暖體假人的發展與應用

朱凱穎,劉何清,*,米立華,陳 芬,吳世先,2,吳國珊,2

(1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院,湖南 湘潭411201;2.桂林航天工業學院 能源與建筑環境學院,廣西 桂林541000)

環境舒適度是影響生產效率、生活質量的重要因素。為研究環境的舒適度問題,國內外專家主要采用真人實驗、問卷調查以及模擬實驗的方法進行,其中模擬實驗就包括使用模擬假人進行試驗。

早在20世紀20年代,英國就制造了垂直的銅圓柱充當假人[1]。早期的假人主要是用來測試服裝熱濕傳遞性能的,隨著假人技術的發展,更多諸如航空航天、交通以及消防等領域開始使用假人進行試驗[2],其與真人試驗相比,假人可以根據需要模擬任意溫度下的人體狀態,且可實現參數的穩定控制,不會受人的心理因素的影響,可用于極端或危險環境條件下。

假人歷經百余年的發展,已經在各個領域發揮了作用。本文以暖體假人在熱環境評價中的應用及發展為主線,闡述假人的發展過程以及應用,并根據目前科技發展的動向提出假人發展和應用的展望。

1 暖體假人的發展

1.1 國外的暖體假人

從暖體假人研究開始國內外已經制作了100多種實驗用暖體假人[3],按照暖體假人的用途可分為干態暖體假人、呼吸暖體假人、出汗暖體假人、數值暖體假人、浸水暖體假人等。其發展歷程主要經歷了三個階段:第一個階段是1941年基于美國學者Gagge及其研究團隊提出的“clo”即衣物熱阻的概念,美國軍需氣候研究所研制出了第一代暖體假人,為單段暖體假人,只可以用來做靜態服裝熱阻的測試[4]。早期的暖體假人一般都為軍隊服務,后來擴展到其他各個領域,但目前暖體假人仍是試驗軍需品的重要工具;第二階段的暖體假人為分段式暖體假人,誕生于20世紀60年代,相比單段暖體假人的優點在于其每段都可單獨控制,獨立加熱,模擬人體一些簡單的姿勢,更真實地模擬人體體表溫度狀態[5],可進行服裝的靜態以及動態熱阻測定;第三代暖體假人為出汗暖體假人[6-7],20世紀70年代由Golden man[8]與Mecheels[9]教授等聯合制作的。第三代暖體假人與前兩代暖體假人相比,不僅可以真實模擬人體表皮溫度,測量服裝的靜態和動態熱阻,還能在微機和軟件的控制下模擬人體出汗狀況。基于人體出汗分為氣態和液態,出汗暖體假人又分為有汗腺及無汗腺兩類[10]。出汗暖體假人的出現,使得定量評價服裝的熱學性能(濕阻以及隔熱性能)成為可能,現今被廣泛地用于特種服裝(航空航天、消防等)的評價和人—服裝—環境熱交換的評價[11]。

1.2 我國的暖體假人

我國暖體假人的理論研究和模型制作起步較晚,自20世紀70年代我國才開始重視暖體假人的研制,東華大學和總后勤部軍需裝備研究所是當時最早一批研究暖體假人的單位。

20世紀70年代,總后勤部軍需裝備研究所成功研制了恒溫暖體假人,又在80年代研制了變溫暖體假人,并廣泛應用于各類特種服裝[12]的研制;90年代起開始研究出汗暖體假人,并在2000年成功研制出出汗暖體假人測試系統[13]。諶玉紅[14]將中國與瑞典暖體假人進行了服裝熱阻測試對比,結果表明無顯著差異,間接反映出我國在暖體假人研究領域已達到世界先進水平。

