濕熱地區(qū)室外動(dòng)態(tài)熱環(huán)境中二節(jié)點(diǎn)模型的驗(yàn)證及修正

蔣毅　趙立華　孟慶林

摘 要：快速城鎮(zhèn)化和全球變暖使城市室外環(huán)境的熱不舒適加劇，熱安全風(fēng)險(xiǎn)提高。為了解濕熱地區(qū)室外動(dòng)態(tài)熱環(huán)境中人體生理量的變化規(guī)律，為快速評(píng)價(jià)室外熱環(huán)境提供依據(jù)，開(kāi)展了室外人體熱反應(yīng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)二節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行了模擬精度分析和吻合度檢驗(yàn)，研究得到了人體在室外受風(fēng)速、MRT和自身調(diào)節(jié)的作用下，皮膚溫度和體核溫度呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律及二節(jié)點(diǎn)模型修正方法。在室外動(dòng)態(tài)熱環(huán)境中應(yīng)用二節(jié)點(diǎn)模型，需從皮膚、體核調(diào)定溫度、人體標(biāo)準(zhǔn)模型、肌體啟動(dòng)體溫調(diào)節(jié)的環(huán)境溫度值及人體與室外環(huán)境的對(duì)流換熱系數(shù)4個(gè)方面對(duì)人體二節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行修正，相關(guān)參數(shù)和調(diào)節(jié)過(guò)程應(yīng)寫(xiě)成可賦值的變量或數(shù)學(xué)表達(dá)式，修正后的二節(jié)點(diǎn)模型對(duì)室外人體熱反應(yīng)預(yù)測(cè)具有通用性和適用性。

關(guān)鍵詞：室外熱環(huán)境;皮膚溫度;體核溫度;二節(jié)點(diǎn)模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TU111.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2020）01-0168-12

Abstract：Rapid urbanization and global warming aggravate the thermal discomfort of urban outdoor environment and increase the risk of thermal security. In order to find out the physiological parameters changes of human body in outdoor thermal environment， provide a basis for rapid urban thermal environment evaluation， an outdoor experiment was carried out to observe the thermal response of human body.? Based on the measured data， the simulation precision analysis and coincidence test of the two-node model were carried out. It is found that human skin temperature and body core temperature show different trends under the influence of outdoor wind speed， MRT and self-regulation， in order to ensure the simulation accuracy， the two-node model of human body needs to be modified from the following four aspects： skin and core temperature， standard human model， temperature of regulation starting， convective heat transfer coefficient， relevant parameters and calculation process shall be written as assignable variables or mathematical expressions， the revised two-node model is universal and applicable to the prediction of outdoor human thermal response.

Keywords：outdoor thermal environment; skin temperature; core temperature; two-node model

在溫室效應(yīng)和快速城鎮(zhèn)化的雙重影響下，中國(guó)南方濕熱地區(qū)城市室外熱環(huán)境日趨嚴(yán)峻，熱浪發(fā)生率日益增加，引發(fā)中暑等與氣候緊密相關(guān)的熱疾病的發(fā)生，導(dǎo)致與熱有關(guān)的死亡率提高[1-4]。高溫對(duì)人體產(chǎn)生的危害主要是通過(guò)影響肌體正常的生理過(guò)程導(dǎo)致新陳代謝和生理功能障礙，使人體體核溫度升高和大量排汗，引發(fā)脫水和熱中暑等疾病。

