分体式空调办公建筑不同设定温度模式对健康的影响研究*

闫海燕 石芳宁 董梦如 孙 震 袁国栋

0 引言

随着经济的快速发展，人们追求更舒适室内环境的同时也带来了建筑的高能耗现实问题[1]。为了节约公共建筑能源，中国政府早在2007年就提出限制公共建筑空调设定温度的规定：公共建筑夏季空调温度设置不得低于26 ℃[2]。在中国“碳达峰、碳中和”的大背景下，2021年广东省等地方政府再次发布“办公场所夏季制冷温度设置不低于26 ℃”的通知，而我国办公建筑设定温度低于26 ℃的现象普遍存在[2]。周翔等[3]通过对上海办公建筑人员空调使用行为的研究发现，人们设定较低温度的主要原因为不用考虑经济因素。在一项关于办公建筑人员空调设定温度影响因素的实测研究中，学者们旨在找到可能的方法来鼓励更高的温度设置，研究指出大多数人为了个人健康会把设定温度调高（例如避免病态建筑综合症），人们对健康的关注要远大于节能。上述研究结果表明鼓励人们节能不如宣传健康[4]，设定温度政策推行的关键在于健康。因此，研究不同设定温度模式对健康的影响对于建筑节能和室内健康环境营造具有重要的实践意义。

建筑的主要目的是提供住所和增进福祉，但它们也与一系列健康危害有关。佩德·沃尔科夫（Peder Wolkoff）等人[5]综述相关文献发现，室内热环境与人体健康、工作以及认知能力密切相关。余娟等人[6]的研究表明，与长期处于自然通风建筑环境的人群相比，全天逗留在空调建筑环境中的人群表现出的生理适应性较弱，其皮肤温度调节速度较慢、出汗率较低、对高温环境的耐受能力较差、人体热应激能力退化，存在很多健康问题。因此，自然通风建筑在人体健康和节能方面的价值不可否认[7]。然而，为了改善室内热环境，提高人们的热舒适，暖通空调系统仍然占据绝对主导地位。张仲军等人[8]将60名来自不同空调建筑的受试者暴露于气候室中，发现来自分体式空调建筑的受试者在非中性环境下的体温调节能力强于来自中央空调建筑的受试者。综上所述，现有研究已经证实不同建筑类型营造的室内热环境会对人们的生理适应能力存在影响，而对于相同的空调建筑，不同设定温度营造的室内热环境对人体生理适应能力方面的健康影响仍不明晰。

除了室内热环境与人体健康的关系，自世界卫生组织30多年前宣布“病态建筑综合症”以来，影响人们舒适和健康状况的室内空气质量也一直是研究中的重点问题[9]。吉约姆·塞芬（Guillaume Sérafin）等[10]收集了自2000年以来全球办公建筑中室内空气污染物浓度，并通过研究其致癌、诱变、重复毒性和内分泌破坏效应，把甲醛、PM2.5等列为优先污染物。CO2虽然是一种无毒物质，但在其含量显著升高时，会导致呼吸运动振幅、外周血流量、自主神经功能表现和大脑皮层功能状态发生显著变化[11-12]，对人类健康有直接的影响[13]。通风行为可以通过稀释和减少室内空气污染物浓度来降低健康风险[14-15]。然而空调的使用会导致室内环境密闭，通风减少，因此在夏季，空调使用行为与室内空气质量密切相关。室内热经历会影响人们的空调使用行为[16]，那么经历不同设定温度模式人群的空调使用行为有何差异，其差异对室内空气质量的影响有多大，进而又会对健康产生什么影响？这些问题亟需解决。

综上所述，室内热环境、室内空气质量等是影响居住者健康的重要因素。因此，本文以郑州市和焦作市的分体式空调办公建筑为研究对象，采用环境客观测量与人体主观调查相结合的方法，探究不同设定温度模式下室内热环境及空气污染对人体健康的影响。研究结果可为夏季分体式空调办公建筑的节能政策推行和室内环境健康问题的解决提供理论依据。

1 研究方法

1.1 调研时间和地点

本次调研于2019年6—8月在郑州市和焦作市进行。郑州市、焦作市分别位于河南省中部偏北和西北部位置，郑州市北部与焦作市接壤。两市均为中国《民用建筑热工设计规范》（GB 50176—2016）[17]一级区划中的寒冷气候，夏季高温多雨。

