CN107818206A - 一种人体和环境之间热交换的多目标解析方法 - Google Patents
一种人体和环境之间热交换的多目标解析方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107818206A CN107818206A CN201711004608.1A CN201711004608A CN107818206A CN 107818206 A CN107818206 A CN 107818206A CN 201711004608 A CN201711004608 A CN 201711004608A CN 107818206 A CN107818206 A CN 107818206A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mrow
- human body
- heat
- msub
- skin layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Air Conditioning Control Device (AREA)
Abstract
本发明涉及一种人体和环境之间热交换的多目标解析方法，该方法用对流、辐射、湿气、热输送的耦合解析方法解析人体和周围环境之间的各种复杂的传热物理现象。本发明将人体周围热环境耦合计算划分为人体内部的热移动计算与人体和周围环境的热移动计算两个系统。并采用的基于CFD的耦合解析方法可有效地解决人体和周围环境之间的各种传热物理现象进行详细的解析这个难题，通过计算可得到受人体散热量影响的室内环境场(气流场■温度场■湿度场)和人体皮肤表面温度并应用多目标进化优化算法NSGA‑II作为寻求最优设计方案(Pareto解)的方法来实现人体和环境之间热交换的多目标解析。
Description
技术领域
本发明涉及人体和周围环境之间的各种传热物理现象进行详细解析的方法，特别涉及一种人体和环境之间热交换的多目标解析方法。
背景技术
作为自然界中的组成部分，人类系统与自然环境不断进行物质、能量的交换。人体是一台热力机，在体内不断产生热量，为保证人体体温始终维持在36～37℃之间，将产生的热量散发到体外。人体向周围环境的散热有多种途径。在人体皮肤表面，主要通过①对流散热、②辐射散热、③蒸发散热这3种方式进行散热。体内产生的热量通过热传导和血液流动输送到皮肤表面，在皮肤表面进行散热。同时人体还通过④呼吸散热方式直接把人体内部产热的一部分散发到周围环境中去。正是通过如此诸多种散热方式，人体才得以维持体内热平衡。人体的热平衡式如下式所示：
M-W＝Qcv+Qr+Esk+Qres+S
式中：M为代谢量[W/㎡]；W为工作量[W/㎡]；Qcv为皮肤层的对流散热量[W/㎡]；Qr为皮肤层的辐射散热量[W/㎡]；Esk为皮肤层的蒸发散热量[W/㎡]；Qres为呼吸散热量[W/㎡]；S为体内蓄热量[W/㎡]。
上式是这个领域的常用公式。着眼于人体表面的热平衡时，公式右边的Qcv、Qr、Esk等各项散热时为正，吸热时为负。M和W始终是正或为零，而且两者之差也始终为正，相当于人体的总散热量Qm。另外，(Qcv+Qr)等于人体总的显热散热量Qt。
室内热环境由室内热辐射、室内空气温度、室内空气湿度和室内风速等一些因素综合形成。室内热辐射的强弱通常用“平均辐射温度”来代表，其对室内热环境有很大的影响，由围护结构的辐射和通过窗户进入室内的太阳辐射所造成的；室内气流状态影响人体的对流换热和蒸发换热。
不同的方案设计中存在繁多的设计变量，例如，空气湿度，垂直温差， 吹风感，辐射不均匀性等物理因素及年龄，性别，季节，人种等个体差异。大量设计变量与室内热舒适及周围环境之间存在着非线性复杂耦合关系，导致设计师在优化时，一方面有许多可供选择的优化组合，另一方面无法直观地判断各设计组合是否产生了理想的效果，搜索不到最佳的设计方案。所以迄今为止，对人体和周围环境之间的各种传热物理现象进行详细的解析一直是不可能的事。
发明内容
本发明实施例从室内环境和室内热舒适出发，提供一种人体和环境之间热交换的多目标解析方法，该方法用对流、辐射、湿气、热输送的耦合解析方法解析人体和周围环境之间的各种复杂的传热物理现象。
本发明提供一种人体和环境之间热交换的多目标解析方法，包括以下步骤：
步骤1：设定初始变量范围，进行人体内部的热移动计算；
步骤2：基于人体内部的热移动计算结果，进行人体与周围环境间的热移动计算；
步骤3：基于人体与周围环境间的热移动计算结果和CFD技术进行对流场和湿度场计算，得到受人体散热量影响的速度场、温度场以及湿度场；
步骤4：进行空气-热量-水蒸气的传输和辐射的耦合计算，得到新的人体皮肤层的温度；
步骤5：通过多目标进化优化算法NSGA-II来整合优化初始变量，并计算PMV-PPD值；
步骤6：分别判断PMV-PPD值是否满足PMV-PPD热舒适度指标，判断人体皮肤表面温度是否满足皮肤温度收敛条件，若都满足则输出人体皮肤表面温度，否则再次进行步骤1至步骤5的计算步骤，直到满足条件。
在本发明的人体和环境之间热交换的多目标解析方法中，步骤1中进行人体内部的热移动计算具体为：
步骤1.1：根据温热刺激量公式计算人体中心层温度，计算血流量；
