特種密閉服裝內(nèi)微環(huán)境熱舒適評價模型探討

王 濤，林貴平，張萬欣，卜雪琴，張 宸，陶永博

（1.北京航空航天大學(xué)人機(jī)工效與環(huán)境控制重點學(xué)科實驗室，北京100191；2.中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京100094）

1 引言

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的ISO 7730標(biāo)準(zhǔn)將熱舒適描述為人對周圍熱環(huán)境所做的主觀滿意度評價［1］。20世紀(jì)初，隨著科技的發(fā)展和生活水平的提高，人們對住所和穿衣有了更為苛刻的舒適要求，環(huán)境的熱舒適性研究開始盛起。20世紀(jì)中后期，熱舒適問題直接影響到了建筑環(huán)境系統(tǒng)的節(jié)能，在建筑的經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性發(fā)展上起著十分重要的作用，這一時期熱舒適研究得到了迅猛發(fā)展［2］。直到現(xiàn)今熱舒適與能源之間發(fā)展矛盾解決方案的不斷優(yōu)化依然是人類邁進(jìn)現(xiàn)代化進(jìn)程中需要面對和解決的課題之一。

熱舒適研究在過去很長一段時間內(nèi)關(guān)注的是建筑室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性，內(nèi)容包含建立模型和評價指數(shù)［3-4］、試驗研究［5］、建立評價方法和熱舒適標(biāo)準(zhǔn)［6］等。這些研究發(fā)現(xiàn)創(chuàng)建了現(xiàn)今國際和國內(nèi)執(zhí)行的通行標(biāo)準(zhǔn)，即ASHRAE 55標(biāo)準(zhǔn)［7］和ISO7730標(biāo)準(zhǔn)［1］。這兩個標(biāo)準(zhǔn)主要基于人體與環(huán)境間的熱交換理論，由丹麥Fanger教授通過1296名志愿者在人工氣候艙內(nèi)的大量試驗數(shù)據(jù)推導(dǎo)獲?。?］。然而這些方法和標(biāo)準(zhǔn)基于的是熱舒適狀態(tài)發(fā)生在人體與環(huán)境間達(dá)到熱平衡時的假設(shè)，適用條件是人體處于或接近熱中性狀態(tài)，這大大限定和縮小了人體熱舒適范圍，另外模型也沒有考慮地域、種族、年齡和性別的差異性［9］。此類標(biāo)準(zhǔn)只適用于穩(wěn)態(tài)均勻環(huán)境［10］。

密閉服內(nèi)部空間狹小，始終處于動態(tài)和非均勻的微小環(huán)境氣候下。相比穩(wěn)態(tài)均勻環(huán)境，在此類環(huán)境中人對環(huán)境的主觀熱反應(yīng)不僅取決于整個身體的熱狀態(tài)，同時也受制于對身體各個局部熱狀態(tài)的判斷［11-12］。在過去二十多年里，有大量的研究文獻(xiàn)涉足動態(tài)非均勻環(huán)境下的熱舒適研究［13-15］，它們主要集中在汽車行業(yè)，這是由于汽車車轎內(nèi)環(huán)境常常處于不均勻和瞬態(tài)。這些文獻(xiàn)給出的經(jīng)驗和成果為密閉服的熱舒適性研究提供了有益借鑒，但由于服裝內(nèi)部空間更狹小，內(nèi)腔結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，還有通風(fēng)加液冷的特殊散熱形式，這些特性還需要有針對性的具體研究，另外動態(tài)非均勻環(huán)境下的熱舒適研究本身還不成熟，目前還處于基礎(chǔ)實驗和探索階段，現(xiàn)有大量文獻(xiàn)中的研究方式和結(jié)論都有其局限性。開展密閉服熱舒適性問題研究和探討不僅是特種服裝工程的需要，也將在學(xué)術(shù)上拓展熱舒適研究的范圍和領(lǐng)域。

2 熱舒適評價方法和模型

熱舒適問題涉及環(huán)境、生理和心理等諸多因素的共同作用［16］，研究包括諸多方面：試驗研究，評價方法研究，確立熱舒適標(biāo)準(zhǔn)、評價指標(biāo)和建立模型等。本文著重在研究方法和建立模型兩方面進(jìn)行探討。

