非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下的人體冷熱感檢測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

賴想球 梁永寬

（中山大學(xué) 廣州 510275）

概述

人體熱舒適評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性直接影響到實(shí)際應(yīng)用中對(duì)熱舒適環(huán)境的評(píng)判與創(chuàng)造。國(guó)外對(duì)熱舒適的研究從二十世紀(jì)二十年代已開始。1967年，丹麥學(xué)者P.O.Fanger教授發(fā)表了關(guān)于熱舒適的著名論文[1]，奠定了熱舒適研究的重要基礎(chǔ)。此后，熱舒適的研究更加向全面化、定量化的方向發(fā)展。

評(píng)價(jià)人體熱舒適和熱感覺的指標(biāo)有多種。Bedford在1936年提出了熱舒適的7 級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)[2]。表1列出了這三種人體熱舒適與熱感覺的主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1970年Fanger以熱舒適方程和ASHRAE的7級(jí)熱感覺指標(biāo)為依據(jù)提PMV指標(biāo)[3]，PMV的計(jì)算結(jié)果在-3～+3之間，所表示的熱感覺與ASHRAE的7級(jí)熱感覺指標(biāo)對(duì)應(yīng)，如表2示。

目前，對(duì)人體熱舒適主要采用主觀評(píng)價(jià)方法，即問卷調(diào)查的形式直接詢問人們?cè)跓岘h(huán)境下的熱感覺與熱舒適程度。

熱舒適主觀評(píng)價(jià)依賴于受試者的主觀判斷，往往會(huì)造成熱舒適評(píng)價(jià)結(jié)果的不準(zhǔn)確。而且用戶的主觀感受，空調(diào)器無法直接獲取到，同時(shí)在空調(diào)環(huán)境中，影響人體熱舒適的關(guān)鍵因素是變化的，非穩(wěn)態(tài)的，尤其在空調(diào)降溫和升溫階段，因此無法讓空調(diào)根據(jù)熱舒適狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行情況。

表1 人體熱舒適與熱感覺主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)

1 理論模型

1.1 冷熱感模型理論基礎(chǔ)

本研究致力于開發(fā)一種人體冷熱感覺的算法，此算法基于人體與周圍環(huán)境的熱平衡關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境空氣溫度和人體表面溫度的差值、環(huán)境輻射溫度和人體表面溫度的差值，與人體冷熱感存在很大的關(guān)聯(lián)性。根據(jù)這一結(jié)果，在本研究中，采用紅外傳感器獲取的用戶熱圖像計(jì)算出散熱量，以計(jì)算出的散熱量和冷熱舒適的熱量為基礎(chǔ)，從散熱量與冷熱感的關(guān)系去評(píng)價(jià)用戶冷熱感覺。

人體與環(huán)境的散熱量如圖1所示[4]，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，人體產(chǎn)生的熱量等于人體消耗的熱量，可以得到人體的散熱量H一般用下式來表達(dá)：

其中，

R—輻射產(chǎn)生的熱量（受熱量）[W/m2]；

C—對(duì)流產(chǎn)生的散熱量（受熱量）[W/m2]；

K—傳導(dǎo)產(chǎn)生的散熱量（受熱量）[W/m2]，數(shù)量級(jí)比較小，可以忽略；

Esk—因皮膚的水分蒸發(fā)而產(chǎn)生的散熱量[W/m2]；

Eres—呼氣水分蒸發(fā)而產(chǎn)生的散熱量[W/m2]；

Cres—呼氣對(duì)流產(chǎn)生的散熱量[W/m2]。

在這里，穿衣及皮膚的表面溫度用Tcl、平均輻射溫度用Tr、周圍氣溫用Ta來表示。

表2 PMV熱感覺標(biāo)尺

日本松下株式會(huì)社與奈良女子大學(xué)合作開發(fā)的冷熱感模型[5]（后面簡(jiǎn)稱傳統(tǒng)冷熱感模型），認(rèn)為傳導(dǎo)產(chǎn)生的散熱量、因皮膚的水分蒸發(fā)而產(chǎn)生的散熱量、呼氣水分蒸發(fā)而產(chǎn)生的散熱量、呼氣對(duì)流產(chǎn)生的散熱量可以忽略不計(jì)，并且房間內(nèi)空氣的溫度近似等于平均輻射溫度，從而可以得出人的散熱量為：