1.2 调研对象

本次调研随机挑选了21栋分布在郑州市和焦作市市区各个区域的分体式空调办公建筑作为研究对象。被调研建筑均有由室内人员自行控制的窗户和分体式空调。所有建筑为砖混结构，具有良好的隔热性能，建筑内部为常规办公室布置。

在选定的建筑中，随机挑选室内人员作为受试者。所有受试者健康状况良好，他们在当地至少居住1年以上，均已适应当地气候特征。每位受试者都自愿参与本研究，为避免影响每位受试者对问卷问题的主观选择，调研中不会讨论与测试相关的问题。为了获取实际场景中的数据，调研期间，不对受试者加以任何干扰，受试者可以按照自己平时的喜好和习惯设置空调设定温度，且能根据个人意愿调节服装、开关门窗和使用空调。

1.3 现场测试方法

首先，现场调研采用调查问卷的形式来获取受试者的基本信息、服装热阻、空调使用行为和空气质量满意度。空气质量满意度标尺见表1。

表1 空气质量满意度标尺Tab.1 air quality satisfaction voting scale

其次，在进行问卷填写的同时进行皮肤温度、CO2浓度、甲醛浓度、PM2.5浓度、室内外空气温度、相对湿度、黑球温度、风速等参数的测量，并对受试者的空调使用行为进行统计。皮肤温度测定位置选择在左手手背侧手腕和手指之间的区域，这是因为手和手指的皮肤有最多的AVAs（动－静脉吻合）。AVAs是一种阀门，通过来自体温调节系统的中枢下丘脑信号直接控制血管收缩和舒张[18]。环境参数测点位置的布置按照ASHRAE手册[19]进行，室内环境污染物浓度的测点布置按《民用建筑工程室内环境污染控制标准》[20]进行，测试仪器均满足ISO 7726标准[21]的要求，测试仪器详细信息见表2。

表2 仪器的测量范围和精度Tab.2 measured range and accuracy of instruments

1.4 数据收集

通过实地调查，共收集有效问卷和相应的客观环境参数529套。根据调研时受试者在问卷中所填写的空调设定温度，以规定的公共建筑最低设定温度（26 ℃）为界限，按照设定温度的高低把调研所获得的数据分为两组：实验组（高设定温度模式≥26 ℃）和对照组（低设定温度模式＜26 ℃），其中实验组291套，对照组238套。调研获取的受试者基本信息如表3所示。

表3 受试者背景统计Tab.3 subjects background statistics

1.5 数据处理方法

标准有效温度（standard effective temperature, SET）考虑了空气温度、平均辐射温度、相对湿度、风速、代谢率、服装热阻等相关因素的综合效应，采用二节点模型对SET进行计算[19]。采用Bin法，将自变量按所需区间进行分组，平均值作为每组的变量。采用独立样本T检验比较不同组数据；对相关因素进行加权线性回归分析；通过标准系数法计算权重；采用协方差分析检验回归线之间的显著性。所有统计分析均采用SPSSv26.0软件进行，以P值描述2组数据间的差异水平，P＜0.05（*）表示差异显著，P＜0.001（***）表示差异极其显著，P＞0.05（ns）表示差异不显著。

2 结果与分析

2.1 热湿环境

两组室内热湿环境参数如图1所示，调研期间室外空气温度范围为24.5 ℃～39.3 ℃，平均温度为33 ℃。经检验，实验组的室内空气温度和相对湿度均显著大于对照组（P＜0.001），而两组的室外空气温度无显著性差异（P=0.250）。即调研期间，两组受试者的室外热暴露无差异，而与对照组相比，实验组受试者暴露的空调环境温度更高，湿度更大。

图1 室内外热湿环境Fig.1 indoor and outdoor thermal and humid environments

2.2 空调依赖程度

2.2.1 空调使用模式

通过对空调使用模式情况的统计（图2）发现，实验组和对照组空调使用模式主要集中于“感觉热时开”和“一进门就开，离开时关”。不同空调使用模式意味着受试者对空调的依赖程度不同。“感觉热时开”对空调的依赖程度较弱，称之为弱依赖空调模式；“一进门就开，离开时关”对空调的依赖程度较强，称之为强依赖空调模式。在办公建筑中，人们不需要支付使用空调的费用，因此两组频率最高的空调使用模式均为不节能的强依赖模式。对于较节能的弱依赖模式，对照组受试者很少采用（6%），而实验组有35%的受试者采用这种模式，即相比于对照组，实验组对空调的依赖程度较弱。

