溫度突變下人體熱反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究*

張子揚(yáng) 趙勝凱 武 峰 翟永超△

(1.綠色建筑全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安;2.西安建筑科技大學(xué),西安)

0 引言

生活中人們經(jīng)常經(jīng)歷環(huán)境溫度發(fā)生突變的情況,如出入地鐵站和辦公樓等。探索人體在溫度突變環(huán)境下的熱反應(yīng)規(guī)律,是合理設(shè)計(jì)建筑物室內(nèi)外溫差和過渡空間溫度參數(shù)及開發(fā)人體熱感覺預(yù)測模型的基礎(chǔ)。

為探索人體在溫度突變動(dòng)態(tài)環(huán)境中的生理響應(yīng)及其與主觀感覺變化的關(guān)系,國內(nèi)外學(xué)者通過在實(shí)驗(yàn)室營造不同的溫度工況,開展了諸多人體熱舒適實(shí)驗(yàn)研究。Stolwijk等人通過實(shí)驗(yàn)探索了人體在經(jīng)歷28 ℃→33/38/43/48 ℃→28 ℃往返式溫度突變時(shí)皮膚溫度、出汗量、熱負(fù)荷、皮膚蒸發(fā)熱損失的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在33 ℃和38 ℃工況下皮膚蒸發(fā)熱損失和皮膚溫度之間有很好的相關(guān)性[1]。Gagge等人[2]、Dear等人[3]、Nagano等人[4]、Tsutsumi等人[5]、Zhao等人[6]和Liu等人[7]開展了一系列中性→冷(熱)和冷→熱的溫度突變實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)了3條重要規(guī)律:1) 在溫度突變的情況下,人體產(chǎn)生心理超前現(xiàn)象,表現(xiàn)為熱感覺等心理反應(yīng)變化超前于皮膚溫度的變化;2) 突變瞬間人體出現(xiàn)熱感覺超越現(xiàn)象,表現(xiàn)為環(huán)境溫度突升或突降時(shí),熱感覺的初始反應(yīng)非常強(qiáng)烈,而后逐漸減弱至穩(wěn)態(tài)水平;3) 人體進(jìn)入低溫環(huán)境時(shí)皮膚溫度變化幅度大,穩(wěn)定時(shí)間長,生理熱調(diào)節(jié)遲鈍,而進(jìn)入高溫環(huán)境時(shí)相反。此外,Zhang等人在中性→熱(冷)→中性往返式溫度突變實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)前后2次在中性環(huán)境中的熱感覺投票值不同,表現(xiàn)為經(jīng)歷過低溫突變后熱感覺投票升高,經(jīng)歷過高溫突變后熱感覺投票降低,即出現(xiàn)熱感覺不對稱現(xiàn)象[8]。廖建科在熱→中性→熱往返式溫度突變實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了該現(xiàn)象[9]。已有的關(guān)于人體在溫度突變環(huán)境中熱反應(yīng)的研究大都集中于中小溫差突變,而人們在生活中經(jīng)常經(jīng)歷一些溫差達(dá)到20 ℃以上的短時(shí)溫度突變,而且已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果局限于皮膚溫度、皮膚濕潤度和主觀反應(yīng),缺少在溫度突變環(huán)境下人體與環(huán)境的換熱和熱負(fù)荷規(guī)律的探索。

基于實(shí)驗(yàn)研究,國內(nèi)外學(xué)者提出了人體熱感覺預(yù)測模型,主要有2種:1) 直接建立人體熱感覺和環(huán)境參數(shù)的關(guān)系,比如Fanger提出的PMV模型[10],這種模型多適用于穩(wěn)態(tài)環(huán)境。2) 量化熱感覺與生理指標(biāo)之間的關(guān)系,如Wang等人將動(dòng)態(tài)環(huán)境中的熱感覺分為穩(wěn)態(tài)項(xiàng)和動(dòng)態(tài)項(xiàng),其中穩(wěn)態(tài)項(xiàng)與皮膚溫度呈線性關(guān)系,并進(jìn)一步提出了動(dòng)態(tài)熱感覺模型[11];張宇峰等人發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)項(xiàng)隨皮膚溫度變化率的變化而變化[12];Arens等人認(rèn)為人體熱感覺除了受皮膚溫度影響外,還受核心溫度的影響[13];Zhang等人對人體13個(gè)部位建立了局部熱感覺回歸模型,并在模型中增加了核心溫度[14];Fiala模型[15]中的動(dòng)態(tài)項(xiàng)也考慮了核心溫度的影響,采用核心溫度對熱中性狀態(tài)的偏離量作為變量。