步骤1.2：测量皮肤出汗量和生理调节出汗量，进而得出总出汗量；
步骤1.3：计算皮肤层的全潜热散热量。
在本发明的人体和环境之间热交换的多目标解析方法中，所述步骤1.1中温热刺激量公式为：
WSIGcr＝max((Tcr-Tcr,n),0)；
其中，WSIGcr为人体中心层的热信号，Tcr为人体中心层温度，Tcr,n为人体处于热平衡状态时的中心层温度36.8℃；
所述步骤1.1中根据下式计算血流量：
其中，WSIGcr为人体中心层的热信号，CSIGsk为人体皮肤层的冷信号。
在本发明的人体和环境之间热交换的多目标解析方法中，所述步骤1.3中根据下式计算皮肤层的全潜热散热量：
Esk＝Ersw+Edff＝4.7×10-5WSIGb·esp(WSIGsk/10.7)hfg+(1-Wrsw)0.06Emax
其中，Esk为皮肤层的全潜热散热量，Ersw为发汗产生的蒸发散热量，Ediff为湿扩散产生的散热量，WSIGb为身体的热信号，WSIGsk为人体皮肤层的热信号，hfg为水分的蒸发潜热，Wrsw为体温调节发汗时人体表面的潮湿率，Emax为皮肤层的最大潜热散热量，其中；
其中，Emax为皮肤层的最大潜热散热量，αε为蒸发放热的传热系数，Psk,s为皮肤层的饱和水蒸气压力，Pa为室内空气的水蒸气压力。
在本发明的人体和环境之间热交换的多目标解析方法中，步骤2中进行人体与周围环境间的热移动计算具体为：
步骤2.1：计算皮肤层的辐射传热量；
步骤2.2：设定温度场的边界条件为皮肤层的全潜热散热量；
步骤2.3：基于皮肤层的辐射传热量和温度场的边界条件，计算皮肤层的对流散热量；
步骤2.4：设定湿度场的边界条件为总出汗量。
在本发明的人体和环境之间热交换的多目标解析方法中，步骤2.1中根据下式计皮肤层的辐射传热量：
其中，Qr为皮肤层的辐射传热量，ε为辐射率，σ为斯蒂芬-玻耳兹曼常数，Tsk为设定的初始变量中的人体皮肤层的温度，MRT为人体的平均辐射温度。
在本发明的人体和环境之间热交换的多目标解析方法中，步骤2.3中根据下式计算皮肤层的对流散热量：
其中，Qcv为皮肤层的对流散热量，λ为空气导热系数，Tsk为设定的初始变量中的人体皮肤层的温度，Ta为室内空气温度，y1为人体皮肤表面黏性底层的厚度。
在本发明的人体和环境之间热交换的多目标解析方法中，所述步骤3具体为：
基于皮肤层的对流散热量和湿度场的边界条件，利用CFD技术进行对流场计算，得出速度场和温度场，利用CFD技术进行湿度场计算，得出湿度场。
在本发明的人体和环境之间热交换的多目标解析方法中，所述步骤4中基于下列公式进行耦合计算，得到新的人体皮肤层的温度：
皮肤层的对流散热量公式：
其中，Qcv为皮肤层的对流散热量，λ为空气导热系数，Ta为室内空气温度，y1为人体皮肤表面黏性底层的厚度；
皮肤层的辐射传热量公式：
其中，Qr为皮肤层的辐射传热量，ε为辐射率，σ为斯蒂芬-玻耳兹曼常数，MRT为人体的平均辐射温度；
人体中心层蓄热率公式：
Scr＝(M-Qres)-K(Tcr-Tsk)-Cp,bl·mbl·(Tcr-Tsk)
人体皮肤层蓄热率公式：
Ssk＝K(Tcr-Tsk)+Cp,bl·mbl·(Tcr-Tsk)-Esk-(Qcv+Qr)
其中，Scr为人体中心层蓄热率，Ssk为人体皮肤层蓄热率，M代谢量，Qres为呼吸散热量，K＝5.28为中心层和皮肤层之间的有效传热系数，Tcr人体中心层温度，Cp,bl为血液的比热，mbl为血流量，Esk为皮肤层的全潜热散热量；Qcv为皮肤层的对流传热量，Qr为皮肤层的辐射传热量；
呼吸散热量公式：
Qres＝Cres+Eres＝1.4×10-3M(34-Ta)+1.7×10-2M(5.87-Pa)
其中，Cres为呼吸产生的显热散热量，Eres为呼吸产生的潜热散热量；
皮肤层产生的热信号公式：
WSIGsk＝max((Tsk-Tsk,n),0)
皮肤层产生的冷信号公式：
CSIGsk＝max((Tsk,n-Tsk),0)
其中，Tsk,n＝33.7℃为人体处于热平衡状态时的皮肤层温度。
在本发明的人体和环境之间热交换的多目标解析方法中，所述步骤6中PMV-PPD热舒适度指标在-0.5～+0.5范围之间，所述皮肤温度收敛条件为：
其中，δ精度常数，由计算所要求的计算精度所确定。
本发明将人体周围热环境耦合计算划分为人体内部的热移动计算与人体和周围环境的热移动计算两个系统，并采用的基于CFD技术的耦合解析方法可有效地解决人体和周围环境之间的各种传热物理现象进行详细的解析这个难题，通过计算可得到受人体散热量影响的室内环境场(气流场-温度场-湿度场)和人体皮肤层温度并应用多目标进化优化算法NSGA-II作为寻求最优设计方案(Pareto解)的方法来实现人体和环境之间热交换的多目标解析。
附图说明
图1是本发明中将人体简化成的两节点模型图；
图2是本发明的人体和环境之间热交换的多目标解析方法的流程图；
图3是本发明中采用多目标进化优化算法NSGA-II的计算结果。
具体实施方式
为详细弄清人体和周围环境之间复杂的热交换情况，有必要在数值解析系统里加入人体内部热移动模型，进行包括人和环境之间的空气-热量-水蒸气的交换和辐射传热的解析在内的耦合计算。本发明中将人体简化成的两节点模型包括中心层和皮肤层，如图1所示。本发明的人体和环境之间热交换的多目标解析方法的流程图，如图2所示。
