CN206848198U - 一种具有测温装置的室内热环境舒适性评价用暖体假人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种具有测温装置的室内热环境舒适性评价用暖体假人，包括暖体假人本体，暖体假人本体按照中国成年男性3D数据制作，将暖体假人本体按照实际人体的传热特性，划分为多段分区本体，每段分区本体的内表面上依次铺设有加热层、均温层和保温层；在每段分区本体与加热层之间设置有测温装置，用于测量分区本体的表面温度。本实用新型的暖体假人分区科学合理，暖体假人分16个独立测量、加热控制的区域；同时该分区既考虑了人体表面积大的特点，又考虑了服装穿着情况，也考虑了不同姿势下该部位与环境间的不同换热条件。

Description

一种具有测温装置的室内热环境舒适性评价用暖体假人

技术领域

本实用新型涉及一种暖体假人，具体涉及一种具有测温装置的室内热环境舒适性评价用暖体假人。

背景技术

随着经济、技术的发展和生活水平的不断提高，人们对室内环境热舒适的要求越来越高，各种环境控制系统因此得到了发展应用，热环境舒适性评价手段和技术能力也越来越受到重视。

自20世纪40年代以来，暖体假人(Thermal Manikin)作为一种可以模拟人体与环境之间热湿交换的生物物理试验设备得到了长足的发展。其身材、物理参数与普通成年人相近，本体一般由金属材料或金属复合材料制作而成，采内部加热、内表面加热和外表面加热的方式模拟人体的体温或模拟人体代谢发热，不断应用于服装、环境等领域当中与人体舒适性评价相关的研究当中。但是，现有的暖体假人结构设计不合理，不同国家的人体存在较大差异，将同样的暖体假人用于人体舒适性的研究中，并不能准确评价不同国家不同种族人体在热环境下的舒适性指标；再者，现有技术中的暖体假人多是站立姿势，其不能体现实际人体在环境中还存在其他不同姿势下的换热情况；因而现有技术中暖体假人与环境间的换热状态与实际人体的状态存在显著的差异，得不出准确合理的测试热评价指标，得出的评价结果与人体实际所处的真实环境的实际感受还存在较大误差。

因此，设计一套在模拟高温环境中对开展性能化测试的试验评价用暖体假人有着重要意义。

发明内容

本实用新型根据人在生活及工作中接触到的热环境往往是非均匀环境，存在气温分布不均匀、非对称辐射、局部气流、局部冷却等影响因素，提出了一种具有测温装置的室内热环境舒适性评价用暖体假人；本实用新型的暖体假人可应用于诸如汽车环境、火车及船类箱室空间、航空航天舱室、建筑物室内环境等热环境进行舒适性评价使用。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种具有测温装置的室内热环境舒适性评价用暖体假人，包括暖体假人本体，所述暖体假人本体呈中空壳状且具有多段分区本体，相邻两段所述分区本体之间通过关节连接，每段所述分区本体的内表面上铺设有加热层、均温层和保温层，其中：所述加热层贴于所述暖体假人本体分区的内侧；所述均温层覆盖在所述加热层的内侧；所述保温层设置在所述均温层的内侧；在每段所述分区本体与所述加热层之间设置有测温装置，用于测量所述分区本体的表面温度；在每段所述分区本体外设置一个功率计，所述功率计与所述加热层连接，用于测量所述加热层的电功率，测量所述加热层的电功率得到的加热功率为分区本体的表面热流值。

在如上所述的暖体假人，优选，所述保温层为保温棉；所述均温层为铝膜；所述加热层为电加热膜；所述暖体假人本体的材质为紫铜。

在如上所述的暖体假人，优选，为每段所述分区本体配置一个终端数据采集器，所述终端数据采集器分别与所述功率计和所述测温装置连接。在如上所述的暖体假人，优选，为每段所述分区本体配置一个加热控制器，所述加热控制器与所述测温装置、所述功率计和所述加热层连接。

