文/樊佳璇(清華大學(xué))
研究團隊使用暖體假人開展低溫環(huán)境現(xiàn)場實驗
清華大學(xué)建筑學(xué)院2021級碩士鞠欣源的本科畢業(yè)論文《低溫環(huán)境下人體熱舒適的部位需求分布及響應(yīng)特征研究》被評為優(yōu)秀畢業(yè)論文。她是怎樣通過一件神奇的加熱服和一系列的冷庫實驗,發(fā)現(xiàn)人體哪個部位最怕冷?同時,又如何為個體熱舒適的改善提供理論支撐?
鞠欣源本科專業(yè)為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程,隸屬于清華大學(xué)建筑學(xué)院的建筑技術(shù)科學(xué)系。不同于負(fù)責(zé)對建筑結(jié)構(gòu)、外觀進(jìn)行整體設(shè)計規(guī)劃的建筑系,建環(huán)專業(yè)的研究領(lǐng)域主要是在建筑設(shè)計完工后,對室內(nèi)的空調(diào)設(shè)備、聲光條件、空氣質(zhì)量等條件進(jìn)行合理規(guī)劃,以營造必要的適宜人類生活、工作的居住環(huán)境,同時也包括了對建筑運行過程中如何實現(xiàn)節(jié)能減碳目標(biāo)等相關(guān)問題的研究。
鞠欣源本科階段就進(jìn)入了清華大學(xué)建筑學(xué)院朱穎心教授和曹彬副教授帶領(lǐng)的熱舒適課題組,在課題組老師和師兄、師姐的帶領(lǐng)下,研究如何通過技術(shù)手段改善人對熱環(huán)境的滿意度和接受度。由于人對舒適的感受具有一定的主觀性,研究需要先基于實驗和投票將受試者的感受轉(zhuǎn)化為可量化的數(shù)據(jù)。實驗過程中,除了需要定期向受試者發(fā)放問卷,收集受試者主觀感受,還會通過心率帶、皮膚溫度傳感器、核心溫度膠囊等設(shè)備,采集受試者在實驗過程中的心率、皮膚溫度、核心溫度等數(shù)據(jù),并結(jié)合問卷結(jié)果進(jìn)行綜合分析,得出結(jié)論。這樣的研究方法成為鞠欣源在畢業(yè)設(shè)計中采用的基本研究框架。
2022年,奧林匹克的圣火再次在北京點燃,在延慶、張家口賽區(qū)舉辦的大量雪上項目多在露天舉行,山區(qū)雪多風(fēng)大,氣溫低至 -10 ℃甚至 -20 ℃的情況很常見。極端的低溫環(huán)境不僅影響觀眾的參與熱情,可能導(dǎo)致大量觀眾因過于寒冷而提前退場,還可能會使媒體記者、志愿者等因為手腳凍僵而難以正常工作,這給賽事組織方的熱舒適保障帶來極大挑戰(zhàn)。
自2018年開始,清華大學(xué)建筑學(xué)院副教授曹彬團隊參與了國家“十三五”重點研發(fā)計劃“科技冬奧”專項,開展了一系列基礎(chǔ)研究和設(shè)備研發(fā),力求在冰雪運動場館極端寒冷條件下,為廣大觀眾提供較為溫暖舒適的觀賽保障,從而提升觀賽體驗。
曹彬副教授也是鞠欣源的畢業(yè)論文導(dǎo)師。鞠欣源深入了解了曹彬老師課題組針對冬奧研發(fā)的“加熱坐墊”“加熱馬甲”等設(shè)備,并對局部熱舒適以及個體熱舒適系統(tǒng)領(lǐng)域過往研究進(jìn)行了梳理。她發(fā)現(xiàn)還存在很大的研究空間,例如實驗往往集中于單個或三到四個部位的熱刺激,不同身體部位的組合測試相對較少,受試者在實驗中主要作為被動接受者而不具有自主調(diào)節(jié)能力等。
通過反復(fù)討論與修改,鞠欣源在以往的課題成果和工程項目上進(jìn)行深入發(fā)掘,將自己畢業(yè)論文的研究問題確定為自主調(diào)節(jié)加熱模式下人體熱需求的部位間分布,以及交替加熱的熱舒適改善效果。她希望通過對人的不同部位熱需求的實驗研究,為個體熱舒適設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用提供一定的理論支撐,服務(wù)于冰雪運動員、邊防官兵等需長期處于低溫環(huán)境的工作者。
為了完成這一復(fù)雜的實驗,首先需要一套涵蓋溫度測量與控制、問卷發(fā)布與數(shù)據(jù)收集的實驗系統(tǒng)。鞠欣源與專業(yè)公司合作,設(shè)計出了一套以加熱服為核心的局部熱舒適實驗平臺。