綜上,本文的主要研究目的為:1) 在人工氣候室開展高溫和低溫突變的人體熱舒適實(shí)驗(yàn),獲得不同突變溫差、突變方向下人體皮膚溫度、皮膚濕潤度隨環(huán)境溫度及暴露時(shí)間的變化規(guī)律,并進(jìn)一步利用人體熱平衡方程計(jì)算實(shí)驗(yàn)過程中的人體熱負(fù)荷,探索人體生理調(diào)節(jié)規(guī)律;2) 分析人體皮膚溫度和主觀熱感覺之間的關(guān)系,建立基于皮膚溫度及其變化率的熱感覺預(yù)測模型;3) 探索溫度突變環(huán)境中人體熱感覺與人體熱負(fù)荷、皮膚溫度之間的關(guān)系,從而為動(dòng)態(tài)環(huán)境下熱感覺的預(yù)測和評價(jià)提供參考。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺

實(shí)驗(yàn)在西安建筑科技大學(xué)人工氣候室進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)室由2個(gè)可單獨(dú)調(diào)控的房間(A室和B室)組成,A室尺寸為4.5 m(長)×3.9 m(寬)×2.6 m(高),B室尺寸為3.0 m(長)×2.4 m(寬)×2.1 m(高),A室和B室之間由凈寬800 mm的保溫密封門連通,2個(gè)房間之間裝有1 510 mm×1 100 mm的雙層真空玻璃窗。人工氣候室的空氣經(jīng)空調(diào)機(jī)組壓縮、加濕、變溫等處理后,從上送風(fēng)口和帶孔板的吊頂送入室內(nèi),由下回風(fēng)口及帶孔板的架空地板回風(fēng),形成通風(fēng)循環(huán),確保了A室和B室的室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)分布均勻。其性能指標(biāo)如下:A室和B室空氣溫度控制精度為±0.3 ℃,相對濕度控制精度為±5%;送風(fēng)量在設(shè)計(jì)送風(fēng)量的50%～100%之間可調(diào)。以上的性能指標(biāo)在一定程度上確保精確營造穩(wěn)定均勻的室內(nèi)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)中人工氣候室的布置情況見圖1。

圖1 人工氣候室布置

1.2 受試者

招募24名身體健康的受試者,其中男生和女生各12名,均為西安建筑科技大學(xué)在校學(xué)生,受試者基本信息見表1。受試者在實(shí)驗(yàn)過程中穿著統(tǒng)一服裝,根據(jù)ISO 7730:2005[16],夏季工況服裝熱阻為0.57 clo(短袖T恤、長褲、運(yùn)動(dòng)鞋),過渡季工況服裝熱阻為0.7 clo(長袖襯衫、短袖T恤、長褲、運(yùn)動(dòng)鞋),冬季工況服裝熱阻為1.8 clo(長袖襯衫、厚外套、短款羽絨服、秋褲、長褲、運(yùn)動(dòng)鞋)。

表1 受試者詳細(xì)信息

1.3 相關(guān)參數(shù)及測量

1.3.1環(huán)境參數(shù)測量方法

實(shí)驗(yàn)期間測量的環(huán)境參數(shù)為空氣溫度、相對濕度、氣流速度及黑球溫度,測量儀器見表2。測量位置為A、B室內(nèi)0.1、0.6、1.1 m高度處。