图2 空调使用模式分布情况Fig.2 distribution of air conditioner usage modes

2.2.2 空调使用时长

实验组和对照组的空调使用月数分布频率如图3a所示，实验组的空调使用月数显著小于对照组（P=0.001）。实验组和对照组每天空调使用时长分布频率如图3b所示，实验组与对照组每天空调使用时长平均值分别为8 h和10 h，经检验，实验组每天空调使用时长显著小于对照组（P=0.000）。即整个夏天实验组受试者暴露于空调环境的时间少于对照组。由图3c可知，强依赖空调模式的空调使用月数和每天空调使用时长均显著大于弱依赖空调使用模式（P＜0.001），即空调依赖程度与空调使用时长呈正相关。经检验，两组每天空调使用时长与室外温度无关（P=0.204），即办公建筑每天空调使用的时长更多地取决于人们对空调的依赖程度，而不是室外温度。

2.3 对体温调节能力的影响

服装热阻和风速均会影响人体的皮肤温度[22-23]，为了减少两者的影响，本文采用SET来评价人体皮肤温度与环境温度的关系。在中性环境下，维持体温的热能由基础代谢提供，人体的代谢处于稳定状态[24]。因此由图4a可知，中性环境下（25 ℃～27 ℃），两组的皮肤温度无显著性差异（P=0.061）。中国人体出汗的环境温度阈值在33 ℃以上[23]，而本文空调环境中的温度远低于33 ℃，因此在本研究的非中性环境下，人体体温调节系统主要通过血管扩张和收缩来控制皮肤温度，以在温度变化时保持体温恒定。当环境温度较低时，为了减少散热，流向皮肤的血液会随着周围血管收缩而减少，因此皮肤温度降低。相比之下，当温度较高时，皮肤表面的血管会扩张以增加散热导致皮肤温度升高[24]。由图4b可知，皮肤温度和SET呈正相关（P=0.000），在相同的SET下，实验组的皮肤温度高于对照组，且随着SET的升高，差异增大。经检验，实验组的斜率显著大于对照组（P=0.000），这表明实验组受试者的皮肤温度对环境温度的变化更敏感，调节速度更快。同时由图4a可知，在偏凉环境下（≤25 ℃），两组受试者的皮肤温度无显著性差异（P=0.236）。而在偏热环境下（≥27 ℃），实验组受试者的皮肤温度显著高于对照组（P=0.049）。这表明两组受试者在偏凉环境下的体温调节能力无差异，而在偏热环境下，实验组受试者的体温调节能力强于对照组。

2.4 室内空气质量差异

参照《室内空气质量标准》（GB/T 18883—2002）[25]确定CO2标准限值为0.1%，参照《民用建筑工程室内环境污染控制标准》（GB 50325—2020）[20]确定Ⅱ类民用建筑工程的甲醛标准限值为0.08 mg/m3，参照《建筑室内细颗粒物（PM2.5）污染控制技术规程》（T/CECS 586—2019）[26]确定二级PM2.5标准限值为75 μg/m3。将统计调研期间的甲醛浓度按1 ppm=1.341 mg/m3进行换算。室内空气质量参数分布频率如图5所示，由图5a可知，实验组的CO2浓度超标率（28%）远小于对照组（41%）；由图5b可知，实验组的甲醛浓度超标率为57%，对照组为63%；由图5c可知，实验组和对照组的PM2.5浓度达标率分别高达93%和96%。对比发现，在办公建筑中CO2和甲醛超标率较高，尤其是对照组，而PM2.5浓度偏低，达标率均高达90%以上。因此郑州市和焦作市夏季分体式空调办公建筑解决室内空气质量问题主要就是解决CO2和甲醛污染的问题。

