關(guān)于人體熱舒適模型開發(fā)的探討

齊海燕 黃曉春 祁金剛

【摘要】本文對現(xiàn)有的熱舒適模型進(jìn)行梳理和總結(jié)，并對熱舒適性的二次模型及其輸入邊界進(jìn)行綜述和探討。

【關(guān)鍵詞】熱舒適性；模型；熱阻

關(guān)于人體熱舒適模型開發(fā)的探討

駕艙內(nèi)的人體熱舒適性對乘員的駕駛體驗是非常重要的一個因素。近幾十年各汽車公司在這方面進(jìn)行了大量的研究，對這些研究進(jìn)行梳理是非常必要的。現(xiàn)在很多研究者采用計算流體力學(xué)（CFD）的方法進(jìn)行研究，但此方法只能直接得到虛擬假人表面的流場和溫度場，若要得到對熱舒適性的評價必須進(jìn)行二次計算得到類似于滿意度（PMV或PPD）的指標(biāo)。

1熱舒適模型

1.1PMV-PPD模型

在ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)55[1]中熱舒適性被定義為人們對熱環(huán)境的滿意度，滿意度被分為若干等級，適用于在室內(nèi)舒適環(huán)境和稍偏離舒適環(huán)境下的測評。

該標(biāo)準(zhǔn)基于大樣本人群調(diào)查，把人對冷熱的感覺劃分為7級，并采用投票率PMV(Predicted Mean Vote)來表達(dá)：PMV=-3(冷)、-2(涼)、-1(稍涼)、0(中性)、1(較暖)、2(暖)、3(熱)。

PMV指標(biāo)代表了同一環(huán)境下絕大多數(shù)人的熱感覺，但不代表所有人，因此又提出PPD(Predicted Percentage of Dissatisfied)指標(biāo)。PPD指標(biāo)表示人群對熱環(huán)境不滿意的百分比，并用概率表示，下式給出了PMV與PPD之間的定量關(guān)系：

PPD=100-95exp[-(0.03353PMV4+0.2179PMV2)]

1.2The MEMI模型

PMV模型是一個早期的穩(wěn)態(tài)理想模型，但要求外界參數(shù)恒定且人體的新陳代謝率也恒定。它雖然考慮了各個物理量對人的熱物理和熱生理方面的作用，但不能定量描述人體表面熱通量或人體溫度。

MEMI模型[2]考慮到這一點，引入了一個假設(shè)：人體內(nèi)的熱是通過血液循環(huán)把熱量帶到皮膚表面的，而此值與人體感覺散熱量相等。MEMI模型采用以下熱平衡關(guān)系式:

H+C+R+ED+Esr+Elr+Esw+Ef=S

H——產(chǎn)熱量，C——對流熱流密度，R——輻射熱流密度，ED——水蒸氣擴(kuò)散率，Esr——通過呼吸散發(fā)的顯熱熱量，Elr——通過呼吸散發(fā)的潛熱熱量，Esw——人體通過排汗散發(fā)的熱量，Ef——人體通過進(jìn)食攝入或排出的熱量，S——體內(nèi)積存熱量。

1.3兩點模型(ET*-DISC)

兩點模型也是采用熱平衡方法來預(yù)測熱舒適度，但采用的是非穩(wěn)態(tài)假設(shè)。ET*代表新等效溫度，除了反映顯熱還考慮了輻射和潛熱的傳熱，通過兩點模型可以求出ET*。在一分鐘步長內(nèi)，兩點模型可以計算出人體皮膚和體內(nèi)對環(huán)境的傳熱量，模型從時間0點給定初始條件，以1分鐘為時間步長進(jìn)行迭代計算直到達(dá)到熱平衡為止，一般進(jìn)行60個時間步長。最后的平均皮膚溫度和皮膚濕潤度決定了等效平均溫度。

1.4Draft Rate模型

ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)55定義了“draft”為空氣運動導(dǎo)致的身體局部不適，此詞在漢語里很難找到相應(yīng)的詞匯表達(dá)。“draft感覺”由空氣速度、空氣湍流度、空氣溫度和著裝情況共同決定。產(chǎn)生“draft感覺”的位置主要在服裝不能覆蓋的脖子、頭部、腳踝和腿部區(qū)域，在ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)55中定義了draft rate指標(biāo)，代表在人群中對空間產(chǎn)生局部“draft感覺”的人數(shù)，其表達(dá)式如下：

draft rate=3.413(34-Ta)(v-0.05)0.622+0.369vTu(34-Ta)(v-0.05)0.622

Tu——湍流強(qiáng)度(0~100%)，v——風(fēng)速(m/s)，Ta——空氣溫度(℃)。

1.5PS模型

PS模型[3]指出了人如何在一定空氣溫度下，控制空氣流速產(chǎn)生舒適的感覺，其關(guān)聯(lián)式如下：

PS=1.13Top0.5-0.24Top+2.7v0.5-0.99v

Top——操作溫度(℃)，v——空氣速度(m/s)。

PS關(guān)聯(lián)式來源于對50個人的實驗，讓實驗者在某一溫度的房間，改變不同的風(fēng)速直到實驗者覺得舒適滿意為止。PS代表了在這個實驗下某一溫度風(fēng)速下被測試者認(rèn)為舒適的累計百分比。