表2 環(huán)境參數(shù)測量儀器

1.3.2生理參數(shù)測量方法

本研究測試了與人體熱舒適相關(guān)的生理參數(shù):皮膚溫度、皮膚濕潤度。測量儀器見表3。

表3 生理參數(shù)測量儀器及測量位置

1.3.3生理參數(shù)計(jì)算方法

皮膚溫度:利用熱電偶對身體16個(gè)部位的皮膚溫度進(jìn)行連續(xù)測量,采用其中7個(gè)部位的皮膚溫度計(jì)算平均皮膚溫度,計(jì)算式為[17]

tsk,m=0.07tfh+0.35tp+0.14tla+

0.05tlh+0.19tlt+0.13tll+0.07tlf

(1)

式中tsk,m為平均皮膚溫度,℃;tfh為前額皮膚溫度,℃;tp為骨盆皮膚溫度,℃;tla為左小臂皮膚溫度,℃;tlh為左手皮膚溫度,℃;tlt為左大腿皮膚溫度,℃;tll為左小腿皮膚溫度,℃;tlf為左腳皮膚溫度,℃。

皮膚濕潤度:將iButton溫濕度傳感器布置在受試者的4個(gè)部位以采集皮膚與服裝之間空氣間層的溫度和皮膚表面相對濕度數(shù)據(jù),溫濕度傳感器與皮膚表面間隔0.3 cm,以確保測量部位的汗液能夠正常蒸發(fā)。皮膚濕潤度計(jì)算式如下[18]:

w=0.3wch+0.3wa+0.2wt+0.2wl

(2)

式中w為全身皮膚濕潤度;wch為左前胸皮膚濕潤度;wa為左上臂皮膚濕潤度;wt為左大腿皮膚濕潤度;wl為左小腿皮膚濕潤度。

人體熱負(fù)荷:根據(jù)人體熱平衡方程[19],環(huán)境中人體的熱負(fù)荷LT可以表示為

LT=M-W-R-C-Esk-Cres-Eres

(3)

式中M為靜坐狀態(tài)的代謝率,W/m2,取60 W/m2;W為對外做功,W/m2,在本實(shí)驗(yàn)中取0 W/m2;R為輻射換熱量,W/m2;C為對流換熱量,W/m2;Esk為皮膚蒸發(fā)散熱量,W/m2;Cres和Eres分別為來自呼吸顯熱和潛熱的散熱量,W/m2。

R=3.96×10-8fcl[(tcl+273)4-(ta+273)4]

(4)

C=hcfcl(tcl-ta)

(5)

(6)

Cres=0.001 4M(34-ta)

(7)

Eres=1.7×10-5M(5 867-pa)

(8)

式(4)～(8)中fcl為服裝面積因子,fcl=1.00+0.28Icl(其中Icl為服裝熱阻,clo,1 clo=0.155 m2·℃/W);tcl為服裝表面溫度,℃;ta為空氣溫度,℃;hc為對流換熱系數(shù),W/(m2·K),hc=2.38(tsk-ta)0.25,其中tsk為皮膚表面溫度,℃;psk,s為平均皮膚溫度對應(yīng)的飽和水蒸氣分壓力,Pa;pa為環(huán)境空氣中的水蒸氣分壓力,Pa;Re,cl為服裝的蒸發(fā)熱阻,m2·Pa/W,Re,cl=Rcl/0.005 61,其中Rcl為服裝熱阻,m2·℃/W;he為蒸發(fā)傳熱系數(shù),W/(m2·Pa),he=0.016 5hc。

1.3.4主觀熱感覺調(diào)查

采用問卷調(diào)查受試者的主觀熱感覺。問卷包括受試者對熱環(huán)境的全身和局部的主觀感受,包括熱感覺、熱舒適等問題。熱感覺投票采用ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)中的9級連續(xù)標(biāo)尺:-4非常冷、-3 冷、-2涼、-1稍涼、0不冷不熱、1稍暖、2暖、3熱、4非常熱。熱舒適投票為斷裂標(biāo)尺,不舒適的投票范圍從“-4非常不舒服”到“-0.01有點(diǎn)不舒服”,舒適的投票范圍從“0.01有點(diǎn)舒服”到“4非常舒服”。

