暖體假人的發(fā)展與應(yīng)用

朱凱穎,劉何清,*,米立華,陳 芬,吳世先,2,吳國珊,2

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭411201;2.桂林航天工業(yè)學(xué)院 能源與建筑環(huán)境學(xué)院,廣西 桂林541000)

環(huán)境舒適度是影響生產(chǎn)效率、生活質(zhì)量的重要因素。為研究環(huán)境的舒適度問題,國內(nèi)外專家主要采用真人實(shí)驗(yàn)、問卷調(diào)查以及模擬實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行,其中模擬實(shí)驗(yàn)就包括使用模擬假人進(jìn)行試驗(yàn)。

早在20世紀(jì)20年代,英國就制造了垂直的銅圓柱充當(dāng)假人[1]。早期的假人主要是用來測試服裝熱濕傳遞性能的,隨著假人技術(shù)的發(fā)展,更多諸如航空航天、交通以及消防等領(lǐng)域開始使用假人進(jìn)行試驗(yàn)[2],其與真人試驗(yàn)相比,假人可以根據(jù)需要模擬任意溫度下的人體狀態(tài),且可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的穩(wěn)定控制,不會受人的心理因素的影響,可用于極端或危險(xiǎn)環(huán)境條件下。

假人歷經(jīng)百余年的發(fā)展,已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了作用。本文以暖體假人在熱環(huán)境評價(jià)中的應(yīng)用及發(fā)展為主線,闡述假人的發(fā)展過程以及應(yīng)用,并根據(jù)目前科技發(fā)展的動向提出假人發(fā)展和應(yīng)用的展望。

1 暖體假人的發(fā)展

1.1 國外的暖體假人

從暖體假人研究開始國內(nèi)外已經(jīng)制作了100多種實(shí)驗(yàn)用暖體假人[3],按照暖體假人的用途可分為干態(tài)暖體假人、呼吸暖體假人、出汗暖體假人、數(shù)值暖體假人、浸水暖體假人等。其發(fā)展歷程主要經(jīng)歷了三個(gè)階段:第一個(gè)階段是1941年基于美國學(xué)者Gagge及其研究團(tuán)隊(duì)提出的“clo”即衣物熱阻的概念,美國軍需氣候研究所研制出了第一代暖體假人,為單段暖體假人,只可以用來做靜態(tài)服裝熱阻的測試[4]。早期的暖體假人一般都為軍隊(duì)服務(wù),后來擴(kuò)展到其他各個(gè)領(lǐng)域,但目前暖體假人仍是試驗(yàn)軍需品的重要工具;第二階段的暖體假人為分段式暖體假人,誕生于20世紀(jì)60年代,相比單段暖體假人的優(yōu)點(diǎn)在于其每段都可單獨(dú)控制,獨(dú)立加熱,模擬人體一些簡單的姿勢,更真實(shí)地模擬人體體表溫度狀態(tài)[5],可進(jìn)行服裝的靜態(tài)以及動態(tài)熱阻測定;第三代暖體假人為出汗暖體假人[6-7],20世紀(jì)70年代由Golden man[8]與Mecheels[9]教授等聯(lián)合制作的。第三代暖體假人與前兩代暖體假人相比,不僅可以真實(shí)模擬人體表皮溫度,測量服裝的靜態(tài)和動態(tài)熱阻,還能在微機(jī)和軟件的控制下模擬人體出汗?fàn)顩r?；谌梭w出汗分為氣態(tài)和液態(tài),出汗暖體假人又分為有汗腺及無汗腺兩類[10]。出汗暖體假人的出現(xiàn),使得定量評價(jià)服裝的熱學(xué)性能(濕阻以及隔熱性能)成為可能,現(xiàn)今被廣泛地用于特種服裝(航空航天、消防等)的評價(jià)和人—服裝—環(huán)境熱交換的評價(jià)[11]。

1.2 我國的暖體假人

我國暖體假人的理論研究和模型制作起步較晚,自20世紀(jì)70年代我國才開始重視暖體假人的研制,東華大學(xué)和總后勤部軍需裝備研究所是當(dāng)時(shí)最早一批研究暖體假人的單位。

