溫度突變下人體熱反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究*

張子揚(yáng) 趙勝凱 武 峰 翟永超△

(1.綠色建筑全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安;2.西安建筑科技大學(xué),西安)

0 引言

生活中人們經(jīng)常經(jīng)歷環(huán)境溫度發(fā)生突變的情況,如出入地鐵站和辦公樓等。探索人體在溫度突變環(huán)境下的熱反應(yīng)規(guī)律,是合理設(shè)計建筑物室內(nèi)外溫差和過渡空間溫度參數(shù)及開發(fā)人體熱感覺預(yù)測模型的基礎(chǔ)。

為探索人體在溫度突變動態(tài)環(huán)境中的生理響應(yīng)及其與主觀感覺變化的關(guān)系,國內(nèi)外學(xué)者通過在實(shí)驗(yàn)室營造不同的溫度工況,開展了諸多人體熱舒適實(shí)驗(yàn)研究。Stolwijk等人通過實(shí)驗(yàn)探索了人體在經(jīng)歷28 ℃→33/38/43/48 ℃→28 ℃往返式溫度突變時皮膚溫度、出汗量、熱負(fù)荷、皮膚蒸發(fā)熱損失的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在33 ℃和38 ℃工況下皮膚蒸發(fā)熱損失和皮膚溫度之間有很好的相關(guān)性[1]。Gagge等人[2]、Dear等人[3]、Nagano等人[4]、Tsutsumi等人[5]、Zhao等人[6]和Liu等人[7]開展了一系列中性→冷(熱)和冷→熱的溫度突變實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)了3條重要規(guī)律:1) 在溫度突變的情況下,人體產(chǎn)生心理超前現(xiàn)象,表現(xiàn)為熱感覺等心理反應(yīng)變化超前于皮膚溫度的變化;2) 突變瞬間人體出現(xiàn)熱感覺超越現(xiàn)象,表現(xiàn)為環(huán)境溫度突升或突降時,熱感覺的初始反應(yīng)非常強(qiáng)烈,而后逐漸減弱至穩(wěn)態(tài)水平;3) 人體進(jìn)入低溫環(huán)境時皮膚溫度變化幅度大,穩(wěn)定時間長,生理熱調(diào)節(jié)遲鈍,而進(jìn)入高溫環(huán)境時相反。此外,Zhang等人在中性→熱(冷)→中性往返式溫度突變實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)前后2次在中性環(huán)境中的熱感覺投票值不同,表現(xiàn)為經(jīng)歷過低溫突變后熱感覺投票升高,經(jīng)歷過高溫突變后熱感覺投票降低,即出現(xiàn)熱感覺不對稱現(xiàn)象[8]。廖建科在熱→中性→熱往返式溫度突變實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了該現(xiàn)象[9]。已有的關(guān)于人體在溫度突變環(huán)境中熱反應(yīng)的研究大都集中于中小溫差突變,而人們在生活中經(jīng)常經(jīng)歷一些溫差達(dá)到20 ℃以上的短時溫度突變,而且已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果局限于皮膚溫度、皮膚濕潤度和主觀反應(yīng),缺少在溫度突變環(huán)境下人體與環(huán)境的換熱和熱負(fù)荷規(guī)律的探索。

基于實(shí)驗(yàn)研究,國內(nèi)外學(xué)者提出了人體熱感覺預(yù)測模型,主要有2種:1) 直接建立人體熱感覺和環(huán)境參數(shù)的關(guān)系,比如Fanger提出的PMV模型[10],這種模型多適用于穩(wěn)態(tài)環(huán)境。2) 量化熱感覺與生理指標(biāo)之間的關(guān)系,如Wang等人將動態(tài)環(huán)境中的熱感覺分為穩(wěn)態(tài)項(xiàng)和動態(tài)項(xiàng),其中穩(wěn)態(tài)項(xiàng)與皮膚溫度呈線性關(guān)系,并進(jìn)一步提出了動態(tài)熱感覺模型[11];張宇峰等人發(fā)現(xiàn)動態(tài)項(xiàng)隨皮膚溫度變化率的變化而變化[12];Arens等人認(rèn)為人體熱感覺除了受皮膚溫度影響外,還受核心溫度的影響[13];Zhang等人對人體13個部位建立了局部熱感覺回歸模型,并在模型中增加了核心溫度[14];Fiala模型[15]中的動態(tài)項(xiàng)也考慮了核心溫度的影響,采用核心溫度對熱中性狀態(tài)的偏離量作為變量。

