CN106052754B - 基于中国人热特性的热舒适仪及评价方法 - Google Patents
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Abstract
一种属于建筑室内环境领域的基于中国人热特性的热舒适仪，包括对室内环境参数的测量装置，以8051单片机作为系统的计算器和控制器，将环境参数、人员参数、多节点的中国人热调节人体模型和热感觉模型事先设定在程序中，同时程序加入了自适应方法，使得热舒适仪的预测不仅仅适用于中国人，还可以根据不同的人群，不同的社会习俗来对预测方法进行一定的修正，以期可以用于各种不同情况下的热舒适及热感觉的预测。本发明能够准确的预测中国人的热舒适状态，为国内室内环境的评价和设计提供有价值的参考，基于中国人热感觉预测的空调控制策略在满足人体热舒适的前提下，能大幅提高空调的节能效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种室内热环境下评价人体热舒适的热舒适仪，尤其是一种基于中国人热特性的用于预测中国人热舒适的热舒适仪，属于建筑室内环境领域。
背景技术
准确的对人体热舒适状态进行预测是评价一个室内热环境是否舒适的重要方法，而热舒适状态一般用人对室内环境的热感觉来表达，热感觉从冷到热目前通常可分为七级，分别为冷、凉、微凉、中性、微暖、暖、和热，其对应的分值为-3到3。国际上较为常用的热舒适预测方法是Fanger于1982年提出的PMV-PPD模型，它只适用于传统的稳态均匀空调环境。随着时代的发展，很多基于节能需求的空调技术纷纷出现并得到了广泛的应用，比如个性化空调、辐射吊顶、地板送风等技术，这些技术的出现，打破了传统空调系统对均匀稳态的室内环境的追求，同时也带来了如何评价这些新型室内环境的舒适性的问题。多节点的人体热舒适模型得以发展，其通过将人体分为多个节点建立起环境-人体的反馈调节系统，能有效对复杂室内环境下的人体热舒适性进行评价，得到广泛的关注和研究。然而，现有的多节点模型比如Fiala模型(《Dynamic simulation of human heat transfer andthermal comfort》，De Montfort University博士论文)，UCB模型(《Thermal sensationand comfort models for non-uniform and transient environments:Part I:Localsensation of individual body parts》发表在Building and Environment，2010，45:380-388)，均是建立在西方人的生理和心理的基础研究上，通过对比中国人热感觉实测值和现有的西方模型(PMV模型、Fiala模型、UCB模型)，发现在低温环境下，Fiala模型和UCB模型的预测值偏高0.5左右；而在高温环境下，三个模型的预测值均明显高于实测值，部分情况下甚至可到1个等级左右。上述差异的来源主要来自两方面：一是热调节模型对皮温预测的不准确，热调节模型对应的是人体的热生理，而西方人与中国人存在很多热生理方面的差异，比如中国男性大腿的体表面积比例高于西方人16％，中国男性脂肪含量高于西方人16.7％，中国女性基础代谢率低于西方人26.2％(这里皆是国家标准GB10000-88《中国成年人人体尺寸》中值百分位数的男女性数据与Fiala模型中采用的西方人体数据做对比)，二是基于皮温的热感觉模型对热感觉的预测出现了偏差，而热感觉模型则对应的是人体的热心理。因此中西方人种上的差异对热舒适影响很大，但这些差异还没有在现有的多节点模型中得到考虑。
另一方面，在已有技术中，申请号为01132267.5，名称为考虑人体新陈代谢率和服装热阻测量室内舒适程度的仪器，提出了一种以中国人为对象，根据测定的环境参数(包括空气温度、湿度、空气流动速度和平均热辐射温度)以及人体活动量和服装热阻进行室内环境热舒适度评价的热舒适仪，然而，虽然该专利考虑了不同的活动量和服装热阻对人体热舒适造成的影响，但其基本原理还是基于Fanger提出的PMV-PPD模型,因此该热舒适仪在一些复杂的室内环境，诸如动态环境、不均匀室内环境等，其对热舒适状态的预测还不够准确。因此，综上所述，考虑中国人热生理和热心理特性的热舒适仪还未有所见。
发明内容