20世紀(jì)70年代,總后勤部軍需裝備研究所成功研制了恒溫暖體假人,又在80年代研制了變溫暖體假人,并廣泛應(yīng)用于各類特種服裝[12]的研制;90年代起開始研究出汗暖體假人,并在2000年成功研制出出汗暖體假人測試系統(tǒng)[13]。諶玉紅[14]將中國與瑞典暖體假人進(jìn)行了服裝熱阻測試對比,結(jié)果表明無顯著差異,間接反映出我國在暖體假人研究領(lǐng)域已達(dá)到世界先進(jìn)水平。

自20世紀(jì)80年代,被稱為“暖體假人之父”的東華大學(xué)張渭源教授開始暖體假人研究,并將暖體假人成功應(yīng)用到極地防寒服的研制上。1995年東華大學(xué)與航天所合作研制了暖體出汗假人,并成功應(yīng)用于航天服的研制,這是我國第一個(gè)用于航天的暖體假人;2000年研究了暖體假人內(nèi)部熱損失,為利用暖體假人開展服裝散熱損失實(shí)驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)[15]。此后,東華大學(xué)暖體假人團(tuán)隊(duì)先后研制成功了“神舟五號假人”、“神舟七號假人”,并以此進(jìn)行了艙內(nèi)及艙外航天服的制作研究[16-17],同時(shí)還對簡易假人體表電阻絲的敷設(shè)[18]和假人表面軟質(zhì)模擬皮膚[19]等進(jìn)行了研究,為我國暖體假人的研究做出了貢獻(xiàn)。

在暖體假人研究的基礎(chǔ)上,2000年我國開始了數(shù)值暖體假人的研究。2013年王云儀和李俊等[20]利用CFD軟件建立了虛擬的人工氣候?qū)嶒?yàn)室和數(shù)值人體,預(yù)測了軀干著裝時(shí)衣下空氣層內(nèi)的溫度分布,結(jié)果與真實(shí)情況具有一致性,說明了數(shù)值暖體假人能夠準(zhǔn)確預(yù)測人體—服裝—環(huán)境的熱量傳遞與交換。

2002年中國香港理工大學(xué)的范金土教授發(fā)明了全球第一個(gè)用特種織物制作的出汗暖體假人“Walter”,使出汗暖體假人得到跨越式發(fā)展。2007年王發(fā)明等[21]利用“Walter”對服裝熱濕傳遞特性進(jìn)行了檢驗(yàn),并與香港理工大學(xué)的測試結(jié)果進(jìn)行了對比分析;常維娜等[22]根據(jù)李盼等提出的出汗頭模型完善了“Walter”頭部出汗系統(tǒng);李菲菲等[23]依靠“Walter”測試了保暖服、防寒服、調(diào)溫背心的熱濕舒適性能。

2 暖體假人在環(huán)境評價(jià)中的應(yīng)用

在暖體假人近百年的發(fā)展史中,國內(nèi)外專家都做出了巨大貢獻(xiàn),目前暖體假人主要應(yīng)用于服裝熱濕阻的測定和熱環(huán)境評價(jià)。對服裝熱濕阻的測定是研發(fā)暖體假人的初衷,而對熱環(huán)境的評價(jià)是近年來暖體假人的另一種應(yīng)用,在評價(jià)環(huán)境熱舒適中起到了重大的作用。暖體假人在熱環(huán)境的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面:一是評價(jià)處于熱環(huán)境中的人的熱舒適性和安全性,二是評價(jià)熱環(huán)境的熱舒適性及安全性。

2.1 國外應(yīng)用狀況

應(yīng)用暖體假人對熱環(huán)境進(jìn)行評價(jià)最早是由Mihira等提出的。1977年,Mihira等開發(fā)了一種不僅能用來測試服裝熱濕阻,還能用來評估熱環(huán)境的暖體假人,但沒有明確界定熱感覺和假人熱損失之間的關(guān)系。1979年,Olesen.B.W.[24]等招募了16名志愿者在存在溫差的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了真人試驗(yàn),并與暖體假人試驗(yàn)結(jié)果相對照,取得了很好的一致性,證明了假人評價(jià)熱環(huán)境的可行性。1980年英國的學(xué)者用暖體假人進(jìn)行了人的主觀感覺與熱環(huán)境物理量的關(guān)系研究,發(fā)現(xiàn)主觀感覺和當(dāng)量溫度ET有極高的相關(guān)性[25],其總結(jié)當(dāng)量溫度ET計(jì)算公式為:

式中:ta為空氣溫度,℃;tmrt為環(huán)境平均輻射溫度,℃;υ為空氣速度,m/s。

但后續(xù)研究表明,其計(jì)算結(jié)果偏冷,而且由于不包含空氣濕度,關(guān)系式只能用于溫度25℃以下、風(fēng)速在0.05～0.5 m/s范圍內(nèi)。1985年,提出PMV方程的Fanger博士[26],在進(jìn)行室內(nèi)不對稱熱輻射舒適極限研究時(shí),使用了假人進(jìn)行對照試驗(yàn),并建立了墻體和天花板的不對稱輻射函數(shù),確定了人體熱舒適狀態(tài)下墻體和天花板不對稱輻射溫度差極限。1989年,Wyon等[27]使用“VOLT MAN”暖體假人對車輛中人體舒適度范圍進(jìn)行定義,并對人體和人體模型在車輛復(fù)雜熱環(huán)境中的響應(yīng)進(jìn)行了比較,評估給定車輛是否滿足特定操作條件下的人體要求,提出了等效均一溫度EHT,為研究車輛內(nèi)熱環(huán)境的舒適性評估提供了新的方法,但是計(jì)算中忽視了暖體假人身下椅子的熱阻,導(dǎo)致所得到的EHT偏大。

Tanabe教授[28]等認(rèn)為暖體假人可用于采暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)形成的微氣候的評估。1989年,提出用鋁制暖體假人模型來評估熱環(huán)境,1994年,又提出利用一種新型的暖體假人對非均勻熱環(huán)境進(jìn)行了測量,并提出了基于暖體假人的熱環(huán)境等效溫度(teq)以及熱損失表征人體熱反應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)PMV指數(shù)法。等效溫度teq的計(jì)算式:

式中:teq為基于暖體假人的等效溫度,℃;ts為平均皮膚表面溫度,℃;Icl為衣物基礎(chǔ)熱阻,cl o;Ia為單位皮膚表面積的皮膚表面熱阻,clo;fcl為服裝面積系數(shù);Qt為皮膚表面的熱量損失,W/m2。

暖體假人不僅可以用來評價(jià)熱環(huán)境下的人體舒適度,也可以評價(jià)人對熱環(huán)境的影響。由于人會通過傳導(dǎo)、對流、輻射及蒸發(fā)散熱的方式與室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行熱交換,并且人運(yùn)動和呼吸會產(chǎn)生氣流運(yùn)動,這勢必會影響熱環(huán)境。2000年,奧爾堡大學(xué)的Peter V.Nielsen教授[29]在室內(nèi)環(huán)境測量中引入了暖體假人模型,對采用置換通風(fēng)、混合通風(fēng)以及局部通風(fēng)的環(huán)境進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,論證了不同通風(fēng)方式下人體對室內(nèi)環(huán)境的影響,并指出在有限的空間內(nèi),假人的幾何形狀以及散熱量也會改變室內(nèi)環(huán)境參數(shù)。雖然假人的幾何形狀以及散熱量也會改變室內(nèi)環(huán)境參數(shù),但相對于真人具有散熱量穩(wěn)定,且可控的優(yōu)點(diǎn),在進(jìn)行相同類型實(shí)驗(yàn)研究時(shí)建議使用暖體假人。

2001年,Charlie Huizenga[30]基于25節(jié)段的Stolwij k人體熱調(diào)節(jié)模型和數(shù)值暖體假人建立了新的數(shù)值分析模型——伯克利模型,該模型能夠預(yù)測人體對瞬態(tài)、非均勻熱環(huán)境的生理反應(yīng)。應(yīng)用此模型不僅可以評估暖通空調(diào)系統(tǒng)的熱舒適性,還可以評估汽車乘員的熱舒適性,相對以前的評估系統(tǒng)更精確。2003年,H.O.Nilsson[31]等采用數(shù)值暖體假人評估不同環(huán)境對人的影響及人體的舒適度,此數(shù)值暖體假人還能幫助工程師在設(shè)計(jì)和施工中作出早期決策,提高勞動效率。