图5 室内空气质量参数分布Fig.5 distribution of indoor air quality parameters

进一步检验显示，实验组的CO2和甲醛浓度均显著小于对照组（P＜0.05），尤其是CO2浓度超过标准限值时，两组CO2浓度差异更大（P=0.000）。由图5d可知，弱依赖空调模式的室内CO2和甲醛浓度显著低于强依赖空调模式（P＜0.05），即空调依赖程度影响室内污染物浓度，弱依赖空调模式对室内空气污染物浓度有积极影响。由2.2.1节可知，实验组对空调的依赖程度较弱，因此实验组的CO2和甲醛浓度均显著小于对照组。甲醛浓度会随着温湿度的升高而增加[27]，由2.1节可知，实验组的室内空气温度和相对湿度均显著大于对照组，而实验组的甲醛浓度却显著低于对照组，这表明相比于对照组，实验组的弱依赖空调模式抵消了其较高温湿度对甲醛浓度的不利影响。

2.5 甲醛暴露健康风险评价

由2.4节可知，两组甲醛浓度超标率较高，室内甲醛污染严重，而甲醛作为一类致癌物，对人体健康危害很大，因此对甲醛暴露进行健康风险评价十分必要。

采用美国环境保护局（EPA）健康风险评价方法[28]，甲醛癌症风险计算方法见式（1）和（2）：

式中：CancerRisk为癌症风险；SF为斜率因子，kg·d/mg；CDI为平均日暴露剂量，mg/kg·d。

式中：C为污染物浓度，mg/m3；IR为呼吸速率，m3/d；ED为暴露持续时间，d；BW为体重，kg；AT为终身时间，d。

查询美国EPA的IRIS数据库获取SF值[29]为4.55×10-2kg·d/mg；根据《中国人群暴露参数手册（成人卷）》[30]，获得成年男、女性的呼吸速率分别为17.70 m3/d和14.30 m3/d；暴露持续时间通过以下公式计算：暴露持续时间=每天工作时间平均值/24×每周工作天数平均值×1年的周数×职工工作年限，其中每天工作时间平均值按调研实际时间保守估计为8 h，每周工作时间为5天，1年的周数为365/7，职工年限为40年；美国环境保护署定义70年作为计算寿命周期内的致癌效应，则终身时间为25 550天。

两组的甲醛致癌风险评价结果如表4所示，实验组的甲醛致癌风险显著小于对照组（P=0.044），两组甲醛致癌风险均超过美国EPA提出的安全限值（1×10-6），这表明夏季办公建筑室内甲醛浓度存在较大的健康隐患，尤其是对照组。

表4 甲醛终身癌症风险估算Tab.4 estimated lifetime cancer risk of formaldehyde

2.6 空气质量满意度

由2.4节可知，尽管实验组的空气污染物浓度显著小于对照组，但两组的空气质量满意度并无显著性差异（P=0.106）。通过相关性分析发现，空气质量满意度与PM2.5浓度、甲醛浓度均无关（P＞0.05），仅有实验组的CO2浓度与空气质量满意度呈负相关（图6a）（P=0.000）。而由图6b可知，两组空气质量满意度均与室内空气温度呈负相关（P＜0.001），这可能是因为由于温度的上升使得吸入的空气焓值升高，从而导致吸入的空气对人体呼吸道粘膜的冷却作用减弱而使人产生了闷感[31]，因此空气质量满意度降低。综上所述，实验组的空气质量满意度受CO2浓度和室内空气温度的综合影响，而对照组的空气质量满意度主要受室内空气温度的影响。由此可知，两组空气质量满意度无显著差异的主要原因可能是因为对照组的室内空气温度显著低于实验组。

图6 室内空气质量满意度Fig.6 indoor air quality satisfaction

有实验室研究表明，温度对空气质量满意度的影响要大于CO2[32]。但是从本次现场调研来看，在实验组，CO2浓度对受试者空气质量满意度的影响程度（56%）略大于室内空气温度（44%），而在对照组，CO2浓度对受试者的空气质量满意度没有影响。因此，可以推断长期待在低温环境下，可能会降低人们对CO2浓度的敏感性，进而影响人们对空气质量的有效感知。故在对照组，不仅CO2等污染物浓度更高，而且人们的感知能力较差，这无疑将会增加人们的健康风险。

