室内均匀热环境中的人体热反应（偏热条件）

摘要

随着我国经济的发展和社会的进步，人们对居住环境质量的要求越来越高，如何营造一个健康、舒适的室内热环境近年来一直是建筑领域研究的热点，研究人体在热环境中的热反应机理是上述问题的基础。人体的热反应包括人体在热环境中的生理反应和热感觉，根据人体的状态不同又分为稳态条件下和非稳态条件下的热反应。通过对已有研究分析发现，目前国内外对人体热反应的研究，尤其是非稳态条件下热反应的研究尚不成熟。基于上述背景，本文对均匀热环境人体在偏热条件下的热反应进行了理论和实验研究。
　　作者所在科研团队开展了大量稳态条件下的人体实验；在此基础上，作者又开展了一系列非稳态条件下的人体暴露性实验。本研究的实验共包括五个系列，涉及21个典型工况，400人次受试者，总暴露时间760小时。通过对人体实验中生理测试、心理问卷调查的数据进行分析，获得了人体在典型偏热环境及热环境变化过程中生理、心理的响应特性。确定了用人体热反应模型，即人体在热环境中的生理反应模型（Human Thermal Physiological Model，以下简称“人体生理模型”）和热感觉模型（TSm），描述人体在热环境中的生理反应和热感觉。
　　本文针对目前人体热反应模型缺乏有效评价方法的现状，在对以往方法深入分析的基础上提出了一套均值预测模型的评价方法，用于评价人体热反应模型的预测效果。该方法基于统计推断、一致性分析和误差分析等统计学理论，解决了均值模型评价研究中的两个关键问题：“如何验证模型的预测准确性？”和“如何比较模型间的预测准确性？”。建立了均值模型的评价体系，并可从统计和经验两个层面对模型的准确性进行验证。新方法的五个评价步骤为：1）提出原假设和备选假设；2）计算各总体均值的置信区间；3）对比模型预测值与总体均值置信区间验证模型准确性；4）分析模型预测值与样本均值的一致性验证模型准确性；5）在评定的效果等级基础上比较模型间的优劣。该方法将模型的准确性水平分为三类：Ⅰ—统计上准确；Ⅱ—经验上准确；Ⅲ—不准确。新方法为均值模型的验证和对比提供了科学的途径。
　　根据传热学理论、生理医学，本文提出了人体生理模型的理论架构；根据生理实测数据对理论架构中的经验公式和参数进行优化，在400人次受试者的实验验证基础上，建立了一个使用简便、准确性较高且适用于中国人群的人体生理模型（Human Thermal Physiological Model）。该模型揭示了人体在热环境中、以及在热环境变化过程中的人体生理响应机理，体现了人体的生理调节特性。该模型可用于模拟人体在动态热过程中的瞬态生理反应，并对人体的瞬态体表温度进行预测。该模型由三部分组成：一、物理抽象模型，是对真实人体的抽象；二、受控系统，用于模拟人体与环境间的热量传递过程；三、控制系统，用于模拟人体体温调节作用。对比已有欧美模型，新模型主要在考虑体表面积、显汗蒸发热损失和性别差异性等方面进行了优化和改进。
　　在人体实验实测数据的基础上，提出了一个基于皮肤温度的人体热感觉半经验模型（TSm），用于预测动态热过程中的人体瞬态热感觉。TSm模型揭示了热感觉的动态特性，即在动态过程中，热感觉除了与温度等参数的绝对值有关，还取决于温度等参数的变化。TSm模型由静态项和动态项两部分组成，静态项用于描述当人体处于稳态条件时热感觉与参数的关系；动态项则反映了非稳态条件下参数变化对热感觉影响的特征。利用本研究中的实验数据对TSm模型和PMV模型的预测效果进行了验证和对比，结果表明：当人体处于稳态条件时，TSm模型对热感觉的预测是统计上准确的，当人体处于非稳态条件时，TSm模型对热感觉的预测是经验上准确的（预测偏差范围小于0.5个标准刻度）；而PMV模型对热感觉的预测存在显著且不可接受的偏差。TSm模型能够评价人体在稳态或非稳态条件下的瞬态热感觉，可用于对动态热过程的评价。
　　结合人体生理模型（Human Thermal Physiological Model）与人体热感觉模型（TSm），利用Matlab软件编译形成了一个人体热反应的模拟软件。软件的输入项有：1）人体基本体征参数，包括性别、年龄、身高、体重、体脂肪率；2）热暴露过程中的人体与热环境的逐时状态参数，包括空气温度、黑球温度、相对湿度、空气平均流速、人体活动水平、服装总热阻、服装水蒸气渗透系数、人体移动速度；3）初始状态条件，包括初始时刻的人体温度分布或初始时刻的人体与热环境状态参数值。软件的输出项则包括任意时刻的人体温度分布和人体热感觉。因此，在已知人体和热环境状态的条件下，借助该软件可模拟动态热过程中的人体热反应。该软件操作简便、实用，可在教学、科研或工程应用上进行推广。
　　论文提出的均值预测模型的评价方法、人体生理模型与人体热感觉模型对推动我国动态热舒适研究有实际意义，可为进一步完善我国热舒适评价标准提供参考。

目录

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英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 研究目的与内容

1.4 本章小结

2 研究方法

2.1 理论研究方法

2.2 实验研究方法

2.3 本章小结

3 人体热反应模型的评价方法

3.1 引言

3.2 已有人体热反应模型评价方法介绍

3.3 人体热反应模型的评价方法

3.4 案例演示

3.5 关于新评价方法的讨论

3.6 本章小结

4 人体生理模型（Human Thermal Physiological Model）的理论架构

4.1 引言

4.2 人体的物理抽象

4.3 人体生理模型的受控系统

4.4 人体生理模型的控制系统

4.5 模型的数值求解与编程

4.6 本章小结

5 人体生理模型（Human Thermal Physiological Model）的优化与验证

5.1 引言

5.2 人体温度设定点参数

5.3 控制系统模块与参数的优化

5.4 人体生理模型（Human Thermal Physiological Model）的验证

5.5 人体生理模型（Human Thermal Physiological Model）总结

5.6 本章小结

6 人体热感觉模型

6.1 引言

6.2 人体热感觉模型静态项

6.3 人体热感觉模型动态项

6.4 人体热感觉预测模型

6.5 人体热感觉预测模型的验证和效果评价

6.6 本章小结

7 人体热反应模拟软件

7.1 软件介绍

7.2 案例演示

7.3 意义、推广和应用

7.4 本章小结

8 结论与展望

8.1 结论

8.2 创新点

8.3 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间已发表的论文

B. 作者在攻读博士学位期间参与的项目

C. 作者在攻读博士学位期间参加的学术会议

D. 作者拟发表的论文