CN109165413A - 一种评价飞机座舱环境下乘客热舒适性的方法及系统 - Google Patents

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周琼瑶
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Abstract

本发明公开一种评价飞机座舱环境下乘客热舒适性的方法及系统，压力的变化会导致代谢率和对流换热系数变化，相对湿度的变化会导致人体皮肤汗液蒸发散热量变化，从而影响PMV模型预测的准确性。因此，要更加客观准确地评价飞机座舱环境下乘客的热舒适状态，就需要确定不同环境压力下的代谢率和对流换热量，以及不同相对湿度下的汗液蒸发散热量。本发明根据监测飞机座舱内的环境压力，根据代谢率、对流换热系数与压力之间的关系式，推算得到不同压力状态下的实际代谢率和实际对流换热量；同时根据皮肤湿润度与环境相对湿度的关系，推算出不同环境相对湿度下人体皮肤汗液蒸发散热量，并由此建立了适用于飞机座舱低压低湿环境下的热舒适性评价方法。

Description

一种评价飞机座舱环境下乘客热舒适性的方法及系统
技术领域：
本发明涉及一种评价飞机座舱环境下乘客热舒适性的方法及系统，其属于人类工效学领域。
背景技术：
人的一生中有80％的时间是在室内度过的，室内环境热舒适性会直接影响人们的身心健康、工作效率。影响人体热舒适的因素有许多，例如空气温度、风速、相对湿度、人体代谢率等。为建立一种能够综合反应各影响因素的热舒适模型，世界各国的科学家做了许多研究。目前，广泛使用的热舒适模型是Fanger教授的PMV-PPD模型，Gagge的二节点模型。
随着生活水平的提高，飞机成为了一种越来越普遍的交通工具。飞机座舱内环境的热舒适性越来越受到重视。不少学者针对飞机座舱环境的热舒适进行了研究，但是，目前针对飞机座舱的热舒适研究大部分都直接利用PMV-PPD模型或二节点模型进行热舒适评价，而忽略了飞机座舱内低压低湿的环境特点。
事实上，由于压力改变，空气密度也发生改变，人体与周围环境之间的传质系数和对流换热系数发生相应变化，从而导致人体的蒸发换热量和对流换热量发生改变；同时低气压导致空气氧分压力降低，会引起呼吸功能的改变调整，从而导致呼吸带走的散热量发生变化。此外，在低气压环境下，人体的新陈代谢量会发生变化。另一方面，低相对湿度会影响皮肤的初始湿润度，在非常干燥的环境中，会使初始湿润度由标准值0.06降到低于0.02，当相对湿度低于58％时初始湿润度会发生变化。因此，低压低湿的环境条件会严重影响PMV-PPD模型、二节点模型的准确性。目前，不少学者针对低压环境进行了许多热舒适研究，其中研究最多的是人体代谢率在低压环境下的变化趋势。例如，清华大学的朱颖心教授带领其团队研究了低气压环境对人体代谢率的影响，实验测量了三个压力水平(101kPa，85kPa，70kPa)下的代谢率，并得到低压环境下代谢率随压力变化的经验公式[1]。青岛理工大学的童力也研究了低压环境下人体代谢率随环境压力的变化趋势，并从对流换热系数和人体代谢率两方面，对二节点模型进行了低压下的修正，研究结果显示修正后的二节点模型的预测值与实验值的吻合度很高[2]。季益斌针对飞机座舱的低压低湿环境提出了CPMV模型[3]，但是在其模型中忽略了座舱压力变化对人体代谢率造成的影响，因此其模型还存在明显不足。
根据相关研究可知，在飞机座舱低压低湿的环境下，传统的PMV-PPD模型不再适用于飞机座舱这一特殊环境。因此，建立适用于飞机座舱低压低湿环境下的热舒适性评价方法具有重要的意义。
发明内容：
由于飞机座舱具有低压低湿的环境特点，本发明的目的是一种评价飞机座舱环境下乘客热舒适性的方法及系统。
本发明采用如下技术方案：一种评价飞机座舱环境下乘客热舒适性的方法，包括如下步骤：
(1)检测飞机座舱内的压力PB；
(2)将所述飞机座舱压力值PB代入式(Ⅰ)，计算得到在所述飞机座舱环境下乘客的实际代谢率M；