2.1 穩(wěn)態(tài)均勻環(huán)境評價方法和模型

目前有兩種不同的評價方法對穩(wěn)態(tài)和均勻環(huán)境熱舒適進(jìn)行評估，它們具有各自的優(yōu)缺點。這兩種方法是：熱平衡方法和適應(yīng)性方法。

2.1.1 熱平衡法

在眾多的熱平衡方法中，F(xiàn)anger提出的舒適模型最為典型，他建立的舒適模型如式（1）～（9）［17］：

式中：M為新陳代謝率，W為人體對外做功功率，E為蒸發(fā)散熱量，R為輻射換熱量，C為對流換熱量。其中蒸發(fā)散熱量由公式（2）～（6）給出，輻射換熱和對流換熱分別由公式（7）和公式（8）給出：

式中：Ew為水分蒸發(fā)散熱；Esw為皮膚汗液蒸發(fā)散熱；Eres為呼吸潛熱散熱；Qres為呼吸顯熱散熱；Tsk是人體皮膚表面溫度，在熱舒適狀態(tài)下其表達(dá)式如公式（9）；Pa為空氣中的水蒸汽分壓力；ta為環(huán)境空氣溫度；fcl為服裝面積系數(shù)，是人體著裝后外露面積與裸體表面積的比值；tcl為服裝外表面溫度，是服裝熱阻等參數(shù)的函數(shù)；ˉtr為環(huán)境平均輻射溫度；α為對流換熱系數(shù)，是風(fēng)速的函數(shù)。

Fanger的人體熱平衡模型是在熱中性狀態(tài)下建立的，模型較為全面和客觀的反映出在熱中性狀態(tài)下影響人體熱舒適的6個影響參數(shù)及其相互間的作用關(guān)系，其適用范圍如下：1）穩(wěn)態(tài)環(huán)境；2）均勻環(huán)境；3）人體皮膚表面要有接近熱舒適時的溫度；4）人體具有接近舒適時的排汗率［8］。

毋庸置疑Fanger在熱舒適評價方法上的研究工作是開創(chuàng)性的，由其建立的熱舒適方程是目前為止對人體熱舒適因素考慮最為全面的推導(dǎo)公式，在其理論下形成的ISO 7730國際標(biāo)準(zhǔn)沿用至今。但任何理論都有一定的局限性，這一理論也飽受爭議，越來越多的學(xué)者對其提出質(zhì)疑［10，18-20］。這主要是因為Fanger理論是基于試驗室研究，大量試驗數(shù)據(jù)來自人工氣候模擬艙，測量環(huán)境是穩(wěn)態(tài)和均勻（或大致均勻）的，這與現(xiàn)實中真實環(huán)境有很大差別［5］；還有，F(xiàn)anger的熱平衡模型是在熱中性狀態(tài)下建立的，以其為原理的PMV方程只能預(yù)測較為熱舒適環(huán)境下的人體舒適程度，對于熱不舒適環(huán)境（｜PMV｜＞2）的預(yù)測是不適宜的［9］，這是在使用ISO 7730國際標(biāo)準(zhǔn)時經(jīng)常容易走入的誤區(qū)。Fanger模型受到質(zhì)疑還有一個重要原因是模型中沒有考慮人種、文化、氣候、地域、社會環(huán)境和性別等因素對熱舒適的影響［21］。

2.1.2 適應(yīng)性方法

在熱舒適評價方法里考慮人的自適應(yīng)行為就形成了自適應(yīng)方法，它的理論思想是：人既是環(huán)境熱刺激的被動接受者，也是積極的適應(yīng)者，人的適應(yīng)性對熱感覺的影響超過了自身熱平衡，對環(huán)境的積極適應(yīng)會使人逐漸對該環(huán)境滿意［22］。de Dear［23］將人體對熱環(huán)境自適應(yīng)性調(diào)整分為三個類別，分別是：行為自適應(yīng)，生理自適應(yīng)和心理自適應(yīng)，詳見圖1。

