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个性化的调节及其对热舒适和节能性能的影响的综述
摘要：
建筑行业正面临着时下两大挑战--人们对节能的日益关注和对改善舒适性不断增长的需求。这些挑战激励了许多研究者去开发个性化的空调系统。个性化调节的目标是在独立的工作区中创建一个微气候。这种方式是指能量仅被部署在它真正被需要的地方，并满足小区域性的热舒适个性化需求。在近年来很多重点研究出版物中，对个性化的调节的研究占较大比重。本文综述了不同个性化的空调系统对热舒适性和建筑节能性能的影响。已出版的刊物中表明，在环境温度高于或低于当前标准推荐温度的 4-5K时，个性化的空调可以很好地保持热舒适度。此外，使用个性化的空调反而使能耗降低，这是由于增加了制冷设定值，减少了制热设定值，或者减少了后台系统的通风量。能源模拟结果表明，此种方法可以实现高达60%的节能效果。
1 简介
建筑物的两个主要功能，一是保护居住者免受室外气候的影响，二是为居住者提供一个舒适的室内环境。如今机械采暖通风与空调（HVAC）是提供一个舒适的室内环境的主要方法，但这是有成本的。建筑能耗占荷兰[1]一次能源使用的30％，欧盟和美国[2]20-40％，而这些的一半用于暖通空调。尽管使用了大量能源，但仍难以使居住者对室内环境的感到完全满意。
传统的暖通空调设计旨在使所有空间满足的统一标准。关于热舒适的要求也有相应规定标准，如ISO 7730或ASHRAE标准55 [3,4]，这些标准的设定是基于实验室条件下，一大群参加实验的人的平均值。它提供了确保一个“普通人”最佳的热舒适首选的良好的室内环境[5]。在实践中，由于个体差异，例如年龄，性别，服装，活动，或体重，使它在使用整体性调节中不可能满足所有的居住者的舒适性的需求[6]。然而，在标准所规定的最佳窄幅中控制室内环境不会增加的舒适度[7]。此外，统一的热环境往往是几个身体部位热不适的来源，通常情况下，头部感觉温暖时，手和脚会感觉寒冷[8,9]。
暖通空调设计的传统方法的局限性促进了许多研究人员去设计出个性化调节系统(通常也称其为任务环境条件)。相对于传统暖通空调技术，个性化调节旨在改善用户周围相对小的空间。目前已有针对不同的个性化调节系统的研究，包括个性化通风[10]，个性化通风、自然对流和辐射供暖的结合 [11、12]，个人环境模块[13]，甚至与相变材料冷却背心的结合[14]。研究表明，正确设计和使用这些系统，能改善个人的舒适、降低能源消耗 [10 – 14]。然而，有积极影响的个性化空调系统仍未在建筑领域广泛实践。
本文从热舒适的基础理论出发，并回顾了个性化的调节对热舒适的影响，以及个性化的空调系统的节能潜力。将节约能源和热舒适综合考虑，而不损害任何一方，是HVAC设计需要考虑的重要问题。
2 方法
在科学指引，网络科学，威利在线图书馆和泰勒和弗朗西斯在线网站的科学数据库中搜索关于个性化或任务环境调节系统（包括通风，加热和冷却）及其对热舒适和建筑节能性能影响方面。在搜索中使用的关键词是个性化，任务环境，本地调节，通风，加热，冷却与热舒适性、能源使用或能源性能的组合。然后在本论文的题目下，将得到的文章下进行综述。另外，对于其他相关出版物，例如作者引用的文章，也进行了综述。
综述成果被分为个性化采暖，制冷和通风三个类别。本文给出了每类又如何探索的概述，并帮助寻找需要深入的研究领域。
3 热舒适度
根据ASHRAE的定义 [4]：“热舒适是人脑的一种判断，它表示对热环境的满意度”。广泛使用的预测意味着投票——预测平均投票数(PMV-PPD)模型是由口腔外科医生[15]使用了六个主要因素对热舒适进行定义，四个相关的环境因素——空气温度、辐射温度、风速、相对湿度，两个人体相关的因素——服饰隔热性能和人体代谢活动。在PMV-PPD模型中只考虑服饰隔热性能和人体代谢活动对热舒适度的影响，而省略其它个人因素，如性别，年龄或体重。
PMV-PPD模型[15]基于的大样本的受试者主要是从大学生中招募的。然而，随着人口老龄化的出现，它是否仍然适用于任何人群。当考虑活动水平或服装等因素时，老年人与年轻人相比，对热舒适的感知不同[16-18]。事实上，体温调节能力会随着年龄增长而减少[16]。这意味着，即使在对年轻人和老年人而言都是优选的温度时，更大的程度上也是老年人的最佳偏差影响大。
