關于人體熱舒適模型開發的探討

齊海燕 黃曉春 祁金剛

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

【關鍵詞】熱舒適性；模型；熱阻

關于人體熱舒適模型開發的探討

駕艙內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行了大量的研究，對這些研究進行梳理是非常必要的。現在很多研究者采用計算流體力學（CFD）的方法進行研究，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行二次計算得到類似于滿意度（PMV或PPD）的指標。

1熱舒適模型

1.1PMV-PPD模型

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

該標準基于大樣本人群調查，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：PMV=-3(冷)、-2(涼)、-1(稍涼)、0(中性)、1(較暖)、2(暖)、3(熱)。

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

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

1.2The MEMI模型

PMV模型是一個早期的穩態理想模型，但要求外界參數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：人體內的熱是通過血液循環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系式:

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

H——產熱量，C——對流熱流密度，R——輻射熱流密度，ED——水蒸氣擴散率，Esr——通過呼吸散發的顯熱熱量，Elr——通過呼吸散發的潛熱熱量，Esw——人體通過排汗散發的熱量，Ef——人體通過進食攝入或排出的熱量，S——體內積存熱量。

1.3兩點模型(ET*-DISC)

兩點模型也是采用熱平衡方法來預測熱舒適度，但采用的是非穩態假設。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，兩點模型可以計算出人體皮膚和體內對環境的傳熱量，模型從時間0點給定初始條件，以1分鐘為時間步長進行迭代計算直到達到熱平衡為止，一般進行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標準55定義了“draft”為空氣運動導致的身體局部不適，此詞在漢語里很難找到相應的詞匯表達?！癲raft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、腳踝和腿部區域，在ASHRAE標準55中定義了draft rate指標，代表在人群中對空間產生局部“draft感覺”的人數，其表達式如下：

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

Tu——湍流強度(0~100%)，v——風速(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，控制空氣流速產生舒適的感覺，其關聯式如下：

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

Top——操作溫度(℃)，v——空氣速度(m/s)。

PS關聯式來源于對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速下被測試者認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。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關聯式如下：

TS=0.245Ta+0.248P-6.475

Ta——空氣溫度(℃)，P——水蒸氣分壓強(kPa)。

2模型的輸入數據

2.1人體表面積

1927年山東齊魯大學萬素貞應用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果，認為Du Bios任一公式均可用于計算中國人體表面積。1937年Paul H. Stevenson應用修正的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。但隨著國人營養狀況的改善，體型也發生不小的改變，因此1999年胡詠梅[4]對校內100名教師和學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標準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。詳細數據可參考ASHRAE標準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、穿外套且帶帽子手套)。久坐在溫度為21°C，相對濕度為50%，空氣速度為0.01m/s環境下，穿熱阻為1clo的衣服較為舒適。

2.4熱邊界

環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時間影響較大；平均熱輻射溫度(MRT)，即所處環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)，即人體所處環境的平均風速；濕度，在一定體積空氣中水蒸氣的質量含量，表征濕度的量有水蒸汽分壓、露點溫度和相對濕度等。

2.5太陽和地理數據

地理數據包括海拔、標高、吸收率、反射率、坡方位角、太陽方位角、坡度、天頂角、偏轉角、時間角、日期和時間。這些數據都是計算平均輻射溫度必須的數據。

3展望

（上接第1頁）以上總結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的熱舒適性計算還有較大局限。因為駕艙是一個復雜包絡空間，氣流極其不均勻，由于駕駛員和各乘員所處車內位置不同，太陽輻射強度有較大區別，所以把人體當做一個整體來判斷熱舒適性已經非常不適用了。

近幾年針對駕艙內的特殊環境提出了很多新模型，這些模型一般上把人體分成若干區域，每個區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域的各物理量，然后再代入PMV方程進行求解，其理論基礎還是以上所述模型。因此熟練掌握本文綜述的模型對于開發和改進駕艙模型是非常必要的。

【參考文獻】

［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.關于中國人體表面積公式的研究[J].生理學報,1999(01).

［責任編輯：湯靜］