基于中国人热特性的多节点热舒适模型

发布时间：2019-09-10 08:39

【摘要】：热舒适模型的建立需要人体生理学、生物传热学、环境心理学等多学科的系统知识。目前已建立的较为完善的人体热舒适模型均基于西方人的生理学及心理学的研究,而中国人和西方人相比,不仅在人体尺寸、组成等热调节参数上存在较大的差异;而且由于中国和西方在社会和自然环境上的差别,导致中国人和西方人在热心理及热偏好上也存在一定的差异。因此,在采用基于西方人生理和心理数据建立起来的热舒适模型来预测中国人热感觉时,其预测值和实际环境的中国人热感觉投票值就会出现一定的偏差,部分情况下的预测偏差可达1个等级。这些预测偏差来自于中国人和西方人在热生理及热心理上的差异,所以为了提高对中国人热舒适水平的预测精度,有必要建立基于中国人生理和心理特征的热舒适模型。本文基于中国人热生理和心理特征的相关基础研究,建立起适用于中国人的热舒适模型,并对模型的预测精度进行了多方面的验证,进而探索了模型在空调系统设计和控制策略开发等方面的应用价值。研究的主要内容和结果有:1)建立了基于中国人热生理参数的个性化热调节模型。中国人和西方人在身体尺寸和组成上存在显著差异,因此根据中国标准人的热生理基础研究数据建立起标准热调节模型,计算得到人体的皮肤温度。进一步为了提高对皮温的预测精度,用身高、体重、年龄、性别四个参数对标准人模型进行了个性化。个性化参数的敏感性结果分析表明,身高和体重对皮温预测的影响较大,不同身高及体重的人的平均皮温预测值之差可达1℃,而不同年龄之间的预测值之差在0.5℃左右。通过中国人的实验对已建立的热调节模型进行了验证。验证结果表明,大部分情况下中国标准人的模型对平均皮温的和局部皮温的预测要显著优于基于西方人的Fiala模型,对平均皮温预测的最大偏差值从0.79°C降至0.48°C,而对局部皮温的最大预测偏差从2.11℃降至1.46℃;而多数情况下个性化的中国人模型的预测精度则显著优于标准人模型,对平均皮温的预测精度在0.20℃到0.38℃之间,且局部皮温的预测偏差基本在1℃以内。2)建立了基于中国人热心理特征的热感觉模型。首先,基于热调节模型计算得到的人体局部皮温建立起局部热感觉模型。通过包含局部皮温和平均皮温影响的回归公式来计算得到局部热感觉;且在非稳态的环境下,环境参数的变化对局部热感觉也会产生影响。基于已有的热感觉实验数据,通过最小二乘法确定了回归公式中各项影响因素的权重系数。综合局部热感觉的影响,建立起判断整体热感觉的总体原则:热感觉偏离中性的程度越大,其在整体热感觉计算中的相对权重就越高。基于以上原则,得到了不同环境下整体热感觉的计算方法。3)结合热调节和热感觉模型建立起适合中国人的热舒适模型,实现了用环境和人员参数进行热舒适水平的判断。为了扩展模型的通用性,在中国人模型加入了自适应方法,使得该模型可以根据不同人群的生理特征和热偏好在合理范围内对模型进行修正,进而获得更高的预测精度。通过大量实验数据对中国人的热舒适模型进行全面的验证,整理了现有针对中国人的实验研究,建立起中国人热舒适研究的数据库。对于均匀稳态环境来说,模型的预测热感觉值和实测热感觉均值的偏差基本在±0.2的范围内;在动态环境中,对平均皮温的预测基本在实测值的标准差范围内,整体热感觉的预测偏差大部分在±0.5的范围内。模型的预测与全国范围内实际建筑环境的热感觉调查结果吻合良好,模型预测值和主观热感觉投票均值的相关系数基本在0.9左右。4)将热舒适模型用于室内环境的设计和评价中,提出了基于中国人热舒适模型的空调设计参数范围。研究发现,对于夏季制冷环境而言,在相同的热舒适设计要求下,采用中国人热舒适模型计算得到的室内空气空气设计温度较原有规范可以提高1-2℃。此外,中国人模型还可以用于非均匀环境的设计,基于中国人模型的预测对床头送风系统进行实验研究,找到了最优的送风参数组合。进一步基于中国人热舒适模型,开发出了基于热感觉的空调系统控制策略。通过环境参数的测量和问卷调查,基于热感觉的空调控制策略不仅舒适性较好:模型的热感觉预测值在±0.5的范围内;且空调系统单位时间内的能耗降低:和传统的空调控制策略相比,夏季典型工况下节能幅度可达14.8%。
【图文】：

第一章 绪论强，通过颤栗的方式增强人体的产热量以平衡冷环境下散热量的增加，从而保持体温在一定的范围内。当受到热刺激时，人体皮下组织（或内脏器官）的热感受器将被激活，并将热刺激信号传到中枢神经系统进行处理，如图 1-1 右侧所示。在接到中枢神经系统的控制信号后，，人体启动血管扩张机制使得更多的血液能进入皮肤表面血管中，从而更多的热量可以从身体内部散发到周围环境中，血管的扩张作用能使得血液流量最多可以增加 15 倍（如从静止舒适状态的 1.7 mL/(s·m2) 增加至 25 mL/(s·m2)）。若血管扩张仍不足以消除热刺激的影响，人体将通过分泌汗液来增强散热。出汗可以非常有效的降低皮肤温度和增加人体-环境的换热量。据估计，在没有出汗的情况下人体通过辐射、传导及对流换热量占总换热量的 70%左右，而当人体出汗时，通过汗液的蒸发散热能占到总的换热量的 70%左右[24, 25]。

第一章 绪论受在皮肤中的位置则相对较深，且数量相对较少。两种感受率如图 1-2所示[26]。从左至右随着外界温度的升高，最先是2℃左右时，冷感受的放电频率增加，直至26℃左右达到最大电频率增加，直到近 50℃时痛觉感受器再次放电。冷热温度界温度值的高低，同时还能感知外界温度的变化速率。中枢的温度感受器的放电频率，形成对当前热环境的判断，进而和行为。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU111

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本文编号：2533919