温度渐变环境下的人体热反应及工作效率 91页

温度渐变环境下的人体热反应及工作效率重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：黄志超指导教师：刘红教授专业：供热、供燃气、通风及空调工程学科门类：工学重庆大学城市建设与环境工程学院二O一五年五月 HumanThermalComfortandProductivityDuringExposuretoModerateTemperatureRampsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofMunicipalEngineeringByHuangZhichaoSupervisedbyProf.LiuHongSpecialty:Heating,Gassing,VentilatingandAir-ConditioningEngineeringFacultyofUrbanConstructionandEnvironmentalEngineeringofChongqingUniversity,ChongqingChinaMay,2015 中文摘要摘要随着人体热舒适研究领域的深入，动态环境下人体热舒适的研究越来越成为众多学者关注的焦点。动态环境包括许多方面，例如温度变化、风速变化、湿度变化等，而温度变化则是研究的重点。目前关于温度变化的动态热舒适研究主要是Gagge、Woyn等人针对温度突变环境的研究，通过一系列的研究，这些学者得到了温度突变环境下人体热反应的规律，并且还建立了相应的热感觉预测模型。然而，人们一般都在同一室内环境度过，温度突变环境却主要存在于不同环境之间的过渡，因而其研究具有一定的局限性。相比于温度突变环境，温度渐变的动态热环境研究则针对的是同一室内环境的控制问题，更加符合人们生活的常态，能够充分发挥人体自身的热适应能力，提高人体生理调节系统的反应机能。另外，室内温度的高低还会对人们的工作效率产生影响，其影响机理在稳态环境下已经较为明确，而在动态环境下还有待进一步的挖掘。因此，在温度渐变的动态环境下进行热舒适的研究可以更加充分了解和认识人体的热反应特征，进一步挖掘室内温度对工作效率的影响机理，对于提高人们在室内热环境下的工作效率具有重要的指导作用，同时也将有助于探索室内热环境的动态空调控制策略。为探索温度渐变环境下人体热反应及工作效率的变化规律，本文于2014年夏季以16名健康的在校大学生为受试人群，分别在人工气候室营造六种不同的温度渐变工况对受试者进行实验，温度变化范围分别为22℃～26℃、26℃～30℃、26℃～30℃，温度变化速率分别为0.1℃/min、0.2℃/min，共进行96次测试。受试者按其主观感受填写调查问卷，实验过程中通过心算乘法的方式考察受试者的工作效率，实验期间同时进行环境参数和生理参数的测试。研究结果表明：在温度渐变环境下，人体平均热感觉与室内空气温度、平均皮肤温度都存在线性关系，通过研究发现，在渐变环境下室内空气温度与热感觉之间存在一一对应的关系。平均皮肤温度不能用来预测人体热感觉，这主要是由于皮肤温度受到热经历的显著影响，不同的初始环境条件下平均皮肤温度具有较大差别。本次实验选取的空气温度变化速率对人体热感觉影响不大，但对皮肤温度变化率却有较大影响。本文根据从温度渐变环境下的实验研究获得的人体热反应特征，对重庆大学热舒适课题组近期建立的人体热反应模型进行修正，建立了温度渐变环境下的人体热反应模型，提高了模型的适用性。在研究温度渐变环境下人员工作效率时发现，在适当的空气温度变化速率下能够激发工作人员的大脑兴奋程度，从而达到最佳的工作效果，。室内环境作为人们长期停留的场所，会对人体造成潜移默化的影响。本文根I 重庆大学硕士学位论文据温度渐变环境下的人体热反应特征，从满足人体热舒适、提高人员的工作效率两方面出发，提出了夏季室内环境的动态空调控制策略。关键词：温度渐变，热感觉，平均皮肤温度，工作效率II 英文摘要ABSTRACTWiththedeepeningstudyofhumanthermalcomfort,moreandmorescholarsfocusonthedynamicenvironment.Dynamicenvironmentincludesmanyaspects,suchasthechangeoftemperature,windspeed,humidity.Temperatureisthekeyoftheresearch.GaggeandWoynaretherepresentativescholarsinthefieldofdynamicthermalcomfort.Throughaseriesofresearch,theygotthelawsofhumanactionundertransientenvironmentandbuiltsomemodelstopredictthermalsense.However,peoplespendmoretimeinthesameindoorenvironment.Transientenvironmentmainlyexistsinthetransitionbetweenthedifferentenvironmentanditsresearchhadsomelimitations.Comparedtothetransientenvironment,theresearchundertemperatureramp-changeenvironmentsaimsatthecontrolofonesameenvironmenttemperatureramp-change,whichismoreinkeepingwithnormallife.Peoplecouldmakethemostofadaptiveabilitiesthemselvesandenhancethefunctionofhumanphysiologicalregulationsysteminthedynamicenvironmentwheretemperaturechangesgradually.Furthermore,indoortemperaturecanaffectpeople"sworkefficiency.Manyscholarshadgottheinfluencemechanisminsteadyenvironment,buttheresearchindynamicenvironmentremainstobefurtherexplored.Therefore,thestudyofthermalcomfortinthetemperatureramp-changeenvironmentscontributestounderstandthecharacteristicsofhumanthermalresponsesandexploretheeffectoftemperatureramp-changeonproductivity,whichissignificanttoimprovepeople’workefficiency.Meanwhile,theresearchwillbeusefultoexplorethedynamiccontrolstrategiesofair-conditioning.Tostudythechangeofoccupants’thermalcomfortandworkefficiencyundertemperatureramp-changeenvironments,experimentsofsixdifferenttemperatureconditionswereconductedintheartificialclimatechamberofChongqingUniversityduringJuly,2014.16collegestudentsparticipatedintheexperimentsoftotally96times.Therangeoftemperaturechangeis22℃～26℃、26℃～30℃andtherateoftemperaturechangeis0.1℃/min、0.2℃/min.Duringtheexperiment,subjectswereaskedtofilloutthequestionnairesaccordingtotheirsubjectivefeelingsandtodothetestofworkefficiencybythewayofmentalmultiplication.Meanwhile,theenvironmentparametersandsubjects’physiologicalparametersweremeasured.Theresultsfoundthatthereweregoodlinearrelationsbetweenhumanthermalsensationandindoorairtemperatureandskintemperaturesundertemperatureramp-changeIII 重庆大学硕士学位论文environments.Thestudyalsoshowedthatthereisone-to-onerelationshipbetweenairtemperatureandthermalsensationandskintemperaturecouldn’tbeusedtopredictthermalsensation.Itcouldbeexplainedthatthethermalexperienceshavegreateffectonoccupants’skintemperatureandtherearegreatdifferencesofmeanskintemperaturestodifferentinitialenvironments.Besides,therateoftemperaturechangehasslighteffectonhumanthermalsensationbuthassignificanteffectonthechangerateofoccupants’skintemperaturesinthisexperiment.Basedonthesubjects’thermalresponsecharacteristicsundertemperatureramp-changeenvironments,thepapermodifiedtherelatedmodelsbuiltbythethermalcomforttermofChongQinguniversityandfurtherestablishthehumanthermalresponsemodel,whichimprovetheapplicabilityofthemodel.Whenstudyingthepeople’productivityundertemperatureramp-changeenvironments,theresultssuggestedthatamoderatetemperaturechangeratecanstimulatethebrainexcitement,whichkeepspeopleinthebestconditions.Theindoorenvironments,asalong-termremainspace,wouldhaveagreateffectonhumanbody.Therefore,accordingtotheoccupants’thermalresponsesundertemperatureramp-changeenvironments,thepaperhastakenintoaccountofmeetinghumanthermalcomfort,improvingpeople’sworkefficiencyandproposedtheindoordynamiccontrolstrategiesofair-conditioninginsummer.Keyword:temperatureramp-change,thermalsensation,meanskintemperature,productivityIV 