非穩態環境下行為調節對人體火用平衡的影響

范可新 王友群 張爽 劉升男

1 西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

2 西部綠色建筑國家重點實驗室（西安建筑科技大學）

0 引言

目前主要有平均預測投票（PMV），自適應模型和火用分析等3 種方法被用于研究室內人體的熱舒適狀況[1]。PMV-PPD 指標法是Fanger 在實驗條件下建立人體能量平衡方程、并結合調查問卷分析而提出的，它建立起了室內熱環境參數與人體熱舒適感之間的關系，但并未考慮人體自身的行為調節。自適應模型是基于在自由運行建筑中的實測和調查問卷得出的，表明人體熱舒適感與室外月平均溫度密切相關，卻不能反映室內環境參數的影響。火用分析方法綜合了熱力學第一和第二定律來對人體能量傳遞過程中不可逆因素所引起的損失進行分析，同時兼顧了室內、外環境參數的影響，可用于自然通風以及空調建筑的熱環境評價。

目前，不少學者[2-6]提出了人體火用平衡模型用于人體熱舒適狀況，然而大多數是應用于穩態條件下。2011 年Shukuya 等[7]探究夏季動態環境下人體火用損失速率的變化規律，研究發現人員從室外環境進入空調房間時，人體火用損失速率突然減小。2012 年Shukuya等[8]探究冬季動態環境下人體火用損失速率的變化規律，研究發現人員從室外環境進入供暖房間時，人體火用損失速率突然增大。2016 年Shukuya 等[9]分析了冬季人體火用平衡與行為適應性的關系，結果表明適應性行為可以降低人體火用損失速率。

行為適應是指人們通過物理調節的手段來改變熱交換條件以適應環境，如改變衣著、活動量等[10]。目前。火用分析方法在動態環境下的應用很少，主要的研究方法是給定一個人的活動水平和服裝熱阻，通過測量室內外環境參數數據，計算出人體火用損失速率，探究動態環境下人體火用損失速率的變化規律以及人體火用損失速率與熱舒適評價指標的關系。然而目前人體火用分析方法在非穩態環境下的評價應用很少，主要研究關注于動態環境下，環境參數對人體火用損失速率的影響規律以及人體火用損失速率與主觀熱感覺評價的關系。且用人體火用分析方法與行為適應性關系的研究尚不充分。

因此，本文旨在已有的穩態模型[6]的基礎上，考慮人體的火用蓄存速率，并引入風速對服裝熱阻和蒸發熱阻的修正方程，提出新的一種新的非穩態人體火用模型，接著將模型計算得到的皮膚溫度與已有的實驗中皮膚溫度測量值進行比較，以表明本文模型對預測皮膚溫度的準確性，同時將模型計算得到的人體火用損失速率與已有的動態模型計算結果進行比較，以表明本文動態模型的合理性。最后用本文所建的動態模型探究非穩態環境下人體火用速率與行為適應性的關系。

1 非穩態人體火用模型

1.1 模型的建立

火用分析結合了熱力學第一和第二定律，可以對人體與環境之間能量交換過程中的不可逆性強弱進行分析。人體作為開口熱力系統，由正常狀態可逆轉變到與周圍環境平衡所做的最大有用功可以用人體火用表示，但實際過程并非可逆，因此就存在人體火用損失速率。人體與環境之間換熱過程的火用流圖如圖1 所示。

圖1 非穩態人體火用流圖

穩態條件下，王永杰等[6]厘清了新陳代謝熱火用和濕火用，提出更合理的人體新陳代謝火用計算方法，建立了一種新的穩態模型，在模型中視火用蓄存速率為零。然而由于人體多數處于動態環境時，或者有時人員進行一些行為調整，使得人體的蓄熱量是變化的，此時應該考慮火用蓄存速率項。本文在穩態模型的基礎上，考慮到火用蓄存速率，進而建立一種非穩態人體火用模型。火用方程如下式所示。

1.1.1 代謝火用速率

新陳代謝火用分為三部分：新陳代謝熱火用，核心層濕代謝產生的濕代謝火用，皮膚層濕代謝產生的濕代謝火用。計算公式如下。

1.1.2 呼吸火用速率

人體核心層和周圍環境直接通過呼吸的方式進行熱交換，呼吸換熱對應的火用率為呼出與吸入氣體的火用值差。呼吸火用速率可由下式確定：

1.1.3 對流火用速率

對流換熱產生的對流火用可通過下式確定

式中：hc,cl為人體著裝表面對流換熱系數，W/(m2·K)；Tcl和Ta分別為服裝溫度和空氣溫度，K。

1.1.4 輻射火用速率

輻射換熱產生的輻射火用可通過下式確定

式中：feff為服裝有效系數；ε 為發射率，取0.95；σ 為Stefan-Boltzmann 常數；Tr則為室內空氣平均輻射溫度，K。

1.5 蒸發火用速率

蒸發換熱對應的蒸發火用可通過下式計算：

1.6 火用蓄存速率

人體火用蓄存速率等于皮膚層火用蓄存速率與核心層火用蓄存速率之和，即：

此外，由于外部風速以及身體運動又會使服裝熱阻以及蒸發熱阻減小。因此，本文在建模時引入了ISO9920[12]中風速對服裝熱阻及服裝蒸發熱阻修正方程。當風速大于0.15 m/s 時，修正方程如下。

