072-长时间处于地板辐射供冷环境中的人体热反应模拟.pdfVIP

长时间处于地板辐射供冷环境中的人体热 反应模拟研究 1 1* 1 1 任雁 ，周翔 ，张莉莉 ，张旭 1 同济大学机械与能源工程学院暖通空调研究所 摘要：辐射空调是一种相对舒适、低噪声的空调末端形式，近年来在建筑中的应用案例 数量上升迅速，如何预测在辐射空调环境下，特别是地板辐射供冷环境下的人体舒适度，成 为工程设计参数确定中需要解决的基础问题。伯克利热舒适模拟软件 （Berkeley Comfort model）作为热舒适模型之一，能够用于反映不同环境下人体与环境的换热、人体体温调节 以及局部热感觉对整体热感觉的影响过程。本文通过将该模拟软件计算值与人体热反应实验 结果进行对比，对该模拟软件在长时间暴露于地板辐射供冷环境中的人体热反应预测的适用 性进行验证。结果表明，模型能够在一定程度上反映不对称辐射环境下的人体不同部位皮肤 温度分布，以及热感觉和热舒适差异随时间的动态变化过程，计算结果中部分人体部位皮肤 表面温度及局部热感觉的模拟与实验值偏差较大，需通过后续研究进行修正。 关键词：辐射空调 热舒适 皮肤温度 局部热感觉 体温调节模型 1 人体热反应数值模型介绍 人体体温调节模型的研究已有五十年左右的历史，它是对人体体温调节系统的物理描 述和数学模拟。一般可以将人体体温调节系统看成一个闭环控制系统，包括敏感元件、控 制器、执行机构和受控对象等基本原件。模型根据环境和人体参数对人体温度分布进行模 拟。 随着电子计算机的出现和发展，体温模型的发展由简单至复杂，其应用也越来越广 泛。Machle[1]建立的体温调节模型，反映了周围环境参数与人体体温的关系。在稳态热环 境条件下模型研究，从最初的臂部换热模型到多节段多层人体换热模型经历了长期的发 展。Gagge[2]提出了二节点模型，该模型将人体简化为核心层和外层皮肤两部分，控制系统 中皮肤感受器和核心感受器组成，给出了皮肤血流、出汗率、寒战等的控制方程。Gagge 将此模型应用于热舒适研究，提出了标准有效温度 SET 的概念。Stolwijk[3]首次提出了人 体调节功能的六节段体温调节模型。此模型将头部视为球体，臂、腿以及躯干视为圆柱 体，每节段分核心、肌肉、脂肪以及皮肤四层。血液系统单独设为一个单元。模型中应用 生理学的调定点学说进行数学描述，提出相应的控制方程及出汗蒸发散热、血管舒张以及 寒战等调节机制，可以预测人体的皮肤温度和动态条件下的皮肤温度。Wissler[4]首次在模 型中考虑了人体体温调节功能，提出体温调节包含三种办法（比例调节、双位调节以及被 调对象的变化率调节）。此模型可以预测稳态的皮肤温度和核心温度，也可以用于预测动态 的皮肤温度变化。王小玲 [5]利用 Gagge 简化的二节点模型预测动态热环境下的人体皮温变 化，所得结果与上述多节段多层模型并无显著差别。Fu G[6]提出了一个基于人体热平衡的 任雁，女，1993 年 12 月生，硕士研究生邮箱：562055339@. 吉林省吉林市人， 热舒适方向。*周翔，男，1980 年 9 月生，副教授，邮箱：zhouxiang@。通讯地址：上海市 嘉定区曹安路 4800 号，201804。国家自然科学基金资助。 描述着装人体在动态热环境下的温度调节系统的三维有限元数学模型，Nakamura 等 [8]用 40 个受试者在室外 10d 的热反应来验证此模型的结果是正确的。此模型需要求解三维皮温 的有限元分布参数，未考虑气流脉动特性对人体散热量的影响。 本模拟采用 Berkeley Comfort model 模型，该热舒适模型是目前通用的热舒适模型之 一，能够详尽地分析在复杂且不均匀瞬态环境中的人体体温调节和热反应变化，较多用于 短时间环境暴露下的人体热反应预测。此次模拟的目的在于通过现有的热舒适模拟软件得 出在长时间暴露于地板供冷不对称辐射环境中的人体皮肤温度和热感觉变化规律，并将皮 肤温度及热感觉长时间稳定暴露下的实验值和模拟值进行对比，以验证该模拟软件在人体 长时间暴露于地板供冷不对称辐射环境中的可适用性。 Berkeley Comfort model 模型主要由两部分组成，一个是根据环境确定的人体生调节 热反应模型，另一个是根据皮肤、核心体温确定局部和整体热感觉模型。人体生理调节热 反应模