关于人体热舒适模型开发的探讨

【摘要】本文对现有的热舒适模型进行梳理和总结，并对热舒适性的二次模型及其输入边界进行综述和探讨。

【关键词】热舒适性；模型；热阻

关于人体热舒适模型开发的探讨

驾舱内的人体热舒适性对乘员的驾驶体验是非常重要的一个因素。近几十年各汽车公司在这方面进行了大量的研究，对这些研究进行梳理是非常必要的。现在很多研究者采用计算流体力学（CFD）的方法进行研究，但此方法只能直接得到虚拟假人表面的流场和温度场，若要得到对热舒适性的评价必须进行二次计算得到类似于满意度（PMV或PPD）的指标。

1热舒适模型

1.1PMV-PPD模型

在ASHRAE标准55[1]中热舒适性被定义为人们对热环境的满意度，满意度被分为若干等级，适用于在室内舒适环境和稍偏离舒适环境下的测评。

该标准基于大样本人群调查，把人对冷热的感觉划分为7级，并采用投票率PMV(Predicted Mean Vote)来表达：PMV=-3(冷)、-2(凉)、-1(稍凉)、0(中性)、1(较暖)、2(暖)、3(热)。

PMV指标代表了同一环境下绝大多数人的热感觉，但不代表所有人，因此又提出PPD(Predicted Percentage of Dissatisfied)指标。PPD指标表示人群对热环境不满意的百分比，并用概率表示，下式给出了PMV与PPD之间的定量关系：

PPD=100-95exp[-(0.03353PMV4+0.2179PMV2)]

1.2The MEMI模型

PMV模型是一个早期的稳态理想模型，但要求外界参数恒定且人体的新陈代谢率也恒定。它虽然考虑了各个物理量对人的热物理和热生理方面的作用，但不能定量描述人体表面热通量或人体温度。

MEMI模型[2]考虑到这一点，引入了一个假设：人体内的热是通过血液循环把热量带到皮肤表面的，而此值与人体感觉散热量相等。MEMI模型采用以下热平衡关系式:

H+C+R+ED+Esr+Elr+Esw+Ef=S

H――产热量，C――对流热流密度，R――辐射热流密度，ED――水蒸气扩散率，Esr――通过呼吸散发的显热热量，Elr――通过呼吸散发的潜热热量，Esw――人体通过排汗散发的热量，Ef――人体通过进食摄入或排出的热量，S――体内积存热量。

1.3两点模型(ET*-DISC)

两点模型也是采用热平衡方法来预测热舒适度，但采用的是非稳态假设。ET*代表新等效温度，除了反映显热还考虑了辐射和潜热的传热，通过两点模型可以求出ET*。在一分钟步长内，两点模型可以计算出人体皮肤和体内对环境的传热量，模型从时间0点给定初始条件，以1分钟为时间步长进行迭代计算直到达到热平衡为止，一般进行60个时间步长。最后的平均皮肤温度和皮肤湿润度决定了等效平均温度。

1.4Draft Rate模型

ASHRAE标准55定义了“draft”为空气运动导致的身体局部不适，此词在汉语里很难找到相应的词汇表达。“draft感觉”由空气速度、空气湍流度、空气温度和着装情况共同决定。产生“draft感觉”的位置主要在服装不能覆盖的脖子、头部、脚踝和腿部区域，在ASHRAE标准55中定义了draft rate指标，代表在人群中对空间产生局部“draft感觉”的人数，其表达式如下：

draft rate=3.413(34-Ta)(v-0.05)0.622+0.369vTu(34-Ta)(v-0.05)0.622

Tu――湍流强度(0~100%)，v――风速(m/s)，Ta――空气温度(℃)。

1.5PS模型

PS模型[3]指出了人如何在一定空气温度下，控制空气流速产生舒适的感觉，其关联式如下：

PS=1.13Top0.5-0.24Top+2.7v0.5-0.99v

Top――操作温度(℃)，v――空气速度(m/s)。

PS关联式来源于对50个人的实验，让实验者在某一温度的房间，改变不同的风速直到实验者觉得舒适满意为止。PS代表了在这个实验下某一温度风速下被测试者认为舒适的累计百分比。

1.6TS模型

TS模型是把空气温度和水蒸气分压拟合成热感觉的线性函数。TS值代表在空气温度和水蒸气分压下对热舒适性的投票率。TS关联式如下：

TS=0.245Ta+0.248P-6.475

Ta――空气温度(℃)，P――水蒸气分压强(kPa)。

2模型的输入数据

2.1人体表面积

1927年山东齐鲁大学万素贞应用Du Bios线公式、Du Bios身高及体重公式计算本校74名男生体表面积获得精确满意结果，认为Du Bios任一公式均可用于计算中国人体表面积。1937年Paul H. Stevenson应用修正的Du Bios线公式测量100名中国人体表面积、身高及体重得出多元回归方程式，提出了沿用至今计算体表面积的Stevenson公式。但随着国人营养状况的改善，体型也发生不小的改变，因此1999年胡咏梅[4]对校内100名教师和学生作为样本得出适用于中国人体表面积计算的最新公式：

男女共同模型：S=0.0061×H+0.0124×W-0.0099

男性模型：S=0.0057×H+0.0121×W+0.0082

女性模型：S=0.0073×H+0.0127×W-0.2106

H――身高(cm)，W――体重(kg)。

2.2活动水平

在模型计算之前需确定人体的活动水平才能计算热舒适性水平。ASHRAE标准55给出了人在各种活动下的新陈代谢率。其中重型卡车驾驶员为180w/m2，小汽车驾驶员为60~115w/m2，乘员安静乘坐为60w/m2。

2.3着装

在模型输入中人员的着装水平是非常重要的一项。详细数据可参考ASHRAE标准55。对于不同的穿衣组合可以通过叠加分项热阻得到。

衣服热阻的单位为clo (1 clo=0.155m2 °C/ W)。夏天衣服热阻约为0.6clo，冬天衣服热阻约为1clo，最高穿衣clo值为4clo (皮衣、皮裤、穿外套且带帽子手套)。久坐在温度为21°C，相对湿度为50%，空气速度为0.01m/s环境下，穿热阻为1clo的衣服较为舒适。

2.4热边界

环境对人的热感觉影响依赖于四个量：空气温度(ta)，即人体周围空气的平均温度，此值受所处位置和持续时间影响较大；平均热辐射温度(MRT)，即所处环境周围所有面的平均温度，可大于或小于空间中的空气平均温度ta；空气速度(va)，即人体所处环境的平均风速；湿度，在一定体积空气中水蒸气的质量含量，表征湿度的量有水蒸汽分压、露点温度和相对湿度等。

2.5太阳和地理数据

地理数据包括海拔、标高、吸收率、反射率、坡方位角、太阳方位角、坡度、天顶角、偏转角、时间角、日期和时间。这些数据都是计算平均辐射温度必须的数据。

3展望

（上接第1页）以上总结了对人体热舒适性计算的各种模型及其模型输入，但这些模型对汽车驾舱内的热舒适性计算还有较大局限。因为驾舱是一个复杂包络空间，气流极其不均匀，由于驾驶员和各乘员所处车内位置不同，太阳辐射强度有较大区别，所以把人体当做一个整体来判断热舒适性已经非常不适用了。

近几年针对驾舱内的特殊环境提出了很多新模型，这些模型一般上把人体分成若干区域，每个区域独立求解舒适度方程，如EHT模型。如前所述很多模型建立在CFD程序包上，通过程序包求解局部区域的各物理量，然后再代入PMV方程进行求解，其理论基础还是以上所述模型。因此熟练掌握本文综述的模型对于开发和改进驾舱模型是非常必要的。

【参考文献】

［1］ASHRAE Standard 55-2004. Thermal environmental conditions for human occupancy[Z].2004.

［2］H. Mayer and P. Höppe. Thermal comfort of man in different urban environments[J]. Theoretical and Applied Climatology.1987(38):43-49.

［3］de Dear, Richard and Brager, G. S. Developing an Adaptive Model of Thermal Comfort and Preference[J]. University of California, Berkeley, Publication Date: 01-01-1998.

［4］胡咏梅,等.关于中国人体表面积公式的研究[J].生理学报,1999(01).