1.4 實(shí)驗(yàn)控制及工況

通過人工氣候室完成不同的溫度突變過程,A室模擬不同季節(jié)的中性溫度,B室模擬不同工況下的高溫和低溫條件。實(shí)驗(yàn)包括9種不同溫度的工況,各工況A、B室溫度設(shè)定值見表4。每次實(shí)驗(yàn)完成1個(gè)工況,夏季工況模擬受試者在夏季經(jīng)歷短時(shí)高溫環(huán)境后進(jìn)入中性環(huán)境的場景;過渡季工況模擬受試者在過渡季經(jīng)歷短時(shí)偏涼環(huán)境后進(jìn)入中性環(huán)境的場景,冬季工況模擬受試者在冬季經(jīng)歷短時(shí)寒冷環(huán)境后進(jìn)入中性環(huán)境的場景。A、B室的相對濕度均控制在50%,空氣流速控制在0.05 m/s以內(nèi),平均輻射溫度近似于空氣溫度。

表4 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

1.5 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2020年9月和12月,2021年3月和5月。實(shí)驗(yàn)開始前,受試者更換統(tǒng)一服裝,固定測量皮膚溫度的熱電耦及測量皮膚濕潤度的紐扣。實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示,第1階段受試者在A室中預(yù)暴露30 min,第2階段進(jìn)入B室停留15 min,第3階段再進(jìn)入A室中靜坐40 min。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中連續(xù)測量皮膚溫度、皮膚濕潤度及環(huán)境參數(shù)。

注:○表示主觀問卷記錄時(shí)刻。圖2 實(shí)驗(yàn)流程

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 生理反應(yīng)

圖3顯示了各工況下受試者平均皮膚溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。可以看出:在預(yù)暴露后期皮膚溫度處于穩(wěn)定狀態(tài);在進(jìn)入低溫或高溫環(huán)境時(shí),突降或突升溫差越大,受試者的平均皮膚溫度降低或升高越顯著;突變溫差越大,受試者的皮膚溫度在返回中性溫度環(huán)境后達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越長;在夏季各工況下,受試者由偏熱環(huán)境回到中性溫度環(huán)境時(shí),平均皮膚溫度均在較短時(shí)間內(nèi)(約5 min)迅速降低并逐漸趨于穩(wěn)定;而冬季和過渡季各工況下,受試者由偏冷環(huán)境回到中性溫度環(huán)境時(shí),平均皮膚溫度升高緩慢,這表明人體皮膚溫度對冷刺激的調(diào)節(jié)快于熱刺激的響應(yīng)。對比溫度突變前后中性溫度下受試者的平均皮膚溫度,當(dāng)突變溫差Δt≤4 ℃時(shí),受試者皮膚溫度在第3階段結(jié)束時(shí)近似等于第1階段的皮膚溫度,表明該溫差范圍內(nèi)人員能較好地響應(yīng)溫度調(diào)節(jié),并在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)自身熱平衡。當(dāng)突變溫差Δt≥9 ℃時(shí),突變前后皮膚溫度出現(xiàn)一定的不對稱性。這與以往的研究結(jié)果一致[7,20]。

圖3 各工況下受試者平均皮膚溫度的逐時(shí)變化

由于本次實(shí)驗(yàn)中受試者只有在夏季工況下存在出汗行為,故僅對夏季各工況下皮膚濕潤度測量結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示。可以看出:在預(yù)暴露過程中受試者的皮膚濕潤度均能達(dá)到穩(wěn)定;受試者進(jìn)入高溫環(huán)境后人體體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)揮作用,出汗量迅速增加以促進(jìn)皮膚蒸發(fā)散熱,且增加的幅度隨突變溫差的增大而增大;在回到中性環(huán)境后皮膚濕潤度逐漸降低,但一直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束仍未恢復(fù)至經(jīng)歷高溫突變前的水平。