自20世紀80年代,被稱為“暖體假人之父”的東華大學張渭源教授開始暖體假人研究,并將暖體假人成功應用到極地防寒服的研制上。1995年東華大學與航天所合作研制了暖體出汗假人,并成功應用于航天服的研制,這是我國第一個用于航天的暖體假人;2000年研究了暖體假人內部熱損失,為利用暖體假人開展服裝散熱損失實驗研究奠定了基礎[15]。此后,東華大學暖體假人團隊先后研制成功了“神舟五號假人”、“神舟七號假人”,并以此進行了艙內及艙外航天服的制作研究[16-17],同時還對簡易假人體表電阻絲的敷設[18]和假人表面軟質模擬皮膚[19]等進行了研究,為我國暖體假人的研究做出了貢獻。

在暖體假人研究的基礎上,2000年我國開始了數值暖體假人的研究。2013年王云儀和李俊等[20]利用CFD軟件建立了虛擬的人工氣候實驗室和數值人體,預測了軀干著裝時衣下空氣層內的溫度分布,結果與真實情況具有一致性,說明了數值暖體假人能夠準確預測人體—服裝—環境的熱量傳遞與交換。

2002年中國香港理工大學的范金土教授發明了全球第一個用特種織物制作的出汗暖體假人“Walter”,使出汗暖體假人得到跨越式發展。2007年王發明等[21]利用“Walter”對服裝熱濕傳遞特性進行了檢驗,并與香港理工大學的測試結果進行了對比分析;常維娜等[22]根據李盼等提出的出汗頭模型完善了“Walter”頭部出汗系統;李菲菲等[23]依靠“Walter”測試了保暖服、防寒服、調溫背心的熱濕舒適性能。

2 暖體假人在環境評價中的應用

在暖體假人近百年的發展史中,國內外專家都做出了巨大貢獻,目前暖體假人主要應用于服裝熱濕阻的測定和熱環境評價。對服裝熱濕阻的測定是研發暖體假人的初衷,而對熱環境的評價是近年來暖體假人的另一種應用,在評價環境熱舒適中起到了重大的作用。暖體假人在熱環境的應用主要有兩個方面:一是評價處于熱環境中的人的熱舒適性和安全性,二是評價熱環境的熱舒適性及安全性。

2.1 國外應用狀況

應用暖體假人對熱環境進行評價最早是由Mihira等提出的。1977年,Mihira等開發了一種不僅能用來測試服裝熱濕阻,還能用來評估熱環境的暖體假人,但沒有明確界定熱感覺和假人熱損失之間的關系。1979年,Olesen.B.W.[24]等招募了16名志愿者在存在溫差的室內環境進行了真人試驗,并與暖體假人試驗結果相對照,取得了很好的一致性,證明了假人評價熱環境的可行性。1980年英國的學者用暖體假人進行了人的主觀感覺與熱環境物理量的關系研究,發現主觀感覺和當量溫度ET有極高的相關性[25],其總結當量溫度ET計算公式為:

式中:ta為空氣溫度,℃;tmrt為環境平均輻射溫度,℃;υ為空氣速度,m/s。

但后續研究表明,其計算結果偏冷,而且由于不包含空氣濕度,關系式只能用于溫度25℃以下、風速在0.05～0.5 m/s范圍內。1985年,提出PMV方程的Fanger博士[26],在進行室內不對稱熱輻射舒適極限研究時,使用了假人進行對照試驗,并建立了墻體和天花板的不對稱輻射函數,確定了人體熱舒適狀態下墻體和天花板不對稱輻射溫度差極限。1989年,Wyon等[27]使用“VOLT MAN”暖體假人對車輛中人體舒適度范圍進行定義,并對人體和人體模型在車輛復雜熱環境中的響應進行了比較,評估給定車輛是否滿足特定操作條件下的人體要求,提出了等效均一溫度EHT,為研究車輛內熱環境的舒適性評估提供了新的方法,但是計算中忽視了暖體假人身下椅子的熱阻,導致所得到的EHT偏大。