目录目录中文摘要..........................................................................................................................................I英文摘要.......................................................................................................................................III1绪论.........................................................................................................................................11.1课题研究的背景及意义..........................................................................................................11.2国内外研究现状......................................................................................................................21.2.1动态热舒适的研究现状...............................................................................................21.2.2热环境对人员工作效率影响的研究现状...................................................................31.3本文研究目标及研究内容......................................................................................................51.3.1研究目标.......................................................................................................................51.3.2研究内容.......................................................................................................................51.4本章小结..................................................................................................................................62理论基础...................................................................................................................................72.1热舒适理论基础......................................................................................................................72.1.1人体与环境的热交换...................................................................................................72.1.2人体体温调节机制.....................................................................................................122.1.3热舒适的评价方法.....................................................................................................152.2室内热环境与工作效率........................................................................................................172.2.1室内热环境对人员工作效率的影响机制.................................................................172.2.2人员工作效率的评价方法.........................................................................................202.3本章小结................................................................................................................................213实验方案.................................................................................................................................233.1实验目的................................................................................................................................233.2实验室介绍............................................................................................................................233.3实验测试参数及仪器设备....................................................................................................243.3.1环境测试仪和脂肪测试仪.........................................................................................243.3.2皮肤温度测试仪.........................................................................................................263.4实验工况................................................................................................................................283.5实验问卷设计........................................................................................................................283.6实验步骤及方法....................................................................................................................303.7本章小结................................................................................................................................314实验结果与分析.................................................................................................................33V 重庆大学硕士学位论文4.1实验背景资料........................................................................................................................334.1.1受试者基本信息.........................................................................................................334.1.2环境参数统计.............................................................................................................344.2偏冷环境实验结果与分析....................................................................................................344.2.1主观热反应.................................................................................................................344.2.2客观生理反应.............................................................................................................394.3偏热环境实验结果与分析....................................................................................................404.3.1主观热反应.................................................................................................................404.3.2客观生理反应.............................................................................................................454.4工作效率实验结果与分析....................................................................................................474.5讨论与分析............................................................................................................................484.5.1温度渐变下人体主观热反应的规律分析.................................................