非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下行為調(diào)節(jié)對(duì)人體火用平衡的影響

范可新 王友群 張爽 劉升男

1 西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

2 西部綠色建筑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西安建筑科技大學(xué)）

0 引言

目前主要有平均預(yù)測(cè)投票（PMV），自適應(yīng)模型和火用分析等3 種方法被用于研究室內(nèi)人體的熱舒適狀況[1]。PMV-PPD 指標(biāo)法是Fanger 在實(shí)驗(yàn)條件下建立人體能量平衡方程、并結(jié)合調(diào)查問卷分析而提出的，它建立起了室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)與人體熱舒適感之間的關(guān)系，但并未考慮人體自身的行為調(diào)節(jié)。自適應(yīng)模型是基于在自由運(yùn)行建筑中的實(shí)測(cè)和調(diào)查問卷得出的，表明人體熱舒適感與室外月平均溫度密切相關(guān)，卻不能反映室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的影響?；鹩梅治龇椒ňC合了熱力學(xué)第一和第二定律來對(duì)人體能量傳遞過程中不可逆因素所引起的損失進(jìn)行分析，同時(shí)兼顧了室內(nèi)、外環(huán)境參數(shù)的影響，可用于自然通風(fēng)以及空調(diào)建筑的熱環(huán)境評(píng)價(jià)。

目前，不少學(xué)者[2-6]提出了人體火用平衡模型用于人體熱舒適狀況，然而大多數(shù)是應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)條件下。2011 年Shukuya 等[7]探究夏季動(dòng)態(tài)環(huán)境下人體火用損失速率的變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)人員從室外環(huán)境進(jìn)入空調(diào)房間時(shí)，人體火用損失速率突然減小。2012 年Shukuya等[8]探究冬季動(dòng)態(tài)環(huán)境下人體火用損失速率的變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)人員從室外環(huán)境進(jìn)入供暖房間時(shí)，人體火用損失速率突然增大。2016 年Shukuya 等[9]分析了冬季人體火用平衡與行為適應(yīng)性的關(guān)系，結(jié)果表明適應(yīng)性行為可以降低人體火用損失速率。

行為適應(yīng)是指人們通過物理調(diào)節(jié)的手段來改變熱交換條件以適應(yīng)環(huán)境，如改變衣著、活動(dòng)量等[10]。目前?；鹩梅治龇椒ㄔ趧?dòng)態(tài)環(huán)境下的應(yīng)用很少，主要的研究方法是給定一個(gè)人的活動(dòng)水平和服裝熱阻，通過測(cè)量室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，計(jì)算出人體火用損失速率，探究動(dòng)態(tài)環(huán)境下人體火用損失速率的變化規(guī)律以及人體火用損失速率與熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)系。然而目前人體火用分析方法在非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下的評(píng)價(jià)應(yīng)用很少，主要研究關(guān)注于動(dòng)態(tài)環(huán)境下，環(huán)境參數(shù)對(duì)人體火用損失速率的影響規(guī)律以及人體火用損失速率與主觀熱感覺評(píng)價(jià)的關(guān)系。且用人體火用分析方法與行為適應(yīng)性關(guān)系的研究尚不充分。

因此，本文旨在已有的穩(wěn)態(tài)模型[6]的基礎(chǔ)上，考慮人體的火用蓄存速率，并引入風(fēng)速對(duì)服裝熱阻和蒸發(fā)熱阻的修正方程，提出新的一種新的非穩(wěn)態(tài)人體火用模型，接著將模型計(jì)算得到的皮膚溫度與已有的實(shí)驗(yàn)中皮膚溫度測(cè)量值進(jìn)行比較，以表明本文模型對(duì)預(yù)測(cè)皮膚溫度的準(zhǔn)確性，同時(shí)將模型計(jì)算得到的人體火用損失速率與已有的動(dòng)態(tài)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，以表明本文動(dòng)態(tài)模型的合理性。最后用本文所建的動(dòng)態(tài)模型探究非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下人體火用速率與行為適應(yīng)性的關(guān)系。

1 非穩(wěn)態(tài)人體火用模型

1.1 模型的建立

火用分析結(jié)合了熱力學(xué)第一和第二定律，可以對(duì)人體與環(huán)境之間能量交換過程中的不可逆性強(qiáng)弱進(jìn)行分析。人體作為開口熱力系統(tǒng)，由正常狀態(tài)可逆轉(zhuǎn)變到與周圍環(huán)境平衡所做的最大有用功可以用人體火用表示，但實(shí)際過程并非可逆，因此就存在人體火用損失速率。人體與環(huán)境之間換熱過程的火用流圖如圖1 所示。