圖1 人體與周圍環(huán)境散熱示意圖

圖2表示根據(jù)熱圖像估算的散熱量R+C與反饋冷熱感的關(guān)系。其結(jié)果，各實(shí)驗(yàn)者的散熱量與反饋的溫冷感的關(guān)聯(lián)性成線性關(guān)系，驗(yàn)證從熱圖像得到的散熱量與溫冷感之間有很高的關(guān)聯(lián)性。

傳統(tǒng)冷熱感模型有如下幾點(diǎn)缺陷：

1）忽略皮膚的水分蒸發(fā)而產(chǎn)生的散熱量、呼氣水分蒸發(fā)而產(chǎn)生的散熱量、呼氣對(duì)流產(chǎn)生的散熱量導(dǎo)致用戶的冷熱感評(píng)價(jià)不準(zhǔn)。

2）把房間內(nèi)空氣的溫度近似等于平均輻射溫度，導(dǎo)致計(jì)算的散熱量偏大或者偏小，從而導(dǎo)致冷熱感的預(yù)測(cè)也不準(zhǔn)。

3）人體的散熱量與人體的冷熱感覺之間存在較高的關(guān)聯(lián)性，但是并不一定是線性關(guān)系，尤其是在非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下，簡(jiǎn)單的將冷熱感與散熱量處理為線性關(guān)系，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致其使用的局限性。

4）在不同的室外環(huán)境下和不同的室內(nèi)空氣流速情況下，輻射熱換熱系數(shù)與對(duì)流換熱系數(shù)有較大的變化，環(huán)境是非穩(wěn)態(tài)的，不能固定為常量，特別是有空調(diào)使用的室內(nèi)環(huán)境下，更不能將這兩個(gè)系數(shù)固定為常量處理。

以上缺陷，導(dǎo)致了傳統(tǒng)冷熱感模型僅僅適用于比較理想的穩(wěn)態(tài)環(huán)境，非穩(wěn)態(tài)環(huán)境的使用受到限制，對(duì)用戶的熱舒適評(píng)價(jià)效果很不理想。

1.2 基于非穩(wěn)態(tài)環(huán)境的冷熱感模型

1.2.1 冷熱感模型的改進(jìn)

基于傳統(tǒng)冷熱感模型的缺陷，本研究就需要找到能夠很好的適應(yīng)正常的家居空調(diào)環(huán)境下，用戶冷熱感的評(píng)價(jià)方法。本研究的評(píng)價(jià)方法做出如下的改進(jìn)：

圖2 人體散熱量與人的冷熱感之間的關(guān)系

1）呼氣水分蒸發(fā)而產(chǎn)生的散熱量、呼氣對(duì)流產(chǎn)生的散熱量這三部分的散熱量，盡管相對(duì)輻射散熱量和對(duì)流散熱量可以忽略，但是對(duì)用戶的冷熱感覺有較大影響，所以不能忽略。

2）在空調(diào)的使用環(huán)境下，房間內(nèi)空氣的溫度不能近似等于平均輻射溫度。平均輻射溫度可以通過紅外傳感器獲取，房間內(nèi)用戶附近的空氣溫度則可以通過室內(nèi)參數(shù)關(guān)聯(lián)技術(shù)獲取。

3）人體冷然感覺與人體散熱量的函數(shù)關(guān)系根據(jù)實(shí)際情況獲得。

4）輻射熱換熱系數(shù)與對(duì)流換熱系數(shù)不能做常數(shù)處理，輻射熱換熱系數(shù)與體表溫度有較大關(guān)系，對(duì)流換熱系數(shù)與空氣流速有較大關(guān)系。

5）人體與周圍環(huán)境的輻射換熱受到輻射面積的影響，所以引進(jìn)有效輻射面積系數(shù)；人體的著裝對(duì)輻射散熱和對(duì)流散熱有較大影響，所以引進(jìn)著裝人體面積系數(shù)。