................484.5.2温度渐变下人体生理反应的规律分析.....................................................................504.5.3热感觉与皮肤温度之间的关系分析.........................................................................514.5.4室内热环境对工作效率的影响规律.........................................................................544.5.5室内热环境动态控制策略的探讨.............................................................................544.6本章小结................................................................................................................................555动态环境人体热反应模型............................................................................................575.1人体热生理模型....................................................................................................................575.2人体热感觉模型....................................................................................................................605.3均值预测模型的评价方法....................................................................................................605.4模型的输入与输出................................................................................................................615.5动态人体热反应模型的验证和效果评价............................................................................625.6本章小结................................................................................................................................716结论与展望............................................................................................................................736.1结论........................................................................................................................................736.2展望和建议............................................................................................................................74致谢......................................................................................................................................75参考文献......................................................................................................................................77附录......................................................................................................................................83A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录..........................................................................83B.作者在攻读硕士学位期间参与的项目..................................................................................83VI 1绪论1绪论1.1课题研究的背景及意义当今社会，人们即使足不出户也可以进行正常的工作和生活，有研究表明现代社会人们85%以上的时间都是在室内度过，甚至有一部分人每天在室内环境度[1]过的时间长达22～23小时。室内环境的优劣会对人体的身心健康和工作效率产[2][3]生直接的影响，舒适的室内环境不仅使人精神愉悦、精力充沛，同时还能充分激发大脑的创造力，提高人员的工作效率。