为了克服已有热舒适仪的缺陷和不足，本发明的目的在于提出一种考虑中国人热特性的基于多节点人体模型的热舒适仪，准确的预测在不同室内环境下的中国人的热舒适状态，从而为国内室内环境的评价和设计提供有价值的参考。这里所说的中国人的热特性指中国人和西方人在生理和心理上的差异，其中热生理特性指与西方人相比，中国人在身体结构、身体尺寸和生理参数(基础代谢率、心输出量、体脂含量等)等方面的不同，热心理特性指与西方人相比，中国人的热感觉的不同。这里所说的中国人，既可以是特定区域的中国人，例如城市与农村，北方与南方；也可以是有特定生活习惯的中国人，例如汉族与其他少数民族等。
本发明是通过以下技术方案实现的：基于已有的热舒适仪，在测量空气温度、空气湿度、空气流动速度以及平均热辐射温度四个表征室内环境的参数以及预设人员活动量和服装热阻的基础上，将基于中国人热特性的多节点人体模型程序和热感觉模型也事先设定在热舒适仪内，根据现场测定的各个环境参数，人员实际的活动量和服装热阻值，以及多节点人体模型、热感觉模型，通过仪器内部程序的运算，进行室内热舒适的综合评价，最终得到反映中国人热舒适状态的室内环境热舒适度。
本发明主要包括用于测量和传输室内环境参数的温度、湿度、空气流动速度、平均热辐射温度传感器、转换器、运算放大器，用于储存环境参数和人员信息等参数并进行控制运算的单片机系统8051，用于显示输出热感觉和局部皮肤温度的液晶显示器，多节点的中国人热调节人体模型、热感觉模型、自适应模块，热调节人体模型和热感觉模型均基于中国人的热生理和热心理特性。
进一步地，在本发明中，热调节人体模型包括标准模型、修正模型、个性化模型程序，热感觉模型包括标准模型、修正模型程序；热调节人体模型、热感觉模型，可以根据现场测定的各个环境参数、人员实际的活动量和服装热阻值，通过仪器内部程序的运算，进行室内热舒适的综合评价，最终得到反映中国人热舒适状态的室内环境热舒适度；自适应模块，可以对热调节人体模型进行修正和个性化设计，可以对热感觉模型进行修正。
更进一步地，在本发明中，个性化人体热调节模型选择身高、体重、年龄以及性别四个参数作为个性化模型预测的输入参数，这四个参数均与体脂、体表面积、各节段长度、各组织层厚度、心输出量、新陈代谢率存在相关关系。
更进一步地，在本发明中，标准模型包括标准人体热调节模型和标准热感觉模型；在标准人体热调节模型中，标准男女性根据中华人民共和国国家标准GB10000-88《中国成年人人体尺寸》中值百分位数的男女性的相应身体尺寸来确定，其中标准人体模型的中国男性身高为1.70米、体重为59.5千克，女性的身高为1.60米、体重为51.5千克，标准人的年龄为30岁。
多节点人体模型，通过对人体外形一定的简化，将人体从上到下左右对称的分为17个节段，比如头部简化为球形，其他节段比如腹部、大腿、脚等均用圆柱体简化，而每个节段由身体内部到外部又可分为核心层、肌肉层、脂肪层和皮肤层，这样人体就可看成由68个节点组成。我们通过对比发现，西方人和中国人相比，在人体总体表面积、各节段体表面积的分布、身高、体重、体脂含量及体脂分布、新陈代谢率、心输出量上都存在显著差别，将这些身体结构、尺寸和热生理参数上的差别反映到人体模型中去，建立了中国人的人体模型。基于大量的中国人热感觉和热舒适实验调查数据，其中包括稳态和非稳态，均匀的和非均匀环境下的多个室内环境下的实验研究，通过回归公式确定了不同条件下人体热感觉的计算方法。在此基础上，我们采用目前标准中通用的方法进行人体热舒适进行判断，即：当整体热感觉值在±0.5的区间内时，认为人体是处于舒适状态的。通过对中国人人体模型和热感觉模型的建立，实现了从环境和人员参数进行热舒适判断的方法。
为了扩展热舒适仪的通用性，在单片机系统中加入了自适应方法，使得该舒适仪还可以根据不同的人群，比如老年人、不同的社会习俗进行一定的修正，以期可以用于各种不同情况下的热感觉预测。同时，我们选择个性化参数为身高、体重、年龄、性别，对人体模型进行了个性化，当对个体预测有特别高要求时，便可以使用个性化模型来预测。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：第一，基于中国人的热特性和多节点的人体模型和热感觉模型，使得热舒适仪的使用范围得到了扩展，不仅适用于传统的均匀稳态的室内环境，而且适用于动态或者非均匀的室内环境；第二，预测结果表示，对于均匀稳态环境来说，预测热感觉和实测热感觉的偏差基本在±0.2的范围内；在动态环境中，整体热感觉的预测偏差大部分在±0.5的范围内。与全国范围内真实建筑环境的调查结果相比，热舒适仪的预测值和热感觉调查结果相关系数在0.9左右，基于中国人热特性的热舒适仪能较为准确的反映中国人的热感觉变化。第三，此热舒适仪为室内环境的设计提供依据，如在夏季，采用本发明的热舒适仪进行设计，室内环境的设计温度较PMV模型可以相应的进行提高，如果采用本发明的热舒适仪作为设计参考，能在保证舒适性的前提下，更有效挖掘空调系统的节能潜力。
