CN109738966A - 一种基于人体热生理调节模型的热舒适度实时预测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于人体热生理调节模型的热舒适度实时预测系统，包括人体热调节模型、热舒适度模型、热舒适度输出模块。是将人体按生理结构划分为二十个部位，充分考虑人体人生理调节及人体、服装、环境之间的热量交换，通过代谢产热、服装热阻和湿阻、环境温度、湿度及风速计算人体核心温度和皮肤温度。热舒适度模型将人体主观热舒适度与客观生理参数建立定量关系，由人体热反应模型得到的人体核心温度和皮肤温度计算人体热舒适度的实时变化规律。可通过人体、服装、环境参数得到人体热舒适度的实时变化规律。比传统的PMV模型只能得到稳定条件下的热舒适度更符合实际情况，满足热舒适度评估、空调调节系统开发、智能服装开发的需求。
Description
技术领域
本发明涉及公共安全人体热舒适领域，尤其涉及一种基于人体热生理调节模型的热舒适度实时预测系统。
背景技术
人体热舒适度是对外界环境满意程度的感受，受热生理和热心理作用共同影响，可由热平衡方程结合热舒适度指标表达。人体热舒适度评估广泛用于公共安全、建筑设计、汽车工业、服装工程、暖通空调等领域。国际标准ISO7730采用平均预测指数(PMV)模型评估人体热舒适度，该模型依据热平衡方程及稳态环境下的人因工效实验而建立，将热舒适度由六大影响因素定量表达，包括代谢量、服装热阻、环境温度、相对湿度、风速、平均辐射温度。国际标准ASHRAE55根据环境温度、湿度、服装热阻、人体代谢产热等，采用标准有效温度表征人体热舒适度。然而，这两个标准在稳定态及室内热中性环境下使用较为有效，在高温环境评估热舒适度并不合适，无法用于宽温度范围的热舒适度评估。
清华大学发明了一种体模型热学假人系统(101859503A)用于模拟人体在高温环境下热响应，如人体热吸收、不同组织之间热传导、体表热辐射及出汗等过程。珠海格力电器股份有限公司发明了一种基于PMV热舒适度评估的空调控制方法(109084420A)，该发明根据环境参数和人体生理参数确定PMV值的大小，评估人体热舒适状态，在此基础上对空调进行控制。重庆大学发明了一种建筑热湿环境等级的评估系统及方法(104102789A)，可判断不同季节、建筑、环境下的室内热湿环境等级。以上发明提供了用于模拟人体热生理调节的假人，也提出了确定人体热舒适度的方法。然而，上述发明尚未分析人体热生理反应的变化规律，也没有对人体热生理调节机制和热舒适度等级之间的关系进行探索。因此，现有关于热舒适度的发明局限性较大，无法实时准确地预测人体热舒适度的变化规律。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于人体热生理调节模型的热舒适度实时预测系统。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
本发明其包括人体热调节模型、热舒适度模型、及热舒适度等级预测模块；其中，
人体热调节模型：
人体热调节模型主要通过模拟人体与环境之间的换热量及人体热生理调节过程，通过输入人体代谢产热量、服装热阻和湿阻、环境条件等，计算人体热生理参数的变化规律。人体与环境之间的换热量主要包括对流、辐射、蒸发及传导热交换过程，并考虑服装热湿传递性能对人体换热量的影响。人体热生理调节主要包括颤抖、出汗、血管扩张、血管收缩，通过人体温度与热中性调定点温度的差异计算热生理调节对热生理参数的影响。
热舒适度模型：
热舒适度模型将客观热生理参数与主观热舒适度建立起定量关系，通过热生理参数及其变化情况计算热舒适度等级。在人体热生理调节模型的基础上，得到皮肤温度、核心温度及其变化率。热舒适度指数TSENS通过11个等级表征人体的舒适度，并根据公式(1)将皮肤温度、核心温度、及人体温度等作为输入值得到TSENS值的变化规律。
热舒适度输出模块：
热舒适度输出模块由人体热调节模型和热舒适度模型组成。在人体热调节模型的基础上，得到不同环境、服装、人体参数下的热生理参数。在此基础上，结合热舒适度模型计算人体热舒适度，由人体热舒适度等级输出模块实时显示TSENS指数的变化规律。
较佳地，人体热调节模型的建立过程包括：
将人体按生理结构划分为二十个部位，如头、脸、胸、背、胳膊、手、大腿、小腿、脚等。每个部位从外到内分为四层：皮肤层、肌肉层、脂肪层、核心层。分别对各个部位的每一层都建立热平衡方程如下，