加熱服由普通的運動服改造而成,在一套運動服上添加20片石墨烯加熱片,覆蓋人體的胸、腹、大臂、大腿等9個部位,每片加熱片通過線路與位于控制盒內(nèi)的主板相連,通過4G通訊實現(xiàn)與主試端和被試端的數(shù)據(jù)傳輸與溫度控制。
專門設(shè)計定制加熱服裝與實驗平臺,耗費了鞠欣源大量時間,留給實驗的時間十分有限。而在進(jìn)入實驗階段后,由于新開發(fā)的設(shè)備本身存在不穩(wěn)定性,再加上招募來的受試者也都是沒有相關(guān)經(jīng)驗的普通學(xué)生,鞠欣源在整個實驗過程中需要不斷地與實驗設(shè)備、平臺進(jìn)行磨合,修復(fù)bug。現(xiàn)在回憶起那段經(jīng)歷,鞠欣源第一時間想到的就是實驗中一系列令人“防不勝防”的“意外事故”。
加熱服是鞠欣源整套實驗設(shè)備的核心部件。每次實驗開始前,都需要受試者先穿戴好整套加熱服,而分布在加熱服上各個部位的加熱片通過一條條線路與主板相連,遍布全身的電源線路,就像是為加熱服“輸血”的“血管”,對實驗過程中的溫度控制與數(shù)據(jù)傳輸具有至關(guān)重要的作用。
然而,作為一套自研的實驗設(shè)備,加熱服沒有經(jīng)過細(xì)致包裝,電源線被直接附著在運動服里襯上,受試者在穿戴加熱服時,密集而裸露的電源線被扯斷的情況時有發(fā)生。即使在外觀沒有異常的情況下,也可能會發(fā)生加熱片失靈等情況。針對此,鞠欣源一方面加強在實驗開始前的設(shè)備檢查,另一方面,在實驗過程中時刻通過對講機與受試者保持溝通,隨時準(zhǔn)備處理實驗過程中可能出現(xiàn)的意外狀況。
除了實驗設(shè)備的“不穩(wěn)定性”,鞠欣源遇到的另一個困難是實驗環(huán)境的營造。冬奧賽場的平均溫度常常低至-10℃,甚至-20℃。為了模擬極端嚴(yán)寒的氣候環(huán)境,鞠欣源將自己的實驗條件設(shè)定在了-15℃,這就需要一個10m左右的空間,能夠同時容納兩位受試者,且溫度穩(wěn)定維持在-15℃。由于清華校內(nèi)沒有能夠滿足這一實驗需求的低溫實驗室,鞠欣源只好借助校外場地完成實驗。最終,天津商業(yè)大學(xué)的制冷技術(shù)實驗室提供了符合鞠欣源實驗需求的冷庫,這個培養(yǎng)制冷專業(yè)人才的重點實驗室,成為了鞠欣源研究熱舒適的實驗場。
實驗平臺運行流程示意圖
經(jīng)過不懈努力,鞠欣源最終完成了實驗,得到了人體不同部位的熱需求分布規(guī)律,也驗證了個體間熱需求確實存在差異的假設(shè)。
鞠欣源從實驗中得出的第一個結(jié)論便是人體熱需求的分布在身體各部位間是有差別的。在實驗的第一階段,受試者可以通過手中的平板電腦,自主調(diào)節(jié)身體各部位加熱片的加熱溫度,從而達(dá)到比較舒適的狀態(tài)。鞠欣源對受試者的自主調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn),如果以加熱片溫度調(diào)整幅度為標(biāo)準(zhǔn)度量部位間熱需求,四肢的熱需求明顯高于軀干。其中,小腿部位加熱片溫度提升最高,達(dá)到了14.9℃,而背部最低,只有5.8℃。也就是說,從鞠欣源的實驗結(jié)果來看,小腿是人體最怕冷的部位。
在解釋“交替加熱在節(jié)能的同時,與持續(xù)加熱效果基本相同”的結(jié)論時,鞠欣源試圖用拍電影來類比,讓這一結(jié)論更便于理解。在她看來,電影是將一幀一幀的靜止畫面連續(xù)播放,利用人眼的“視覺暫留”原理,使人得到連續(xù)動態(tài)的視覺觀感,形成與真實世界中觀看連續(xù)運動的物體相同的感受。與此類似,“熱感覺暫留”效果同樣存在,通過對人體3個部位為一組的交替循環(huán)加熱,獲得的熱舒適改善效果與持續(xù)加熱相近。同時,相較全身9個部位持續(xù)加熱的模式,交替加熱又節(jié)省了2/3的加熱時間,起到了節(jié)能效果。
鞠欣源的畢設(shè)最終被評為2021年清華大學(xué)優(yōu)秀畢業(yè)論文,她自研的實驗平臺系統(tǒng)也已經(jīng)在課題組內(nèi)得到了小范圍推廣,應(yīng)用到組內(nèi)開展的其他實驗中。接下來,鞠欣源會繼續(xù)在熱舒適領(lǐng)域為改善人的環(huán)境滿意度做出微小卻有意義的探索。