6）通過室內(nèi)參數(shù)關(guān)聯(lián)法獲取用戶附近的實(shí)際空氣溫度、濕度、風(fēng)速等參數(shù)。

1.2.2 人體散熱量計(jì)算

根據(jù)公式（1）人體散熱量的理論計(jì)算，其各項(xiàng)散熱分量計(jì)算如下：

1）輻射產(chǎn)生的熱量計(jì)算：

其中，

feff—有效輻射面積系數(shù)；

fcl—著裝人體面積系數(shù)；

Tcl—人體平均溫度；

Tr—平均輻射溫度；

hr—輻射換熱系數(shù)，與人體溫度有關(guān)，用公式hr=4.6×(1+0.01 Tcl)計(jì)算。

2）對(duì)流產(chǎn)生的熱量計(jì)算：

fcl—著裝人體面積系數(shù)；

Tcl—人體平均溫度；

Ta—空氣干球溫度；

hc—對(duì)流換熱系數(shù)，與風(fēng)速Va有關(guān)，用公式

hc=12.1×Va0.5計(jì)算。

3）皮膚水分蒸發(fā)潛熱計(jì)算：

Tcl—人體平均溫度；

RHa—相對(duì)濕度；

Pa—飽和水蒸氣分壓力，用公式

Pa=610.6×e(17.269×Ta)/(237.3+Ta)計(jì)算，其中Ta為空氣干球溫度。

4）呼吸潛熱計(jì)算：

Mh—人體代謝率；

RHa—相對(duì)濕度；

Pa—飽和水蒸氣分壓力，用公式

Pa=610.6×e(17.269×Ta)/(237.3+Ta)計(jì)算，其中Ta為空氣干球溫度。

5）呼吸顯熱計(jì)算：

Mh—人體代謝率；

Ta—為空氣干球溫度。

6）傳導(dǎo)散熱量K忽略不計(jì)。

1.2.3 冷熱感模型理論建模

根據(jù)冷熱感模型的理論，人的冷熱感與散熱量H存在很大關(guān)聯(lián)性：

M—用戶冷熱感；

H—人體散熱量。

即冷熱感M為人體散熱量H的函數(shù)。

根據(jù)紅外傳感器采集到的熱圖像及室內(nèi)參數(shù)關(guān)聯(lián)法可以獲取用戶體表溫度和用戶附近環(huán)境參數(shù)，結(jié)合散熱量的計(jì)算，人的冷熱感可以計(jì)算出來，從而對(duì)空調(diào)進(jìn)行控制，此函數(shù)關(guān)系根據(jù)實(shí)際情況獲得，不是線性關(guān)系。經(jīng)大量樣本數(shù)據(jù)回歸分析，本項(xiàng)目分別構(gòu)建了夏季和冬季冷熱感模型：

1）夏季冷熱感模型：

如圖3所示，本研究夏季冷熱感模型為散熱量H的二次多項(xiàng)式：

其中，M為用戶冷熱感，H為用戶散熱量。a、b、c為計(jì)算常量。

當(dāng)M≤-3時(shí)，取M=-3；當(dāng)M≥3時(shí)，取M=-3。夏季冷熱感模型適用于夏天制冷工況。

2）冬季冷熱感模型：

如圖4所示，本項(xiàng)目冬季冷熱感模型為散熱量H的三次多項(xiàng)式：

其中，M為用戶冷熱感，H為用戶散熱量。a、b、c為計(jì)算常量。

當(dāng)M≤-3時(shí)，取M=-3；當(dāng)M≥3時(shí)，取M=-3。冬季冷熱感模型適用于冬天制熱工況。

3 室內(nèi)參數(shù)關(guān)聯(lián)

圖3 夏季冷熱感模型

圖4 冬季冷熱感模型

空調(diào)器通過安裝在空調(diào)器回風(fēng)口位置的溫度傳感器和濕度傳感器可以獲得空調(diào)安裝位置附近的空氣溫度、空氣濕度兩個(gè)參數(shù)，但是無法直接獲取室內(nèi)人體附近的空氣溫度、濕度、風(fēng)速的參數(shù)。準(zhǔn)確的獲取用戶附近的空氣溫度、濕度、風(fēng)速三個(gè)參數(shù)對(duì)于準(zhǔn)確的計(jì)算用戶冷熱感至關(guān)重要。本研究通過室內(nèi)參數(shù)關(guān)聯(lián)技術(shù)獲取這三個(gè)參數(shù)。

室內(nèi)不同的位置的溫度、濕度、風(fēng)速與空調(diào)出風(fēng)口溫度、濕度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（風(fēng)檔）的關(guān)系不同。本研究根據(jù)空調(diào)房間的溫度、濕度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)的分布特點(diǎn)把空調(diào)房間分為如圖5所示的5個(gè)區(qū)域，同時(shí)根據(jù)風(fēng)檔分別建立關(guān)聯(lián)式。具體關(guān)聯(lián)方式如下：