流程图应用了多目标进化优化算法NSGA-II作为寻求最优设计方案(Pareto解)的方法来实现人体和环境之间热交换的多目标解析。
NSGA-II的计算结果如说明书附图3所示，g1为PMV-PPD指标，g2为皮肤温度。三角形代表NSGA-II计算过程中不同遗传代数的设计方案，圆形代表了Pareto最优解。NSGA-II经过N代的遗传操作，使设计方案不断朝着Pareto最优解的方向前进，最终得到Pareto最优解，即达到PMV-PPD指标范围在-0.5～+0.5之间和皮肤温度达到的收敛条件：
本发明的人体和环境之间热交换的多目标解析方法，包括以下步骤：
步骤1：设定初始变量范围，进行人体内部的热移动计算；
具体实施时，初始变量包括：代谢量M、工作时散热量W、皮肤层的温度Tsk、室内空气的水蒸气压力Pa、相对湿度RH、空气流速VEL、平均辐射温度TR、室内空气温度Ta、对外做功WME、服装热阻CLO。
步骤2：基于人体内部的热移动计算结果，进行人体与周围环境间的热移动计算；
步骤3：基于人体与周围环境间的热移动计算结果和CFD技术进行对流场和湿度场计算，得到受人体散热量影响的速度场、温度场以及湿度场；
步骤4：进行空气-热量-水蒸气的传输和辐射的耦合计算，得到新的人体皮肤层的温度；
步骤5：通过NSGA-II算法整合优化初始变量，并计算PMV-PPD值；
步骤6：分别判断PMV-PPD值是否满足PMV-PPD热舒适度指标，判断人体皮肤表面温度是否满足皮肤温度收敛条件，若都满足则输出人体皮肤表面温度，否则再次进行步骤1至步骤5的计算步骤，直到满足条件。
步骤1中进行人体内部的热移动计算具体为：
步骤1.1：根据温热刺激量公式计算人体中心层温度，计算血流量；
温热刺激量公式为：
WSIGcr＝max((Tcr-Tcr,n),0) (1)
其中，WSIGcr为人体中心层的热信号，可测得；Tcr,n为人体处于热平衡状态时的中心层温度36.8℃。
具体实施时，根据下式计算血流量：
其中，WSIGcr为人体中心层的热信号，CSIGsk为人体皮肤层的冷信号，可测得。
步骤1.2：测量皮肤出汗量和生理调节出汗量，进而得出得总出汗量；
汗液中存在大量的电解质，当汗腺活动发生变化、出汗水平改变时，皮肤的导电性就会有明显的盖面，体表电阻抗的测量可以用于测量出汗程度。
步骤1.3：计算皮肤层的全潜热散热量。
具体实施时，根据下式计算皮肤层的全潜热散热量：
Esk＝Ersw+Edff＝4.7×10-5WSIGb·esp(WSIGsk/10.7)hfg+(1-Wrsw)0.06Emax (3)
其中，Esk为皮肤层的全潜热散热量，Ersw为发汗产生的蒸发散热量，Edff为湿扩散产生的散热量；WSIGb为身体的热信号，可测得；WSIGsk为人体皮肤层的热信号，可测得；hfg为水分的蒸发潜热，为2430KJ/kg，Wrsw为体温调节发汗时人体表面的潮湿率，Emax为皮肤层的最大潜热散热量，其中体温调节发汗时人体表面的潮湿率根据下式计算：
Emax＝αε(Psk,s-Pa) (5)
其中，Emax为皮肤层的最大潜热散热量，αε为蒸发放热的传热系数，Psk,s为皮肤层的饱和水蒸气压力，Pa为室内空气的水蒸气压力。
步骤2中进行人体与周围环境间的热移动计算具体为：
步骤2.1：计算皮肤层的辐射传热量；
具体实施时，根据下式计皮肤层的辐射传热量：
其中，Qr为皮肤层的辐射传热量，ε为辐射率，σ为斯蒂芬-玻耳兹曼常数，Tsk为设定的初始变量中的人体皮肤层的温度，MRT为人体的平均辐射温度。
步骤2.2：设定温度场的边界条件为皮肤层的全潜热散热量；
步骤2.3：基于皮肤层的辐射传热量和温度场的边界条件，计算皮肤层的对流散热量；
具体实施时，根据下式计算皮肤层的对流散热量：
其中，Qcv为皮肤层的对流散热量，λ为空气导热系数，Tsk为设定的初始变量中的人体皮肤层的温度，Ta为室内空气温度，y1为人体皮肤表面黏性底层的厚度。
步骤2.4：设定湿度场的边界条件为总出汗量。
步骤3具体为：
基于皮肤层的对流散热量Qcv和湿度场的边界条件，利用CFD技术进行对流场计算，得出速度场和温度场，利用CFD技术进行湿度场计算，得出湿度场。
具体实施时，步骤4中基于下列公式进行耦合计算，得到新的人体皮肤层的温度：
皮肤层的对流散热量公式(7)，皮肤层的辐射传热量公式(6)，人体中心层蓄热率公式，人体皮肤层蓄热率公式，呼吸散热量公式以及皮肤层热信号公式。
人体中心层蓄热率公式：
Scr＝(M-Qres)-K(Tcr-Tsk)-Cp,bl·mbl·(Tcr-Tsk) (8)
人体皮肤层蓄热率公式：
Ssk＝K(Tcr-Tsk)+Cp,bl·mbl·(Tcr-Tsk)-Esk-(Qcv+Qr) (9)
其中，Scr为人体中心层蓄热率，Ssk为人体皮肤层蓄热率，M代谢量，Qres 为呼吸散热量，K＝5.28为中心层和皮肤层之间的有效传热系数，Tcr人体中心层温度,Cp,bl为血液的比热，mbl为血流量，Esk为皮肤层的全潜热散热量；Qcv为皮肤层的对流散热量，Qr为皮肤层的辐射传热量；
呼吸散热量公式：
Qres＝Cres+Eres＝1.4×10-3M(34-Ta)+1.7×10-2M(5.87-Pa) (10)