因此，如何营造一个舒适的室内环境成为人们日益关注的焦点。室内环境的人体热舒适研究始于二十世纪二十年代，在早期研究中，多数学[4]者认为稳定、均匀环境下的热中性状态即为人体热舒适状态，这其中最流行的就[5]是丹麦技术大学Fanger教授提出的PMV模型，该模型以人体热舒适方程为基础，针对稳态热环境建立了一整套人体热反应的评价体系。根据这些稳态热环境的研究成果，人们长久以来就通过人工控制的方式将室内环境营造成恒温恒湿的稳态环境，力求让人体始终处于热舒适的状态。然而，随着研究的深入，人们发现稳态的热环境并不是最佳的舒适环境，在动态的热环境下人体才会达到真正的舒适[6]状态，这就使得我们把研究重点放在了动态环境下的人体热舒适方面。动态热环境的研究主要针对的是环境参数在动态变化过程中人体热反应的变化规律，而温度变化在环境参数变化中占据着相当重要的地位，温度变化的方式也有多种，如何根据室内温度的动态变化提出合理的室内环境控制策略是目前各国学者研究的重点。目前室内环境的营造主要靠空调技术来实现，其在一定程度上能够对室内热环境起到改善作用。然而，传统的空调技术还是以恒温恒湿的稳态环境为控制目标，对室内环境的营造还不尽完美，在实际的推广和应用中也暴露出一系列的问题。长期在这种恒温恒湿的稳态环境中生活会对人体身心健康造成不利影响，甚至会导致某些机能的下降。首先，人体自身具有良好的体温调节系统和对热环境的适应能力，一旦长期处于恒温恒湿的环境，必然导致这种体温调节能力和适应[7]能力的下降，出现免疫力弱化等症状，这主要是由于缺少外界环境的冷热刺激所[8]引起，人体的自主调节机能受到抑制就会对人体的健康带来损害。其次，长期处于稳态的热环境下人们负面情绪会显著增多，产生烦躁心理，从而使人体感受热[9]环境的舒适度下降，同时大脑的活跃程度降低，从而导致工作效率的严重下降。针对以上问题，本文在温度渐变环境下对人体的热反应进行深入分析，主要包括主观热感觉、热舒适、热期望以及客观皮肤温度等参数，分析环境温度的线1 重庆大学硕士学位论文性变化对人体热反应的影响，探索人体在温度渐变环境下的热反应机理，建立温度渐变环境下的人体热反应预测模型，基于人体主观热反应规律，提出温度渐变环境下的人体舒适区范围。同时，对温度渐变环境下的人员工作效率进行研究，探索如何营造适宜的热环境从而让人们保持最佳的工作状态。另外，根据本文的研究结果，提出室内环境的动态空调控制策略，为创造舒适、高效的室内环境提供基本的理论依据。1.2国内外研究现状国内外研究人员已经针对不同热环境下人体热舒适和工作效率进行了研究，特别是动态环境下的人体热舒适研究已经越来越受到学者的关注，工作效率方面也有相当数量的研究成果，但是从研究内容来看，大部分研究人员都是单一的研究人体热舒适或者工作效率，并没有对两者进行很好的结合，下面就分别从这两个方面介绍相关的研究现状。1.2.1动态热舒适的研究现状目前人体热舒适的研究主要分为稳态热舒适和动态热舒适两个方面，稳态热环境是指环境参数保持不变，其对应的就是动态热环境，即空气温度、相对湿度、空气流速等参数并非保持恒定不变，而是处于动态变化的状态。在动态热环境中，温度变化是主要因素，一般来说，环境温度的变化主要分为3种形式，温度突变、[10]温度渐变和温度的周期性变化。温度突变环境下人体热反应的研究主要是致力于研究在不同的热环境之间进行过渡时，人体热感觉及皮肤温度的变化规律，主[11][12][13][14]要代表学者包括Gagge，Woyn和Glickman，他们通过研究得出人体体温调节系统对温度突变反应十分灵敏，也得到了许多热感觉预测模型，研究已经较为成熟。而关于温度渐变的研究则还远远不够，以下是现有的一些研究成果。[15]日本的Ohon等人较为全面地分析了从凉—中性，中性—热的温度渐变环境下人体热反应的变化规律，其研究的温度变化范围较大，变化速率也较快。研究结果发现平均热感觉与操作温度之间存在着十分密切的线性关系，在偏热环境下人体的生理响应要比偏凉环境下迅速，而热感觉在这两种环境下响应速度没有很大差别，大致对称地分布在中性热感觉两侧，并且0.27℃/min的温度变化速率会增加人体的不舒适感。[16]澳大利亚的Kolarik等人则着重研究了凉—中性范围内的温度渐变工况，通过设定不同的温度变化速率来研究温度渐变对人体热舒适和病态建筑综合症的影响，结果显示随着温度的升高人体病态建筑综合症会随之加剧，在温度渐变过程中平均皮肤温度和热感觉变化都较为缓慢，是一个逐渐变化的过程。特别是在温2 1绪论度变化速率较为缓慢的情况下，利用PMV模型就可以很好地预测温度渐变过程中的人体热感觉。[17]荷兰的Schellen等人研究了凉—中性范围的温度渐变环境对不同年龄段的人群造成的影响，其结果表明在温度渐变的热环境下，老年人的热感觉要比年轻人低0.5，在17～25℃的温度范围内，±0.03℃/min的温度变化速率并不会导致明显的不舒适感，并且在该实验工况下PMV模型对年轻人的热感觉预测较为准确，但是对老年人只能预测其热感觉的变化趋势，具体的数值则存在差别。[18]美国的Berglund等人的研究结果表明在23～27℃的温度范围内，0.01℃/min的温度变化速率并没有对稳态环境下建立的舒适区范围造成显著影响。[19]国内的许红波等人通过现有的研究成果进行综合分析得出，在一定温度范围内，只要温度变化率选择合适，环境温度的渐变就能为大多数人所接受，从而可以把稳态环境下建立的舒适区范围扩大至更宽的范围，为建筑节能带来实际效益。以上研究的共同点都旨在确定不同温度变化率下人体热感觉的变化规律，力图在室内温度线性变化的情况下确定人体的舒适区范围，但大多数研究仅仅是对模型概念的提出以及实验现象的描述，具有很大的局限性，未能进一步揭示温度渐变对人体热舒适的影响机理。因此，本课题选择受热环境影响较为显著的生理指标—皮肤温度作为研究点，并结合主观热感觉调查的方法，分别在不同温度变化范围、不同温度变化速率的环境下，从主客观两方面展开温度渐变对人体热舒适影响的实验研究。1.2.2热环境对人员工作效率影响的研究现状室内热环境的好坏不仅影响到人们的热感觉、热舒适度，同时还会对工作效[20]率造成影响，环境的过冷或过热都会对工作效率造成显著影响，自上世纪中期以来，研究者开展了大量关于热环境与工作效率的研究。