Gaage等[5]于1967年開(kāi)始了室內(nèi)人體熱反應(yīng)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，于1971年提出了得到廣泛使用的人體二節(jié)點(diǎn)模型（two-node-model，簡(jiǎn)稱(chēng)2NM）[6]，該模型用分為內(nèi)外兩個(gè)集中層（皮膚層和核心層）的圓柱體來(lái)描述人體，并將人體視作受控系統(tǒng)，而控制系統(tǒng)由皮膚層和核心層的傳感器組成，輸出信號(hào)通過(guò)傳感器可以調(diào)節(jié)血管中的血流量和皮膚層出汗量，從而調(diào)節(jié)人體皮膚溫度和體核溫度。二節(jié)點(diǎn)模型基于人體傳熱和生理熱調(diào)節(jié)原理提出，確立了熱環(huán)境物理參數(shù)變化與人體熱反應(yīng)之間的理論關(guān)系，是目前最簡(jiǎn)單、使用最廣泛的人體熱反應(yīng)模型。之后，大量學(xué)者的研究都是基于二節(jié)點(diǎn)模型或改進(jìn)的二節(jié)點(diǎn)模型開(kāi)展：如堪薩斯州立大學(xué)的Jones[7]將二節(jié)點(diǎn)模型與人體瞬態(tài)熱濕傳遞模型相結(jié)合，來(lái)模擬瞬態(tài)環(huán)境中不同參數(shù)變化條件下人體熱感覺(jué)的變化;敖順榮[8]采用二節(jié)點(diǎn)模型，研究了在突變熱環(huán)境下人體的熱感覺(jué)變化與生理參數(shù)變化的關(guān)系;Takada等[9]在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)二節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行了修正，并對(duì)改進(jìn)的二節(jié)點(diǎn)模型在穩(wěn)態(tài)環(huán)境下皮膚溫度預(yù)測(cè)的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證;張軍[10]開(kāi)展了室內(nèi)溫濕度突變?nèi)梭w熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)了人體二節(jié)點(diǎn)預(yù)測(cè)模型，使其在中國(guó)濕熱地區(qū)室內(nèi)溫濕度突變環(huán)境中具有適用性。以上研究大部分基于室內(nèi)理想可控環(huán)境，所得研究成果無(wú)法直接應(yīng)用到室外熱環(huán)境領(lǐng)域;二節(jié)點(diǎn)模型基于歐美白人人體特征獲得，運(yùn)用到亞洲人體熱反應(yīng)預(yù)測(cè)時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往出現(xiàn)較大誤差，需要對(duì)模型進(jìn)行修正和改進(jìn)。近年來(lái)，室外熱環(huán)境受到重視，逐漸開(kāi)展了室外人體熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究。這些研究嘗試將基于室內(nèi)測(cè)試結(jié)果得到的人體熱反應(yīng)預(yù)測(cè)模型應(yīng)用到室外環(huán)境領(lǐng)域，并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)室外環(huán)境中人體熱調(diào)節(jié)的動(dòng)力學(xué)機(jī)理進(jìn)行分析[11];對(duì)常用室內(nèi)模型，如Stolwijk模型、人體二節(jié)點(diǎn)模型在室外熱環(huán)境領(lǐng)域的預(yù)測(cè)精度作出了初步判斷[12-13];對(duì)相關(guān)模型在室外熱環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了修正[14]。

中國(guó)南方濕熱地區(qū)高溫、高熱，夏季漫長(zhǎng)，熱安全風(fēng)險(xiǎn)較高，在該地區(qū)開(kāi)展該研究，對(duì)提高和改善室外空間的熱環(huán)境水平，提升該地區(qū)城市室外環(huán)境的品質(zhì)和利用率，有一定的價(jià)值和指導(dǎo)意義。筆者以研究濕熱地區(qū)室外動(dòng)態(tài)變化環(huán)境對(duì)人體熱反應(yīng)影響為目的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取該地區(qū)人群在室外動(dòng)態(tài)變化環(huán)境中的生理變化特點(diǎn)，在二節(jié)點(diǎn)模型的基礎(chǔ)上，探索建立適用于室外人體生理量變化預(yù)測(cè)模型。