在如上所述的暖体假人，优选，所述测温装置为多个点状的测温传感器。

在如上所述的暖体假人，优选，所述暖体假人本体具有头部分区本体、躯干分区本体、手臂分区本体、手部分区本体、腿部分区本体和脚部分区本体；所述躯干分区本体分别与所述头部分区本体、所述手臂分区本体和所述腿部分区本体连接，所述手臂分区本体和所述手部分区本体连接，所述腿部分区本体与所述脚部分区本体连接；所述躯干分区本体包括：胸部分区本体、腰臀部分区本体和背部分区本体；所述胸部分区本体和所述背部分区本体连接，且连接于所述腰臀部分区本体上。

在如上所述的暖体假人，优选，所述手臂分区本体分为：左手臂分区本体和右手臂分区本体，所述左手臂分区本体包括：左上臂分区本体和左前臂分区本体，所述右手臂分区本体包括：右上臂分区本体和右前臂分区本体；所述手部分区本体包括：左手分区本体和右手分区本体；所述腿部分区本体分为左腿分区本体和右腿分区本体，所述左腿分区本体包括：左大腿分区本体和左小腿分区本体，所述右腿分区本体包括：右大腿分区本体和右小腿分区本体；所述脚部分区本体包括左足分区本体和右足分区本体。

在如上所述的暖体假人，优选，所述暖体假人本体按照中国成年男性3D数据制作。

在如上所述的暖体假人，优选，所述暖体假人本体的尺寸为50百分位成年男性尺寸。

在如上所述的暖体假人，优选，所述手臂分区本体、所述手部分区本体、所述脚部分区本体和所述腿部分区本体上的保温层均对应地充满所述手臂分区本体、所述手部分区本体、所述脚部分区本体和所述腿部分区本体的中空部分。

在如上所述的暖体假人，优选，采用所述暖体假人测试出的各段独立分区本体的表面温度值和表面热流值，并结合服装基础热阻进而计算出所述暖体假人的等效空间温度，并根据所述暖体假人的等效空间温度来对室内热环境舒适性进行评价。

在上述的具有测温装置的室内热环境舒适性评价用暖体假人，中国成年男性暖体假人平衡状态下控制过程非常稳定，对服装基础热阻及热环境参数的测试误差很小，控制方法准确，重复性好。这项工作要求摸索最佳的控制策略，提高控制稳定性、精度，加快稳定速度，达到该要求是暖体假人用于热环境舒适性评价的基础。

与最接近的现有技术相比，本实用新型提供的技术方案具有如下优异效果：

(1)本实用新型的暖体假人结构设计合理，暖体假人按照中国成年男性三维尺寸数据研制，其表面形状与中国成年男性外表形状一致。暖体假人具有人体活动的主要关节，可以完全模拟真实人体在生活、工作热环境中的各种姿态，因而暖体假人与环境间的换热状态与实际人体的状态极其一致，这种结构设计方式是保证暖体假人准确合理测试热环境的基础。

(2)本实用新型的暖体假人分区科学合理，暖体假人分多个独立测量、加热控制的区域；同时该分区既考虑了人体表面积大的特点，又考虑了服装穿着情况，也考虑了不同姿势下该部位与环境间的不同换热条件。

(3)本实用新型制备暖体假人的材料导热性非常好，还布置了均温层与保温层，这样可以确保同一分区表面温差非常小，提高温度测量合理性，同时保证加热热流与暖体假人表面散热热流完全相同，满足表面热流测试要求。

附图说明

图1为本实用新型实施例的暖体假人站姿正面结构示意图；

图2为本实用新型实施例的暖体假人站姿背面结构示意图；

图3为本实用新型实施例的暖体假人坐姿结构示意图；

图4为本实用新型实施例的暖体假人坐姿侧面结构示意图；

图5为本实用新型实施例的暖体假人的部分结构示意图；

图6为本实用新型一具体实施例的暖体假人的整体结构示意图；

图7为本实用新型又一具体实施例的暖体假人的整体结构示意图；

图中：1、头部；2、胸部；3、背部；4、右上臂；5、左上臂；6、右前臂；7、左前臂；8、右手；9、左手；10、腰臀部；11、右大腿；12、左大腿；13、右小腿；14、左小腿；15、右足；16、左足；17、皮肤层；18、测温层；19、加热层；20、均温层；21、保温层。