所述式(Ⅰ)中P0为海平面压力，为101.325kPa；M0为58.15W/m2；
(3)检测待测飞机座舱内乘客的服装热阻、待测飞机座舱环境的空气温度、黑球温度、风速和相对湿度，分别得到所述待测飞机座舱内乘客的服装热阻，所述飞机座舱环境的空气温度、黑球温度、风速和相对湿度；然后将所述待测飞机座舱内乘客的服装热阻，所述飞机座舱环境的空气温度、黑球温度、风速和相对湿度，和所述代谢率M带入式(Ⅱ)，计算得到所述待测飞机座舱环境内的PMV值：
所述式(Ⅱ)中，PMV为预计平均热感觉；M为代谢率；W为人体机械功，其值为0；Pa为人体周围空气的水蒸气分压力；ta为人体周围的空气温度；fcl为穿衣面积系数；tcl为衣服外表面温度；为平均辐射温度；hc为对流换热系数；Esw是皮肤汗液蒸发散热量；
所述水蒸气分压力Pa的计算公式为：
所述为周围空气的相对湿度；
所述穿衣面积系数fcl的计算公式为：
fcl＝1.00+1.290Icl，当Icl≤0.078m2·K/W时，
fcl＝1.05+0.645Icl，当Icl≤0.078m2·K/W时，
所述Icl为服装热阻；
所述衣服外表面温度tcl的计算公式为：
所述平均辐射温度的计算公式为：
所述tg为黑球温度；所述v为空气的流速；
所述对流换热系数hc的计算公式为：
所述hc,0为常压下的对流换热系数，其计算公式为：
hc,0＝2.38|tcl-ta|0.25，当
当
所述皮肤汗液蒸发散热量Esw的计算公式为：
所述w为皮肤的湿润度；所述Psk为皮肤温度下饱和水蒸气压力；所述Re为服装的蒸发热阻；
所述服装蒸发热阻Re的计算公式为：
所述LR为刘易斯数，为0.0165℃/Pa；Fpcl为穿衣人与裸体人相比蒸发散热量的减少因子；
所述穿衣人与裸体人相比蒸发散热量的减少因子Fpcl的计算公式为：
所述Icl为服装热阻；hr为辐射换热系数，为5W/m2℃；
所述皮肤湿润度w的计算公式为：
所述wb为皮肤的初始湿润度，计算公式为：
所述皮肤温度下饱和水蒸气压力Psk的计算公式为：
Psk＝0.254tsk-3.335，
所述tsk为人体的平均皮肤温度，计算公式为：
tsk＝35.7-0.028(M-W)；
根据如下判断方法得到在所述飞机座舱环境下乘客的热舒适状态：
若PMV值为-1～+1，则待测飞机座舱环境下的乘客处于热舒适状态；
若不满足上述条件，则待测飞机座舱环境下的乘客处于热不舒适状态。
进一步地，所述的黑球温度等于所述空气温度。
本发明还采用如下技术方案：一种评价飞机座舱环境下乘客热舒适性的系统，包括参数采集设备和具有如下数据处理功能的数据处理装置：
(1)将待测飞机座舱环境的压力值PB代入式(Ⅰ)，计算得到在所述飞机座舱环境下乘客的实际代谢率M；
所述式(Ⅰ)中P0为海平面压力，为101.325kPa；M0为58.15W/m2；
(2)将所述待测飞机座舱环境内乘客的服装热阻，所述待测飞机座舱环境的空气温度、黑球温度、风速和相对湿度，和所述代谢率M带入式(Ⅱ)，得到在所述飞机座舱环境下乘客的PMV值：
所述式(Ⅱ)中，PMV为预计平均热感觉指数；M为代谢率；W为人体机械功，其值为0；Pa为人体周围空气的水蒸气分压力；ta为人体周围的空气温度；fcl为穿衣面积系数；tcl为衣服外表面温度；tr为平均辐射温度；hc为对流换热系数；Esw是皮肤汗液蒸发散热量；
所述水蒸气分压力Pa的计算公式为：
所述为周围空气的相对湿度；
所述穿衣面积系数fcl的计算公式为：
fcl＝1.00+1.290Icl，当Icl≤0.078m2·K/W时，
fcl＝1.05+0.645Icl，当Icl≤0.078m2·K/W时，
所述Icl为服装热阻；
所述衣服外表面温度tcl的计算公式为：
所述平均辐射温度的计算公式为：
所述tg为黑球温度；所述v为空气的流速；
所述对流换热系数hc的计算公式为：
所述hc,0为常压下的对流换热系数，其计算公式为：
hc,0＝2.38|tcl-ta|0.25，当
当
所述皮肤汗液蒸发散热量Esw的计算公式为：