為評價(jià)室內(nèi)空氣質(zhì)量,1996年Br ohus and Nielsen發(fā)明了可呼吸暖體假人,更真實(shí)地模擬真人評價(jià)室內(nèi)環(huán)境的舒適性及人對室內(nèi)空氣流動的影響;2004年Arsen Melikov[32]對可呼吸暖體假人的身體大小和形狀、控制系統(tǒng)、呼吸模擬等進(jìn)行了討論與補(bǔ)充,指出可呼吸暖體假人存在不能模擬人類對瞬態(tài)環(huán)境的主觀及生理反應(yīng)?？珊粑w假人雖然可以評價(jià)室內(nèi)熱環(huán)境,但是由于人類個(gè)體差異的原因,依據(jù)假人建立的模型只能預(yù)測人的平均舒適度。2006年,K.W.D.Cheong[33]采用暖體假人和真人對照試驗(yàn),對置換通風(fēng)系統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境人體的熱舒適進(jìn)行了研究,分析了室內(nèi)熱環(huán)境對整體和局部人體熱感覺和熱舒適的影響。

由國外環(huán)境評估暖體假人的發(fā)展可以看到,早期國外專家研究熱環(huán)境及人體舒適度多采用實(shí)體假人模型,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和理論研究的支撐,近現(xiàn)代專家開始采用數(shù)值暖體假人進(jìn)行熱環(huán)境的評估。

2.2 國內(nèi)應(yīng)用狀況

我國暖體假人的研究起步較晚,相對應(yīng)的,在熱環(huán)境、人體舒適性評價(jià)中的應(yīng)用也較晚,但隨著暖體假人技術(shù)的發(fā)展和近30年的應(yīng)用研究,暖體假人在熱環(huán)境和人體熱舒適評價(jià)中的應(yīng)用也越來越廣泛,評價(jià)可靠性越來越高。。

1991年,陶培德[34]借鑒了國外采用數(shù)值暖體假人評價(jià)室內(nèi)熱環(huán)境的方法,構(gòu)建了三維傳熱傳濕數(shù)值計(jì)算模型,并進(jìn)行了人—服裝—環(huán)境的熱濕交換相互驗(yàn)證試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果與國外數(shù)值暖體假人具有很好的一致性,為環(huán)境熱舒適的評價(jià)提供了新的理論與方法;1993年,同濟(jì)大學(xué)的徐文華[35]使用暖體假人研究人與環(huán)境的熱交換,與借助平板導(dǎo)熱儀研究熱傳遞的方法相比,暖體假人具有可動態(tài)模仿人體運(yùn)動姿勢的優(yōu)點(diǎn);1999年,葉海[36]使用暖體假人進(jìn)行對流、輻射換熱與熱舒適的關(guān)系研究,重點(diǎn)研究了強(qiáng)制對流換熱系數(shù)及兩種姿勢(站姿、坐姿)下的有效輻射面積系數(shù),提出了“熱平衡準(zhǔn)則數(shù)HB”,給出了PMV與HB的關(guān)系。

2005年,葉海[1]匯總了基于暖體假人的環(huán)境評價(jià)指標(biāo)(ET、MMRT、EHT、EQT、WBGT),并與平均輻射溫度MRT比較,從理論上證明用假人評價(jià)熱環(huán)境更加真實(shí)可靠。張昭華[37]則在2008年匯總了基于暖體假人制定的標(biāo)準(zhǔn),包括國際標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)、美國標(biāo)準(zhǔn)等,并對幾類評價(jià)熱環(huán)境的假人進(jìn)行了簡單描述。

