夏热冬冷地区冬季基于人体生理适应的热感觉评价方法

摘要

夏热冬冷地区冬季阴冷潮湿室内热环境恶劣，室内热环境具有分散、间歇和局部供暖的特点，人员长期生活在此具有一定冷暴露经历的环境中，形成了相应不同程度的生理适应性。因此，在此背景下如何准确评价该地区冬季室内环境舒适性，对该地区合理调控供暖具有重要意义。传统热感觉预测方法如PMV指标没有考虑人体适应性，而适应性热舒适模型建立在黑箱理论基础上，适用于自然通风建筑人体产生完全冷适应的热环境评价，对于具有不同程度冷暴露经历人群的冬季供暖热舒适评价需要进一步验证。鉴于此，本研究立足夏热冬冷地区建筑，结合大样本实地调研与实验室生理测试，以期揭示该地区人体冬季冷适应性特性，并通过人体热生理机理分析对热感觉预测指标进行适应性修正，提出更真实反映该地区冬季热环境的评价方法，从而为该地区冬季室内热环境的准确预测与供暖运行调节提供基础和理论参考。　　为了揭示冬季人体适应性特征及其对热感觉评价的影响，对夏热冬冷地区典型建筑进行了实地调查研究。结果表明，适应性热舒适模型较适合于自然通风住宅室内偏冷环境的评价，PMV指标较适合于办公建筑室内偏暖供暖热环境(20~25℃)的评价。在存在一定冷暴露经历人群的供暖热环境中，现有热感觉预测指标存在明显偏差，需要结合生理参数进一步研究。　　为了得到人体动态热响应特征，在冬季典型室内热环境工况下，招募了具有长期不同室内外热经历的两组人群共32名受试者进行了实验研究。研究表明，冷暴露经历组与参照组的热感觉具有显著差异，其心率在低温环境中要显著低于(P<0.001)参照组，且在温度下降时热感觉和心率变化特征也出现一致性。但两组的皮肤温度和血压在整个实验的时间变化中都没有显著差异。这表明，长期热经历差异对夏热冬冷地区人体散热和血管收缩没有显著影响，而对人体的产热机能存在影响。基于人体产热机理分析，建立了心率与人体产热指标代谢率之间的定量关系，提出了基于心率的动态热感觉预测方法，可用于非稳态条件下的人体冷应激监测。　　为了明晰夏热冬冷地区典型服装组合下人体生理皮肤温度的不均匀性以及对人体换热的影响，招募了20名人体受试者在过渡季和冬季不同阶段相应的空气温度下(10、16、22℃)，使用高精度生理测试实验仪器(±0.1℃)对其头部、胸口、背部、上臂、下臂、手、大腿、小腿和脚等九个部位的局部皮肤温度进行了测试记录。研究分析得到了冬季冷环境中人体局部皮肤温度从高到低的“躯干(核心)-躯干周边部位-下肢与手”聚类分布特征。通过人体局部皮肤温度与换热系数优化计算，得到了坐姿人体不同高度的换热效率差异性规律，提出了更适用于垂直温差热环境计算平均空气温度的不同高度新权重法，可为局部供暖效率以及热分层环境热感觉预测指标优化提供参考。　　基于夏热冬冷地区冬季人体生理适应性机理分析，对热感觉评价指标进一步改进。提出了热经历温度值，对反映人体真实换热状态的中性皮肤温度进行了修正，根据代谢率逆向求解方法，得到了反映人体产热机能的代谢率修正因子，提出了符合具有冷暴露经历人群实际人体热状态的CaPMV(Cold-adaptive Predicted Mean Vote)模型。最后，使用不同实验室及建筑调研数据验证，表明CaPMV模型预测值比现有热感觉预测指标精度大大提高。　　本研究提出的基于生理适应性的热感觉评价方法，可以更准确评价多样化情况下的供暖热环境，为夏热冬冷地区的供暖调控提供依据，并为不同地区的冬季热感觉评价提供参考。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究目的和主要研究内容

1.4 论文的研究框架

2 冬季室内人体适应性特征及热感觉评价分析

2.1 引言

2.2 现场调研方法

2.3 室内热环境特征

2.4 行为适应特性

2.5 热感觉评价及影响因素分析

2.6 本章小结

3 人工气候室实验研究平台与方法

3.1 引言

3.2 实验设计思路

3.3 研究平台设备

3.4 人体实验方法与准则

3.5 受试者选用

3.6 数据处理方法

4 冬季人体生理响应动态特性分析及热感觉预测方法

4.1 引言

4.2 实验设置与流程

4.3 实验结果

4.4 生理参数与热感觉的关系

4.5 人体冷习服的生理机制讨论

4.6 本章小结

5 冬季人体生理响应及散热效率局部分布特征分析

5.1 引言

5.2 实验设置与流程

5.3 偏冷环境中皮肤温度分布特征

5.4 人体局部散热分析

5.5 平均空气温度计算权重优化

5.6 本章小结

6 基于冬季人体生理适应特征的热感觉预测方法

6.1 引言

6.2 CaPMV模型建立

6.3 CaPMV模型验证

6.4 CaPMV模型应用

6.5 热感觉评价方法应用范围分析

6.6 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 展望与讨论

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间取得的成果

B. 作者在攻读博士学位期间负责及参与的主要项目

C. 作者在攻读博士学位期间获得的奖励或荣誉

D. 实验用表格及问卷案例

E. 论文涉及的主要计算程序

F. 学位论文数据集

致谢