所述w为皮肤的湿润度；所述Psk为皮肤温度下饱和水蒸气压力；所述Re为服装的蒸发热阻；
所述服装蒸发热阻Re的计算公式为：
所述LR为刘易斯数，为16.5℃/kPa；Fpcl为穿衣人与裸体人相比蒸发散热量的减少因子；
所述穿衣人与裸体人相比蒸发散热量的减少因子Fpcl的计算公式为：
所述Icl为服装热阻；hr为辐射换热系数，为5W/m2℃；
所述皮肤湿润度w的计算公式为：
所述wb为皮肤的初始湿润度，计算公式为：
所述皮肤温度下饱和水蒸气压力Psk的计算公式为：
Psk＝0.254tsk-3.335，
所述tsk为人体的平均皮肤温度，计算公式为：
tsk＝35.7-0.028(M-W)；
根据如下判断标准输出的结果如下：
若PMV值为-1～+1，则待测飞机座舱环境下的乘客处于热舒适状态；
若不满足上述条件，则待测飞机座舱环境下的乘客处于热不舒适状态。
所述参数采集设备为：检测待测飞机座舱环境内乘客的服装热阻，待测飞机座舱环境的空气温度、黑球温度、风速、相对湿度和座舱环境压力时使用的设备和/或试剂。
进一步地，所述的黑球温度等于所述空气温度。
本发明具有如下有益效果：飞机座舱压力的变化会对人体代谢率、人体与环境之间的对流换热量产生影响；同时，飞机座舱内的低湿环境会影响人体皮肤的湿润度。这些变化将会影响到传统PMV的准确性。因此要正确客观的评价飞机座舱环境内乘客的热舒适性，就需要知道代谢率与环境压力之间的关系，对流换热系数随压力的变化规律，以及人体皮肤湿润度与环境相对湿度之间的关系。本发明通过检测飞机座舱内环境压力的变化，根据代谢率与环境压力之间的经验公式得到飞机座舱环境下乘客的实际代谢率，根据对流换热系数与环境压力之间的关系得到飞机座舱环境下的实际对流换热系数，并根据人体皮肤湿润度与环境相对湿度之间的关系得到飞机座舱环境下人体的真实皮肤湿润度，从而得到适用于飞机座舱环境的PMV方程。本发明提供的适用于飞机座舱环境的PMV方程适用于评价飞机座舱中乘客的热舒适性，这不仅能够为乘客的热舒适评价提供理论依据，还能够为飞机座舱空调系统的设计和优化提供指导。
附图说明：
图1是本发明实施案例中收集到的飞机座舱内的环境压力变化曲线。
图2是本发明实施案例中收集到的飞机座舱内的环境温度变化曲线。
图3是本发明实施案例中收集到的飞机座舱内的相对湿度变化曲线。
图4是本发明实施案例中的对比曲线图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
对于本发明，其建立的适用于飞机座舱环境的热舒适评价方法及系统包括以下步骤：
(1)通过传感器设备检测待测飞机座舱内的环境压力PB，并将检测得到的压力PB带入到式(1)，计算得到该座舱环境下乘客的实际代谢率M：
所述式(1)中P0为海平面压力，为1.01325×105Pa；M0为58.15W/m2；
(2)测量待测飞机座舱内乘客的服装热阻(Icl)，通过传感器设备检测待测飞机座舱的环境参数，包括空气温度(ta)、风速(v)、黑球温度(tg)和相对湿度然后将所述待测飞机座舱内乘客的服装热阻(Icl)，所述飞机座舱环境的空气温度(ta)、风速(v)、黑球温度(tg)和相对湿度和所述代谢率(M)带入式(2)，计算得到所述待测飞机座舱环境内的PMV值：
上述公式(2)中：
PMV——预计平均热感觉；
M——人体代谢率，W/m2；
W——人体所做的机械功，W/m2；乘客处于静坐休息状态，对外不做功，因此认为W为0；
Pa——人体周围空气的水蒸气分压力，Pa；可由下式(3)计算所得：
fcl——穿衣面积系数；可按照下式(4)计算得到：
fcl＝1.00+1.290Icl，当Icl≤0.078m2·K/W时，
fcl＝1.05+0.645Icl，当Icl≤0.078m2·K/W时； (4)
tcl——衣服外表面温度，℃；可按照下式(5)计算得到：
tr——平均辐射温度，℃；可按照下式(6)计算得到：
hc——对流换热系数；可按照下式(7)计算得到：
hc,0——常压下的对流换热系数；可按照下式(8)计算得到：