1）室內(nèi)溫度參數(shù)關(guān)聯(lián)模：（以某款1.5P掛機(jī)為例）

其中p為所在區(qū)域，F(xiàn)為風(fēng)檔，T1為回風(fēng)溫度，CT(p,F)為區(qū)域p、風(fēng)檔為F時(shí)的溫度關(guān)聯(lián)系數(shù)，可查表3。

2）室內(nèi)濕度參數(shù)關(guān)聯(lián)模：（以某款1.5P掛機(jī)為例）

其中p為所在區(qū)域，F(xiàn)為風(fēng)檔，RH1為回風(fēng)溫度，CRH(p，F(xiàn))為區(qū)域p、風(fēng)檔為F時(shí)的相對(duì)濕度關(guān)聯(lián)系數(shù)，可查表4。

3）室內(nèi)風(fēng)速參數(shù)關(guān)聯(lián)模：（以某款1.5P掛機(jī)為例）

其中p為所在區(qū)域，F(xiàn)為風(fēng)檔，ap和bp為區(qū)域p處風(fēng)速關(guān)聯(lián)系數(shù)，可查表5得到。

根據(jù)人在房間內(nèi)的坐標(biāo)位置(x，y)可以知道人所在區(qū)域，在根據(jù)以上室內(nèi)參數(shù)關(guān)聯(lián)模型，可以獲得人體附近的溫度、濕度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)。通過室內(nèi)參數(shù)關(guān)聯(lián)。這樣可以盡量確保每一參數(shù)盡量做到符合實(shí)際使用環(huán)境，提高用戶冷熱感覺預(yù)判的準(zhǔn)確度。

4 模型驗(yàn)證與分析

為了對(duì)冷熱感功能進(jìn)行測(cè)試和用戶體驗(yàn)，本項(xiàng)目采用在用戶體驗(yàn)室中分別模擬夏季和冬季環(huán)境的方式進(jìn)行用戶體驗(yàn)，并通過問卷方式獲得用戶體驗(yàn)評(píng)價(jià)。

4.1 體驗(yàn)用戶介紹

本項(xiàng)目體驗(yàn)場(chǎng)景下冷熱感功能體驗(yàn)用戶數(shù)量為280人，其性別和年齡分布如表6、表7所示。每人進(jìn)行10～20輪體驗(yàn)，共進(jìn)行了4 108人次的體驗(yàn)。其中制冷模式2 270人次，制熱模式1 838人次。

4.2 體驗(yàn)環(huán)境

用戶體驗(yàn)室，模擬實(shí)際家居環(huán)境。

4.3 體驗(yàn)工況

圖5 空調(diào)房間俯視方向示意圖

表3 室內(nèi)溫度參數(shù)關(guān)聯(lián)系數(shù)

表4 室內(nèi)濕度參數(shù)關(guān)聯(lián)系數(shù)

表5 室內(nèi)風(fēng)速參數(shù)關(guān)聯(lián)系數(shù)

體驗(yàn)工況模擬常見的夏季工況和冬季工況，工況各參數(shù)讀數(shù)允差符合GB/T 7725-2004的表8規(guī)定。

4.4 冷熱感評(píng)價(jià)方法

通過模擬家居環(huán)境下用戶正常使用空調(diào)的場(chǎng)景，空調(diào)紅外檢測(cè)模塊根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判斷用戶的冷熱感受，從而自主調(diào)整空調(diào)的運(yùn)行參數(shù)。當(dāng)空調(diào)自行調(diào)整到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，比對(duì)用戶的真實(shí)感受（投票結(jié)果），判斷冷熱感模型檢測(cè)方案的準(zhǔn)確性。該評(píng)價(jià)方法的評(píng)判結(jié)果由用戶實(shí)測(cè)的大樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)判。

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參考PMV的7級(jí)熱感覺評(píng)價(jià)方法，其中0代表中性的舒適，+1表示舒適偏暖，-1表示舒適偏凉，如表9冷熱感覺標(biāo)尺所示。