Karjalainen [19]在热舒适性别差异性的文献综述显示，女性通常更容易表达他们对热环境的不满。虽然在中性温度方面没有明确的差异，但是女性似乎更敏感，在偏离最佳时会导致更多的抱怨，特别是在寒冷的条件。这与Schelle的结论不谋而合 [20]，他也认为尤其女性手部皮肤对温度的感觉很大程度上影响了整体热感觉，特别是在寒冷情况下。
妇女的低公差偏离的最优温度范围可以用这一事实来解释：与男性相比，普遍具有较小人数和偏轻的体重，较大的身体表面和较低的静息代谢率，尽管他们更大的身体脂肪含量应该允许他们能接受较低的环境温度[21]。这是Tikuisis[22]认为的结果，他实验了将浸在冷水里男性和女性体温调节反应。当身体肥胖和身体表面积都被考虑时，两个性别间发生的无显著差异。
体脂是个体之间的最重要的热生理区别之一。传热和血液流动都是受身体脂肪的影响。人类形态和体温调节之间复杂的相互关系，很难隔离一个影响因素并描述其影响[23]。体脂百分比高的人身体通常有一个更高层次的身体活动水平，所以他们更喜欢低温24]。
Savastano[25]研究了腹部肥胖的成年人和体重正常的成年人在热中性的条件下在休息时的皮肤温度。研究对象是腹部皮下脂肪仓库，因为它是所有参与者最均匀的地方。肥胖和体重正常的人之间的核心温度没有显著差异。然而，红外温度记录肥胖受试者的指甲床温度明显高于正常体重的受试者。相反，腹部皮肤温度显着肥胖者比体重正常者低[25]。从手中增加热释放可以抵消在体内具有较大脂肪百分比的保温区，从而帮助保持肥胖者体温正常。这表明，肥胖受试者通过增加手的热损失，以补偿由于皮下脂肪层以至无法散失的热量。通过脂肪层下的热损失也解释了为什么肥胖受试者倾向于比正常体重的人更低的温度。身体维持着这种核心温度，不论一个人是否肥胖或体重正常的。
另一种热舒适表示方法已被包含在ASHRAE这样标准55[4]里，是由de Dear and Brager[26]引入的自适应模型。自适应模型是一种舒适、与行为相适应的方法，而不是热量交换理论。这种适应是一个双向的过程。人们通过改变他们的服装厚度，他们的姿势，或者他们的活动使自己适应他们的热环境。他们还通过各种行动，如打开窗户，调整百叶窗等行为加热或冷却热环境到他们目前的需求。人们在适应这些动态平衡有额外的舍入[27]。
人体的局部和全身热感觉与皮肤和核心温度的的不断变化有关。不同环境条件(气温、空气流动、辐射和传导的表面) 影响身体的各个部位的皮肤温度，以复杂的方式影响一个人的整体热感觉和舒适性。即使在均匀的时间和空间环境中，人体的皮肤温度也分布不均[28]。
在一个均匀的热环境中，整体热感觉遵循的是从最远、中立，并且整体舒适最低的位置[29]。热感觉和舒适性在统一的环境中相关联。中性感觉关联到最佳的舒适感;温暖，凉爽的感觉关联到舒适性降低。一般来说，在温暖的条件下头部是身体最敏感的部位，在寒冷条件下脚和手是最敏感的部位 [29]。
由个性化调节的热环境空间往往是不均匀或瞬态的。在非均匀环境中，个人的身体部位的影响总体感觉变化很大。最具影响力的组织包括胸部和骨盆。从这些身体部位感觉对总体感觉有着主导影响。至少有影响力的组织包括手和脚的四肢，这里的血管扩张和血管收缩时最强的[9,30]。
在非均匀环境中感觉和舒适之间的关系比较复杂。相同的脸冷的感觉可能被视作舒适度象征。当整个身体温暖或不舒服时，整个身体是冷的。因此，理想的非均匀环境并不一定比热中立环境坏，但它们实际上可以比一个统一的中性条件下产生更好的舒适性。
张[31]发现总体热舒适度可仅仅基于局部舒适性，而不需要包括局部感觉信息。整体舒适实际上是两个接近最不舒服的选票,所以最舒适的地方抉择最重要的影响。平均两个最不舒适的票给了最好的预测总体的舒适。如果这个主题有一些控制他/她的热环境(如可控辐射板)或瞬态热条件，比整体舒适的两个最低最高的舒适性的平均值。这表明任务环境系统为了保持整个身体的舒适，消除了最难受，具有最高优先级的地方。