綜上,本文的主要研究目的為:1) 在人工氣候室開展高溫和低溫突變的人體熱舒適實(shí)驗(yàn),獲得不同突變溫差、突變方向下人體皮膚溫度、皮膚濕潤度隨環(huán)境溫度及暴露時間的變化規(guī)律,并進(jìn)一步利用人體熱平衡方程計算實(shí)驗(yàn)過程中的人體熱負(fù)荷,探索人體生理調(diào)節(jié)規(guī)律;2) 分析人體皮膚溫度和主觀熱感覺之間的關(guān)系,建立基于皮膚溫度及其變化率的熱感覺預(yù)測模型;3) 探索溫度突變環(huán)境中人體熱感覺與人體熱負(fù)荷、皮膚溫度之間的關(guān)系,從而為動態(tài)環(huán)境下熱感覺的預(yù)測和評價提供參考。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺

實(shí)驗(yàn)在西安建筑科技大學(xué)人工氣候室進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)室由2個可單獨(dú)調(diào)控的房間(A室和B室)組成,A室尺寸為4.5 m(長)×3.9 m(寬)×2.6 m(高),B室尺寸為3.0 m(長)×2.4 m(寬)×2.1 m(高),A室和B室之間由凈寬800 mm的保溫密封門連通,2個房間之間裝有1 510 mm×1 100 mm的雙層真空玻璃窗。人工氣候室的空氣經(jīng)空調(diào)機(jī)組壓縮、加濕、變溫等處理后,從上送風(fēng)口和帶孔板的吊頂送入室內(nèi),由下回風(fēng)口及帶孔板的架空地板回風(fēng),形成通風(fēng)循環(huán),確保了A室和B室的室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)分布均勻。其性能指標(biāo)如下:A室和B室空氣溫度控制精度為±0.3 ℃,相對濕度控制精度為±5%;送風(fēng)量在設(shè)計送風(fēng)量的50%～100%之間可調(diào)。以上的性能指標(biāo)在一定程度上確保精確營造穩(wěn)定均勻的室內(nèi)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)中人工氣候室的布置情況見圖1。

圖1 人工氣候室布置

1.2 受試者

招募24名身體健康的受試者,其中男生和女生各12名,均為西安建筑科技大學(xué)在校學(xué)生,受試者基本信息見表1。受試者在實(shí)驗(yàn)過程中穿著統(tǒng)一服裝,根據(jù)ISO 7730:2005[16],夏季工況服裝熱阻為0.57 clo(短袖T恤、長褲、運(yùn)動鞋),過渡季工況服裝熱阻為0.7 clo(長袖襯衫、短袖T恤、長褲、運(yùn)動鞋),冬季工況服裝熱阻為1.8 clo(長袖襯衫、厚外套、短款羽絨服、秋褲、長褲、運(yùn)動鞋)。

表1 受試者詳細(xì)信息

1.3 相關(guān)參數(shù)及測量

1.3.1環(huán)境參數(shù)測量方法

實(shí)驗(yàn)期間測量的環(huán)境參數(shù)為空氣溫度、相對濕度、氣流速度及黑球溫度,測量儀器見表2。測量位置為A、B室內(nèi)0.1、0.6、1.1 m高度處。