其中，Cres为呼吸产生的显热散热量，Eres为呼吸产生的潜热散热量；
皮肤层产生的热信号公式：
WSIGsk＝max((Tsk-Tsk,n),0) (11)
皮肤层产生的冷信号公式：
CSIGsk＝max((Tsk,n-Tsk),0) (12)
其中，Tsk,n＝33.7℃为人体处于热平衡状态时的皮肤层温度。
具体实施时，所述步骤6中PMV-PPD热舒适度指标在-0.5～+0.5范围之间，所述皮肤温度收敛条件为：
其中，δ为精度常数可以为0.1、0.01或者0.001等等，由计算所要求的计算精度所确定。
在步骤4中的耦合计算可划分为人体内部的热移动计算与人体和周围环境的热移动计算两个系统。这两个计算系统通过上述公式所描述的人体表面物理现象(即人体表面的边界条件)连成一体。
在人体内部的热移动计算部分，在皮肤层的温度Tsk已知的条件下，通过对由人体内由热传导、血液流动、发汗等引起的热移动情况进行分析，计算出人体表面的显热和潜热散热量、散湿量等。这些是在人体和周围环境间的热移动计算部分解析的边界条件。人体和周围环境间的热移动计算部分利用CFD技术进行空气-热量-水蒸气的传输和辐射的耦合计算。通过计算得到受人体散热量影响的室内环境场(气流场-温度场-湿度场)和新的皮肤层的温度Tsk，另一方面利用基于PMV-PPD指标计算程序计算出PMV-PPD值，计算出来的新的皮肤层的温度Tsk和PMV-PPD值分别与设置的适应度评价函数作比较，如符合要求则停止计算，如不符合要求就重新计算新的皮肤层的温度Tsk作为边界条件用来进行人体内部的热移动计算，再通过NSGA-II算法重新整 合优化初始变量来计算新的PMV-PPD值。在这里，我们使用皮肤层的温度Tsk和热舒适度指标PMV-PPD这两个尺度来判断人体内部的热移动计算和人体与周围环境间的热移动计算之间的循环计算收敛与否。另外，虽然上述模拟过程中人体假设处于裸体状态，如果要模拟着衣状态的人体模型在原理上也是可能的。对于着衣状态的人体，可以在其表面设定相当于着衣量(Clo值)的热阻和透湿阻力值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种人体和环境之间热交换的多目标解析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设定初始变量范围，进行人体内部的热移动计算；
步骤2：基于人体内部的热移动计算结果，进行人体与周围环境间的热移动计算；
步骤3：基于人体与周围环境间的热移动计算结果和CFD技术进行对流场和湿度场计算，得到受人体散热量影响的速度场、温度场以及湿度场；
步骤4：进行空气-热量-水蒸气的传输和辐射的耦合计算，得到新的人体皮肤层的温度；
步骤5：通过多目标进化优化算法NSGA-II来整合优化初始变量，并计算PMV-PPD值；
步骤6：分别判断PMV-PPD值是否满足PMV-PPD热舒适度指标，判断人体皮肤表面温度是否满足皮肤温度收敛条件，若都满足则输出人体皮肤表面温度，否则再次进行步骤1至步骤5的计算步骤，直到满足条件。
2.如权利要求1所述的人体和环境之间热交换的多目标解析方法，其特征在于，步骤1中进行人体内部的热移动计算具体为：
步骤1.1：根据温热刺激量公式计算人体中心层温度，计算血流量；
步骤1.2：测量皮肤出汗量和生理调节出汗量，进而得出总出汗量；
步骤1.3：计算皮肤层的全潜热散热量。
3.如权利要求2所述的人体和环境之间热交换的多目标解析方法，其特征在于，所述步骤1.1中温热刺激量公式为：
WSIGcr＝max((Tcr-Tcr,n),0)；
其中，WSIGcr为人体中心层的热信号，Tcr为人体中心层温度，Tcr,n为人体处于热平衡状态时的中心层温度36.8℃；
所述步骤1.1中根据下式计算血流量：
<mrow>
<msub>
<mi>m</mi>
<mrow>
<mi>b</mi>
<mi>l</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>6.3</mn>
<mo>+</mo>
<mn>200</mn>
<msub>
<mi>WSIG</mi>
<mrow>
<mi>c</mi>
<mi>r</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<mn>3600</mn>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>+</mo>
<mn>0.1</mn>
<msub>
<mi>CSIG</mi>
<mrow>
<mi>s</mi>
<mi>k</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，WSIGcr为人体中心层的热信号，CSIGsk为人体皮肤层的冷信号。
4.如权利要求3所述的人体和环境之间热交换的多目标解析方法，其特征在于，所述步骤1.3中根据下式计算皮肤层的全潜热散热量：
Esk＝Ersw+Edff＝4.7×10-5WSIGb·esp(WSIGsk/10.7)hfg+(1-Wrsw)0.06Emax