附图说明
图1为本发明的计算程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
本发明的实施例如图1所示，本发明单片机系统内嵌程序中主要包括热调节多节点人体热模型和热感觉模型，可以根据预测的结果和要求相应使用标准模型、修正模型或者个性化模型，它们之间的关系是模型预测的精度逐渐提高。
本实施例中单片机系统程序运行步骤如下：首先采用标准模型进行预测，输入参数包括：由测量装置测量并经过转换的环境参数(空气温度、空气湿度、空气流动速度和平均热辐射温度)、根据现场情况选择的人员参数(服装热阻和人员活动量)，通过热调节模型预测实验工况下的皮肤温度，将局部皮肤温度输入到热感觉模型，计算得到整体热感觉，和实测的热感觉数据进行对比，如果预测的整体热感觉和实测的整体热感觉的误差在±0.5的范围内(验证A)，则认为该预测模型能较好的预测该人群的热舒适状态。而如果验证A没有通过，则可以根据实验中受试者的人体参数(身高、体重、年龄、性别)，建立起基于标准热调节模型的修正热调节模型，并对局部热感觉预测公式中的权重系数进行调整，采用最小二乘法来使得预测和实测的热感觉值之间的误差最小，然后采用修正的人体热调节模型和热感觉模型计算得到整体热感觉的预测值，如果此时计算的整体热感觉能通“验证A”，则输出整体热感觉值,如果整体热感觉的预测值精度仍达不到要求，可继续重复上述修正过程，直到预测结果通过验证A,最后输出整体热感觉，则该预测值为本模型的最佳预测结果。图1中的个性化热调节模型则是指根据单独个体的四项人体基本参数对模型进行个性化，然后再进行皮温的计算。该模型通常对个体预测精度有特别高要求时使用，如医学等领域的研究需要精确计算局部皮温时。
Claims (4)
1.一种基于中国人热特性的热舒适仪，包括用于测量和传输室内环境参数的温度、湿度、空气流动速度、平均热辐射温度传感器、转换器、运算放大器，用于储存环境参数和人员信息等参数并进行控制运算的单片机系统8051，用于显示输出热感觉和局部皮肤温度的液晶显示器，其特征在于，还包括多节点的中国人热调节人体模型、热感觉模型、自适应模块，此热调节人体模型和热感觉模型均基于中国人的热生理和热心理特性；所述热调节人体模型包括标准模型、修正模型、个性化模型程序，热感觉模型包括标准模型、修正模型程序；所述热调节人体模型、热感觉模型，可以根据现场测定的各个环境参数、人员实际的活动量和服装热阻值，通过仪器内部程序的运算，进行室内热舒适的综合评价，最终得到反映中国人热舒适状态的室内环境热舒适度；所述自适应模块，可以对热调节人体模型进行修正和个性化设计，可以对热感觉模型进行修正；所述热调节人体模型，通过对人体外形一定的简化，将人体从上到下左右对称的分为17个节段，每个节段由身体内部到外部又可分为核心层、肌肉层、脂肪层和皮肤层。
2.根据权利要求1所述基于中国人热特性的热舒适仪，其特征在于所述个性化模型包括个性化人体热调节模型和个性化热感觉模型，个性化人体热调节模型选择身高、体重、年龄以及性别四个参数作为个性化模型预测的输入参数，这四个参数均与体脂、体表面积、各节段长度、各组织层厚度、心输出量、新陈代谢率存在相关关系。
3.根据权利要求2所述基于中国人热特性的热舒适仪，其特征在于所述的标准模型，包括标准人体热调节模型和标准热感觉模型；在标准人体热调节模型中，标准男女性根据中华人民共和国国家标准GB10000-88《中国成年人人体尺寸》中值百分位数的男女性的相应身体尺寸来确定，其中标准人体模型的中国男性身高为1.70米、体重为59.5千克，女性的身高为1.60米、体重为51.5千克，标准人的年龄为30岁。
4.一种评价权利要求1所述基于中国人热特性的热舒适仪的方法，其特征在于包括以下步骤：第一，采用标准模型进行预测，将标准热调节模型的输出皮肤温度输入到标准热感觉模型中，计算得到整体热感觉，与实测的热感觉数据进行对比；第二，如果预测的整体热感觉和实测的整体热感觉的误差在±0.5的范围内验证A，则模型计算完毕，得到热感觉的预测结果，进而判断人体的热舒适状态；第三，如果验证A没有通过，则根据实验中受试者信息，建立起基于标准热调节模型的修正热调节模型，采用最小二乘法使得预测和实测的热感觉值之间的误差最小的原则建立起修正热感觉模型，采用热调节修正模型和热感觉修正模型计算得到整体热感觉的预测值，该预测值为本模型的最佳预测结果；第四，当对个体预测精度有特别高要求时，使用个性化热调节模型进行皮温的计算。
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