按公式（14）、（15）分別計(jì)算體驗(yàn)用戶的制冷清醒工況和制熱清醒工況下熱舒適性滿意率：

式中：

P1—制冷工況下熱舒適性滿意率，單位百分比（%）；

C1—制冷工況滿意用戶數(shù)量（冷熱感投票結(jié)果為+1、0、-1的總?cè)藬?shù)）；

S1—制冷工況參與評(píng)測(cè)的總?cè)藬?shù)。

式中：

P2—制熱工況下熱舒適性滿意率，單位百分比（%）；

C2—制熱工況滿意用戶數(shù)量冷熱感投票結(jié)果為+1、0、-1的總?cè)藬?shù)）；

S2—制熱工況參與評(píng)測(cè)的總?cè)藬?shù)。

5 結(jié)果分析

5.1 用戶體驗(yàn)結(jié)果分析

制冷工況體驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，空調(diào)開機(jī)50 min后，體驗(yàn)者有三個(gè)狀態(tài)投票，分別為0，-1，-2，其所占百分比分別為75 %，17 %，8 %。從總體上看，空調(diào)開機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)50 min后，用戶冷熱感投票結(jié)果為+1、0、-1的總?cè)藬?shù)占體驗(yàn)人數(shù)比的92 %，即P1=92 %。

制熱工況體驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，空調(diào)開機(jī)50 min后，體驗(yàn)者有三個(gè)狀態(tài)投票，分別為+2，+1，0，-1，-2，其所占百分比分別為4 %，4 %，61 %，29 %，4 %。從總體上看，空調(diào)開機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)50 min后，用戶冷熱感投票結(jié)果為+1、0、-1的總?cè)藬?shù)占體驗(yàn)人數(shù)比的94 %，即P2=94 %。

5.2 冷熱感自動(dòng)調(diào)節(jié)與人工手動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)比

表6 體驗(yàn)用戶性別分布

表7 體驗(yàn)用戶年齡分布

表8 試驗(yàn)工況條件

表9 冷熱感覺標(biāo)尺

圖6 制冷冷熱感體驗(yàn)滿意率

本研究同時(shí)對(duì)比了冷熱感自動(dòng)調(diào)節(jié)與用戶人工調(diào)節(jié)方式的滿意度情況，冷熱感自動(dòng)調(diào)節(jié)與人工手動(dòng)調(diào)節(jié)相同的環(huán)境下進(jìn)行。

圖7 制熱冷熱感體驗(yàn)滿意率

表10 人工調(diào)節(jié)與自動(dòng)控制方式用戶滿意度對(duì)比

人工手動(dòng)調(diào)節(jié)過程，工況設(shè)置與自動(dòng)控制模式相同，參考表8。用戶在室外環(huán)境中適應(yīng)20 min，之后再次開啟空調(diào)進(jìn)行體驗(yàn)，用戶可以根據(jù)個(gè)人感受，自己操作遙控器選擇合適的溫度、風(fēng)速和送風(fēng)方式，并記錄自己的冷熱感受。

體驗(yàn)結(jié)果如表10所示，制冷模式下人工調(diào)節(jié)的滿意度為95 %稍好于本研究自動(dòng)控制的92 %，而制熱模式下人工調(diào)節(jié)92 %稍差于本項(xiàng)目自動(dòng)控制方式的94 %?？梢姳狙芯炕诶錈岣械目照{(diào)自動(dòng)控制技術(shù)達(dá)到了與人工調(diào)節(jié)的水平。

6 結(jié)論

本文基于人體熱平衡理論，通過大數(shù)據(jù)建模，同時(shí)采用紅外傳感器監(jiān)測(cè)和參數(shù)關(guān)聯(lián)技術(shù)，建立了非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下在夏季和冬季空調(diào)房間預(yù)測(cè)人體冷熱感受的評(píng)價(jià)方法。并應(yīng)用在空調(diào)的人工智能控制上，預(yù)測(cè)空調(diào)房間內(nèi)人員的冷熱感覺，自動(dòng)控制空調(diào)達(dá)到用戶舒適狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過采用冷熱感技術(shù)的空調(diào)自動(dòng)調(diào)節(jié)，制冷和制熱模式下，冷熱感在舒適的比例為92 %和94 %，達(dá)到了用戶多次手動(dòng)調(diào)節(jié)后的水平，較為理想的預(yù)判了用戶的實(shí)際調(diào)節(jié)需求。