其中，Esk为皮肤层的全潜热散热量，Ersw为发汗产生的蒸发散热量，Edff为湿扩散产生的散热量，WSIGb为身体的热信号，WSIGsk为人体皮肤层的热信号，hfg为水分的蒸发潜热，Wrsw为体温调节发汗时人体表面的潮湿率，Emax为皮肤层的最大潜热散热量，其中；
<mrow>
<msub>
<mi>W</mi>
<mrow>
<mi>r</mi>
<mi>s</mi>
<mi>w</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>E</mi>
<mrow>
<mi>r</mi>
<mi>s</mi>
<mi>w</mi>
</mrow>
</msub>
<msub>
<mi>E</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msub>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>4.7</mn>
<mo>&times;</mo>
<msup>
<mn>10</mn>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mn>5</mn>
</mrow>
</msup>
<msub>
<mi>WSIG</mi>
<mi>b</mi>
</msub>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>e</mi>
<mi>s</mi>
<mi>p</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>WSIG</mi>
<mrow>
<mi>s</mi>
<mi>k</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>/</mo>
<mn>10.7</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
<msub>
<mi>h</mi>
<mrow>
<mi>f</mi>
<mi>g</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
<msub>
<mi>E</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msub>
</mfrac>
<mo>;</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>&alpha;</mi>
<mi>&epsiv;</mi>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>s</mi>
<mi>k</mi>
<mo>,</mo>
<mi>s</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mi>a</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，Emax为皮肤层的最大潜热散热量，αε为蒸发放热的传热系数，Psk,s为皮肤层的饱和水蒸气压力，Pa为室内空气的水蒸气压力。
5.如权利要求2或4所述的人体和环境之间热交换的多目标解析方法，其特征在于，步骤2中进行人体与周围环境间的热移动计算具体为：
步骤2.1：计算皮肤层的辐射传热量；
步骤2.2：设定温度场的边界条件为皮肤层的全潜热散热量；
步骤2.3：基于皮肤层的辐射传热量和温度场的边界条件，计算皮肤层的对流散热量；
步骤2.4：设定湿度场的边界条件为总出汗量。
6.如权利要求5所述的人体和环境之间热交换的多目标解析方法，其特征在于，步骤2.1中根据下式计皮肤层的辐射传热量：
其中，Qr为皮肤层的辐射传热量，ε为辐射率，σ为斯蒂芬-玻耳兹曼常数，Tsk为设定的初始变量中的人体皮肤层的温度，MRT为人体的平均辐射温度。
7.如权利要求5所述的人体和环境之间热交换的多目标解析方法，其特征在于，步骤2.3中根据下式计算皮肤层的对流散热量：
<mrow>
<msub>
<mi>Q</mi>
<mrow>
<mi>c</mi>
<mi>v</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<mo>-</mo>
<mi>&lambda;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mo>&part;</mo>
<mi>T</mi>
<mo>/</mo>
<mo>&part;</mo>
<mi>y</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mi>&lambda;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mrow>
<mi>s</mi>
<mi>k</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mi>a</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>/</mo>