3 讨论

3.1 低设定温度模式暴露会增加人们的空调依赖程度

由2.2节可知，相比于低设定温度模式，高设定温度模式下人们对空调的依赖程度较低，这可能是由不同设定温度模式下人们体温调节引起的热耐受能力差异造成的。

现有研究已经表明相比于自然通风建筑，长期处于空调建筑环境人群的生理调节能力较弱[6]。而本研究发现即使同为空调建筑，不同设定温度模式也会对人们的体温调节能力产生影响，出现这种现象的原因可以由两种模式热暴露的差异来解释：由2.1和2.2.2节可知，相比于高设定温度模式，低设定温度模式暴露的空调环境温度更低、时间更长，因此削弱了人体对偏热环境的体温调节能力。而低设定温度模式下，人们的弱体温调节能力将会导致人体热应激能力退化并对偏热环境的耐受能力减弱[6]，从而增加了人们对空调的依赖程度。

现有研究发现，使用过空调的人会更喜欢选择空调作为环境调节的手段[33]，而本研究进一步发现，采用低设定温度模式的人会更依赖空调。

3.2 低设定温度模式暴露对健康带来的负面影响

由前文分析可知，低设定温度模式对健康产生的负面影响有：削弱了人们对偏热环境的体温调节能力、增加了室内CO2和甲醛的浓度、加剧了居住者的甲醛致癌风险、降低了人们对空气质量的有效感知。出现这些情况的主要原因如下。

一是室内空气温度方面：2.1、2.6和3.1节的结果表明，相比于高设定温度模式，低设定温度模式较低的室内空气温度削弱了人们对偏热环境的体温调节能力并降低了人们对CO2浓度的敏感性，进而影响了人们对室内空气质量的有效感知。

二是空调依赖程度方面：为了节约能耗、减少散热量，调研期间受试者使用空调的同时一般关闭门窗，室内处于密闭状态，而CO2和甲醛浓度主要由室内通风水平影响[34]。由2.2节可知，相比于高设定温度模式，低设定温度模式受试者对空调的依赖程度更高，空调使用时长更长，因此室内通风不足，导致室内空气污染物浓度升高。同时，低设定温度模式受试者对空调的较强依赖也对人们的体温调节能力产生了不利影响。

基于上文不同设定温度模式对健康的影响分析，验证了中国政府对办公建筑设定温度规定的合理性。因此应继续加强“办公场所夏季制冷温度设置不低于26 ℃”规定的执行力度。鼓励人们节能不如宣传健康，故建议中国加大低设定温度对健康负面影响的宣传，引导人们采取高设定温度模式。

进一步分析发现，高设定温度模式受试者的年龄显著大于低设定温度模式（P=0.000）。根据世界卫生组织对年龄阶段的划分，按照年龄的大小分为两种人群：青年人（＜45岁）和中老年人（≥45岁）。经检验，中老年人的空调设定温度显著大于青年人（P=0.011），同时女性的空调设定温度显著大于男性（P=0.000），这与以往研究结果一致。随着年龄的增加，人体代谢率会降低，需要更高的环境温度来保持舒适。相比于男性，女性更容易感到寒冷，偏好较高的温度[35]。因此，应着重加强对青年人和男性的引导。

4 结论与建议

本文通过研究郑州市和焦作市分体式空调办公建筑不同设定温度模式下室内热环境及空气污染对人体健康的影响，得出以下结论和建议。

一是分体式空调办公建筑中存在两种典型的空调使用模式，分别是“感觉热时开”和“一进门就开，离开时关”。实验组的空调依赖程度和空调使用时长均小于对照组。

二是两组受试者的室外热暴露无差异，而相比于对照组，实验组受试者暴露的空调环境温度更高，湿度更大。

三是在偏热环境下，实验组受试者的体温调节能力要强于对照组。

四是郑州市和焦作市夏季分体式空调办公建筑室内主要空气污染物为CO2和甲醛。实验组的CO2、甲醛浓度以及甲醛致癌风险均显著小于对照组。实验组的弱依赖空调模式抵消了其较高温湿度对甲醛浓度的不利影响。

五是两组受试者的空气质量满意度无显著差异。实验组的空气质量满意度受CO2浓度和室内空气温度的综合影响，而对照组的空气质量满意度主要受室内空气温度的影响。长期待在对照组，会降低人们对室内空气质量的有效感知。

六是室内温度影响人们的空气质量满意度，若靠人的主观感受去检测室内空气质量，可能会导致人们盲目降低空调设定温度，从而将会对健康产生不利影响并造成能源的浪费。因此，建议室内配备空气质量监测系统，进行空气质量的实时监测，在超出标准范围时，及时提醒人们采取措施。

图表来源：

图1-6：作者绘制

表1-4：作者绘制