圖1 自適應(yīng)模型原理圖［23］Fig．1 Schematic diagram of holistic principle of adaptive models［23］

自適應(yīng)方法基本原理是有任何引起熱不舒適的變化發(fā)生，人體就會向維持熱舒適狀態(tài)做出行為反應(yīng)［24］?？梢钥闯霾捎米赃m應(yīng)方法對熱環(huán)境做出的評價要比熱平衡法更貼近實際生活應(yīng)用，出現(xiàn)熱不舒適的情況會更少，對熱環(huán)境的可接受程度更寬，使得建筑暖通系統(tǒng)運行成本更低。

自適應(yīng)方法在應(yīng)用中也有不足之處。正如Halawa和van Hoof指出，標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE 55中創(chuàng)建自適應(yīng)舒適圖表里內(nèi)含的所有前提和假設(shè)對使用者來說是無從知曉的，這會對應(yīng)用產(chǎn)生混淆和誤區(qū)［25］。由自適應(yīng)方法設(shè)計出的某些綠色環(huán)保建筑雖然較Fanger的方法更為節(jié)能，然而在長期運轉(zhuǎn)中并不可靠，不能使人員感到熱舒適［26］。

2.2 動態(tài)非均勻環(huán)境評價方法和模型

早期人體熱舒適研究主要局限在穩(wěn)態(tài)和均勻的熱環(huán)境，上世紀(jì)八十年代以來，動態(tài)和非均勻環(huán)境的熱舒適問題業(yè)已成為國際上的研究熱點。這是因為動態(tài)和非均勻環(huán)境在實際生活中是普遍存在的，另外隨著對人體熱舒適研究的深入，人們開始認(rèn)識到穩(wěn)態(tài)和均勻的環(huán)境不是熱舒適的充要條件，相反在動態(tài)和非均勻環(huán)境里才有可能達(dá)到熱舒適狀態(tài)［27］。

動態(tài)和非均勻環(huán)境下的熱舒適研究起步晚，目前還不成熟，在該方向上還是以試驗和建模研究為主。例如Taniguchi［28］針對車內(nèi)環(huán)境的非均勻和動態(tài)變化的特點建立了一種多元線性回歸模型，用來評估車內(nèi)乘員整體熱感覺。Hagino和Junichiro開展了人體整體和部分肢體間熱感覺相互影響關(guān)系的研究，結(jié)果指出前額和上臂對人體整體熱感覺影響比其他肢體更靈敏［29］。 De Dear［30］通過給人體熱敏感性不同的部位分配不同的熱感覺影響因子，創(chuàng)建了動態(tài)熱刺激模型用于評估瞬態(tài)下的人體熱感覺。近年來Zhang［31-36］基于大量人工試驗艙內(nèi)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)環(huán)境試驗數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一種較為全面的熱感覺和熱舒適模型，該模型可以適用于均勻、非均勻和穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)的較為廣泛的環(huán)境條件。筆者認(rèn)為這是目前為止在試驗研究上考慮人體局部和整體熱感覺／熱舒適相互作用影響較為全面的人體熱舒適預(yù)測模型，具有一定的發(fā)展和應(yīng)用前景。

3 密閉服熱舒適評價模型方案

3.1 密閉服內(nèi)環(huán)境特點

密閉服內(nèi)環(huán)境參數(shù)特點是：瞬態(tài)變化，空間分布不均勻（如空氣溫度、濕度空間分布梯度大），面部輻照強(qiáng)度強(qiáng)等，另外有的密封服內(nèi)還有通風(fēng)和液冷等特殊散熱形式，這些特點將增加小環(huán)境熱舒適的預(yù)測難度。