式中：Icl,corr為風速修正后的服裝熱阻clo；va為風速，m/s；Re,d,corr為風速修正后的服裝蒸發熱阻，m2·kPa/W。

從上述公式可以看出，人體火用損失速率不僅與環境參數有關，還與人體生理參數有關。將這些參數代入Gagge 的兩節點人體熱平衡模型中，通過MATLAB計算出人體皮膚溫度，核心溫度以及服裝溫度等，然后將這些人體溫度帶入火用平衡方程中，計算得到人體火用損失速率。

1.2 非穩態人體火用模型的驗證

1.2.1 兩種模型皮膚溫度的比較

為了驗證本文模型預測皮膚溫度和核心溫度的準確性，將計算出的皮膚溫度和核心溫度與Kakitsuba等[13]實驗測得的數據進行比較。實驗時，受試人員著棉襯衣和短褲，服裝熱阻約為0.5 clo，在溫度為28 ℃，相對濕度為50%的房間停留30 min，然后進入溫度為40 ℃，相對濕度為50%的房間停留60 min。圖2 對比給出受試者暴露在40 ℃環境時的核心溫度（直腸溫度）及平均皮膚溫度測量值以及本文模型的核心溫度及皮膚溫度計算值。結果表明本文模型對皮膚、核心溫度的預測值與測量值吻合較好。皮膚溫度之間最大的差異為0.26 ℃，核心溫度之間最大差異為0.31 ℃。

圖2 預測值與Kakitsuba[13]實驗測量值的比較

1.2.2 兩種模型人體火用損失速率的比較

為了進一步驗證本文所建立的非穩態人體火用模型在動態條件下應用的正確性，將本文模型的火用損失速率計算值與Shukuya 等[9]中的兩個case 的計算結果進行了比較。每個case 假設人員在室外活動1 h 后進入室內停留3 h。室外的計算的條件為：室外空氣溫度為5 ℃，代謝率為1.5 met，衣服熱阻為2 clo。室內外相對濕度均為40%，室內外風速均為0.1 m/s。室內的計算條件為：case1 和case2 室內空氣溫度均為10 ℃，室內空氣溫度等于平均輻射服溫度，case1 在室內期間的衣服熱阻為0.9clo，case2 在室內期間的衣服熱阻為2clo。相比之下，case1 和case2 相當于人員從室外進入一個正供暖的室內，而case1 相比case2，case1 相當于人員進入室內后脫掉了衣服。如圖3 所示。

如圖3 所示，通過本文所建立的非穩態火用模型計算出人員在室外期間人體火用損失速率值比Shukuya 模型的計算值小。這是由于Shukuya 模型中視新陳代謝的能量為新陳代謝熱來計算熱代謝火用，但其中包含了濕代謝的能量，因此所得新陳代謝火用比本文模型的計算結果大。兩個模型的最大差異達到1 W/m2。本文非穩態火用模型計算出人員在室內期間的人體火用損失損率值比Shukuya 模型的計算值大。這主要是在室外期間由于本文計算代謝熱火用時減去了濕代謝的能量，使得皮膚溫度要比Shukuya 的低。為維持體溫，身體開始顫抖，且比Shukuya 的要強烈，進入室內皮膚溫度和核心溫度要比Shukuya 計算的高，使得皮膚表面與室外之間的溫差增大。

圖3 突變條件下本文模型的人體火用損失速率與Shukuya[9]中數據的比較

綜上，通過建立的非穩態火用模型與Shukuya 模型在突變條件下所計算出的人體火用損失速率的比較，在突變條件下，本文所建的非穩態火用模型與Shukuya 模型計算出的人體火用損失速率變化趨勢一致，均在進入室內短暫時間內瞬間下降，并逐漸趨于穩定值。

2 模型計算結果與討論

生活中，人們所處的環境大多數是動態的，有時人們為了達到舒適可能有時會進行一些行為調整，如脫衣服，啟停空調，開關風扇等。因此，為探究夏季人員由室外進入室內的進行行為調整的過程中人體火用損失速率的變化規律。假定人員在室外行走30 min 后進去室內靜坐辦公60 min。在此期間空氣溫度等于平均輻射溫度。固定條件如表1 所示。表2 為四個比較情況，是生活中常見的行為調整。case1 相當于人員進入室內后打開風扇，case2 相當于脫掉衣服，case3 相當于打開風扇并脫去外套，case4 相當于人員開啟空調。