表2 環(huán)境參數(shù)測量儀器

1.3.2生理參數(shù)測量方法

本研究測試了與人體熱舒適相關(guān)的生理參數(shù):皮膚溫度、皮膚濕潤度。測量儀器見表3。

表3 生理參數(shù)測量儀器及測量位置

1.3.3生理參數(shù)計算方法

皮膚溫度:利用熱電偶對身體16個部位的皮膚溫度進(jìn)行連續(xù)測量,采用其中7個部位的皮膚溫度計算平均皮膚溫度,計算式為[17]

tsk,m=0.07tfh+0.35tp+0.14tla+

0.05tlh+0.19tlt+0.13tll+0.07tlf

(1)

式中tsk,m為平均皮膚溫度,℃;tfh為前額皮膚溫度,℃;tp為骨盆皮膚溫度,℃;tla為左小臂皮膚溫度,℃;tlh為左手皮膚溫度,℃;tlt為左大腿皮膚溫度,℃;tll為左小腿皮膚溫度,℃;tlf為左腳皮膚溫度,℃。

皮膚濕潤度:將iButton溫濕度傳感器布置在受試者的4個部位以采集皮膚與服裝之間空氣間層的溫度和皮膚表面相對濕度數(shù)據(jù),溫濕度傳感器與皮膚表面間隔0.3 cm,以確保測量部位的汗液能夠正常蒸發(fā)。皮膚濕潤度計算式如下[18]:

w=0.3wch+0.3wa+0.2wt+0.2wl

(2)

式中w為全身皮膚濕潤度;wch為左前胸皮膚濕潤度;wa為左上臂皮膚濕潤度;wt為左大腿皮膚濕潤度;wl為左小腿皮膚濕潤度。

人體熱負(fù)荷:根據(jù)人體熱平衡方程[19],環(huán)境中人體的熱負(fù)荷LT可以表示為

LT=M-W-R-C-Esk-Cres-Eres

(3)

式中M為靜坐狀態(tài)的代謝率,W/m2,取60 W/m2;W為對外做功,W/m2,在本實(shí)驗(yàn)中取0 W/m2;R為輻射換熱量,W/m2;C為對流換熱量,W/m2;Esk為皮膚蒸發(fā)散熱量,W/m2;Cres和Eres分別為來自呼吸顯熱和潛熱的散熱量,W/m2。

R=3.96×10-8fcl[(tcl+273)4-(ta+273)4]

(4)

C=hcfcl(tcl-ta)

(5)

(6)

Cres=0.001 4M(34-ta)

(7)

Eres=1.7×10-5M(5 867-pa)

(8)

式(4)～(8)中fcl為服裝面積因子,fcl=1.00+0.28Icl(其中Icl為服裝熱阻,clo,1 clo=0.155 m2·℃/W);tcl為服裝表面溫度,℃;ta為空氣溫度,℃;hc為對流換熱系數(shù),W/(m2·K),hc=2.38(tsk-ta)0.25,其中tsk為皮膚表面溫度,℃;psk,s為平均皮膚溫度對應(yīng)的飽和水蒸氣分壓力,Pa;pa為環(huán)境空氣中的水蒸氣分壓力,Pa;Re,cl為服裝的蒸發(fā)熱阻,m2·Pa/W,Re,cl=Rcl/0.005 61,其中Rcl為服裝熱阻,m2·℃/W;he為蒸發(fā)傳熱系數(shù),W/(m2·Pa),he=0.016 5hc。

1.3.4主觀熱感覺調(diào)查

采用問卷調(diào)查受試者的主觀熱感覺。問卷包括受試者對熱環(huán)境的全身和局部的主觀感受,包括熱感覺、熱舒適等問題。熱感覺投票采用ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)中的9級連續(xù)標(biāo)尺:-4非常冷、-3 冷、-2涼、-1稍涼、0不冷不熱、1稍暖、2暖、3熱、4非常熱。熱舒適投票為斷裂標(biāo)尺,不舒適的投票范圍從“-4非常不舒服”到“-0.01有點(diǎn)不舒服”,舒適的投票范圍從“0.01有點(diǎn)舒服”到“4非常舒服”。