1 人體熱反應(yīng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

二節(jié)點(diǎn)模型通過(guò)輸出信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)皮膚血流量和出汗量，從而調(diào)節(jié)人體皮膚溫度和體核溫度，因此，選取皮膚溫度和體核溫度這兩個(gè)生理量指標(biāo)來(lái)開(kāi)展人體熱反應(yīng)模型研究。血壓、心率和出汗量3個(gè)生理量指標(biāo)可以反映出受試者的生理調(diào)節(jié)狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)對(duì)這3個(gè)指標(biāo)都進(jìn)行了測(cè)定。其中，出汗量的測(cè)定方法是采用高精度工業(yè)天秤，對(duì)受試者在規(guī)定時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行體重測(cè)量，取前后兩次體重值之差作為出汗量。然而，在后續(xù)分析中發(fā)現(xiàn)，室外環(huán)境中體重的測(cè)定受風(fēng)速的影響，出汗量的測(cè)定值存在很大誤差。由于血壓、心率和出汗量在二節(jié)點(diǎn)模型的系列數(shù)學(xué)表達(dá)式中屬于因變量，這3個(gè)變量的測(cè)試與否不影響皮膚溫度和體核溫度的計(jì)算，因此，實(shí)驗(yàn)舍棄了出汗量的相關(guān)分析。

引起人體生理量變化的主要環(huán)境因素為：風(fēng)速、太陽(yáng)輻射、場(chǎng)地的變化以及人體活動(dòng)狀態(tài)，針對(duì)上述因素，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了站立、行走和環(huán)境交替變化3種類(lèi)型的6個(gè)工況，具體如表1所示。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]的研究顯示，廣州11月典型氣象日的日最高空氣溫度為29.2 ℃，日最大太陽(yáng)輻射量為978.93 W/m2，考慮到在此環(huán)境中無(wú)間隔站立行走30 min受試者很容易患中暑等熱疾病，基于安全考慮及招募受試者也存在一定的難度，選取了6名18～30歲的健康在校學(xué)生，于2017年11月27—28日下午及12月1日下午開(kāi)展了人體熱反應(yīng)測(cè)試，測(cè)試期間的天氣狀況如圖1所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和測(cè)試儀器

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為華南理工大學(xué)五山校區(qū)校園內(nèi)的實(shí)際人行空間，場(chǎng)地滿足休息室、日照區(qū)域和遮蔭區(qū)域銜接在一起的需求，如圖2、圖3所示。實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)的環(huán)境參量和人體生理量如表3所示。

皮膚溫度的監(jiān)測(cè)采用文獻(xiàn)[17]中的7點(diǎn)測(cè)試方法，監(jiān)測(cè)額頭、手腕、手背、腹部、大腿、小腿和腳背溫度的連續(xù)變化。動(dòng)態(tài)環(huán)境參量的獲得方法為：用電動(dòng)三輪車(chē)裝載測(cè)試儀器，在實(shí)驗(yàn)中跟受試者一起保持相同的活動(dòng)狀態(tài)，獲得與受試者所處環(huán)境一致的動(dòng)態(tài)環(huán)境參量，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)置如圖4所示。

1.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，受試者統(tǒng)一服裝，按照?qǐng)D5所示流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前在可控房間靜坐30 min，受控室溫度維持在24 ℃，室內(nèi)風(fēng)速為0 m/s，MRT值為24 ℃，所有環(huán)境參數(shù)維持穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)記錄受試者皮膚溫度、體核溫度、血壓、心率等生理量指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，受試者在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地中面朝太陽(yáng)方向，每隔5 min記錄一次皮膚溫度、體核溫度和血壓心率等生理量指標(biāo)。參照標(biāo)準(zhǔn)ANSI ASHRAE Standard 55—2017，受試者在站立狀態(tài)時(shí)的新陳代謝量取70 W/m2，行走速度為1.2 m/s時(shí)的新陳代謝量取150 W/m2。

1.5 測(cè)試結(jié)果

各工況中的環(huán)境參數(shù)與受試者生理量變化如圖6所示。

工況1：遮蔭處站立。受試者由受控間到遮蔭區(qū)域站立，平均皮膚溫度呈下降趨勢(shì)，下降幅度為1 ℃左右;平均體核溫度呈曲折上升趨勢(shì)，變化幅度為0.4 ℃左右;平均血壓和心率都比較平穩(wěn)，說(shuō)明此工況下受試者血流變化量小，通過(guò)皮膚層散熱也小。