具体实施方式

下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1至图4所示，为暖体假人的站姿、坐姿的结构图，本实用新型提供了一种具有测温装置的室内热环境舒适性评价用暖体假人，并具有很好的关节活动能力。

本实用新型提供的具有测温装置的室内热环境舒适性评价用暖体假人，包括暖体假人本体，用于形成整个暖体假人的骨架及提供支撑作用；暖体假人本体呈中空壳状且具有多段分区本体，相邻两段分区本体之间通过关节连接，即暖体假人具有人体活动的主要关节，如图5所示，每段分区本体的内表面上铺设有加热层19、均温层20和保温层21，其中：加热层19，贴于暖体假人本体分区的内侧，用于对暖体假人进行加热；均温层20，覆盖在加热层19的内侧，用于均匀受热；保温层21，设置在均温层20的内侧，用于保温。每个分区本体即为暖体假人的皮肤层17。在皮肤层17与加热层19之间还设置有测温装置(即测温层18)，用于测量分区本体的表面温度；在每段分区本体外设置一个功率计，功率计与加热层19连接，用于测量加热层的电功率，加热量(或称加热热流)为采用功率计测量加热层的电功率得到的加热功率，测量加热层的电功率得到的加热功率为分区本体的表面热流值。

在本实用新型的实施例中，保温层21为保温棉；均温层20为铝膜；加热层19为电加热膜，暖体假人本体的材质为紫铜。

在本实用新型的实施例中，为每段分区本体配置一个加热控制器，其用于控制暖体假人表面温度，可以采用PID(proportion integral derivative，比例积分微分)方式进行控制。加热控制器与加热层19连接。为每段分区本体配置一个终端数据采集器，终端数据采集器分别与功率计和测温装置连接。优选地，测温装置为多个点状的测温传感器。

在本实用新型的实施例中，暖体假人本体具有头部1(或称头部分区本体)、躯干分区本体、手臂分区本体、手部分区本体、腿部分区本体和脚部分区本体；躯干分区本体分别与头部1、手臂分区本体和腿部分区本体连接，手臂分区本体和手部分区本体连接，腿部分区本体与脚部分区本体连接。

又如图1至图4所示，暖体假人本体分区科学合理，暖体假人本体分16个独立的分区本体。这些分区充分考虑了人体生理结构特点、人体在热环境中与环境的换热特点。例如，对于躯干这种面积大的部位，暖体假人被详细分成了胸部2、背部3、腰臀部10等区域，分区既考虑了人体表面积大的特点，又考虑了服装穿着情况，同时也考虑了不同姿势下该部位与环境间的不同换热条件。根据实际人体的传热特性，将暖体假人分区成具有多个独立测量和加热控制区域(合理布置均温及隔热措施，该分区结构合理)。在本实用新型的实施例中，躯干分区本体包括：胸部2(或称胸部分区本体)、腰臀部10(或称腰臀部分区本体)和背部3(或称背部分区本体)；胸部2和背部3连接，且连接于腰臀部10上，前述三者之间的连接方式可以是粘接，还可以是卡接。

在本实用新型的实施例中，手臂分区本体分为：左手臂分区本体和右手臂分区本体，左手臂分区本体包括：左上臂5(或称左上臂分区本体)和左前臂7(或称左前臂分区本体)，右手臂分区本体包括：右上臂4(或称右上臂分区本体)和右前臂6(或称右前臂分区本体)；手部分区本体包括：左手9(或称左手分区本体)和右手8(或称右手分区本体)；腿部分区本体分为左腿分区本体和右腿分区本体，左腿分区本体包括：左大腿12(或称左大腿分区本体)和左小腿14(或称左小腿分区本体)，右腿分区本体包括：右大腿11(或称右大腿分区本体)和右小腿13(或称右小腿分区本体)；脚部分区本体包括左足16(或称左足分区本体)和右足15(或称右足分区本体)。