在20世纪60年代末，Pepler和Warner便对室内热环境和人员工作效率的关[21]系进行了实验研究，他们分别营造了六个水平的室内温度，来研究环境温度对人员工作效率的影响，其研究结果表明，室内温度与任务完成时间之间存在倒U型曲线关系，在26.7℃下用时最长，但错误率也最低。[22-24]随后Wyon开始研究室内温度对学生脑力任务绩效和打字任务绩效的影响，通过研究发现人员的工作效率会受到主观热舒适、病态建筑综合症的影响，室内热环境不仅直接影响人员的工作效率，还可以通过加剧病态建筑综合症，干扰工作人员的工作热情，从而间接对工作效率造成负面影响。另外其研究结果还表明，室内温度对工作绩效的影响与任务的性质还存在很大的关系。3 重庆大学硕士学位论文[25]在Johansson的夏季实验研究中，26名受试者分别在不同的环境温度（24℃、27℃、30℃）下进行相应的办公任务，研究结果显示，除了感知运动任务外，大部分任务的完成效率都随着温度的升高出现下降的趋势，而感知任务的完成效率随温度上升却呈现出倒U型的变化趋势，当环境温度为27℃时，受试者的工作效率最高。[26]Wyon和Wargocki又着重研究了环境温度影响人员工作效率的结果以及可能的影响机理。结果表明，在偏热环境下，劳动人员的病态建筑综合症明显加剧，同时劳动人员的新陈代谢率也有一定程度的降低，人体唤醒水平随之下降。这两个方面都会对人员的工作效率造成影响，病态建筑综合症对人员工作效率造成的影响不能忽视。[27]Mäkinen等在冷环境下研究室内环境对人员工作效率的影响机理。尽管该实验所选取的冷工况（室温为-10℃）在办公环境中不常见，但是从中还是可以注意到寒冷环境会对人体生理反应和热感觉造成负面影响，受试者在寒冷环境中完成简单认知任务的速度和绩效也出现下降。Mäkinen等认为简单认知任务比较容易受寒冷环境的影响，另一方面，稍微寒冷的环境则有助于改善任务完成的准确度。[28]叶晓江和连之伟等采用环境参数测量和主观问卷的方法进行了现场调查，结果表明，热舒适或中性状态时工作效率不一定为最高，员工的工作效率在稍微凉爽的环境下达到最高。[29]兰丽主要研究了人体在热环境中短期暴露和中期暴露时，热环境对人员工作效率的影响。研究结果发现，在偏热环境下工作人员的负面情绪增长、对周围环境的满意度下降、工作压力增加、工作热情下降，这些明显消极的主观情绪严重影响了人员的工作效率。另外，通过对生理指标进行监测发现，在偏热环境下，受试者的血氧饱和度下降，疲劳感上升，这些心理和生理作用共同导致了工作效率的下降。心率测量的结果表明在偏热环境下人体新陈代谢率和人员工作负荷有显著增加，耗能量也显著上升。[30]李伟通过研究室内温度对工作效率的影响规律时发现，当室内温度为22℃时，工作效率最高，17℃次之，29℃和32℃时工作效率最低。从工作任务指标上看，温度对认知测验的影响显著，而对模拟办公任务并没有产生显著影响。从以上国内外研究现状来看，已经有许多学者对热环境和人员工作效率之间的关系进行了分析研究，包括问卷调研和实验研究，同时也进行了主观工作任务和客观生理指标的测试，初步得到了热环境对人员工作效率造成的影响以及内在生理指标的变化，但是这些研究选取的温度范围不同，其衡量工作效率的任务和标准也各不相同，造成不同的研究人员得出的室内温度对人员工作效率的影响规律不尽相同，概括起来现有研究主要存在以下两方面的不足：4 1绪论①工作效率考察方法在对受试者的工作效率进行考核时，大部分研究人员都选择简单的模拟办公任务例如打字、记忆数字等，这些任务难度普遍较低，忽略了受试者的教育水平，无法得出有效的实验数据，从而造成不同的研究人员得出的实验结果存在较大差别，无法得到衡量工作效率的统一标准。②室内热环境营造目前针对热环境和工作效率之间的研究都是基于稳态热环境，忽略了稳态环境下人体并不会达到真正的舒适状态这一关键问题，并且有一部分研究人员对室内温度的设定也大大偏离了真实的办公环境，因此只能得出室内温度对工作效率的影响，却无法提出到底该如何对室内温度进行控制，在满足人员舒适感的同时使其工作效率达到最佳。因此，基于以上分析，本文针对受试者的教育水平选取合理的考核任务，分别在稳态环境和动态环境下，研究温度对人员工作效率的影响机理，期望营造健康、舒适、高效的室内环境来达到热舒适和工作效率双赢的效果。1.3本文研究目标及研究内容1.3.1研究目标动态热环境的人体热舒适研究越来越受到人们的关注，而针对温度渐变的研究还有许多未尽之处，基于目前温度渐变环境的研究现状，本课题的研究目标如下：①得到温度渐变环境下室内空气温度与人体平均皮肤温度及人体热感觉之间的数学关系，并进行量化分析。②得到温度渐变环境下热环境对人员工作效率的影响规律。③提出温度渐变环境下的舒适区温度范围及相应的空调控制策略。④建立温度渐变环境下人体热反应模型并对其进行验证。1.3.2研究内容本文通过夏季开展实验研究，对温度渐变的动态热环境下人体热反应进行深入分析。本文主要通过以下几方面的工作进行研究：①温度渐变环境下人体主观热反应的变化特性通过在人工气候室营造夏季不同的温度渐变实验工况，分析环境温度在不舒适温度（热、偏热、偏凉）和舒适温度（中性）之间渐变时，人体主观热反应的变化特性，并且通过数学方法进行量化分析。②温度渐变环境下人体皮肤温度的响应规律5 重庆大学硕士学位论文研究在环境温度的不同变化范围和不同变化速率下人体平均皮肤温度的响应特性，得到人体皮肤温度随时间的变化规律。③温度渐变环境下人体主观热反应与客观生理反应内在关系的分析对实验结果进行分析，分析在温度渐变环境下人体主观热反应（热感觉）与客观生理反应（平均皮肤温度）之间的关系，找到该环境下两者之间的内在关联。④温度渐变环境下人员工作效率优劣的考核在实验过程中，采用心算乘法的方式对受试者的工作效率进行考核，分析温度变化对受试者工作效率的影响，寻找受试者工作效率最高的室内热环境。⑤室内环境动态空调控制策略的探讨通过对温度渐变环境下人体热反应特性和工作效率的研究和分析，探索最佳的室内热环境动态空调控制策略，力求营造舒适、高效的室内环境，为今后室内环境的营造提供理论参考。