工況2：日照處站立。受試者由受控間來(lái)到日照區(qū)域站立，平均皮膚溫度在前15 min呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，之后稍有回落，變化幅度為2 ℃左右;平均體核溫度同樣呈波動(dòng)上升狀態(tài)，波動(dòng)幅度為0.5 ℃左右。受試者最高血壓、最低血壓以及心率都高于沒(méi)有太陽(yáng)輻射的工況1，說(shuō)明在有太陽(yáng)輻射的情況下，受試者血流速率增大，通過(guò)血液的流動(dòng)將更多的體內(nèi)產(chǎn)熱傳到皮膚層散發(fā)出去。

工況3：遮蔭處行走。受試者由受控間來(lái)到遮蔭區(qū)域以1.2 m/s行走，平均皮膚溫度在前10 min下降較快，之后趨于平穩(wěn)，變化幅度接近2 ℃;平均體核溫度同樣呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，波動(dòng)幅度為0.3 ℃左右。血壓呈現(xiàn)波動(dòng)上升的狀態(tài)，說(shuō)明受試者肌體血流速率增加，加快了將體內(nèi)產(chǎn)生的熱量通過(guò)皮膚層散發(fā)出去。

工況4：日照處行走。受試者由受控間來(lái)到日照區(qū)域，以1.2 m/s行走，平均皮膚溫度在前5 min上升較快，之后呈波動(dòng)狀態(tài)，變化幅度接近2 ℃;平均體核溫度隨著時(shí)間的增加逐漸上升，波動(dòng)幅度為0.4 ℃左右。工況4的血壓和心率都高于工況3的狀態(tài)，且波動(dòng)幅度更大，說(shuō)明此工況下受試者體內(nèi)積累了更多的熱量，身體通過(guò)調(diào)節(jié)增加血流速率和心跳速率，將體內(nèi)熱量從皮膚層散發(fā)出去。

工況5：環(huán)境交替變化站立。受試者走出受控間，在日照遮蔭日照區(qū)域交替站立10 min，皮膚溫度隨著環(huán)境的改變變化明顯，在日照區(qū)域皮膚溫度逐漸升高，在遮蔭區(qū)域皮膚溫度逐漸降低。受試者體核溫度值隨環(huán)境MRT的增大而上升，隨環(huán)境MRT的減小而下降，波動(dòng)幅度較大。受試者血壓值呈現(xiàn)與工況1、工況2相同的狀態(tài)，即在太陽(yáng)輻射較強(qiáng)區(qū)域升高，在太陽(yáng)輻射較弱區(qū)域回落。

工況6：環(huán)境交替變化行走。受試者走出受控間，在日照遮蔭日照區(qū)域交替行走10 min，皮膚溫度變化趨勢(shì)與工況5一致，由于受較大相對(duì)風(fēng)速和較高的出汗量的影響，變化幅度略小于工況5。受試者的體核溫度變化規(guī)律與工況5基本一致，但體核溫度值要高于工況5。同樣，在步行狀態(tài)下，受試者的血壓和心率都比站立狀態(tài)下要高，在日照區(qū)域，血壓有升高趨勢(shì);在遮蔭區(qū)域，血壓有下降趨勢(shì)。

2 二節(jié)點(diǎn)模型的適應(yīng)性驗(yàn)證及修正

2.1 二節(jié)點(diǎn)模型模擬精度分析

為驗(yàn)證二節(jié)點(diǎn)模型（2NM）在濕熱地區(qū)室外動(dòng)態(tài)環(huán)境中的預(yù)測(cè)精度，用模型對(duì)受試者生理量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，將預(yù)測(cè)值（模擬輸出結(jié)果）與觀測(cè)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)生理量數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較，二節(jié)點(diǎn)模型的輸入為室外熱環(huán)境的4個(gè)環(huán)境參量：空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、MRT值和2個(gè)人體相關(guān)參量：服裝熱阻、人體代謝率，分析過(guò)程如圖7所示。