在本实用新型的实施例中，暖体假人本体按照中国成年男性3D数据制作。所述暖体假人本体的尺寸为50百分位成年男性尺寸。

将各个独立分区的暖体假人模型进行总体装配，并设置脖颈、髋、膝、肘、肩等等多个活动关节来完成组装暖体假人。本实用新型实施例中的活动关节根据实际人员的关节进行模拟设置，具有与实际人体一样的关节活动能力。优选地，又如图7所示，头部1、胸部2、腰臀部10和背部3上的保温层21均没有对应地充满头部1、胸部2、腰臀部10和背部3的中空部分，即组装后的暖体假人的头部1、胸部2、腰臀部10、背部3的分区结构部位处为中空结构。又如图6所示，手臂分区本体、手部分区本体、脚部分区本体和腿部分区本体上的保温层21均对应地充满手臂分区本体、手部分区本体、脚部分区本体和腿部分区本体的中空部分，即暖体假人的手臂、手部、腿部和脚部的分区结构部位处为实体结构。

综上所述，本实用新型的暖体假人结构设计合理，暖体假人按照中国成年男性三维尺寸数据研制，其表面形状与中国成年男性外表形状一致。暖体假人具有人体活动的主要关节，可以完全模拟真实人体在生活、工作热环境中的各种姿态，因而暖体假人与环境间的换热状态与实际人体的状态极其一致，这种结构设计方式是保证暖体假人准确合理测试热环境的基础。

暖体假人本体按第50百分位中国成年男性人体尺寸制造，分为多段分区本体且具有多个独立的温度加热控制区域，暖体假人本体具有髋、膝、肘活动关节，并可具有站姿或坐姿。

每个独立温度控制分区均采用低压电源进行单独加热控制，并设置温度传感器测量暖体假人本体的表面温度。在腿部、胸部2、背部3和腰臀部10(对于换热条件差别较大)的分区本体上设置多个传感器测量表面温度。

此外，本实用新型提供的暖体假人可以通过如下制备方法获得，制备方法包括以下步骤：

1)(为使测量评价结果更准确)先采用中国成年人50百分位男性人体3D扫描云图数据；

2)根据步骤1)中的云图数据构造数字人体3D实体模型，再切分人体3D实体模型为16个独立分区，并设计分区间的连接结构；

3)逐一打印出步骤2)中各个独立分区的实体模型；

4)并根据步骤3)中打印出的每个独立分区的实体模型，采用紫铜材料铸造模具，并将铸造出的模具进行精加工与表面处理，使所述模具的表面辐射特性与实际人体一致后，得暖体假人本体，即暖体假人的皮肤层17。

5)在步骤4)中各个独立分区的暖体假人的皮肤层17内侧依次设置测温层18、加热层19、均温层20和保温层21，得独立分区的暖体假人模型；

6)将步骤5)中各个独立分区的暖体假人模型进行总体装配，并设置髋、膝、肘等多个活动关节，完成组装后得暖体假人。

在步骤5)中，测温层18为多个点状的测温传感器；加热层19为一层电加热膜；均温层20为铝膜；保温层21为保温棉。

在本实用新型的实施例中，测控系统与评价系统连接，评价系统采用暖体假人测试出的各段独立分区本体的表面温度值和表面热流值，并结合服装基础热阻进而计算出暖体假人的等效空间温度t_eq,whole，并根据暖体假人的等效空间温度来对室内热环境舒适性进行评价。

具体地，室内活动时，服装基础热阻取0.50clo或1.00clo两种状态；结合服装基础热阻来计算暖体假人的等效空间温度t_eq,whole，根据等效空间温度值来对室内热环境舒适性进行评价得分。