圖4 夏季各工況下受試者皮膚濕潤度的逐時(shí)變化

2.2 主觀反應(yīng)

圖5顯示了各工況下受試者全身熱感覺的逐時(shí)變化情況。可以看出:過渡季和冬季各工況下,受試者由中性溫度環(huán)境進(jìn)入低溫環(huán)境的瞬間熱感覺下降幅度隨突變溫差的增大而增大,在低溫環(huán)境中受試者的熱感覺不斷降低,當(dāng)受試者重新回到中性溫度環(huán)境時(shí),熱感覺恢復(fù)至突變前的水平并趨于穩(wěn)定;夏季各工況下,受試者由中性溫度環(huán)境進(jìn)入高溫環(huán)境的瞬間熱感覺上升幅度隨突變溫差的增大而增大,熱感覺投票值隨暴露時(shí)間的延長不斷提高,當(dāng)受試者重新回到中性溫度環(huán)境時(shí),暴露初始時(shí)刻熱感覺投票值降低至負(fù)值,出現(xiàn)明顯的“冷感超越”現(xiàn)象,在發(fā)生降溫突變的前2 min內(nèi)“超越”現(xiàn)象最明顯,且該“超越”現(xiàn)象隨著突變溫差的增大顯得更明顯。對比夏季各工況前后2次在中性溫度環(huán)境中的熱感覺投票值,發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷過高溫突變后熱感覺投票值降低,出現(xiàn)熱感覺不對稱現(xiàn)象。Zhang等人[8]和Ji等人[21]對這種不對稱現(xiàn)象的解釋是:在熱感覺達(dá)到穩(wěn)定后,皮膚溫度還在繼續(xù)變化,而此時(shí)的皮膚溫度變化率對熱感覺的影響大于皮膚溫度,使得熱感覺繼續(xù)變化,偏離中性條件下的熱感覺投票值。

圖5 各工況下受試者全身熱感覺的逐時(shí)變化

圖6顯示了各工況下受試者全身熱舒適的逐時(shí)變化情況。可以看出:各工況預(yù)暴露過程中受試者熱舒適投票值基本在1.5以上,經(jīng)歷溫度突降或突升的初始時(shí)刻,熱舒適投票值迅速降低,且突變溫差越大,其熱舒適投票值越低;隨著暴露時(shí)間的延長,-10 ℃和45 ℃環(huán)境中的熱舒適投票值由初始時(shí)刻的-2降低到-3以下,其余工況的熱舒適投票值也降低了超過0.5,這可能是由于受試者的熱負(fù)荷或冷負(fù)荷隨著暴露時(shí)間的延長而增大,導(dǎo)致其熱舒適水平持續(xù)降低;第3階段初始時(shí)刻的熱舒適投票值均低于第1階段,且這種差異在20 ℃→-10 ℃→20 ℃和26 ℃→45 ℃→26 ℃工況下最明顯,這可能是由于這2種工況的突變溫差過大,導(dǎo)致受試者需要更長的時(shí)間去適應(yīng);在各突變工況下,主觀反應(yīng)變化均超前于生理反應(yīng),即出現(xiàn)心理超前現(xiàn)象。