1.4 實(shí)驗(yàn)控制及工況

通過人工氣候室完成不同的溫度突變過程,A室模擬不同季節(jié)的中性溫度,B室模擬不同工況下的高溫和低溫條件。實(shí)驗(yàn)包括9種不同溫度的工況,各工況A、B室溫度設(shè)定值見表4。每次實(shí)驗(yàn)完成1個工況,夏季工況模擬受試者在夏季經(jīng)歷短時高溫環(huán)境后進(jìn)入中性環(huán)境的場景;過渡季工況模擬受試者在過渡季經(jīng)歷短時偏涼環(huán)境后進(jìn)入中性環(huán)境的場景,冬季工況模擬受試者在冬季經(jīng)歷短時寒冷環(huán)境后進(jìn)入中性環(huán)境的場景。A、B室的相對濕度均控制在50%,空氣流速控制在0.05 m/s以內(nèi),平均輻射溫度近似于空氣溫度。

表4 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計

1.5 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)時間為2020年9月和12月,2021年3月和5月。實(shí)驗(yàn)開始前,受試者更換統(tǒng)一服裝,固定測量皮膚溫度的熱電耦及測量皮膚濕潤度的紐扣。實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示,第1階段受試者在A室中預(yù)暴露30 min,第2階段進(jìn)入B室停留15 min,第3階段再進(jìn)入A室中靜坐40 min。整個實(shí)驗(yàn)過程中連續(xù)測量皮膚溫度、皮膚濕潤度及環(huán)境參數(shù)。

注:○表示主觀問卷記錄時刻。圖2 實(shí)驗(yàn)流程

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 生理反應(yīng)

圖3顯示了各工況下受試者平均皮膚溫度隨時間的變化規(guī)律?？梢钥闯?在預(yù)暴露后期皮膚溫度處于穩(wěn)定狀態(tài);在進(jìn)入低溫或高溫環(huán)境時,突降或突升溫差越大,受試者的平均皮膚溫度降低或升高越顯著;突變溫差越大,受試者的皮膚溫度在返回中性溫度環(huán)境后達(dá)到穩(wěn)定的時間越長;在夏季各工況下,受試者由偏熱環(huán)境回到中性溫度環(huán)境時,平均皮膚溫度均在較短時間內(nèi)(約5 min)迅速降低并逐漸趨于穩(wěn)定;而冬季和過渡季各工況下,受試者由偏冷環(huán)境回到中性溫度環(huán)境時,平均皮膚溫度升高緩慢,這表明人體皮膚溫度對冷刺激的調(diào)節(jié)快于熱刺激的響應(yīng)。對比溫度突變前后中性溫度下受試者的平均皮膚溫度,當(dāng)突變溫差Δt≤4 ℃時,受試者皮膚溫度在第3階段結(jié)束時近似等于第1階段的皮膚溫度,表明該溫差范圍內(nèi)人員能較好地響應(yīng)溫度調(diào)節(jié),并在短時間內(nèi)恢復(fù)自身熱平衡。當(dāng)突變溫差Δt≥9 ℃時,突變前后皮膚溫度出現(xiàn)一定的不對稱性。這與以往的研究結(jié)果一致[7,20]。

圖3 各工況下受試者平均皮膚溫度的逐時變化

由于本次實(shí)驗(yàn)中受試者只有在夏季工況下存在出汗行為,故僅對夏季各工況下皮膚濕潤度測量結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?在預(yù)暴露過程中受試者的皮膚濕潤度均能達(dá)到穩(wěn)定;受試者進(jìn)入高溫環(huán)境后人體體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)揮作用,出汗量迅速增加以促進(jìn)皮膚蒸發(fā)散熱,且增加的幅度隨突變溫差的增大而增大;在回到中性環(huán)境后皮膚濕潤度逐漸降低,但一直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束仍未恢復(fù)至經(jīng)歷高溫突變前的水平。