圖1 非穩(wěn)態(tài)人體火用流圖

穩(wěn)態(tài)條件下，王永杰等[6]厘清了新陳代謝熱火用和濕火用，提出更合理的人體新陳代謝火用計(jì)算方法，建立了一種新的穩(wěn)態(tài)模型，在模型中視火用蓄存速率為零。然而由于人體多數(shù)處于動(dòng)態(tài)環(huán)境時(shí)，或者有時(shí)人員進(jìn)行一些行為調(diào)整，使得人體的蓄熱量是變化的，此時(shí)應(yīng)該考慮火用蓄存速率項(xiàng)。本文在穩(wěn)態(tài)模型的基礎(chǔ)上，考慮到火用蓄存速率，進(jìn)而建立一種非穩(wěn)態(tài)人體火用模型?；鹩梅匠倘缦率剿?。

1.1.1 代謝火用速率

新陳代謝火用分為三部分：新陳代謝熱火用，核心層濕代謝產(chǎn)生的濕代謝火用，皮膚層濕代謝產(chǎn)生的濕代謝火用。計(jì)算公式如下。

1.1.2 呼吸火用速率

人體核心層和周圍環(huán)境直接通過呼吸的方式進(jìn)行熱交換，呼吸換熱對(duì)應(yīng)的火用率為呼出與吸入氣體的火用值差。呼吸火用速率可由下式確定：

1.1.3 對(duì)流火用速率

對(duì)流換熱產(chǎn)生的對(duì)流火用可通過下式確定

式中：hc,cl為人體著裝表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Tcl和Ta分別為服裝溫度和空氣溫度，K。

1.1.4 輻射火用速率

輻射換熱產(chǎn)生的輻射火用可通過下式確定

式中：feff為服裝有效系數(shù)；ε 為發(fā)射率，取0.95；σ 為Stefan-Boltzmann 常數(shù)；Tr則為室內(nèi)空氣平均輻射溫度，K。

1.5 蒸發(fā)火用速率

蒸發(fā)換熱對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)火用可通過下式計(jì)算：

1.6 火用蓄存速率

人體火用蓄存速率等于皮膚層火用蓄存速率與核心層火用蓄存速率之和，即：

此外，由于外部風(fēng)速以及身體運(yùn)動(dòng)又會(huì)使服裝熱阻以及蒸發(fā)熱阻減小。因此，本文在建模時(shí)引入了ISO9920[12]中風(fēng)速對(duì)服裝熱阻及服裝蒸發(fā)熱阻修正方程。當(dāng)風(fēng)速大于0.15 m/s 時(shí)，修正方程如下。

式中：Icl,corr為風(fēng)速修正后的服裝熱阻clo；va為風(fēng)速，m/s；Re,d,corr為風(fēng)速修正后的服裝蒸發(fā)熱阻，m2·kPa/W。

從上述公式可以看出，人體火用損失速率不僅與環(huán)境參數(shù)有關(guān)，還與人體生理參數(shù)有關(guān)。將這些參數(shù)代入Gagge 的兩節(jié)點(diǎn)人體熱平衡模型中，通過MATLAB計(jì)算出人體皮膚溫度，核心溫度以及服裝溫度等，然后將這些人體溫度帶入火用平衡方程中，計(jì)算得到人體火用損失速率。

1.2 非穩(wěn)態(tài)人體火用模型的驗(yàn)證

1.2.1 兩種模型皮膚溫度的比較

為了驗(yàn)證本文模型預(yù)測(cè)皮膚溫度和核心溫度的準(zhǔn)確性，將計(jì)算出的皮膚溫度和核心溫度與Kakitsuba等[13]實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)時(shí)，受試人員著棉襯衣和短褲，服裝熱阻約為0.5 clo，在溫度為28 ℃，相對(duì)濕度為50%的房間停留30 min，然后進(jìn)入溫度為40 ℃，相對(duì)濕度為50%的房間停留60 min。圖2 對(duì)比給出受試者暴露在40 ℃環(huán)境時(shí)的核心溫度（直腸溫度）及平均皮膚溫度測(cè)量值以及本文模型的核心溫度及皮膚溫度計(jì)算值。結(jié)果表明本文模型對(duì)皮膚、核心溫度的預(yù)測(cè)值與測(cè)量值吻合較好。皮膚溫度之間最大的差異為0.26 ℃，核心溫度之間最大差異為0.31 ℃。

圖2 預(yù)測(cè)值與Kakitsuba[13]實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的比較