圖6 各工況下受試者全身熱舒適的逐時(shí)變化

2.3 全身熱負(fù)荷

圖7顯示了各工況下受試者全身熱負(fù)荷隨時(shí)間的變化規(guī)律。可以看出:在預(yù)暴露過程中,受試者的全身熱負(fù)荷穩(wěn)定在0～10 W/m2之間;夏季工況下受試者進(jìn)入高溫環(huán)境的初始時(shí)刻,由于空氣溫度和平均輻射溫度均高于皮膚溫度,所以全身熱負(fù)荷劇增,且突變溫差越大熱負(fù)荷增加越多,隨后體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)開始發(fā)揮作用,表現(xiàn)為皮膚濕潤度持續(xù)上升以促進(jìn)蒸發(fā)散熱,因此熱負(fù)荷在受試者進(jìn)入高溫環(huán)境3 min左右便開始下降;受試者回到中性溫度環(huán)境后,熱負(fù)荷出現(xiàn)“超越”現(xiàn)象,隨后熱負(fù)荷逐漸恢復(fù),但直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束仍低于第1階段,這是由于人體在高溫環(huán)境中大量出汗,返回中性溫度環(huán)境后皮膚表面積蓄的汗液持續(xù)從皮膚表面帶走熱量;在過渡季和冬季工況下受試者進(jìn)入低溫環(huán)境的初始時(shí)刻,由于空氣溫度和平均輻射溫度均低于皮膚溫度,所以全身熱負(fù)荷降低,且突變溫差越大熱負(fù)荷降低越多,隨后體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)開始發(fā)揮作用,表現(xiàn)為平均皮膚溫度持續(xù)降低以減少人體輻射散熱和對流散熱,因此熱負(fù)荷在受試者進(jìn)入低溫環(huán)境2 min左右便開始逐漸上升,在回到中性溫度環(huán)境時(shí),熱負(fù)荷逐漸恢復(fù)并趨于穩(wěn)定。

圖7 各工況下受試者全身熱負(fù)荷的逐時(shí)變化

3 討論

3.1 人體熱負(fù)荷與熱感覺的關(guān)系

由熱感覺和熱負(fù)荷逐時(shí)變化曲線可以看出,高溫到中性溫度突變瞬間,熱感覺出現(xiàn)明顯“冷感超越”現(xiàn)象的時(shí)刻對應(yīng)于人體熱負(fù)荷發(fā)生“超越”的時(shí)刻。針對這種現(xiàn)象,圖8顯示了夏季工況下人體各項(xiàng)散熱量的逐時(shí)變化,散熱量為正值時(shí)說明人體向外界散熱,為負(fù)值時(shí)說明人體從外界得熱。可以看出:30 ℃環(huán)境中空氣溫度略低于皮膚溫度,人體通過對流換熱、輻射換熱和皮膚蒸發(fā)向外界散熱,但在空氣溫度更高的環(huán)境中由于空氣溫度近似于或高于皮膚溫度,導(dǎo)致人體通過對流換熱、輻射換熱向外界散熱很少(35 ℃)或從外界得熱(40 ℃和45 ℃),作為補(bǔ)償,皮膚蒸發(fā)散熱量隨著出汗量的增大而增大;從高溫環(huán)境到中性溫度環(huán)境后,人體皮膚蒸發(fā)散熱量急劇增大,總散熱量大于產(chǎn)熱量,導(dǎo)致人體出現(xiàn)冷感;在夏季4個(gè)工況中,45 ℃→26 ℃工況下皮膚蒸發(fā)散熱量增加幅度最大,也導(dǎo)致了該工況下“冷感超越”最明顯;隨著體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)開始發(fā)揮作用,皮膚蒸發(fā)散熱量逐漸下降,突變后的冷感逐漸消失;在突變后25 min左右皮膚蒸發(fā)散熱量基本趨于平穩(wěn),這與熱感覺的穩(wěn)定時(shí)間較為一致。

圖8 人體各項(xiàng)散熱量的逐時(shí)變化

3.2 基于皮膚溫度的熱感覺預(yù)測

溫度突變過程中,熱感覺與平均皮膚溫度及其變化率相關(guān)。因此動(dòng)態(tài)熱環(huán)境中的人體熱感覺預(yù)測需要分別建立熱感覺模型的穩(wěn)態(tài)項(xiàng)和動(dòng)態(tài)項(xiàng),動(dòng)態(tài)熱感覺(TDTS)視為穩(wěn)態(tài)項(xiàng)(Ts)與動(dòng)態(tài)項(xiàng)(Td)之和,即

TDTS=Ts+Td

(9)

3.2.1預(yù)測模型穩(wěn)態(tài)項(xiàng)Ts

將各工況3個(gè)階段最后1 min的熱反應(yīng)視為穩(wěn)態(tài),之前的反應(yīng)視為動(dòng)態(tài)。對各個(gè)工況下全身熱感覺和平均皮膚溫度的穩(wěn)態(tài)值作回歸分析,結(jié)果如圖9所示。全身熱感覺與平均皮膚溫度的回歸模型為