3.2 總體方案

動態(tài)非均勻環(huán)境下的熱舒適研究難點是各類環(huán)境參數(shù)的非均勻和隨時間變化給人體帶來的瞬時效應(yīng)對熱舒適如何產(chǎn)生作用。本文采用的研究方法借鑒了國際上較為主流的研究思路，其流程如圖2所示［37］：首先為了得到與熱舒適相關(guān)的環(huán)境參數(shù)的空間分布和隨時間變化的情況，采用商業(yè)CFD軟件，如Fluent等，對小環(huán)境空間的流場、溫度場和濕度場分布進(jìn)行實時計算。再將計算結(jié)果作為邊界條件輸入人體生理熱調(diào)節(jié)模型和衣物熱模型，得出人體在每一時刻的局部皮膚溫度、整體平均皮膚溫度和核心溫度，及它們的溫度變化率。將這些參數(shù)輸入主觀熱反應(yīng)模型（即熱舒適模型），計算得到人體各節(jié)段的局部熱舒適值和整個人體的熱舒適值。

建模的同時還需要開展試驗研究，因為流程中所牽涉的各類模型可以有不同的選擇，但是目前所有現(xiàn)有模型都是研究者在特定研究范圍和工況下，用小樣本數(shù)據(jù)取得的研究成果，其內(nèi)置的各種參數(shù)是否具有普適性，不能得到證實。因此在現(xiàn)階段，試驗研究仍然是必不可少的手段，它可以檢驗和修正由模型得到的局部熱舒適與整體熱舒適值，使模型在實際使用工況下具有一定的工程應(yīng)用價值。

圖2 動態(tài)非均勻環(huán)境下熱舒適評價仿真計算流程Fig．2 Calculation process of simulation for thermal comfort evaluation in dynamic and non-uniform environment

3.2.1 人體熱調(diào)節(jié)模型

人體熱調(diào)節(jié)模型的研究始于二十世紀(jì)初［38］，發(fā)展至今已積累了大量豐富的研究成果。在這些成果中一些具有重要地位和里程碑意義的模型是在二十世紀(jì)六十年代到九十年代期間建立的，在此之后多是對這些經(jīng)典模型的完善、補(bǔ)充和具體應(yīng)用。根據(jù)研究方法不同，可將模型歸為以下幾類：1）一節(jié)點模型（經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?）兩節(jié)點模型；3）多節(jié)點模型；4）多元模型。表1將對不同模型方法中具有代表性的經(jīng)典模型進(jìn)行介紹和評述。

表1 典型生理熱調(diào)節(jié)模型匯總Table 1 Summary of the classical physiological thermoregulation models

密閉服的環(huán)境特點是動態(tài)非均勻環(huán)境，從表中可以明確，只有多節(jié)點模型和多元模型滿足要求。多元模型雖然更適合應(yīng)用在動態(tài)非均勻環(huán)境下，但其所使用的有限元方法較為復(fù)雜，應(yīng)用難度大，而且模型中的網(wǎng)格數(shù)量多，會占用較多的計算機(jī)資源，計算時效不如多節(jié)點模型；而多節(jié)點模型雖然不如多元模型對人體劃分的精細(xì)，在不均勻環(huán)境中的精度略低，但其可以按需求任意劃分節(jié)段和節(jié)點，從而提高預(yù)測精度，達(dá)到工程要求，使用簡單靈活。綜合評定，研究將采用Tanabe多節(jié)點模型（65 節(jié)點）［45］。

3.2.2 衣物傳熱傳質(zhì)模型

研究中可以應(yīng)用的衣物熱質(zhì)傳遞模型有兩類：一是從宏觀層面關(guān)注衣物系統(tǒng)整體對熱濕傳遞的阻隔效應(yīng)的熱阻加濕阻的混合模型；二是從織物材料的微觀結(jié)構(gòu)角度研究熱濕在織物中傳遞的物理機(jī)理而形成的熱濕傳遞耦合模型。前者以Farnworth模型為代表，每層衣物的熱流方程和傳質(zhì)方程見公式（10）和（11）［48］。

式中，Ci是第i層衣物單位面積熱容，Ti是第i層衣物溫度，Rd，i是每層衣物間的熱阻，Qci是每層衣物單位時間和單位面積上水汽吸收或凝結(jié)釋放的熱量，Mi是第i層衣物中單位面積上水的質(zhì)量，其由水蒸氣、液態(tài)水和被纖維吸附的水份三部分構(gòu)成，Pi是水蒸氣壓力，Rv，i水汽的阻力。