圖4 夏季各工況下受試者皮膚濕潤度的逐時變化

2.2 主觀反應(yīng)

圖5顯示了各工況下受試者全身熱感覺的逐時變化情況。可以看出:過渡季和冬季各工況下,受試者由中性溫度環(huán)境進(jìn)入低溫環(huán)境的瞬間熱感覺下降幅度隨突變溫差的增大而增大,在低溫環(huán)境中受試者的熱感覺不斷降低,當(dāng)受試者重新回到中性溫度環(huán)境時,熱感覺恢復(fù)至突變前的水平并趨于穩(wěn)定;夏季各工況下,受試者由中性溫度環(huán)境進(jìn)入高溫環(huán)境的瞬間熱感覺上升幅度隨突變溫差的增大而增大,熱感覺投票值隨暴露時間的延長不斷提高,當(dāng)受試者重新回到中性溫度環(huán)境時,暴露初始時刻熱感覺投票值降低至負(fù)值,出現(xiàn)明顯的“冷感超越”現(xiàn)象,在發(fā)生降溫突變的前2 min內(nèi)“超越”現(xiàn)象最明顯,且該“超越”現(xiàn)象隨著突變溫差的增大顯得更明顯。對比夏季各工況前后2次在中性溫度環(huán)境中的熱感覺投票值,發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷過高溫突變后熱感覺投票值降低,出現(xiàn)熱感覺不對稱現(xiàn)象。Zhang等人[8]和Ji等人[21]對這種不對稱現(xiàn)象的解釋是:在熱感覺達(dá)到穩(wěn)定后,皮膚溫度還在繼續(xù)變化,而此時的皮膚溫度變化率對熱感覺的影響大于皮膚溫度,使得熱感覺繼續(xù)變化,偏離中性條件下的熱感覺投票值。

圖5 各工況下受試者全身熱感覺的逐時變化

圖6顯示了各工況下受試者全身熱舒適的逐時變化情況?？梢钥闯?各工況預(yù)暴露過程中受試者熱舒適投票值基本在1.5以上,經(jīng)歷溫度突降或突升的初始時刻,熱舒適投票值迅速降低,且突變溫差越大,其熱舒適投票值越低;隨著暴露時間的延長,-10 ℃和45 ℃環(huán)境中的熱舒適投票值由初始時刻的-2降低到-3以下,其余工況的熱舒適投票值也降低了超過0.5,這可能是由于受試者的熱負(fù)荷或冷負(fù)荷隨著暴露時間的延長而增大,導(dǎo)致其熱舒適水平持續(xù)降低;第3階段初始時刻的熱舒適投票值均低于第1階段,且這種差異在20 ℃→-10 ℃→20 ℃和26 ℃→45 ℃→26 ℃工況下最明顯,這可能是由于這2種工況的突變溫差過大,導(dǎo)致受試者需要更長的時間去適應(yīng);在各突變工況下,主觀反應(yīng)變化均超前于生理反應(yīng),即出現(xiàn)心理超前現(xiàn)象。