皮膚溫度和體核溫度的實(shí)測(cè)值與二節(jié)點(diǎn)模型的模擬值分別如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可以看出，二節(jié)點(diǎn)模型的預(yù)測(cè)值均高于熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)值，這與日本東北大學(xué)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果類(lèi)似[12]，該實(shí)驗(yàn)的4個(gè)工況條件下，受試者在可控房間內(nèi)的平均皮膚溫度實(shí)測(cè)值和二節(jié)點(diǎn)模型模擬值如表4所示。

由表4可知，工況1中實(shí)測(cè)值與模擬值之差最小，選擇該工況，采用式（2）做t檢驗(yàn)，分析實(shí)測(cè)值與模擬值之間是否存在顯著性差異。

通過(guò)對(duì)工況1受試者平均皮膚溫度實(shí)測(cè)值和二節(jié)點(diǎn)模型的預(yù)測(cè)值做t檢驗(yàn)，根據(jù)結(jié)果查表，得出檢驗(yàn)概率P<0.05，存在顯著性差異。由于工況1中實(shí)測(cè)值與模擬值之差最小，因此，可得出所有工況均存在顯著性差異。

2.2 二節(jié)點(diǎn)模型的吻合度檢驗(yàn)

亞洲人作為受試者的人體熱反應(yīng)存在二節(jié)點(diǎn)模型預(yù)測(cè)值高于實(shí)測(cè)值的現(xiàn)象。Gagge[6]的附件中給出了二節(jié)點(diǎn)模型的FORTRAN程序代碼，由代碼可得其熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)于室內(nèi)穩(wěn)態(tài)環(huán)境中進(jìn)行，人體模型采用的是歐美白種人人體標(biāo)準(zhǔn)模型。為驗(yàn)證此模型應(yīng)用到室外動(dòng)態(tài)環(huán)境的人體熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，且受試者為黃種人時(shí)，模型是否需要修正，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)亞洲受試者二節(jié)點(diǎn)模型生理量預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值做了吻合度檢驗(yàn)。

吻合度評(píng)價(jià)值C的計(jì)算式如式（3）。

對(duì)C值進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)C>1.2時(shí)，表示二節(jié)點(diǎn)模型預(yù)測(cè)值和熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值不相吻合;當(dāng)0.8≤C≤1.2時(shí)，表示二節(jié)點(diǎn)模型預(yù)測(cè)值和熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值在標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍內(nèi)吻合;當(dāng)C<0.8時(shí)，表示二節(jié)點(diǎn)模型預(yù)測(cè)值和熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值之間吻合度高。如果二節(jié)點(diǎn)模型預(yù)測(cè)值和熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值之間的吻合度較低或者不相吻合，則需對(duì)二節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行修正，以提高適用性。

計(jì)算得到的6個(gè)工況條件下皮膚和體核溫度的二節(jié)點(diǎn)模型預(yù)測(cè)值及熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值之間的吻合度C值如表5所示。

由表5中吻合度判斷可知，在室外動(dòng)態(tài)環(huán)境中應(yīng)用二節(jié)點(diǎn)模型時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行修正。

2.3 二節(jié)點(diǎn)模型的修正過(guò)程

將二節(jié)點(diǎn)模型FORTRAN程序代碼[6]的算法過(guò)程、相關(guān)數(shù)學(xué)表達(dá)式的生理量取值與實(shí)驗(yàn)相應(yīng)過(guò)程及相關(guān)生理量實(shí)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)分析，發(fā)現(xiàn)模型算法的預(yù)測(cè)流程與本實(shí)驗(yàn)在以下方面存在差異，具體為：受試者皮膚和體核調(diào)定溫度、人體標(biāo)準(zhǔn)模型取值、肌體啟動(dòng)體溫調(diào)節(jié)時(shí)的環(huán)境溫度值、人體與環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)取值。因此，需要對(duì)此4個(gè)方面取值進(jìn)行修正，修正過(guò)程如下：

1）6個(gè)實(shí)驗(yàn)工況受試者初始皮膚溫度平均值為32.9 ℃，初始體核溫度平均值為36.1 ℃，二節(jié)點(diǎn)模型相應(yīng)取值為初始體核溫度值34.1 ℃、初始體核溫度值36.6 ℃，表明亞洲黃種人皮膚、體核溫度的調(diào)定點(diǎn)與歐美白種人之間存在差異，需對(duì)模型相應(yīng)取值進(jìn)行修正，分別為32.9、36.1 ℃。

