩戴一次性医用口罩的受试者热感觉与PET相关性为0.49，未佩戴口罩的相关性为0.60，热舒适指标PET在此特定工况下值得进一步修正。
参考文献
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[13] Fang, Z, Feng, X, Liu, J, et al. Investigation into the differences among several outdoor thermal comfort indices against field survey in subtropics[J]. Sustainable Cities and Society, 2019, 44: 676-690.
备 注：本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期（第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