公式(1)中，i和j分别代表人体的不同部位和每个部位的四层；C代表人体不同部位的热容，W h/℃；T代表人体各部位和各层的温度，℃；t代表时间，h；Q代表代谢产热量，W；B代表血液与人体各部位的换热量，W；D代表人体同部位不同层之间通过热传导的换热量，W；Res代表人体呼吸传热量，W；Rad代表人体与环境之间的辐射换热量，W；Cov代表人体与环境之间的对流换热量，W；Eva代表人体与环境之间的蒸发换热量，W。
较佳地，人体热舒适度模型的建立过程包括：
人体热舒适受环境条件、服装热湿传递传递属性、代谢量等影响，根据美国暖通空调工程协会(ASHRAE)推荐的热舒适度指数TSENS(Thermal Sensation Index)表征人体热舒适度。TSENS指数共分为11个等级：±5代表不可忍受的热/冷,±4代表非常热/冷,±3代表热/冷,±2代表暖和/凉快±1代表稍微暖和/凉快,0代表热中性，既不冷，也不热。TSENS的值由人体体温而计算，而人体体温又是人体核心温度与皮肤温度的函数关系式，如下式，
较佳地，人体热舒适度输出模块由人体热调节模型和热舒适度模型组成。在人体热调节模型的基础上，得到不同环境、服装、人体参数下的热生理参数。在此基础上，结合热舒适度模型计算人体热舒适度，由人体热舒适度等级输出模块实时显示TSENS指数的变化规律。
本发明的有益效果在于：
本发明是一种基于人体热生理调节模型的热舒适度实时预测系统，与现有技术相比，本发明可将人体代谢产热量、服装热阻和湿阻、环境温度、湿度、风速等参数输入到系统，实时得到人体热生理参数的变化规律，进而进行人体热舒适度评估；建立基于人体热调节的热舒适度实时预测系统实现了热舒适度的实时准确评估，使得模型充分考虑人体、服装、环境参数对热舒适度的影响，可根据环境参数的变化而进行实时的反馈与变化；解决了不同环境条件、着装及活动水平下的热舒适度
实时预测，可为人体热舒适度评估、服装热湿传递性能评估、智能服装开发、暖通空调设计提供理论依据，最终达到提升人体热舒适度、提高工作效率、降低能源消耗的目的。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于人体热调节的热舒适度实时评估示意图。
图2为本发明实施例提供的人体热舒适度等级模块输出热舒适度值的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于人体热调节的热舒适度实时预测系统，其包括人体热调节模型、热舒适度模型、热舒适度输出系统；其中
人体热调节模型的建立过程包括：
将人体按生理结构划分为二十个部位，如头、脸、胸、背、胳膊、手、大腿、小腿、脚等。每个部位从外到内分为四层：皮肤层、肌肉层、脂肪层、核心层。分别对各个部位的每一层都建立热平衡方程如下，
公式(1)中，i和j分别代表人体的不同部位和每个部位的四层；C代表人体不同部位的热容，W h/℃；T代表人体各部位和各层的温度，℃；t代表时间，h；Q代表代谢产热量，W；B代表血液与人体各部位的换热量，W；D代表人体同部位不同层之间通过热传导的换热量，W；Res代表人体呼吸传热量，W；Rad代表人体与环境之间的辐射换热量，W；Cov代表人体与环境之间的对流换热量，W；Eva代表人体与环境之间的蒸发换热量，W。
人体热舒适度模型的建立过程包括：
人体热舒适受环境条件、服装热湿传递传递属性、代谢量等影响，根据美国暖通空调工程协会(ASHRAE)推荐的热舒适度指数TSENS(Thermal Sensation Index)表征人体热舒适度。TSENS指数共分为11个等级：±5代表不可忍受的热/冷,±4代表非常热/冷,±3代表热/冷,±2代表暖和/凉快±1代表稍微暖和/凉快,0代表热中性，既不冷，也不热。TSENS的值由人体体温而计算，而人体体温又是人体核心温度与皮肤温度的函数关系式，如下式，
热舒适度输出模块建立包括：
由人体热调节模型和热舒适度模型组成。在人体热调节模型的基础上，得到不同环境、服装、人体参数下的热生理参数。在此基础上，结合热舒适度模型计算人体热舒适度，由人体热舒适度等级输出模块实时显示TSENS指数的变化规律。
基于人体热调节模型的热舒适度实时预测系统需要明确人体所处于环境的温度、湿度及风速，本实施例模拟的工作环境温度为20℃，湿度为70％，风速为1m/s。此外，人体所穿服装的两个典型热湿传递的参数热阻和湿阻分别为0.20clo和46Pa·m2/W，人体活动的代谢产热量为200W/m2。利用如图1所示的基于人体热调节模型的热舒适度实时预测系统，结合设置的环境温度、湿度、风速、代谢产热量、服装热阻和湿阻等参数，可得人体热舒适度指数TSENS的实时变化情况，如图2所示。