圖9 穩(wěn)態(tài)情況下熱感覺與皮膚溫度的關(guān)系

Ts=0.96tsk,m-32.22 (R2=0.74)

(10)

由圖9可以看出,穩(wěn)態(tài)情況下人體的全身熱感覺投票值與平均皮膚溫度呈較好的線性關(guān)系,平均皮膚溫度每升高1 ℃,全身熱感覺投票值增加0.96。對應(yīng)熱感覺為中性的平均皮膚溫度即皮膚溫度的設(shè)定點(diǎn)為33.56 ℃,這與以往的研究結(jié)果[2]相差很小。

3.2.2預(yù)測模型動(dòng)態(tài)項(xiàng)Td

動(dòng)態(tài)項(xiàng)假定只與平均皮膚溫度變化率r有關(guān),r可由下式計(jì)算:

(11)

式中tsk,mτ為τ時(shí)刻的平均皮膚溫度,℃;tsk,mτ-1為τ-1時(shí)刻的平均皮膚溫度,℃。

先按式(10)和逐時(shí)平均皮膚溫度計(jì)算熱感覺的穩(wěn)態(tài)項(xiàng),然后由動(dòng)態(tài)熱感覺和式(9)計(jì)算得到熱感覺動(dòng)態(tài)項(xiàng),熱感覺動(dòng)態(tài)項(xiàng)與平均皮膚溫度變化率的關(guān)系如圖10所示。

圖10 熱感覺動(dòng)態(tài)項(xiàng)與平均皮膚溫度變化率的關(guān)系

由圖10可知,熱感覺動(dòng)態(tài)項(xiàng)隨平均皮膚溫度變化率的變化而變化,突變初始時(shí)刻的平均皮膚溫度變化率較大,分散在兩邊,其后時(shí)刻的平均皮膚溫度變化率較小,集中在中間,故將平均皮膚溫度變化率r≤-0.1 ℃/min和r≥0.1 ℃/min的數(shù)據(jù)點(diǎn)看作初始反應(yīng),將-0.1～0.1 ℃/min間的數(shù)據(jù)點(diǎn)看作其后反應(yīng),分別作回歸。

中性溫度環(huán)境→非中性溫度環(huán)境:

初始反應(yīng)

Td=6.00r+0.06 (R2=0.90)

(12)

其后反應(yīng)

Td=16.25r+0.03 (R2=0.30)

(13)

非中性溫度環(huán)境→中性溫度環(huán)境:

初始反應(yīng)

Td=7.44r+0.58 (R2=0.88)

(14)

其后反應(yīng)

Td=23.89r+0.10 (R2=0.54)

(15)

可以看出:2種突變過程的初始反應(yīng)中,受試者熱感覺動(dòng)態(tài)項(xiàng)與平均皮膚溫度變化率呈顯著的線性關(guān)系,平均皮膚溫度變化率越大,熱感覺動(dòng)態(tài)項(xiàng)越大,最大可達(dá)3.37;2種突變過程的其后反應(yīng)中,受試者熱感覺動(dòng)態(tài)項(xiàng)與平均皮膚溫度變化率的線性關(guān)系不再顯著,這是由于受試者的熱感覺和平均皮膚溫度在新環(huán)境中都達(dá)到穩(wěn)定;熱感覺動(dòng)態(tài)項(xiàng)隨平均皮膚溫度變化率線性變化的趨勢在初始時(shí)刻較為平緩,在其后時(shí)刻較為陡峭,即在其后時(shí)刻熱感覺隨皮膚溫度變化率的變化更為敏感。以上結(jié)果證實(shí)了Gagge等人提出的皮膚溫度變化率的重要作用[2],也可以更好地解釋不對稱現(xiàn)象。結(jié)合式(9)～(15)可得到基于皮膚溫度的人體熱感覺預(yù)測模型。