Tanabe教授[28]等認為暖體假人可用于采暖、通風和空調(HVAC)系統形成的微氣候的評估。1989年,提出用鋁制暖體假人模型來評估熱環境,1994年,又提出利用一種新型的暖體假人對非均勻熱環境進行了測量,并提出了基于暖體假人的熱環境等效溫度(teq)以及熱損失表征人體熱反應的評價指標PMV指數法。等效溫度teq的計算式:

式中:teq為基于暖體假人的等效溫度,℃;ts為平均皮膚表面溫度,℃;Icl為衣物基礎熱阻,cl o;Ia為單位皮膚表面積的皮膚表面熱阻,clo;fcl為服裝面積系數;Qt為皮膚表面的熱量損失,W/m2。

暖體假人不僅可以用來評價熱環境下的人體舒適度,也可以評價人對熱環境的影響。由于人會通過傳導、對流、輻射及蒸發散熱的方式與室內環境進行熱交換,并且人運動和呼吸會產生氣流運動,這勢必會影響熱環境。2000年,奧爾堡大學的Peter V.Nielsen教授[29]在室內環境測量中引入了暖體假人模型,對采用置換通風、混合通風以及局部通風的環境進行了實驗研究,論證了不同通風方式下人體對室內環境的影響,并指出在有限的空間內,假人的幾何形狀以及散熱量也會改變室內環境參數。雖然假人的幾何形狀以及散熱量也會改變室內環境參數,但相對于真人具有散熱量穩定,且可控的優點,在進行相同類型實驗研究時建議使用暖體假人。

2001年,Charlie Huizenga[30]基于25節段的Stolwij k人體熱調節模型和數值暖體假人建立了新的數值分析模型——伯克利模型,該模型能夠預測人體對瞬態、非均勻熱環境的生理反應。應用此模型不僅可以評估暖通空調系統的熱舒適性,還可以評估汽車乘員的熱舒適性,相對以前的評估系統更精確。2003年,H.O.Nilsson[31]等采用數值暖體假人評估不同環境對人的影響及人體的舒適度,此數值暖體假人還能幫助工程師在設計和施工中作出早期決策,提高勞動效率。

為評價室內空氣質量,1996年Br ohus and Nielsen發明了可呼吸暖體假人,更真實地模擬真人評價室內環境的舒適性及人對室內空氣流動的影響;2004年Arsen Melikov[32]對可呼吸暖體假人的身體大小和形狀、控制系統、呼吸模擬等進行了討論與補充,指出可呼吸暖體假人存在不能模擬人類對瞬態環境的主觀及生理反應。可呼吸暖體假人雖然可以評價室內熱環境,但是由于人類個體差異的原因,依據假人建立的模型只能預測人的平均舒適度。2006年,K.W.D.Cheong[33]采用暖體假人和真人對照試驗,對置換通風系統室內環境人體的熱舒適進行了研究,分析了室內熱環境對整體和局部人體熱感覺和熱舒適的影響。

由國外環境評估暖體假人的發展可以看到,早期國外專家研究熱環境及人體舒適度多采用實體假人模型,隨著計算機技術的發展和理論研究的支撐,近現代專家開始采用數值暖體假人進行熱環境的評估。

2.2 國內應用狀況

我國暖體假人的研究起步較晚,相對應的,在熱環境、人體舒適性評價中的應用也較晚,但隨著暖體假人技術的發展和近30年的應用研究,暖體假人在熱環境和人體熱舒適評價中的應用也越來越廣泛,評價可靠性越來越高。。

1991年,陶培德[34]借鑒了國外采用數值暖體假人評價室內熱環境的方法,構建了三維傳熱傳濕數值計算模型,并進行了人—服裝—環境的熱濕交換相互驗證試驗,試驗結果與國外數值暖體假人具有很好的一致性,為環境熱舒適的評價提供了新的理論與方法;1993年,同濟大學的徐文華[35]使用暖體假人研究人與環境的熱交換,與借助平板導熱儀研究熱傳遞的方法相比,暖體假人具有可動態模仿人體運動姿勢的優點;1999年,葉海[36]使用暖體假人進行對流、輻射換熱與熱舒適的關系研究,重點研究了強制對流換熱系數及兩種姿勢(站姿、坐姿)下的有效輻射面積系數,提出了“熱平衡準則數HB”,給出了PMV與HB的關系。