hc,0＝2.38|tcl-ta|0.25，当
Esw——皮肤汗液蒸发散热量，W/m2；可按照下式(9)计算得到：
Psk——皮肤温度下饱和水蒸气压力，Pa；可按照下式(10)计算得到：
Psk＝1000(0.254tsk-3.335) (10)
Tsk——人体的平均皮肤温度，℃；可按照下式(11)计算得到：
tsk＝35.7-0.028(M-W) (11)
w——皮肤的湿润度；可按照下式(12)计算得到：
Wb——皮肤的初始湿润度，可按照下式(13)计算得到：
Re——服装的蒸发热阻，m2·Pa/W；可按照下式(14)计算得到：
LR——刘易斯数，为16.5℃/kPa；
Fpcl——穿衣人与裸体人相比蒸发散热量的减少因子，可按照式(15)计算得到：
Icl——为服装热阻，m2·℃/W；hr为辐射换热系数，为5W/m2·℃；
根据计算所得的PMV值对飞机座舱环境的热舒适性进行评价：
若PMV值为-1～+1，则待测飞机座舱环境下的乘客处于热舒适状态；
若不满足上述条件，则待测飞机座舱环境下的乘客处于热不舒适状态。
步骤(1)中所述的传感器设备为压力表；测得的环境压力PB的变化曲线如图1所示；
步骤(2)中所述的乘客服装热阻为0.17m2·K/W；所述的传感器设备包括温度计、湿度计、风速仪；测得的空气温度的变化曲线如图2所示；测得的相对湿度的变化曲线如图3所示；测得的风速为0.25m/s；所述的黑球温度tg等于所述空气温度ta；
根据以上步骤计算得到待测飞机座舱内乘客热舒适性，计算所得的PMV变化曲线如图4所示。其中PMV0是采用101.325kPa常压、50％的相对湿度、实测飞机座舱温度计算所得的PMV值。
本案例的实验结果表明，使用本发明提出的适用于飞机座舱环境的PMV方程得到的预测热感觉值低于常压下PMV方程得到的预测热感觉值，且两者的差值在0.286至0.573之间。因此，可以认为相比于常压高湿的环境，在飞机座舱低压低湿的环境下，乘客的热感觉负向偏移，即乘客在低压低湿的飞机座舱环境内会感觉比常压高湿环境更凉爽。因此，本发明能够更加客观准确地评价飞机座舱环境的热舒适性，给飞机座舱空调的设计和优化提供参考。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种评价飞机座舱环境下乘客热舒适性的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)检测飞机座舱内的压力PB；
(2)将所述飞机座舱压力值PB代入式(Ⅰ)，计算得到在所述飞机座舱环境下乘客的实际代谢率M；
所述式(Ⅰ)中P0为海平面压力，为101.325kPa；M0为58.15W/m2；
(3)检测待测飞机座舱内乘客的服装热阻、待测飞机座舱环境的空气温度、黑球温度、风速和相对湿度，分别得到所述待测飞机座舱内乘客的服装热阻，所述飞机座舱环境的空气温度、黑球温度、风速和相对湿度；然后将所述待测飞机座舱内乘客的服装热阻，所述飞机座舱环境的空气温度、黑球温度、风速和相对湿度，和所述代谢率M带入式(Ⅱ)，计算得到所述待测飞机座舱环境内的PMV值：
所述式(Ⅱ)中，PMV为预计平均热感觉；M为代谢率；W为人体机械功，其值为0；Pa为人体周围空气的水蒸气分压力；ta为人体周围的空气温度；fcl为穿衣面积系数；tcl为衣服外表面温度；为平均辐射温度；hc为对流换热系数；Esw是皮肤汗液蒸发散热量；
所述水蒸气分压力Pa的计算公式为：
所述为周围空气的相对湿度；
所述穿衣面积系数fcl的计算公式为：
fcl＝1.00+1.290Icl，当Icl≤0.078m2·K/W时，
fcl＝1.05+0.645Icl，当Icl≤0.078m2·K/W时，
所述Icl为服装热阻；
所述衣服外表面温度tcl的计算公式为：
所述平均辐射温度的计算公式为：
所述tg为黑球温度；所述v为空气的流速；
所述对流换热系数hc的计算公式为：
所述hc,0为常压下的对流换热系数，其计算公式为：