2）目前缺乏中國(guó)人標(biāo)準(zhǔn)人體模型數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中，受試者平均體重為63.8 kg，平均身高為1.66 m，平均人體表面積為1.8 m2。二節(jié)點(diǎn)模型中相應(yīng)取值采用了白種人標(biāo)準(zhǔn)人體模型數(shù)據(jù)，即體重81.7 kg，身高1.77 m，人體表面積2.0 m2。由黃種人和白種人之間的差異性可知，需對(duì)相應(yīng)取值進(jìn)行修正，采用實(shí)驗(yàn)受試者平均值。

3）二節(jié)點(diǎn)模型基于室內(nèi)可控環(huán)境開(kāi)發(fā)，沒(méi)有受到太陽(yáng)輻射的影響，當(dāng)空氣溫度達(dá)到一定高度時(shí)，受試者肌體就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)體溫調(diào)節(jié)功能。熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)選取的場(chǎng)所為有太陽(yáng)輻射影響的室外動(dòng)態(tài)環(huán)境，在輻射影響下，人體啟動(dòng)調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)溫度值應(yīng)考慮太陽(yáng)輻射影響，因此，對(duì)二節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行修正，將受試者肌體自動(dòng)啟動(dòng)體溫調(diào)節(jié)功能的驅(qū)動(dòng)溫度值由空氣溫度Ta改為受試者所處環(huán)境的平均輻射溫度MRT。

4）二節(jié)點(diǎn)模型基于室內(nèi)可控環(huán)境開(kāi)發(fā)，不用考慮風(fēng)速的影響，人體與環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)hc取值為查表獲得的常量，以步行狀態(tài)為例其取值為10.00 W/m2·C。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為室外動(dòng)態(tài)環(huán)境，風(fēng)速時(shí)刻變化，受試者與環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)跟瞬時(shí)相對(duì)風(fēng)速密切相關(guān)，因此，需對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)的取值方法進(jìn)行修正，修正方法按式（4）[17]進(jìn)行。

2.4 修正后二節(jié)點(diǎn)模型的吻合度檢驗(yàn)

將二節(jié)點(diǎn)模型（簡(jiǎn)稱(chēng)為Re2NM）進(jìn)行修正后，對(duì)修正后模型的預(yù)測(cè)精度進(jìn)行吻合度檢驗(yàn)。實(shí)測(cè)值與Re2NM對(duì)人體皮膚、體核溫度的預(yù)測(cè)值比較如圖10、圖11所示。

修正之后的二節(jié)點(diǎn)模型皮膚溫度和體核溫度模擬值吻合度檢驗(yàn)見(jiàn)表6。

由表中吻合度判定可知，6個(gè)工況的Re2NM對(duì)受試者皮膚溫度、體核溫度模擬值與實(shí)測(cè)值具有高吻合度，由此可知，修正后人體二節(jié)點(diǎn)模型對(duì)中國(guó)濕熱地區(qū)室外環(huán)境中人體變化的生理量預(yù)測(cè)具有適應(yīng)性，可用于該地區(qū)人體變化生理量的預(yù)測(cè)。

2.5 討論

二節(jié)點(diǎn)模型由Gagge基于室內(nèi)可控穩(wěn)態(tài)環(huán)境開(kāi)發(fā)，受試者均為歐美白種人，模型的所有數(shù)參量基于歐美白種人人體標(biāo)準(zhǔn)體型確定取得，并寫(xiě)入模型軟件的相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算式中。同樣，由于試驗(yàn)場(chǎng)地為室內(nèi)可控環(huán)境，人體與環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)值為常數(shù)，具體取值根據(jù)人體的活動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行查表獲得。因此，在其他不同狀態(tài)環(huán)境中應(yīng)用Gagge的二節(jié)點(diǎn)模型，或受試者為其他與歐美白種人存在差異的人種時(shí)，為保證實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)精度，需要對(duì)二節(jié)點(diǎn)模型的相關(guān)計(jì)算過(guò)程和取值進(jìn)行修正。