1.6TS模型

TS模型是把空氣溫度和水蒸氣分壓擬合成熱感覺的線性函數(shù)。TS值代表在空氣溫度和水蒸氣分壓下對熱舒適性的投票率。TS關(guān)聯(lián)式如下：

TS=0.245Ta+0.248P-6.475

Ta——空氣溫度(℃)，P——水蒸氣分壓強(qiáng)(kPa)。

2模型的輸入數(shù)據(jù)

2.1人體表面積

1927年山東齊魯大學(xué)萬素貞應(yīng)用Du Bios線公式、Du Bios身高及體重公式計算本校74名男生體表面積獲得精確滿意結(jié)果，認(rèn)為Du Bios任一公式均可用于計算中國人體表面積。1937年P(guān)aul H. Stevenson應(yīng)用修正的Du Bios線公式測量100名中國人體表面積、身高及體重得出多元回歸方程式，提出了沿用至今計算體表面積的Stevenson公式。但隨著國人營養(yǎng)狀況的改善，體型也發(fā)生不小的改變，因此1999年胡詠梅[4]對校內(nèi)100名教師和學(xué)生作為樣本得出適用于中國人體表面積計算的最新公式：

男女共同模型：S=0.0061×H+0.0124×W-0.0099

男性模型：S=0.0057×H+0.0121×W+0.0082

女性模型：S=0.0073×H+0.0127×W-0.2106

H——身高(cm)，W——體重(kg)。

2.2活動水平

在模型計算之前需確定人體的活動水平才能計算熱舒適性水平。ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)55給出了人在各種活動下的新陳代謝率。其中重型卡車駕駛員為180w/m2，小汽車駕駛員為60~115w/m2，乘員安靜乘坐為60w/m2。

2.3著裝

在模型輸入中人員的著裝水平是非常重要的一項。詳細(xì)數(shù)據(jù)可參考ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)55。對于不同的穿衣組合可以通過疊加分項熱阻得到。

衣服熱阻的單位為clo (1 clo=0.155m2 °C/ W)。夏天衣服熱阻約為0.6clo，冬天衣服熱阻約為1clo，最高穿衣clo值為4clo (皮衣、皮褲、穿外套且?guī)弊邮痔?。久坐在溫度為21°C，相對濕度為50%，空氣速度為0.01m/s環(huán)境下，穿熱阻為1clo的衣服較為舒適。

2.4熱邊界

環(huán)境對人的熱感覺影響依賴于四個量：空氣溫度(ta)，即人體周圍空氣的平均溫度，此值受所處位置和持續(xù)時間影響較大；平均熱輻射溫度(MRT)，即所處環(huán)境周圍所有面的平均溫度，可大于或小于空間中的空氣平均溫度ta；空氣速度(va)，即人體所處環(huán)境的平均風(fēng)速；濕度，在一定體積空氣中水蒸氣的質(zhì)量含量，表征濕度的量有水蒸汽分壓、露點溫度和相對濕度等。

2.5太陽和地理數(shù)據(jù)

地理數(shù)據(jù)包括海拔、標(biāo)高、吸收率、反射率、坡方位角、太陽方位角、坡度、天頂角、偏轉(zhuǎn)角、時間角、日期和時間。這些數(shù)據(jù)都是計算平均輻射溫度必須的數(shù)據(jù)。

3展望

（上接第1頁）以上總結(jié)了對人體熱舒適性計算的各種模型及其模型輸入，但這些模型對汽車駕艙內(nèi)的熱舒適性計算還有較大局限。因為駕艙是一個復(fù)雜包絡(luò)空間，氣流極其不均勻，由于駕駛員和各乘員所處車內(nèi)位置不同，太陽輻射強(qiáng)度有較大區(qū)別，所以把人體當(dāng)做一個整體來判斷熱舒適性已經(jīng)非常不適用了。

近幾年針對駕艙內(nèi)的特殊環(huán)境提出了很多新模型，這些模型一般上把人體分成若干區(qū)域，每個區(qū)域獨立求解舒適度方程，如EHT模型。如前所述很多模型建立在CFD程序包上，通過程序包求解局部區(qū)域的各物理量，然后再代入PMV方程進(jìn)行求解，其理論基礎(chǔ)還是以上所述模型。因此熟練掌握本文綜述的模型對于開發(fā)和改進(jìn)駕艙模型是非常必要的。

【參考文獻(xiàn)】

［1］ASHRAE Standard 55-2004. Thermal environmental conditions for human occupancy[Z].2004.

［2］H. Mayer and P. H?ppe. Thermal comfort of man in different urban environments[J]. Theoretical and Applied Climatology.1987(38):43-49.

［3］de Dear, Richard and Brager, G. S. Developing an Adaptive Model of Thermal Comfort and Preference[J]. University of California, Berkeley, Publication Date: 01-01-1998.

［4］胡詠梅,等.關(guān)于中國人體表面積公式的研究[J].生理學(xué)報,1999(01).

［責(zé)任編輯：湯靜］