暖体假人的等效空间温度t_eq,whole的计算公式为：

式中：

i——暖体假人分段号，n＝16；

t_eq,whole——暖体假人的等效空间温度，单位为℃；

Q_whole——暖体假人的面积加权加热热流率，单位为W/m²；

t_sk,i——暖体假人分段i的表面温度，单位为℃；

Q_i——暖体假人分段i的加热热流，单位为W/m²；

A_i——暖体假人分段i的表面积，单位为m²；

h_cal,whole——暖体假人表面与环境间的换热系数，在标准均匀热环境中测定，W/m²·℃，该换热系数的大小与服装基础热阻的大小有关，即当服装基础热阻的大小改变后，该换热系数的大小随之也会发生改变。

由于该式中等效空间温度t_eq,whole涉及16段分区本体，所以t_eq,whole可以称为全身等效空间温度。对应地，可以得出不同分区本体的等效空间温度(或称局部等效空间温度)，具体公式如下：

式中：

i——暖体假人分区本体的段号，i为大于等于1且小于等于16的正整数；

t_eq,i——暖体假人的局部等效空间温度，单位为℃；

Q_i——暖体假人的第i段分区本体的加热热流率，单位为W/m²；

t_sk,i暖体假人的第i段分区本体的表面温度，单位为℃；

h_cal,whole——暖体假人表面与环境间的换热系数，在标准均匀热环境中测定，W/m²·℃。

下面对根据暖体假人的等效空间温度来对室内热环境舒适性进行评价的过程详细说明：

当服装基础热阻取0.50clo时，暖体假人的等效空间温度t_eq,whole应在23.3℃～28.5℃，依据如下公式进行评分：

R_teq,summer＝5-1.905×|t_eq,whole-25.9|

式中，R_teq,summer——服装基础热阻取0.50clo时，室内环境暖体假人评价得分；若R_teq,summer>5，则取R_teq,summer＝5；若R_teq,summer<1，则取R_teq,summer＝1。R_teq,summer的数值为1～5，该评价得分数值的大小是用来区分热舒适等级的高低，数值越高代表热舒适性越好，5代表最好，1代表最差；

当服装基础热阻取1.00clo时，暖体假人的等效空间温度t_eq,whole应在19.5℃～26.7℃，依据如下公式进行评分：

R_teq,winter＝5-1.429×|t_eq,whole-23.1|

式中，R_teq,winter——服装基础热阻取1.00clo时，室内环境暖体假人评价得分；若R_teq,winter>5，则取R_teq,winter＝5；若R_teq,winter<1，则取R_teq,winter＝1。

R_teq,winter的数值为1～5，该评价得分数值的大小是用来区分热舒适等级的高低，数值越高代表热舒适性越好，5代表最好，1代表最差。

评价系统包括等效空间温度获取单元和评价单元，等效空间温度获取单元用于获取全身等效空间温度和局部等效空间温度。评价单元包括数据输入单元、评价方法和评价结果。数据输入单元用于接收服装基础热阻、全身等效空间温度和局部等效空间温度。评价方法用于根据输入单元输入的数据对室内热环境舒适性进行评价。评价结果用于根据热舒适等级评价表对评价方法的结果进行比对，得到结果。

为了便于暖体假人系统的使用者实时掌握评价过程中所用数据，暖体假人系统还包括：显示系统，其用于显示表面温度值、表面热流值、服装基础热阻、热环境。热环境包括全身等效空间温度和局部等效空间温度。测温装置、功率计和加热控制器可以合称为测控系统，评价系统、暖体假人、测控系统和显示系统可以合称为室内热环境舒适性评价用暖体假人系统。

此外，制造暖体假人本体的材料导热性非常好，还布置了均温层20与保温层，这样可以确保同一分区表面温差非常小，提高温度测量合理性，同时保证加热热流与暖体假人表面散热热流完全相同，满足表面热流测试要求。

本实用新型的暖体假人应用范围广泛，在民用、军事、航空航天、航海等各种领域热环境中，都存在复杂的非均匀热环境，中国成年男性暖体假人用于热环境舒适性评价系统不仅可以直接准确综合测试热环境参数，还可以对这些热环境舒适性进行客观评价，测试及评价结果稳定、准确、重复性高、符合真实人体热状态，合理可靠。