<msub>
<mi>y</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
</mrow>
其中，Qcv为皮肤层的对流散热量，λ为空气导热系数，Tsk为设定的初始变量中的人体皮肤层的温度，Ta为室内空气温度，y1为人体皮肤表面黏性底层的厚度。
8.如权利要求5或7所述的人体和环境之间热交换的多目标解析方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
基于皮肤层的对流散热量和湿度场的边界条件，利用CFD技术进行对流场计算，得出速度场和温度场，利用CFD技术进行湿度场计算，得出湿度场。
9.如权利要求4所述的人体和环境之间热交换的多目标解析方法，其特征在于，所述步骤4中基于下列公式进行耦合计算，得到新的人体皮肤层的温度：
皮肤层的对流散热量公式：
<mrow>
<msub>
<mi>Q</mi>
<mrow>
<mi>c</mi>
<mi>v</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<mo>-</mo>
<mi>&lambda;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mo>&part;</mo>
<mi>T</mi>
<mo>/</mo>
<mo>&part;</mo>
<mi>y</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mi>&lambda;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mrow>
<mi>s</mi>
<mi>k</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mi>a</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>/</mo>
<msub>
<mi>y</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
</mrow>
其中，Qcv为皮肤层的对流散热量，λ为空气导热系数，Ta为室内空气温度，y1为人体皮肤表面黏性底层的厚度；
皮肤层的辐射传热量公式：
其中，Qr为皮肤层的辐射传热量，ε为辐射率，σ为斯蒂芬-玻耳兹曼常数，MRT为人体的平均辐射温度；
人体中心层蓄热率公式：
Scr＝(M-Qres)-K(Tcr-Tsk)-Cp,bl·mbl·(Tcr-Tsk)
人体皮肤层蓄热率公式：
Ssk＝K(Tcr-Tsk)+Cp,bl·mbl·(Tcr-Tsk)-Esk-(Qcv+Qr)
其中，Scr为人体中心层蓄热率，Ssk为人体皮肤层蓄热率，M代谢量，Qres为呼吸散热量，K＝5.28为中心层和皮肤层之间的有效传热系数，Tcr人体中心层温度,Cp,bl为血液的比热，mbl为血流量，Esk为皮肤层的全潜热散热量,Qcv为皮肤层的对流传热量，Qr为皮肤层的辐射传热量；
呼吸散热量公式：
Qres＝Cres+Eres＝1.4×10-3M(34-Ta)+1.7×10-2M(5.87-Pa)
其中，Cres为呼吸产生的显热散热量，Eres为呼吸产生的潜热散热量；
皮肤层产生的热信号公式：
WSIGsk＝max((Tsk-Tsk,n),0)
皮肤层产生的冷信号公式：
CSIGsk＝max((Tsk,n-Tsk),0)
其中，Tsk,n＝33.7℃为人体处于热平衡状态时的皮肤层温度。
10.如权利要求1所述的人体和环境之间热交换的多目标解析方法，其特征在于，所述步骤6中PMV-PPD热舒适度指标在-0.5～+0.5范围之间，所述皮肤温度收敛条件为：其中，δ精度常数，由计算所要求的计算精度所确定。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711004608.1A CN107818206B (zh) | 2017-10-20 | 2017-10-20 | 一种人体和环境之间热交换的多目标解析方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711004608.1A CN107818206B (zh) | 2017-10-20 | 2017-10-20 | 一种人体和环境之间热交换的多目标解析方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107818206A true CN107818206A (zh) | 2018-03-20 |
| CN107818206B CN107818206B (zh) | 2021-01-15 |
Family
ID=61608509