熱濕耦合模型基本方程組由拋物型偏微分方程組構(gòu)成，包括三個方程——質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程和織物纖維含濕量的變化特性方程，見公式（12） ～ （14）［47］。

式中，R是回潮率，L蒸發(fā)潛熱，ρfab織物密度，P 水蒸氣分壓力，Rv，fab織物濕阻，tfab織物厚度，CP，fab織物熱容，Rd，fab織物熱阻，RH 相對濕度。

以上兩種模型都有不足和缺陷，仍都處于發(fā)展階段。前者涉及的熱阻和濕阻是在試驗室條件下的測量值，與實際使用情況下的真實值存在差異，這會給模型帶來一定的誤差［49］；后者的問題在于忽略了織物纖維膨縮作用對熱質(zhì)傳遞的影響，也沒有考慮氣體層在織物纖維中的運動和輻射換熱等作用，并且模型求解復(fù)雜不易應(yīng)用，若將其應(yīng)用到整個衣物系統(tǒng)上，需要強(qiáng)大計算機(jī)作為保障［47］，另外從微觀建立起來的模型能否完全反應(yīng)出衣物系統(tǒng)整體的熱質(zhì)傳遞效果也存在疑問。

從工程上來說具體采用哪種類型的模型，取決于模型的易用性、精度的滿足性、占用計算機(jī)資源的大小和計算時效等因素，只有從實際使用環(huán)境和研究對象出發(fā)選擇能夠綜合滿足上述要求的模型才是最優(yōu)的工程解決方案。綜合考慮，熱質(zhì)傳遞耦合模型較為復(fù)雜，應(yīng)用難度大，目前也不成熟不能作為最佳選項，熱阻加濕阻混合模型簡單易用，只要對熱阻和濕租測量準(zhǔn)確能夠滿足工程應(yīng)用需求，是較好的選擇。

3.2.3 主觀熱反應(yīng)模型

目前同時適用于動態(tài)和非均勻環(huán)境下的主觀熱反應(yīng)模型并不多，表2將近些年來出現(xiàn)的主觀熱反應(yīng)模型進(jìn)行了概括說明。不難看出，由Zhang H等建立的模型的適用環(huán)境十分全面，囊括了穩(wěn)態(tài)、動態(tài)、均勻和非均勻的絕大部分的環(huán)境范圍，并可同時對身體局部和整體的熱感覺／熱舒適作出預(yù)測，完全滿足密閉服熱舒適評價中需要對人體整體和各部位進(jìn)行熱舒適預(yù)測的客觀要求。另外該模型的最大特點和優(yōu)勢在于模型中的各類控制系數(shù)是可以通過特定環(huán)境下受試者試驗確定的，保證了模型應(yīng)用的可移植性和準(zhǔn)確性。

表2 典型主觀熱反應(yīng)模型匯總Table 2 Summary of the classical psychological thermal comfort models

3.2.4 密閉服熱舒適評價模型驗證試驗方法

現(xiàn)今試驗驗證在動態(tài)非均勻環(huán)境的熱舒適評價中不可缺少，它不僅是對模型進(jìn)行驗證的必要措施，還可以幫助研究人員發(fā)現(xiàn)動態(tài)非均勻環(huán)境下人體熱舒適受外在因素的影響規(guī)律。試驗總體實施方案如圖3所示，分為三個階段：準(zhǔn)備階段，實施階段和總結(jié)階段。

圖3 熱舒適試驗總體實施方案Fig．3 Overall implementation plan of thermal comfort experiment

實施階段中著服狀態(tài)的設(shè)置情況主要基于兩點考慮：1）要含蓋著密閉服狀態(tài)下由里及外各層服裝；2）服裝的穿著應(yīng)按模型驗證需求由里及外逐層加以驗證。根據(jù)這兩點考慮試驗著服分為四種狀態(tài)：裸體狀態(tài)，著內(nèi)衣狀態(tài)，著內(nèi)衣與液冷服狀態(tài)和著密閉服狀態(tài)。每種著服狀態(tài)對應(yīng)模型的驗證設(shè)計如圖4。

圖4 不同著服狀態(tài)與對應(yīng)模型驗證Fig．4 Relationship between clothing condition and corresponding model verification