2005年,葉海[1]匯總了基于暖體假人的環境評價指標(ET、MMRT、EHT、EQT、WBGT),并與平均輻射溫度MRT比較,從理論上證明用假人評價熱環境更加真實可靠。張昭華[37]則在2008年匯總了基于暖體假人制定的標準,包括國際標準、歐洲標準、美國標準等,并對幾類評價熱環境的假人進行了簡單描述。

2012年,韓雪峰[38]基于20分段暖體假人,使用C語言編程建立了新的數值傳熱模型,該數值傳熱模型可根據給定環境的溫度變化,分析達到熱平衡狀態時暖體假人各部分的溫度,并經過與20分段暖體假人的對比試驗檢驗,在常溫及高溫范圍內,此新的數值傳熱模型與實體假人模型的熱傳遞誤差很小;并在此數值傳熱模型基礎上,提出了將人體生理主動調節機制引入該模型,用于高溫環境中真實人體的生理反應仿真,快速預測人員的安全性。隨后,張超[39]于2014年建立了一種評價高溫環境人體安全的方法,并應用NEWTON假人對真人人體體表升溫、出汗狀態進行模擬,從體溫、出汗量兩個角度對人體安全性進行判斷,為高溫環境人體安全防護作出預判。

2017年趙朝義[40]發明了一種用于評價室內環境舒適性的假人系統和評價方法,該方法采用16分段的暖體假人對室內環境參數進行采集,結合人體代謝率與人體熱感覺的關系,對室內環境進行評價,指導室內環境設計。在此16分段假人基礎上,王瑞[41]對室內環境預計平均熱感覺指數PMV進行測試,并與真人試驗得出的結果進行了對比,驗證了假人模型評價室內熱環境舒適性具有很好的準確性。

3 結論與展望

(1)自從上世紀20年代英國制造的垂直銅圓柱“假人”起,便開啟了假人研究與應用的征程,經過近百年的發展,暖體假人經歷了由單段暖體假人向多段暖體假人、實體暖體假人向數值暖體假人、干態暖體假人向出汗暖體假人、再向可呼吸性暖體假人的發展歷程。模擬技術及精度越來越高,越來越逼近真人的代謝、調控及散熱機制,為科學、準確評價人體、環境的熱舒適性提供了先進的工具。雖然國內暖體假人研究起步較晚,但是,現今已經達到世界先進水平。

(2)在暖體假人應用方面,由最初的服裝熱阻測定擴展到環境及人體的熱舒適性評價;由最初的軍事、航天航空領域擴展到建筑環境、大氣環境以及極地、火災等特殊或危險環境領域;由最初的評價穩定環境下的人體熱舒適性擴展到瞬態、非均勻環境下的人體熱舒適性。特別是數值暖體假人的應用,使新材料服裝熱阻、新環境領域的熱舒適性及安全性的預測成為可能。

(3)根據假人的發展歷程及應用領域,未來假人的發展有4種趨勢:一是簡單化,二是復雜化,三是智能化,四是仿真化。而在環境評價和人體舒適度評價領域,假人模型應以數值暖體假人為主,并朝著復雜化、智能化、高仿真化的方向發展。雖然目前已經研究出了出汗暖體假人和可呼吸暖體假人,并且其功能越來越仿真,但是,目前的假人,不管是實體假人還是數值暖體假人都無法準確反應人體的各項生理參數,特別是瞬態變化環境中人體的生理反應參數。我們相信,隨著科學的飛速發展,高智能化、高仿真的假人一定能夠變為現實。