当人体处于温度20度，湿度70％，风速1m/s的环境中，以200W/m2的代谢产热为活动状态，人体的热舒适度逐渐上升。在60分钟的时间内舒适度TSENS值由-0.2上升到2.8，表明人体由接近热中性状态逐渐转变为热的状态，热舒适度每分钟上升率0.051。相比于PMV模型仅能预测人体达到稳态条件下的热舒适等级，该发明提出的基于热生理调节模型的热舒适度实时预测系统可根据不同的环境、人体、服装参数为输入，实时显示人体热舒适度的变化规律。此外，可利用此发明进行敏感性分析，确定不同环境温度、湿度、风速、服装热阻、湿阻、人体代谢产热量对热舒适度的影响，进而为人体热舒适度评估、空调系统研发、服装热湿性能测试、智能服装开发等提供指导。
通常，热舒适度等级通过开展人体实验以问卷调研的方法获取，该方法需要大量的受试者，而且具有实验时间长、可重复性差、个体差异大等缺点。人体热调节模型可较准确反映人体在不同环境、服装、代谢水平下的热生理参数变化规律，人体热舒适度模型可将主观舒适度与客观热生理参数相结合。因此，所建立的基于热生理调节模型的热舒适度实时评估系统，可将人体热生理调节模型与热舒适度模型的优点相结合。一方面，可综合人体与环境之间的换热过程及热生理调节过程，准确计算人体生参数的变化情况；另一方面，通过人体、服装、代谢水平作为输入参数，得到热舒适度的实时变化。所建立的基于热生理模型的热舒适度实时评估系统可用于预测人体热生理参数和热舒适度变化。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种基于人体热生理调节模型的热舒适度实时预测系统，其特征在于：包括人体热调节模型、热舒适度模型、热舒适度输出模块；其中
人体热调节模型：通过模拟人体与环境之间的换热量及人体热生理调节过程，通过输入人体代谢产热量、服装热阻和湿阻、环境条件，计算人体热生理参数的变化规律，所述人体与环境之间的换热量包括对流、辐射、蒸发及传导热交换过程，并涉及服装热湿传递性能对人体换热量的影响，人体热生理调节主要包括颤抖、出汗、血管扩张、血管收缩，通过人体温度与热中性调定点温度的差异计算热生理调节对热生理参数的影响；
热舒适度模型：将客观热生理参数与主观热舒适度建立起定量关系，通过热生理参数及其变化情况计算热舒适度等级，在人体热生理调节模型的基础上，得到皮肤温度、核心温度及其变化率，热舒适度指数TSENS通过11个等级表征人体的舒适度，并根据公式(2)将皮肤温度、核心温度、及人体温度等作为输入值得到TSENS值的变化规律；
热舒适度输出模块：由人体热调节模型和热舒适度模型组成，在人体热调节模型的基础上，得到不同环境、服装、人体参数下的热生理参数，在此基础上，结合热舒适度模型计算人体热舒适度，由人体热舒适度等级输出模块实时显示TSENS指数的变化规律；
2.如权利要求1所述的基于人体热生理调节模型的热舒适度实时预测系统，其特征在于：所述人体热调节模型的建立过程包括：
将人体按生理结构划分为二十个部位，每个部位从外到内分为四层：皮肤层、肌肉层、脂肪层、核心层，分别对各个部位的每一层都建立热平衡方程如下，
公式(1)中，i和j分别代表人体的不同部位和每个部位的四层；C代表人体不同部位的热容，W h/℃；T代表人体各部位和各层的温度，℃；t代表时间，h；Q代表代谢产热量，W；B代表血液与人体各部位的换热量，W；D代表人体同部位不同层之间通过热传导的换热量，W；Res代表人体呼吸传热量，W；Rad代表人体与环境之间的辐射换热量，W；Cov代表人体与环境之间的对流换热量，W；Eva代表人体与环境之间的蒸发换热量，W。
3.如权利要求2所述的基于人体热生理调节模型的热舒适度实时预测系统，其特征在于：所述人体热舒适度模型建立过程包括：
人体热舒适受环境条件、服装热湿传递传递属性、代谢量等影响，根据美国暖通空调工程协会(ASHRAE)推荐的热舒适度指数TSENS(Thermal Sensation Index)表征人体热舒适度，TSENS指数共分为11个等级：±5代表不可忍受的热/冷,±4代表非常热/冷,±3代表热/冷,±2代表暖和/凉快±1代表稍微暖和/凉快,0代表热中性，既不冷，也不热，TSENS的值由人体体温而计算，而人体体温又是人体核心温度与皮肤温度的函数关系式，如下式，
4.如权利3所述的基于人体热生理调节模型的热舒适度实时预测系统，其特征在于：所述的人体热舒适等级输出模块可实时显示人体在不同环境条件及着装条件下的热舒适度等级，在此基础上可实现人体热舒适度评估及服装热湿性能测试。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190510 |