3.3 基于人體熱負(fù)荷的熱感覺預(yù)測

參考3.2節(jié)方法,將各工況3個(gè)階段最后1 min的熱反應(yīng)視為穩(wěn)態(tài),之前的反應(yīng)視為動(dòng)態(tài)。選擇穩(wěn)態(tài)反應(yīng)的熱負(fù)荷LT和平均皮膚溫度tsk,m來確定熱感覺穩(wěn)態(tài)項(xiàng)Ts。通過多元線性回歸獲得以下關(guān)系:

Ts=0.04LT+0.58tsk,m-19.06 (R2=0.92)

(16)

選擇動(dòng)態(tài)反應(yīng)的熱負(fù)荷變化量ΔLT和平均皮膚溫度變化率r來確定熱感覺動(dòng)態(tài)項(xiàng)Td。通過多元線性回歸獲得以下關(guān)系式:

Td=0.03ΔLT+1.71r+0.08 (R2=0.87)

(17)

熱感覺穩(wěn)態(tài)項(xiàng)Ts與熱感覺動(dòng)態(tài)項(xiàng)Td之和即為基于人體熱負(fù)荷的熱感覺T′DTS預(yù)測模型:

T′DTS=Ts+Td

(18)

3.4 模型評估

圖11比較了熱感覺實(shí)測值與PMV模型、基于皮膚溫度的熱感覺預(yù)測模型、基于熱負(fù)荷的熱感覺預(yù)測模型預(yù)測值。可以看出,PMV模型對于溫度突變情況下人體熱感覺預(yù)測不準(zhǔn)確,基于皮膚溫度和人體熱負(fù)荷的熱感覺預(yù)測模型預(yù)測效果較好。

圖11 3種熱感覺預(yù)測模型的比較

表5顯示了各工況下熱感覺實(shí)測值與以上3種預(yù)測模型預(yù)測值之間的均方根誤差(RMSE)。

表5 模型驗(yàn)證結(jié)果

可以看出:在冬季和過渡季工況下,PMV預(yù)測模型均方根誤差最大,甚至出現(xiàn)大于1的情況,其余2個(gè)模型均方根誤差較小,基于熱負(fù)荷的熱感覺預(yù)測模型效果最佳;在夏季工況下,PMV模型的均方根誤差最小,基于皮膚溫度的熱感覺預(yù)測模型的均方根誤差最大。

4 結(jié)論

1) 各工況突變過程中主觀反應(yīng)變化均超前于生理反應(yīng),即出現(xiàn)心理超前現(xiàn)象;各工況突變前后2次中性溫度環(huán)境的熱感覺投票值不同,即出現(xiàn)熱感覺不對稱現(xiàn)象。

2) 在熱→中性突變工況中出現(xiàn)“冷感超越”現(xiàn)象,出現(xiàn)冷感的原因是人體從高溫環(huán)境進(jìn)入中性溫度環(huán)境的瞬間,皮膚蒸發(fā)散熱量達(dá)到最大值,導(dǎo)致人體散熱量遠(yuǎn)大于產(chǎn)熱量。隨著人體體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)開始起作用,人體的冷感逐漸消失。

3) 溫度突變動(dòng)態(tài)環(huán)境中的熱感覺與平均皮膚溫度及其變化率均呈線性關(guān)系,進(jìn)而得到了基于皮膚溫度的熱感覺預(yù)測模型。

4) 穩(wěn)態(tài)階段的熱感覺與人體熱負(fù)荷和平均皮膚溫度呈線性關(guān)系,動(dòng)態(tài)階段的熱感覺變化量與人體熱負(fù)荷變化量和平均皮膚溫度變化率呈線性關(guān)系,進(jìn)而得到了基于熱負(fù)荷的熱感覺預(yù)測模型。

5) 對比了PMV模型、基于皮膚溫度的熱感覺預(yù)測模型、基于熱負(fù)荷的熱感覺預(yù)測模型在溫度突變情況下的預(yù)測性能,發(fā)現(xiàn)引入熱負(fù)荷的預(yù)測模型性能更好。