表1 固定條件

表2 比較條件

2.1 非穩態環境下的生理參數

圖4 為生理參數如皮膚溫度，核心溫度，出汗量，皮膚層血流量隨時間的變化曲線。

圖4 生理參數

如圖4 所示，當人員從室外走進室內時，四種情況的生理參數均隨著時間推移而降低并趨于穩定。且case3 和case4 的生理參數減小幅度比case1 和case2的要大。圖4（a）～（b）中顯示，在室內期間，皮膚溫度和核心溫度的下降順序是相同的，具體分別為case2＞case1＞case3=case4。圖4（c）～（d）顯示，在室內期間，出汗量和皮膚層血流量的下降順序是相同的，分別為case2＞case1＞case3＞case4，且case4 的下降幅度明顯比其他三種case 的要大。圖4（e）顯示，服裝溫度的下降順序分別為case3＞case2＞case1＞case4。

2.2 非穩態環境下的火用速率

圖5 為各項火用速率如代謝火用速率，火用交換速率，火用蓄存速率，火用損失速率隨時間的變化曲線。

圖5 人體火用速率

如圖5 所示，當人員從室外走進室內后，四種case 的生理參數隨著時間的變化呈不同的變化規律。且case4 的各項火用速率的下降幅度明顯比其他三種的要大。這是由于case4 的生理參數的下降幅度較大，如圖4 所示。

圖5（a）顯示，在室內期間，由于代謝率的突然降低，case1～case3 的代謝火用速率均隨著時間以相同的下降速率逐漸下降并趨于幾乎相同的穩定值。而case4卻先急劇增大，然后逐漸減小并趨于穩定值。這說明代謝火用速率發生了“超越”現象。這主要是由于溫度的突然降低，人體生理調節受到破壞，使得皮膚和核心層與室外之間的溫差突然增大，但隨著時間的推移，生理調節開始起作用，使得代謝火用速率趨于穩定狀態，如圖4 所示。

圖5（b）顯示，在室內期間，火用交換速率的下降順序為case3＞case2＞case1＞case4。因為火用交換速率是對流火用速率，輻射火用速率，蒸發火用速率之和，受服裝與空氣溫度和輻射溫差以及汗液量的影響。雖然case3 的汗液量比case2 的要小，但case3 的服裝溫度與空氣溫度和輻射溫度之間的溫差比case2 的要大。

圖5（c）顯示，當人員從室外進入室內時，人體火用蓄存速率急劇下降，變為負值。逐漸升高趨于0。這說明人體火用蓄存速率也發生了“超越”現象，且在進入室內后的前幾分鐘內，人體火用蓄存速率的“超越”現象尤為明顯。從圖5（c）看出，case 4 的變化幅度比其他三種case 的要大。此外，case4 的火用蓄存速率再次達到穩定值所需的時間也最長，為50 min，其他case 所需的時間均為40 min。這是由于復雜的生理調節如出汗量與皮膚層血流量的減小共同作用引起的，如圖4（c）～（d）所示。

圖5（d）顯示，當人員從室外進入室內后，四種case 的人體火用損失速率先增大，然后逐漸減小并趨于穩定值。這說明人體火用損失速率也發生了“超越”現象。從圖5（c）看出，case4 的火用損失速率的“超越”現象尤為明顯，變化幅度也是最大的，再次達到穩定值所需的時間也是最長的，為50 min，其他case 所需的時間均為40 min。此外，case4 的人體火用損失速率再次達到穩定值也是最大的，其次為case2 和case1，但case2 和case1 的作用相當，兩種case 的人體火用損失速率非常接近。case3 的人體火用損失速率值最小，這與火用交換速率的降低順序正好相反，如圖5（b）所示。

綜上所述，在夏季，人員的一些行為調整使人體火用損失速率出現“超越”現象，case3 即人員打開風扇并脫去衣服這種行為調整雖然出現了人體火用損失的“超越”現象，但沒有人員開啟空調情況下那么明顯，且再次達到穩定的值也比其他三種情況要小。這樣還可以減少空調運行時間，有利于節能。

3 結論

本文考慮到人體熱蓄存率以及風速對服裝熱阻和蒸發熱阻的修正，而建立了非穩態人體火用模型，探究了夏季人員一些行為適應下人體火用損失速率隨時間的變化規律，本文的主要研究結論如下：

1）本文建立的非穩態人體火用模型對人體核心及皮膚溫度的計算值與實驗測量值有很好的吻合度。

2）在夏季時，人員的一些適應性行為使人體火用損失速率發生“超越”現象，尤其在開啟空調情況下尤為明顯。

3）從火用分析角度研究夏季人員的四種適應性行為，脫去衣服和打開風扇的作用是相當，此外，進入室內后開啟空調情況下人體火用損失速率再次達到的穩定值最大，打開風扇并脫去衣服情況下最小。