由于个体基于年龄、性别或身体脂肪含量的差异表明，热舒适热环境的不仅是一个简单的功能,但它也受到了一系列个人因素的影响。这通常是非常复杂的捕获所有这些对热舒适的影响，几乎不可能找到一个最佳的热环境的一群人。热中立可以提供最好的舒适性，但这并不尊重个人偏好[6]。因此, 为了符合每个人的不同喜好，热环境需要个性化。
本文调查了很多当前使用个性化调节室内气候条件得到改善的案例。这是基于假设扩展范围的室内空气温度或湿度控制将转化为节能的潜力。然而，极端热环境(也就是说“太冷”或“太热”)可能导致不适无法补偿的个性化调节的水平。这使它直观的探讨室内气候条件的范围，可以节省能源，同时确保用户的热舒适。
4 个性化的调节及其对热舒适的影响
传统空调系统在创建统一的室内环境和效果时，被认为只是作为一个可能的不舒适来源，在辐射对称，或垂直温度梯度的形式中。与传统的空调系统相比，个性化的条件可能会使建筑物居住者处于不均匀和不稳定条件。非均匀热环境可以提供更好的舒适性，是更节能的方法[5]。因此,有必要研究热舒适的在这样的情况下的联合效应。Dec Dear et al [32]回顾了热舒适的研究在过去的二十年，确定人工气候室研究和实地研究的两个主要的方法来研究热舒适。越来越多的研究人员使用一种新方法去研究舒适性的模拟[32]。大多数出版物研究个性化调节对热舒适的影响属于人工气候室研究的范畴，他们专注于增加冷却空气流动。科学出版物处理个性化调节对热舒适的影响总结在表1所示。个性化调节的不同方面将在下一节中讨论。
4.1 个性化通风降温
个性化通风的目的是提供新鲜干净的空气直接供建筑使用者呼吸。它带来两大优势总量暖通空调系统：较高的通风效率和用更高的气流速度来改善空气质量潜力冷却。空气质量的改善个性化通风良好的文档记录的研究使用人体模型[33-39]以及人体主题[37,38,40-47]。
热舒适研究个性化通风主要侧重于温暖的环境条件，从而实现在更高的空气流动的冷却效果。个性化通风性能更好,比其他方法来提高热舒适性空气流动如站、天花板,或书桌的电扇，因为它可能调节个性化空气的温度或湿度[10]。它已经表明,使用个性化通风,热舒适主要好保留的室内空气温度达到30℃[48,49]和60 - 70%的相对湿度 [46,49]。个性化通风取暖是不可行的,因为高气流速度带来不适应的风险[10]。
当前建筑实践是避免更高的空气速度的可能来不舒适。然而,新的发现表明工人偏好在一个典型的办公大楼倾斜更向更高而不是更低的空气移动(百分比较)。Zhang et al[51],基于来自200多个建筑组成的分析调查,报告,以上超过50%的人希望更多的空气运动,而不到2%的人希望减少空气流动。高不满空气太少运动表明,气流速度增加可能是一个合理的方式来改善热舒适。
没有问题草案不适引起的个性化通风已报告在温度23plusmn;1℃以上,即使个性化空气的温度比室内空气温度低34plusmn;1℃ [10 40-43 53]。较低温度的个性化通风可能引起投诉。然而,室内空气温度的测试20℃并显示个性化的加热空气减少不适[45]。
个性化通风的概念通常使用一个额外的空气分布系统使整个空调系统更加复杂和昂贵的。然而,利用置换通风的空气分布模式可以实现个性化通风，而且没有任何额外的集中的管道。Halvoňova和Melikov 关于“无管”个性化通风研究[35]吸凉爽清新的空气分布在薄薄的一层，由置换通风在地板上然后传递这个空气居住者的呼吸区。由于空气提供的个性化通风比居住地区的空气冷却器,冷却提供比只是循环室内空气。
空气运动也可以提升个人的舒适感，这意味着室内空气的循环。在室内空气测试气温高达30℃显示热舒适。维护使用空气的速度高达1.5 m / s的上半身。产生更多的空气流动的另一种方法是提高人体周围的自然对流流动。一把椅子配有球迷提高对流烟柱被太阳测试与置换通风 [54]。这种方法提供了额外的冷却和提高了热舒适而不需要减少供应置换通风的温度,可能有降低舒适度的风险。
最近一个个性化的冷却系统纳入衣服的测试中，在相当极端的温度下背心配备相变材料改善热舒适性,可发生在办公环境在夏季热浪[14]。然而,任何个性化空调系统的适用性融入服装可能较低，因
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