每種著服狀態(tài)下受試者要連續(xù)對外進(jìn)行不同量級的做功。試驗需要采集的數(shù)據(jù)見表3，它是依據(jù)試驗對模型的驗證需求和模型本身對環(huán)境初始、邊界參數(shù)輸入的需要而設(shè)計確定的。

4 總結(jié)和討論

本文是針對特種密閉服裝內(nèi)部熱舒適評價方法的預(yù)研究?，F(xiàn)今動態(tài)非均勻環(huán)境下的熱舒適評價方法遠(yuǎn)未達(dá)到成熟階段，沒有成熟體系和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)可以遵循。本文在研讀大量國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出了一種評價方案和思路。依據(jù)文獻(xiàn)對所涉及模型的論述和對后續(xù)項目研究中可能出現(xiàn)的影響因素的考慮，需要關(guān)注和注意以下一些問題的處理：

表3 試驗數(shù)據(jù)采集列表Table 3 List of experimental data

1）人體傳熱模型的精度問題。本項研究要求人體熱調(diào)節(jié)模型對皮膚溫度的預(yù)測精度較高，在±0.8℃內(nèi)。要達(dá)到高精度要求，人體血流模型是關(guān)鍵，而人體血流的分布和分配差異性較大，缺乏生理數(shù)據(jù)。針對此問題的解決思路是利用試驗數(shù)據(jù)對血流控制系數(shù)進(jìn)行修正，以期適應(yīng)受試者生理特點。

2）人體多節(jié)點傳熱模型對人體節(jié)段和節(jié)點的劃分直接影響到對身體熱狀態(tài)預(yù)測的可靠性。劃分過細(xì)會徒增計算量，使預(yù)測模型復(fù)雜，時效性差，精度也未必能得到有效提高；相反，劃分不合理、不夠精細(xì)則會帶來較大偏差，不能為熱舒適預(yù)測模型提供人體真實的熱響應(yīng)狀態(tài)。在分析各類多節(jié)點模型文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，并結(jié)合密閉服結(jié)構(gòu)特點，本項研究將人體劃分成17節(jié)段，分別為：頭部、頸部、胸部、背部、腹部、上臂（左右）、下臂（左右）、手（左右）、大腿（左右）、小腿（左右）、足（左右），每一節(jié)段劃分四層：核心層，肌肉層，脂肪層和皮膚層。

3）衣物傳熱模型。人員在密閉服內(nèi)著裝有兩層：內(nèi)衣層和液冷服層。由于液冷服的存在，人服間的換熱效率較高，即使人體短時內(nèi)產(chǎn)生較大代謝也不會有大量出汗發(fā)生，皮膚和內(nèi)衣始終基本處于干燥狀態(tài)，而且由于液冷服的溫度較為恒定，人體的高代謝和低代謝也不會對其造成大的溫度波動，這些特點使得衣物模型采用相對簡單的熱阻和濕阻混合模型是較為合理的。但研究中還需根據(jù)液冷服和通風(fēng)層換熱特點進(jìn)行有針對性的建模，并通過暖體假人等設(shè)備對服裝織物材料的熱阻和濕租進(jìn)行測量，得到較為準(zhǔn)確和可靠的衣物傳熱模型。

4）主觀熱反應(yīng)模型。研究中采用了Zhang等［建立的熱舒適評估模型，需要指明該模型內(nèi)的各類系數(shù)是否滿足受試者的生理情況，需要通過試驗進(jìn)行驗證和修正，只有針對每一位受試者建立了對應(yīng)的合理系數(shù)才能將模型移植到此項研究中。

5）穿著密閉服對人員心理的影響。“熱感覺”和“熱舒適”概念易混淆，人員在試驗過程中身體表現(xiàn)出的適應(yīng)性，以及環(huán)境的極不均勻造成身體各節(jié)段不同程度的熱應(yīng)激給局部熱感覺和整體熱感覺帶來的判斷誤差，是在試驗受試者培訓(xùn)和數(shù)據(jù)分析時需要著重加以應(yīng)對和考慮的問題。

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