筆者從受試者皮膚和體核調(diào)定溫度、人體標(biāo)準(zhǔn)模型身高、體重和體表面積值、引起肌體啟動(dòng)體溫調(diào)節(jié)的環(huán)境溫度值、人體與所處環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)取值等方面，在Gagge的原始二節(jié)點(diǎn)模型FORTRAN語(yǔ)言計(jì)算程序基礎(chǔ)上進(jìn)行了修正，同時(shí)寫(xiě)成EXCEL程序進(jìn)行驗(yàn)證。修正方法為：

1）將原始程序中相關(guān)人體常量定義成可賦值變量。

2）將人體與所處環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)有常量替換為數(shù)學(xué)表達(dá)式并增補(bǔ)進(jìn)程序中。

通過(guò)上述修正方式，得到的模型實(shí)現(xiàn)了模型程序的通用性，消除了樣本量不足時(shí)預(yù)測(cè)精度不高的局限性：當(dāng)熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地改變或受試者數(shù)量改變時(shí)，只要按要求輸入相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)和受試者參數(shù)，就可以保證預(yù)測(cè)的精度。

3 結(jié)論

1）受試者在零風(fēng)速的受控室生理特征趨于平穩(wěn)，之后進(jìn)入無(wú)太陽(yáng)直射輻射的室外環(huán)境，受場(chǎng)地內(nèi)自然風(fēng)的影響，人體與環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)增加，加快了人體與環(huán)境之間的對(duì)流換熱速度，皮膚表面水份加速蒸發(fā)致使皮膚的表面溫度下降，之后在人體的體溫調(diào)節(jié)作用下皮膚的表面溫度趨于平穩(wěn)。當(dāng)人體從無(wú)風(fēng)受控室進(jìn)入太陽(yáng)直射輻射區(qū)域時(shí)，高平均輻射溫度（MRT）使皮膚溫度上升，之后人體進(jìn)行體溫調(diào)節(jié)，皮膚溫度趨于平穩(wěn)，當(dāng)平均輻射溫度（MRT）降低時(shí)，平均皮膚溫度有下降趨勢(shì)，之后人體進(jìn)行體溫調(diào)節(jié)，皮膚溫度趨于平穩(wěn)。

2）站立或行走狀態(tài)下，受試者的體核溫度都明顯受所處環(huán)境平均輻射溫度（MRT）影響，在平均輻射溫度（MRT）較高環(huán)境中上升較快，在平均輻射溫度（MRT）較低環(huán)境中呈緩慢上升。當(dāng)受試者所處場(chǎng)地環(huán)境改變時(shí)，在平均輻射溫度（MRT）值較高的區(qū)域，皮膚溫度、體核溫度、血壓和心率都呈上升趨勢(shì)，在平均輻射溫度（MRT）值較低的區(qū)域呈下降趨勢(shì)。

3）Gaage的人體二節(jié)點(diǎn)模型應(yīng)用到黃種人的生理量預(yù)測(cè)時(shí)，模型預(yù)測(cè)值普遍高于實(shí)測(cè)值，預(yù)測(cè)值和模擬值吻合度不高或不相吻合。

4）當(dāng)受試者為非歐美白種人或?qū)嶒?yàn)環(huán)境改變時(shí)，需對(duì)Gaage的人體二節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行修正，修正的內(nèi)容包括：皮膚、體核調(diào)定溫度、人體標(biāo)準(zhǔn)模型身高、體重和體表面積值、引起肌體啟動(dòng)體溫調(diào)節(jié)的環(huán)境溫度值、人體與所處環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)取值。為保證修正模型的通用性，在模型的計(jì)算程序中，相關(guān)參數(shù)和調(diào)節(jié)過(guò)程不應(yīng)寫(xiě)成常量，而應(yīng)寫(xiě)成可賦值的變量或數(shù)學(xué)表達(dá)式。

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（編輯 胡玥）