hc,0＝2.38|tcl-ta|0.25，当
当
所述皮肤汗液蒸发散热量Esw的计算公式为：
所述w为皮肤的湿润度；所述Psk为皮肤温度下饱和水蒸气压力；所述Re为服装的蒸发热阻；
所述服装蒸发热阻Re的计算公式为：
所述LR为刘易斯数，为0.0165℃/Pa；Fpcl为穿衣人与裸体人相比蒸发散热量的减少因子；
所述穿衣人与裸体人相比蒸发散热量的减少因子Fpcl的计算公式为：
所述Icl为服装热阻；hr为辐射换热系数，为5W/m2·℃；
所述皮肤湿润度w的计算公式为：
所述wb为皮肤的初始湿润度，计算公式为：
所述皮肤温度下饱和水蒸气压力Psk的计算公式为：
Psk＝0.254tsk-3.335，
所述tsk为人体的平均皮肤温度，计算公式为：
tsk＝35.7-0.028(M-W)；
根据如下判断方法得到在所述飞机座舱环境下乘客的热舒适状态：
若PMV值为-1～+1，则待测飞机座舱环境下的乘客处于热舒适状态；
若不满足上述条件，则待测飞机座舱环境下的乘客处于热不舒适状态。
2.根据权利要求1所述的评价飞机座舱环境下乘客热舒适性的方法，其特征在于：所述的黑球温度等于所述空气温度。
3.一种评价飞机座舱环境下乘客热舒适性的系统，其特征在于：包括参数采集设备和具有如下数据处理功能的数据处理装置：
(1)将待测飞机座舱环境的压力值PB代入式(Ⅰ)，计算得到在所述飞机座舱环境下乘客的实际代谢率M；
所述式(Ⅰ)中P0为海平面压力，为101.325kPa；M0为58.15W/m2；
(2)将所述待测飞机座舱环境内乘客的服装热阻，所述待测飞机座舱环境的空气温度、黑球温度、风速和相对湿度，和所述代谢率M带入式(Ⅱ)，得到在所述飞机座舱环境下乘客的PMV值：
所述式(Ⅱ)中，PMV为预计平均热感觉指数；M为代谢率；W为人体机械功，其值为0；Pa为人体周围空气的水蒸气分压力；ta为人体周围的空气温度；fcl为穿衣面积系数；tcl为衣服外表面温度；为平均辐射温度；hc为对流换热系数；Esw是皮肤汗液蒸发散热量；
所述水蒸气分压力Pa的计算公式为：
所述为周围空气的相对湿度；
所述穿衣面积系数fcl的计算公式为：
fcl＝1.00+1.290Icl，当Icl≤0.078m2·K/W时，
fcl＝1.05+0.645Icl，当Icl≤0.078m2·K/W时，
所述Icl为服装热阻；
所述衣服外表面温度tcl的计算公式为：
所述平均辐射温度的计算公式为：
所述tg为黑球温度；所述v为空气的流速；
所述对流换热系数hc的计算公式为：
所述hc,0为常压下的对流换热系数，其计算公式为：
hc,0＝2.38|tcl-ta|0.25，当
当
所述皮肤汗液蒸发散热量Esw的计算公式为：
所述w为皮肤的湿润度；所述Psk为皮肤温度下饱和水蒸气压力；所述Re为服装的蒸发热阻；
所述服装蒸发热阻Re的计算公式为：
所述LR为刘易斯数，为16.5℃/kPa；Fpcl为穿衣人与裸体人相比蒸发散热量的减少因子；
所述穿衣人与裸体人相比蒸发散热量的减少因子Fpcl的计算公式为：
所述Icl为服装热阻；hr为辐射换热系数，为5W/m2·℃；
所述皮肤湿润度w的计算公式为：
所述wb为皮肤的初始湿润度，计算公式为：
所述皮肤温度下饱和水蒸气压力Psk的计算公式为：
Psk＝0.254tsk-3.335，
所述tsk为人体的平均皮肤温度，计算公式为：
tsk＝35.7-0.028(M-W)；
根据如下判断标准输出的结果如下：
若PMV值为-1～+1，则待测飞机座舱环境下的乘客处于热舒适状态；
若不满足上述条件，则待测飞机座舱环境下的乘客处于热不舒适状态；
所述参数采集设备为：检测待测飞机座舱环境内乘客的服装热阻，待测飞机座舱环境的空气温度、黑球温度、风速、相对湿度和座舱环境压力时使用的设备和/或试剂。
4.根据权利要求3所述的评价飞机座舱环境下乘客热舒适性的系统，其特征在于：所述的黑球温度等于所述空气温度。
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