圖6 各工況下受試者全身熱舒適的逐時變化

2.3 全身熱負(fù)荷

圖7顯示了各工況下受試者全身熱負(fù)荷隨時間的變化規(guī)律?？梢钥闯?在預(yù)暴露過程中,受試者的全身熱負(fù)荷穩(wěn)定在0～10 W/m2之間;夏季工況下受試者進(jìn)入高溫環(huán)境的初始時刻,由于空氣溫度和平均輻射溫度均高于皮膚溫度,所以全身熱負(fù)荷劇增,且突變溫差越大熱負(fù)荷增加越多,隨后體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)開始發(fā)揮作用,表現(xiàn)為皮膚濕潤度持續(xù)上升以促進(jìn)蒸發(fā)散熱,因此熱負(fù)荷在受試者進(jìn)入高溫環(huán)境3 min左右便開始下降;受試者回到中性溫度環(huán)境后,熱負(fù)荷出現(xiàn)“超越”現(xiàn)象,隨后熱負(fù)荷逐漸恢復(fù),但直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束仍低于第1階段,這是由于人體在高溫環(huán)境中大量出汗,返回中性溫度環(huán)境后皮膚表面積蓄的汗液持續(xù)從皮膚表面帶走熱量;在過渡季和冬季工況下受試者進(jìn)入低溫環(huán)境的初始時刻,由于空氣溫度和平均輻射溫度均低于皮膚溫度,所以全身熱負(fù)荷降低,且突變溫差越大熱負(fù)荷降低越多,隨后體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)開始發(fā)揮作用,表現(xiàn)為平均皮膚溫度持續(xù)降低以減少人體輻射散熱和對流散熱,因此熱負(fù)荷在受試者進(jìn)入低溫環(huán)境2 min左右便開始逐漸上升,在回到中性溫度環(huán)境時,熱負(fù)荷逐漸恢復(fù)并趨于穩(wěn)定。

圖7 各工況下受試者全身熱負(fù)荷的逐時變化

3 討論

3.1 人體熱負(fù)荷與熱感覺的關(guān)系

由熱感覺和熱負(fù)荷逐時變化曲線可以看出,高溫到中性溫度突變瞬間,熱感覺出現(xiàn)明顯“冷感超越”現(xiàn)象的時刻對應(yīng)于人體熱負(fù)荷發(fā)生“超越”的時刻。針對這種現(xiàn)象,圖8顯示了夏季工況下人體各項(xiàng)散熱量的逐時變化,散熱量為正值時說明人體向外界散熱,為負(fù)值時說明人體從外界得熱?？梢钥闯?30 ℃環(huán)境中空氣溫度略低于皮膚溫度,人體通過對流換熱、輻射換熱和皮膚蒸發(fā)向外界散熱,但在空氣溫度更高的環(huán)境中由于空氣溫度近似于或高于皮膚溫度,導(dǎo)致人體通過對流換熱、輻射換熱向外界散熱很少(35 ℃)或從外界得熱(40 ℃和45 ℃),作為補(bǔ)償,皮膚蒸發(fā)散熱量隨著出汗量的增大而增大;從高溫環(huán)境到中性溫度環(huán)境后,人體皮膚蒸發(fā)散熱量急劇增大,總散熱量大于產(chǎn)熱量,導(dǎo)致人體出現(xiàn)冷感;在夏季4個工況中,45 ℃→26 ℃工況下皮膚蒸發(fā)散熱量增加幅度最大,也導(dǎo)致了該工況下“冷感超越”最明顯;隨著體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)開始發(fā)揮作用,皮膚蒸發(fā)散熱量逐漸下降,突變后的冷感逐漸消失;在突變后25 min左右皮膚蒸發(fā)散熱量基本趨于平穩(wěn),這與熱感覺的穩(wěn)定時間較為一致。

圖8 人體各項(xiàng)散熱量的逐時變化

3.2 基于皮膚溫度的熱感覺預(yù)測

溫度突變過程中,熱感覺與平均皮膚溫度及其變化率相關(guān)。因此動態(tài)熱環(huán)境中的人體熱感覺預(yù)測需要分別建立熱感覺模型的穩(wěn)態(tài)項(xiàng)和動態(tài)項(xiàng),動態(tài)熱感覺(TDTS)視為穩(wěn)態(tài)項(xiàng)(Ts)與動態(tài)項(xiàng)(Td)之和,即

TDTS=Ts+Td

(9)