1.2.2 兩種模型人體火用損失速率的比較

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所建立的非穩(wěn)態(tài)人體火用模型在動(dòng)態(tài)條件下應(yīng)用的正確性，將本文模型的火用損失速率計(jì)算值與Shukuya 等[9]中的兩個(gè)case 的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。每個(gè)case 假設(shè)人員在室外活動(dòng)1 h 后進(jìn)入室內(nèi)停留3 h。室外的計(jì)算的條件為：室外空氣溫度為5 ℃，代謝率為1.5 met，衣服熱阻為2 clo。室內(nèi)外相對(duì)濕度均為40%，室內(nèi)外風(fēng)速均為0.1 m/s。室內(nèi)的計(jì)算條件為：case1 和case2 室內(nèi)空氣溫度均為10 ℃，室內(nèi)空氣溫度等于平均輻射服溫度，case1 在室內(nèi)期間的衣服熱阻為0.9clo，case2 在室內(nèi)期間的衣服熱阻為2clo。相比之下，case1 和case2 相當(dāng)于人員從室外進(jìn)入一個(gè)正供暖的室內(nèi)，而case1 相比case2，case1 相當(dāng)于人員進(jìn)入室內(nèi)后脫掉了衣服。如圖3 所示。

如圖3 所示，通過本文所建立的非穩(wěn)態(tài)火用模型計(jì)算出人員在室外期間人體火用損失速率值比Shukuya 模型的計(jì)算值小。這是由于Shukuya 模型中視新陳代謝的能量為新陳代謝熱來計(jì)算熱代謝火用，但其中包含了濕代謝的能量，因此所得新陳代謝火用比本文模型的計(jì)算結(jié)果大。兩個(gè)模型的最大差異達(dá)到1 W/m2。本文非穩(wěn)態(tài)火用模型計(jì)算出人員在室內(nèi)期間的人體火用損失損率值比Shukuya 模型的計(jì)算值大。這主要是在室外期間由于本文計(jì)算代謝熱火用時(shí)減去了濕代謝的能量，使得皮膚溫度要比Shukuya 的低。為維持體溫，身體開始顫抖，且比Shukuya 的要強(qiáng)烈，進(jìn)入室內(nèi)皮膚溫度和核心溫度要比Shukuya 計(jì)算的高，使得皮膚表面與室外之間的溫差增大。

圖3 突變條件下本文模型的人體火用損失速率與Shukuya[9]中數(shù)據(jù)的比較

綜上，通過建立的非穩(wěn)態(tài)火用模型與Shukuya 模型在突變條件下所計(jì)算出的人體火用損失速率的比較，在突變條件下，本文所建的非穩(wěn)態(tài)火用模型與Shukuya 模型計(jì)算出的人體火用損失速率變化趨勢(shì)一致，均在進(jìn)入室內(nèi)短暫時(shí)間內(nèi)瞬間下降，并逐漸趨于穩(wěn)定值。

2 模型計(jì)算結(jié)果與討論

生活中，人們所處的環(huán)境大多數(shù)是動(dòng)態(tài)的，有時(shí)人們?yōu)榱诉_(dá)到舒適可能有時(shí)會(huì)進(jìn)行一些行為調(diào)整，如脫衣服，啟停空調(diào)，開關(guān)風(fēng)扇等。因此，為探究夏季人員由室外進(jìn)入室內(nèi)的進(jìn)行行為調(diào)整的過程中人體火用損失速率的變化規(guī)律。假定人員在室外行走30 min 后進(jìn)去室內(nèi)靜坐辦公60 min。在此期間空氣溫度等于平均輻射溫度。固定條件如表1 所示。表2 為四個(gè)比較情況，是生活中常見的行為調(diào)整。case1 相當(dāng)于人員進(jìn)入室內(nèi)后打開風(fēng)扇，case2 相當(dāng)于脫掉衣服，case3 相當(dāng)于打開風(fēng)扇并脫去外套，case4 相當(dāng)于人員開啟空調(diào)。

表1 固定條件

表2 比較條件

2.1 非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下的生理參數(shù)

圖4 為生理參數(shù)如皮膚溫度，核心溫度，出汗量，皮膚層血流量隨時(shí)間的變化曲線。

圖4 生理參數(shù)

如圖4 所示，當(dāng)人員從室外走進(jìn)室內(nèi)時(shí)，四種情況的生理參數(shù)均隨著時(shí)間推移而降低并趨于穩(wěn)定。且case3 和case4 的生理參數(shù)減小幅度比case1 和case2的要大。圖4（a）～（b）中顯示，在室內(nèi)期間，皮膚溫度和核心溫度的下降順序是相同的，具體分別為case2＞case1＞case3=case4。圖4（c）～（d）顯示，在室內(nèi)期間，出汗量和皮膚層血流量的下降順序是相同的，分別為case2＞case1＞case3＞case4，且case4 的下降幅度明顯比其他三種case 的要大。圖4（e）顯示，服裝溫度的下降順序分別為case3＞case2＞case1＞case4。