2012年,韓雪峰[38]基于20分段暖體假人,使用C語言編程建立了新的數(shù)值傳熱模型,該數(shù)值傳熱模型可根據(jù)給定環(huán)境的溫度變化,分析達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)暖體假人各部分的溫度,并經(jīng)過與20分段暖體假人的對比試驗(yàn)檢驗(yàn),在常溫及高溫范圍內(nèi),此新的數(shù)值傳熱模型與實(shí)體假人模型的熱傳遞誤差很小;并在此數(shù)值傳熱模型基礎(chǔ)上,提出了將人體生理主動調(diào)節(jié)機(jī)制引入該模型,用于高溫環(huán)境中真實(shí)人體的生理反應(yīng)仿真,快速預(yù)測人員的安全性。隨后,張超[39]于2014年建立了一種評價(jià)高溫環(huán)境人體安全的方法,并應(yīng)用NEWTON假人對真人人體體表升溫、出汗?fàn)顟B(tài)進(jìn)行模擬,從體溫、出汗量兩個(gè)角度對人體安全性進(jìn)行判斷,為高溫環(huán)境人體安全防護(hù)作出預(yù)判。

2017年趙朝義[40]發(fā)明了一種用于評價(jià)室內(nèi)環(huán)境舒適性的假人系統(tǒng)和評價(jià)方法,該方法采用16分段的暖體假人對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集,結(jié)合人體代謝率與人體熱感覺的關(guān)系,對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行評價(jià),指導(dǎo)室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)。在此16分段假人基礎(chǔ)上,王瑞[41]對室內(nèi)環(huán)境預(yù)計(jì)平均熱感覺指數(shù)PMV進(jìn)行測試,并與真人試驗(yàn)得出的結(jié)果進(jìn)行了對比,驗(yàn)證了假人模型評價(jià)室內(nèi)熱環(huán)境舒適性具有很好的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論與展望

(1)自從上世紀(jì)20年代英國制造的垂直銅圓柱“假人”起,便開啟了假人研究與應(yīng)用的征程,經(jīng)過近百年的發(fā)展,暖體假人經(jīng)歷了由單段暖體假人向多段暖體假人、實(shí)體暖體假人向數(shù)值暖體假人、干態(tài)暖體假人向出汗暖體假人、再向可呼吸性暖體假人的發(fā)展歷程。模擬技術(shù)及精度越來越高,越來越逼近真人的代謝、調(diào)控及散熱機(jī)制,為科學(xué)、準(zhǔn)確評價(jià)人體、環(huán)境的熱舒適性提供了先進(jìn)的工具。雖然國內(nèi)暖體假人研究起步較晚,但是,現(xiàn)今已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。

(2)在暖體假人應(yīng)用方面,由最初的服裝熱阻測定擴(kuò)展到環(huán)境及人體的熱舒適性評價(jià);由最初的軍事、航天航空領(lǐng)域擴(kuò)展到建筑環(huán)境、大氣環(huán)境以及極地、火災(zāi)等特殊或危險(xiǎn)環(huán)境領(lǐng)域;由最初的評價(jià)穩(wěn)定環(huán)境下的人體熱舒適性擴(kuò)展到瞬態(tài)、非均勻環(huán)境下的人體熱舒適性。特別是數(shù)值暖體假人的應(yīng)用,使新材料服裝熱阻、新環(huán)境領(lǐng)域的熱舒適性及安全性的預(yù)測成為可能。

(3)根據(jù)假人的發(fā)展歷程及應(yīng)用領(lǐng)域,未來假人的發(fā)展有4種趨勢:一是簡單化,二是復(fù)雜化,三是智能化,四是仿真化。而在環(huán)境評價(jià)和人體舒適度評價(jià)領(lǐng)域,假人模型應(yīng)以數(shù)值暖體假人為主,并朝著復(fù)雜化、智能化、高仿真化的方向發(fā)展。雖然目前已經(jīng)研究出了出汗暖體假人和可呼吸暖體假人,并且其功能越來越仿真,但是,目前的假人,不管是實(shí)體假人還是數(shù)值暖體假人都無法準(zhǔn)確反應(yīng)人體的各項(xiàng)生理參數(shù),特別是瞬態(tài)變化環(huán)境中人體的生理反應(yīng)參數(shù)。我們相信,隨著科學(xué)的飛速發(fā)展,高智能化、高仿真的假人一定能夠變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。