3.2.1預(yù)測模型穩(wěn)態(tài)項(xiàng)Ts

將各工況3個階段最后1 min的熱反應(yīng)視為穩(wěn)態(tài),之前的反應(yīng)視為動態(tài)。對各個工況下全身熱感覺和平均皮膚溫度的穩(wěn)態(tài)值作回歸分析,結(jié)果如圖9所示。全身熱感覺與平均皮膚溫度的回歸模型為

圖9 穩(wěn)態(tài)情況下熱感覺與皮膚溫度的關(guān)系

Ts=0.96tsk,m-32.22 (R2=0.74)

(10)

由圖9可以看出,穩(wěn)態(tài)情況下人體的全身熱感覺投票值與平均皮膚溫度呈較好的線性關(guān)系,平均皮膚溫度每升高1 ℃,全身熱感覺投票值增加0.96。對應(yīng)熱感覺為中性的平均皮膚溫度即皮膚溫度的設(shè)定點(diǎn)為33.56 ℃,這與以往的研究結(jié)果[2]相差很小。

3.2.2預(yù)測模型動態(tài)項(xiàng)Td

動態(tài)項(xiàng)假定只與平均皮膚溫度變化率r有關(guān),r可由下式計算:

(11)

式中tsk,mτ為τ時刻的平均皮膚溫度,℃;tsk,mτ-1為τ-1時刻的平均皮膚溫度,℃。

先按式(10)和逐時平均皮膚溫度計算熱感覺的穩(wěn)態(tài)項(xiàng),然后由動態(tài)熱感覺和式(9)計算得到熱感覺動態(tài)項(xiàng),熱感覺動態(tài)項(xiàng)與平均皮膚溫度變化率的關(guān)系如圖10所示。

圖10 熱感覺動態(tài)項(xiàng)與平均皮膚溫度變化率的關(guān)系

由圖10可知,熱感覺動態(tài)項(xiàng)隨平均皮膚溫度變化率的變化而變化,突變初始時刻的平均皮膚溫度變化率較大,分散在兩邊,其后時刻的平均皮膚溫度變化率較小,集中在中間,故將平均皮膚溫度變化率r≤-0.1 ℃/min和r≥0.1 ℃/min的數(shù)據(jù)點(diǎn)看作初始反應(yīng),將-0.1～0.1 ℃/min間的數(shù)據(jù)點(diǎn)看作其后反應(yīng),分別作回歸。

中性溫度環(huán)境→非中性溫度環(huán)境:

初始反應(yīng)

Td=6.00r+0.06 (R2=0.90)

(12)

其后反應(yīng)

Td=16.25r+0.03 (R2=0.30)

(13)

非中性溫度環(huán)境→中性溫度環(huán)境:

初始反應(yīng)

Td=7.44r+0.58 (R2=0.88)

(14)

其后反應(yīng)

Td=23.89r+0.10 (R2=0.54)

(15)

可以看出:2種突變過程的初始反應(yīng)中,受試者熱感覺動態(tài)項(xiàng)與平均皮膚溫度變化率呈顯著的線性關(guān)系,平均皮膚溫度變化率越大,熱感覺動態(tài)項(xiàng)越大,最大可達(dá)3.37;2種突變過程的其后反應(yīng)中,受試者熱感覺動態(tài)項(xiàng)與平均皮膚溫度變化率的線性關(guān)系不再顯著,這是由于受試者的熱感覺和平均皮膚溫度在新環(huán)境中都達(dá)到穩(wěn)定;熱感覺動態(tài)項(xiàng)隨平均皮膚溫度變化率線性變化的趨勢在初始時刻較為平緩,在其后時刻較為陡峭,即在其后時刻熱感覺隨皮膚溫度變化率的變化更為敏感。以上結(jié)果證實(shí)了Gagge等人提出的皮膚溫度變化率的重要作用[2],也可以更好地解釋不對稱現(xiàn)象。結(jié)合式(9)～(15)可得到基于皮膚溫度的人體熱感覺預(yù)測模型。