2.2 非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下的火用速率

圖5 為各項(xiàng)火用速率如代謝火用速率，火用交換速率，火用蓄存速率，火用損失速率隨時(shí)間的變化曲線。

圖5 人體火用速率

如圖5 所示，當(dāng)人員從室外走進(jìn)室內(nèi)后，四種case 的生理參數(shù)隨著時(shí)間的變化呈不同的變化規(guī)律。且case4 的各項(xiàng)火用速率的下降幅度明顯比其他三種的要大。這是由于case4 的生理參數(shù)的下降幅度較大，如圖4 所示。

圖5（a）顯示，在室內(nèi)期間，由于代謝率的突然降低，case1～case3 的代謝火用速率均隨著時(shí)間以相同的下降速率逐漸下降并趨于幾乎相同的穩(wěn)定值。而case4卻先急劇增大，然后逐漸減小并趨于穩(wěn)定值。這說明代謝火用速率發(fā)生了“超越”現(xiàn)象。這主要是由于溫度的突然降低，人體生理調(diào)節(jié)受到破壞，使得皮膚和核心層與室外之間的溫差突然增大，但隨著時(shí)間的推移，生理調(diào)節(jié)開始起作用，使得代謝火用速率趨于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖4 所示。

圖5（b）顯示，在室內(nèi)期間，火用交換速率的下降順序?yàn)閏ase3＞case2＞case1＞case4。因?yàn)榛鹩媒粨Q速率是對(duì)流火用速率，輻射火用速率，蒸發(fā)火用速率之和，受服裝與空氣溫度和輻射溫差以及汗液量的影響。雖然case3 的汗液量比case2 的要小，但case3 的服裝溫度與空氣溫度和輻射溫度之間的溫差比case2 的要大。

圖5（c）顯示，當(dāng)人員從室外進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，人體火用蓄存速率急劇下降，變?yōu)樨?fù)值。逐漸升高趨于0。這說明人體火用蓄存速率也發(fā)生了“超越”現(xiàn)象，且在進(jìn)入室內(nèi)后的前幾分鐘內(nèi)，人體火用蓄存速率的“超越”現(xiàn)象尤為明顯。從圖5（c）看出，case 4 的變化幅度比其他三種case 的要大。此外，case4 的火用蓄存速率再次達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間也最長，為50 min，其他case 所需的時(shí)間均為40 min。這是由于復(fù)雜的生理調(diào)節(jié)如出汗量與皮膚層血流量的減小共同作用引起的，如圖4（c）～（d）所示。

圖5（d）顯示，當(dāng)人員從室外進(jìn)入室內(nèi)后，四種case 的人體火用損失速率先增大，然后逐漸減小并趨于穩(wěn)定值。這說明人體火用損失速率也發(fā)生了“超越”現(xiàn)象。從圖5（c）看出，case4 的火用損失速率的“超越”現(xiàn)象尤為明顯，變化幅度也是最大的，再次達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間也是最長的，為50 min，其他case 所需的時(shí)間均為40 min。此外，case4 的人體火用損失速率再次達(dá)到穩(wěn)定值也是最大的，其次為case2 和case1，但case2 和case1 的作用相當(dāng)，兩種case 的人體火用損失速率非常接近。case3 的人體火用損失速率值最小，這與火用交換速率的降低順序正好相反，如圖5（b）所示。

綜上所述，在夏季，人員的一些行為調(diào)整使人體火用損失速率出現(xiàn)“超越”現(xiàn)象，case3 即人員打開風(fēng)扇并脫去衣服這種行為調(diào)整雖然出現(xiàn)了人體火用損失的“超越”現(xiàn)象，但沒有人員開啟空調(diào)情況下那么明顯，且再次達(dá)到穩(wěn)定的值也比其他三種情況要小。這樣還可以減少空調(diào)運(yùn)行時(shí)間，有利于節(jié)能。

3 結(jié)論

本文考慮到人體熱蓄存率以及風(fēng)速對(duì)服裝熱阻和蒸發(fā)熱阻的修正，而建立了非穩(wěn)態(tài)人體火用模型，探究了夏季人員一些行為適應(yīng)下人體火用損失速率隨時(shí)間的變化規(guī)律，本文的主要研究結(jié)論如下：

1）本文建立的非穩(wěn)態(tài)人體火用模型對(duì)人體核心及皮膚溫度的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值有很好的吻合度。

2）在夏季時(shí)，人員的一些適應(yīng)性行為使人體火用損失速率發(fā)生“超越”現(xiàn)象，尤其在開啟空調(diào)情況下尤為明顯。

3）從火用分析角度研究夏季人員的四種適應(yīng)性行為，脫去衣服和打開風(fēng)扇的作用是相當(dāng)，此外，進(jìn)入室內(nèi)后開啟空調(diào)情況下人體火用損失速率再次達(dá)到的穩(wěn)定值最大，打開風(fēng)扇并脫去衣服情況下最小。