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711004608.1A Expired - Fee Related CN107818206B (zh) | 2017-10-20 | 2017-10-20 | 一种人体和环境之间热交换的多目标解析方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107818206B (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19933903A1 (de) * | 1999-07-22 | 2001-02-08 | Fraunhofer Ges Forschung | Vorrichtung zur Messung des Raumklimas unter Berücksichtigung der thermischen Behaglichkeit |
| JP2005331117A (ja) * | 2004-05-18 | 2005-12-02 | Asahi Glass Co Ltd | 製品の温熱快適性能評価方法 |
| CN101226565A (zh) * | 2008-01-17 | 2008-07-23 | 中山大学 | 一种面向教学的服装热舒适度展示系统 |
| CN102012973A (zh) * | 2010-12-07 | 2011-04-13 | 北京航空航天大学 | 适于复杂空间环境的人体热模拟建模方法 |
| CN105404866A (zh) * | 2015-11-17 | 2016-03-16 | 四川长虹电器股份有限公司 | 一种多模式自动实施人体状态感知的实现方法 |
| CN106198619A (zh) * | 2016-07-18 | 2016-12-07 | 上海理工大学 | 假人身体各部位辐射换热量和对流换热量分离的实验方法 |
| CN106765962A (zh) * | 2016-12-27 | 2017-05-31 | 美的集团武汉制冷设备有限公司 | 空调器的控制方法、装置及空调器 |
-
2017
- 2017-10-20 CN CN201711004608.1A patent/CN107818206B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19933903A1 (de) * | 1999-07-22 | 2001-02-08 | Fraunhofer Ges Forschung | Vorrichtung zur Messung des Raumklimas unter Berücksichtigung der thermischen Behaglichkeit |
| JP2005331117A (ja) * | 2004-05-18 | 2005-12-02 | Asahi Glass Co Ltd | 製品の温熱快適性能評価方法 |
| CN101226565A (zh) * | 2008-01-17 | 2008-07-23 | 中山大学 | 一种面向教学的服装热舒适度展示系统 |
| CN102012973A (zh) * | 2010-12-07 | 2011-04-13 | 北京航空航天大学 | 适于复杂空间环境的人体热模拟建模方法 |
| CN105404866A (zh) * | 2015-11-17 | 2016-03-16 | 四川长虹电器股份有限公司 | 一种多模式自动实施人体状态感知的实现方法 |
| CN106198619A (zh) * | 2016-07-18 | 2016-12-07 | 上海理工大学 | 假人身体各部位辐射换热量和对流换热量分离的实验方法 |
| CN106765962A (zh) * | 2016-12-27 | 2017-05-31 | 美的集团武汉制冷设备有限公司 | 空调器的控制方法、装置及空调器 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| RICARDO FORGIARINI RUPP 等: ""A review of human thermal comfort in the built environment"", 《ENERGY AND BUILDINGS》 * |
| 喻伟 等: ""居住建筑室内热环境低能耗营造的多目标设计方法"", 《土木建筑与环境工程》 * |
| 邹惠芬 等: ""严寒地区农村住宅热环境模拟分析"", 《沈阳建筑大学学报（自然科学版）》 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107818206B (zh) | 2021-01-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Fiala et al. | A computer model of human thermoregulation for a wide range of environmental conditions: the passive system | |
| Höppe | Heat balance modelling | |