3.3 基于人體熱負(fù)荷的熱感覺預(yù)測

參考3.2節(jié)方法,將各工況3個階段最后1 min的熱反應(yīng)視為穩(wěn)態(tài),之前的反應(yīng)視為動態(tài)。選擇穩(wěn)態(tài)反應(yīng)的熱負(fù)荷LT和平均皮膚溫度tsk,m來確定熱感覺穩(wěn)態(tài)項(xiàng)Ts。通過多元線性回歸獲得以下關(guān)系:

Ts=0.04LT+0.58tsk,m-19.06 (R2=0.92)

(16)

選擇動態(tài)反應(yīng)的熱負(fù)荷變化量ΔLT和平均皮膚溫度變化率r來確定熱感覺動態(tài)項(xiàng)Td。通過多元線性回歸獲得以下關(guān)系式:

Td=0.03ΔLT+1.71r+0.08 (R2=0.87)

(17)

熱感覺穩(wěn)態(tài)項(xiàng)Ts與熱感覺動態(tài)項(xiàng)Td之和即為基于人體熱負(fù)荷的熱感覺T′DTS預(yù)測模型:

T′DTS=Ts+Td

(18)

3.4 模型評估

圖11比較了熱感覺實(shí)測值與PMV模型、基于皮膚溫度的熱感覺預(yù)測模型、基于熱負(fù)荷的熱感覺預(yù)測模型預(yù)測值?？梢钥闯?PMV模型對于溫度突變情況下人體熱感覺預(yù)測不準(zhǔn)確,基于皮膚溫度和人體熱負(fù)荷的熱感覺預(yù)測模型預(yù)測效果較好。

圖11 3種熱感覺預(yù)測模型的比較

表5顯示了各工況下熱感覺實(shí)測值與以上3種預(yù)測模型預(yù)測值之間的均方根誤差(RMSE)。

表5 模型驗(yàn)證結(jié)果

可以看出:在冬季和過渡季工況下,PMV預(yù)測模型均方根誤差最大,甚至出現(xiàn)大于1的情況,其余2個模型均方根誤差較小,基于熱負(fù)荷的熱感覺預(yù)測模型效果最佳;在夏季工況下,PMV模型的均方根誤差最小,基于皮膚溫度的熱感覺預(yù)測模型的均方根誤差最大。

4 結(jié)論

1) 各工況突變過程中主觀反應(yīng)變化均超前于生理反應(yīng),即出現(xiàn)心理超前現(xiàn)象;各工況突變前后2次中性溫度環(huán)境的熱感覺投票值不同,即出現(xiàn)熱感覺不對稱現(xiàn)象。

2) 在熱→中性突變工況中出現(xiàn)“冷感超越”現(xiàn)象,出現(xiàn)冷感的原因是人體從高溫環(huán)境進(jìn)入中性溫度環(huán)境的瞬間,皮膚蒸發(fā)散熱量達(dá)到最大值,導(dǎo)致人體散熱量遠(yuǎn)大于產(chǎn)熱量。隨著人體體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)開始起作用,人體的冷感逐漸消失。

3) 溫度突變動態(tài)環(huán)境中的熱感覺與平均皮膚溫度及其變化率均呈線性關(guān)系,進(jìn)而得到了基于皮膚溫度的熱感覺預(yù)測模型。

4) 穩(wěn)態(tài)階段的熱感覺與人體熱負(fù)荷和平均皮膚溫度呈線性關(guān)系,動態(tài)階段的熱感覺變化量與人體熱負(fù)荷變化量和平均皮膚溫度變化率呈線性關(guān)系,進(jìn)而得到了基于熱負(fù)荷的熱感覺預(yù)測模型。

5) 對比了PMV模型、基于皮膚溫度的熱感覺預(yù)測模型、基于熱負(fù)荷的熱感覺預(yù)測模型在溫度突變情況下的預(yù)測性能,發(fā)現(xiàn)引入熱負(fù)荷的預(yù)測模型性能更好。