【Building Simulation】夏季口罩佩戴时长和相对湿度对室外建筑环境热感知的影响

文摘   科学   2024-03-26 10:31   湖南  


摘要

口罩是重要的自我防护必需品之一,但在佩戴时也会引起热应激。本研究通过使用ERA5数据库和当地气象局的数据,在2020年夏季对中国东部夏热冬冷地区调查了佩戴口罩对室外热感知的影响。结果显示,长时间佩戴口罩会导致更高程度的不适感,特别是炎热和闷热的感觉。相对湿度对于在偏热环境下佩戴口罩的人来说影响较大。在同一热环境下,当相对湿度处于70%至80%间时,佩戴口罩的受访者的热感受投票达到峰值。同时,长时间佩戴口罩会增加受访者的热感觉,尤其是在偏暖的环境中。佩戴口罩在室外缓慢步行(2.0 met)的受访者产生的热感觉与那些在室外作业且没有佩戴口罩的建筑工人的热感觉类似(2.0~4.0 met)。因此,在偏热的室外环境中,口罩佩戴对室外热舒适评估具有至关重要的影响。

关键词:室外热舒适;医用口罩;口罩佩戴时长;相对湿度;生理等效温度

01

背景介绍

自2020年初新冠疫情爆发以来,佩戴口罩作为一种低成本、便携的个体防护措施被全球公众普遍使用。如医护人员等的特殊群体更是在日常工作生活中均需佩戴口罩。口罩作为一种物理阻隔性防护用品,在一定程度上由于对口鼻覆盖的特殊性,口罩的佩戴会影响呼吸热的释放,特别是面部区域被认为是热敏感性高的身体部位。对口罩的研究不应局限于其有效性方面,口罩对佩戴者热舒适的影响同样值得关注。但现有关于口罩佩戴对热舒适影响的研究主要是在环境参数相对可控的室内进行的,由于室内外巨大的环境差异,其结论在室外环境的适用性有待验证,因此研究佩戴口罩对室外热舒适的影响成为必要。

02

核心内容

(1)受访者佩戴口罩的时长及其对热感觉的影响


通过大量的在线问卷结果表明,大部分受访者在室外佩戴口罩的时长在15到60分钟之间,只有4.1%的受访者在室外佩戴口罩的时间超过1小时。随着口罩佩戴时长的增加,平均TSV相应增加。当口罩佩戴时间达到30分钟时,热感觉集中在“热”到“非常热”的一侧。

图1 a)口罩佩戴的时长分布;b)佩戴口罩不同时长下的热感觉分布






(2) 口罩佩戴时长与环境相对湿度对热感觉的影响


通过对操作温度(Top)和mTSV的拟合关系可发现,当Top超过28.6°C时,大多数受访者感到热和非常热(mTSV≥3)。我们进一步对不同口罩佩戴时长的数据分类讨论,发现佩戴时长小于60分钟的情况下,每类回归线存在一个拐点,使得Top达到这个点时,不管Top是否增加,mTSV都保持在非常热之间(如图2所示)。

图2 mTSV与操作温度的关系:(a)所有佩戴口罩时长下,b)佩戴口罩不同时长下




通过分析相似热环境下不同相对湿度(RH)和mTSV的拟合关系,我们发现RH是人们戴口罩时热感觉的重要影响因素。主要表现在mTSV随RH的增加呈现先增后减的趋势,并在70% ~ 80%的RH区间达到峰值,主要原因猜测是口罩内微环境的影响:口罩内呼出气体的液化带走下面部的热量并促使热感觉下降。该猜测仍需进一步实验验证。

图3 aTop 小于 32 ℃情况下RHTop的关系;RHmTSV的关系:(b0-120分钟;(c0-15分钟;d15-30分钟;(e30-60分钟;(f60-120分钟




(3) 口罩佩戴对热舒适影响的横向对比


长时间使用口罩会让受访者在同一个热环境中感到更热。本研究将戴口罩15-30分钟的对应TSV等级在“暖”到“热”的PET范围与相近及更高活动水平的室外热舒适研究结果进行横向对比,发现佩戴口罩在室外缓慢行走的人与不戴口罩但活动水平高得多的户外作业工人有着相似的PET范围。

图4 佩戴口罩不同时长下PETmTSV关系

图5 本研究中不同热感觉区间下PET的范围与以往研究的比较




03

成果小结

本研究采用在线调查与ERA5数据库和当地气象资料相结合的研究方法,探讨佩戴口罩对室外热舒适的影响,深入探讨了两个因素——口罩佩戴时长和相对湿度的影响。研究结果如下:

(1)在炎热的夏季,随着RH值的增加,mTSV先增大后减小,峰值在70%~80%之间。

(2)大多数受访者室外佩戴口罩的时间不超过1小时。随着口罩佩戴时间的增加,感觉不舒服的比例急剧增加,这主要是由于“面部闷热感”的影响。在偏暖的环境中,长时间使用口罩显著增加了受访者的热感觉。

(3)将本研究与以往未佩戴口罩的研究进行横向比较,发现戴口罩在室外慢走(2.0 met)的人与那些代谢率高得多(2.0 - 4.0 met)但不戴口罩的人有着相似的热反应。

作者  

Rong Hu1, Jianlin Liu1*, Yongxin Xie2,4*, Jiao Jiao1, Zhaosong Fang3Borong Lin2

College of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai, China

Department of Building Science, School of Architecture, Tsinghua University, Beijing, China

School of Civil Engineering, Guangzhou University, Guangzhou, China

Department of Building Environment and Energy Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Kowloon, Hong Kong, China


引用

Hu, R., Liu, J., Xie, Y. et al. (2023). Effects of mask wearing duration and relative humidity on thermal perception in the summer outdoor built environment. Building Simulation, 16: 1601–1616. 

https://doi.org/10.1007/s12273-022-0978-9


作者团队简介

该论文的第一作者是东华大学环境科学与工程学院硕士生胡蓉,通讯作者为东华大学环境科学与工程学院教授刘建麟与香港理工大学建筑环境与能源工程系研究助理教授谢泳欣,共同作者包括清华大学建筑学院教授林波荣、广州大学土木工程学院副教授方赵嵩和课题组硕士生焦娇。


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