| Tanabe et al. | Evaluation of thermal comfort using combined multi-node thermoregulation (65MN) and radiation models and computational fluid dynamics (CFD) | |
| Zolfaghari et al. | A new simplified thermoregulatory bioheat model for evaluating thermal response of the human body to transient environments | |
| CN107024497B (zh) | 室内热环境舒适性评价用暖体假人系统及其评价方法 | |
| Wan et al. | A transient thermal model of the human body–clothing–environment system | |
| Lotens et al. | Effects of condensation in clothing on heat transfer | |
| Conceicao et al. | Study of airflow around occupants seated in desks equipped with upper and lower air terminal devices for slightly warm environments | |
| CN109084420B (zh) | 一种空调的控制方法、装置、存储介质及空调 | |
| Qingqing et al. | Effect of temperature and clothing thermal resistance on human sweat at low activity levels | |
| CN107121451A (zh) | 出汗暖体假人与人体热反应模型的耦合系统及耦合方法 | |
| CN107102022A (zh) | 基于暖体假人的热环境舒适性评价方法 | |
| Psikuta | Development of an ‘artificial human’for clothing research | |
| Sakoi et al. | Heat balance model for a human body in the form of wet bulb globe temperature indices | |
| Mekjavic et al. | The effect of low ambient relative humidity on physical performance and perceptual responses during load carriage | |
| CN114564843B (zh) | 一种低温环境下运动人员热反应模拟计算系统 | |
| Wang et al. | Does detailed hygrothermal transport analysis in respiratory tract affect skin surface temperature distributions by thermoregulation model? | |
| Oh et al. | Development of physiological human model considering mist wettedness for mist-spraying environments | |
| Duan et al. | Study on the influence of hypobaric hypoxia on human thermal comfort under step change thermal environments | |
| Bilgili et al. | Estimation of human heat loss in five Mediterranean regions | |
| CN116910482B (zh) | 预测羽绒服防寒温度的方法及其系统 | |
| Alfano et al. | THERMODE 2023: Formulation and Validation of a new Thermo-physiological Model for Moderate Environments | |
| CN107818206A (zh) | 一种人体和环境之间热交换的多目标解析方法 | |
| CN116942092A (zh) | 基于多节点睡眠热调节人体模型的皮肤温度预测方法 | |
| Hamatani et al. | Real-time calibration of a human thermal model with solar radiation using wearable sensors |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20210115 Termination date: 20211020 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |