基于局部换热影响的低压人体热调节模型研究

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舒适健康的室内环境对人们的工作、生活有着积极的作用。随着社会的发展、经济的增长,人们更加关心舒适的室内环境,人体热调节模型与热舒适理论的研究紧密相连,密不可分,并且热调节模型能够为工程应用提供预测工具。目前国内外对热调节模型的研究大都是在常压环境下展开的,而在日常生活中,人们还常会身处低压环境中,有时也会处于非均匀的热环境中,抑或即使所处热环境的参数分布均匀,但因身体不同部位(如头部和躯干)着衣量的不同,导致身体不同部位所处的热环境不同,从而身体各部位的局部换热量不同。本文重点针对低气压环境,在人体局部换热的基础上对人体热调节模型进行了深入探讨,进而建立低气压环境下的人体热调节模型,并确定了低压热舒适区。主要研究内容如下:首先在总结人体热调节机理的基础上,从生理学角度分析了低气压环境下人体热调节系统中的主要生理参数,进而设计了低压环境人体热调节系统的实验。实验中,对各参数(大气压力、活动水平、环境温度)下的人体新陈代谢量及皮肤温度等生理参数进行了实测,结合主观问卷,建立了局部皮肤温度与热感觉的实验关联式,得出了表征皮肤温度的表达式,经验证,该表达式可以较好地预测不同大气压力、不同环境温度及不同活动水平下的人体热感觉。通过对实测生理参数的分析,可以得出:人体平均皮肤温度随压力的降低变化不显著,但局部皮肤温度随压力的变化并不一致,其显著性随人体部位不同而不同,新陈代谢量则随压力的降低而增加。同时依据实测生理参数随压力的变化规律,得出了低气压环境下人体局部对流、辐射及蒸发换热量公式,建立了低压环境人体与周围环境间的局部传热方程;通过对新陈代谢率进行低压下的修正,结合两节点模型,得到了可用于低压环境的Gagge两节点模型。其次,利用所得到的低气压环境下人体局部换热量公式分析了低气压环境下人体各部位实际的散热量的变化规律,并与用传统的人体平均皮肤温度法得出的换热量值进行了对比分析,两个方法随压力的变化趋势相同,但换热量值略有不同。此外,人体着衣量不同,会导致低压下人体各部位的散热量的变化规律不同,因此,在低压环境下的人体热调节模型中,考虑人体各部位换热的影响具有重要意义。最后,利用低压下人体的局部传热方程,建立了皮肤的总散热数学模型。并综合人体的代谢量、呼吸散热量以及修正后的低压两节点模型,建立了低压环境下基于局部散热的人体热调节模型,并通过实验数据验证了模型在各工况下的准确性。进而利用低压下人体热调节模型预测了各种环境参数下的皮肤温度、核心温度及标准有效温度,绘制了低压下的等标准有效温度线。在分析低气压下标准有效温度的变化规律的基础上,建立了标准有效温度与人体平均热感觉投票MTS的线性拟合关系,并确定了低压下的热舒适区,为低气压下人体热调节及热舒适的研究奠定了一定的理论基础。
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