采用本实用新型的暖体假人进行室内评价系统用，可为我国室内热环境舒适性营造产品的研发、设计和评价工作提供参考和依据，有效提升我国室内热环境舒适性营造产品的宜人性水平，同时也为我国从事热环境舒适性研究、生产和监管的科研院所、企业和监管部门提供技术支持和评价依据。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本实用新型待批权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有测温装置的室内热环境舒适性评价用暖体假人，包括暖体假人本体，其特征在于，所述暖体假人本体呈中空壳状且具有多段分区本体，相邻两段所述分区本体之间通过关节连接，每段所述分区本体的内表面上铺设有加热层、均温层和保温层，其中：所述加热层贴于所述暖体假人本体分区的内侧；所述均温层覆盖在所述加热层的内侧；所述保温层设置在所述均温层的内侧；

在每段所述分区本体与所述加热层之间设置有测温装置，用于测量所述分区本体的表面温度；

在每段所述分区本体外设置一个功率计，所述功率计与所述加热层连接，用于测量所述加热层的电功率，测量所述加热层的电功率得到的加热功率为分区本体的表面热流值。

2.根据权利要求1所述的暖体假人，其特征在于，所述保温层为保温棉；所述均温层为铝膜；所述加热层为电加热膜；所述暖体假人本体的材质为紫铜。

3.根据权利要求1所述的暖体假人，其特征在于，为每段所述分区本体配置一个终端数据采集器，所述终端数据采集器分别与所述功率计和所述测温装置连接。

4.根据权利要求1所述的暖体假人，其特征在于，为每段所述分区本体配置一个加热控制器，所述加热控制器与所述测温装置、所述功率计和所述加热层连接。

5.根据权利要求1所述的暖体假人，其特征在于，所述测温装置为多个点状的测温传感器。

6.根据权利要求4所述的暖体假人，其特征在于，所述暖体假人本体具有头部分区本体、躯干分区本体、手臂分区本体、手部分区本体、腿部分区本体和脚部分区本体；

所述躯干分区本体分别与所述头部分区本体、所述手臂分区本体和所述腿部分区本体连接，所述手臂分区本体和所述手部分区本体连接，所述腿部分区本体与所述脚部分区本体连接；

所述躯干分区本体包括：胸部分区本体、腰臀部分区本体和背部分区本体；

所述胸部分区本体和所述背部分区本体连接，且连接于所述腰臀部分区本体上。

7.根据权利要求6所述的暖体假人，其特征在于，所述手臂分区本体分为：左手臂分区本体和右手臂分区本体，所述左手臂分区本体包括：左上臂分区本体和左前臂分区本体，所述右手臂分区本体包括：右上臂分区本体和右前臂分区本体；

所述手部分区本体包括：左手分区本体和右手分区本体；

所述腿部分区本体分为左腿分区本体和右腿分区本体，所述左腿分区本体包括：左大腿分区本体和左小腿分区本体，所述右腿分区本体包括：右大腿分区本体和右小腿分区本体；

所述脚部分区本体包括左足分区本体和右足分区本体。

8.根据权利要求1所述的暖体假人，其特征在于，所述暖体假人本体按照中国成年男性3D数据制作；所述暖体假人本体的尺寸为50百分位成年男性尺寸。

9.根据权利要求6所述的暖体假人，其特征在于，所述手臂分区本体、所述手部分区本体、所述脚部分区本体和所述腿部分区本体上的保温层均对应地充满所述手臂分区本体、所述手部分区本体、所述脚部分区本体和所述腿部分区本体的中空部分。

10.根据权利要求1-9任一所述的暖体假人，其特征在于，所述测温装置与评价系统连接，所述评价系统采用所述暖体假人测试出的各段独立分区本体的表面温度值和表面热流值，并结合服装基础热阻进而计算出所述暖体假人的等效空间温度，并根据所述暖体假人的等效空间温度来对室内热环境舒适性进行评价。