1.4本章小结本章首先阐述了本研究课题的背景及其意义，接着详细叙述了国内外关于动态热舒适及工作效率的研究现状，最后简要介绍了本论文的研究目标和研究内容，奠定了本文研究的基础。6 2理论基础2理论基础2.1热舒适理论基础2.1.1人体与环境的热交换人体为了维持体温和和正常生理活动的需要，会通过新陈代谢不断产生热量，并且与外界环境时刻进行着热量的交换。人体新陈代谢产生的能量，一部分用于人体生理活动的需要，一部分用于对外作功的需要，还有一部分要与环境进行热量交换。热交换的进行程度影响了人体对环境的冷热感觉乃至于舒适度，人体与环境的热交换模式是研究人体热舒适的基础，图2.1为人体与环境热交换的示意图：环境表面对流散热(C)服装身体产热皮肤(M-W)出汗辐射散热(R)外表面汗液蒸发和呼吸散热(E)[31]图2.1人体与环境的热交换Figure2.1Heatexchangesofhumanbodyandenvironment人体为了维持体内温度的恒定，需要不断的产生热量来满足自身活动以及维持与环境之间的热交换需要。根据热力学第一定律，人体产生的热量与人体消耗的热量始终处于平衡状态，即应该满足基本的热平衡方程式：(MWCREE−=+)(+++++difrsw)(CEresres)S（2.1）2式中M——人体新陈代谢率，W/m；2W——人体所做的机械功，W/m；2C——皮肤的对流散热量，W/m；2R——皮肤的辐射散热量，W/m；7 重庆大学硕士学位论文Edif——皮肤水分扩散散热量以及出汗散热量；2Ersw——皮肤出汗散热量，皮肤总蒸发散热量Esk=Edif+Ersw，W/m；2Cres——呼吸显热散热量，W/m；2Eres——呼吸潜热散热量，W/m；2S——人体蓄热率，W/m。上述热平衡方程式表示人体产热量等于人体新陈代谢率减去所做的机械功，而人体产热量等于皮肤散热量、呼吸散热量以及体内蓄热量三者之和，由此可见人体热平衡方程是从产热、换热、蓄热三方面对人体的热平衡状态进行分析，以下分别进行介绍。①人体产热量热平衡方程中能量代谢、机械功与蓄热是与人体自身有关的3项，新陈代谢率M是人体通过新陈代谢作用将食物转化为能量的速率，与人体的新陈代谢过程有关，需要通过生理学手段进行研究。W是人体所完成的机械功，为了便于计算常以人的机械效率形式给出，即η=W/M，这样只需测得不同活动的机械效率便可以根据能量代谢率和机械效率求得机械功。机械效率η一般不超过5%—10%，而大多数的活动接近于0。新陈代谢率M主要取决于人体的活动强度，可根据呼吸过程氧气的消耗量确定，[32]以下为经验计算式：352(0.23RQ+0.77)VO2M=（2.2）AD2式中M——人体代谢率，W/m；RQ——呼吸商，无量纲，其定义为单位时间内呼出的二氧化碳和吸入氧气的摩尔数的比例；VO2——在0℃，101.325kPa(一个标准大气压下)的环境下单位时间内消耗氧气的体积，mL/s；2AD——体表面积，m将计算所得的M导入公式η=W/M，即可得到人体产热量的计算公式：H=M(1-η)（2.3）2H——人体产热量，W/m人体的能量主要来源于糖、脂肪、蛋白质三大营养物质的氧化分解，而在人体获取的全部能量中有50%以上都转化为热能，以此来维持人体的体温稳定并不断通过体表散发热量。人体的体格不同，单位时间内的能量代谢水平也会不同，这就需要一个新陈代谢的衡量标准，而体表面积的产热量就是一个很好的指标。基础代谢率是指人体处于安静状态时单位时间内的代谢量，年龄和性别不同，基8 2理论基础础代谢率也会存在差别。人体活动强度的高低决定了人体的产热量，人体内部的许多器官、组织都会通过不同程度的代谢来产生热量，主要产热的器官包括内脏器官、大脑组织和骨骼肌，安静状态下，内脏器官是主要的产热部位，运动状态下，骨骼肌是主要的产热部位，各个部位产热量的比例如表2.1所示。[33]表2.1人体各器官的产热比率Table2.1Rateofheatproductionoforgans器官系统安静状态运动状态心脏及呼吸器官16%9%肝脏、脾脏及消化器官30%9%骨骼肌25%76%脑脊髓18.4%6%肾脏5.6%其他5%总计100%100%②人体与热环境的换热人体在产热的同时与外界环境之间时刻进行着热交换，从而保持体内的热平衡以及体温恒定。从传热学的角度来看，热交换存在三种基本方式：导热、对流和辐射。人体与环境之间的热交换同样存在这三种方式，同时还包括特殊的水分蒸发散热过程，下面分别进行介绍。1）导热物体内部温度不同的部分或者温度不同的物体之间直接接触时都会发生热量[34]传递，这种传热方式称为导热。人体通过导热的方式所散发的热量一般都比较少，约占安静状态时总散热量的3%。导热散热量除了与物体之间的接触面积、温差有关外，还与所接触物体的导热性质息息相关。人体内部的脂肪是热的不良导体，所以，脂肪含量较大的人其导热散热量就比较少。研究表明，当皮下脂肪层增厚1mm时，人体的耐寒程度就能增强1～1.5℃。当人体与水接触时，由于水的导热系数远远大于空气，此时的导热散热量就占有相当大的比例。而在严寒的冬天，当人体与金属接触时，导热散热量也比较大，容易使接触部位冻伤，危害人体健康，这也是一个需要多加注意的问题。2）对流换热对流换热也是人体与环境之间进行热交换的重要方式，人体通过对流换热散发的热量约占总散热量的35%。当人体皮肤温度高于环境温度时，首先会把机体9 重庆大学硕士学位论文的热量传给与皮肤接触的那一层空气，这部分空气因为受热膨胀变轻而上升，然后较冷的空气会来补充。通过这种冷热空气的对流，人体的热量能够进行散发。这种由于温差而产生的空气分子移动称为自然对流，自然对流过程中空气分子的运动速度都处于较低的水平。当空气分子受到外力的作用时，其运动速度就要远远大于自然对流的气流速度，也就是人们常说的风，例如摇扇子、开启电风扇和使用吹风机等，这种换热方式称之为强迫对流。人体在无风的空气中运动时，身体与空气之间也会产生相对风速而增加对流换热，这种方式也称为强迫对流。对流换热量的大小主要取决于人体的表面温度、人体形状及表面特征，以及环境温度和气流速度，外界环境的空气温度则决定了人体表面与外界环境的对流换热温差。棉制品由于其导热性能较低，纤维间空气多且不易流动，能够有效减少导热和对流散热，经常被人们用来充当保暖御寒衣物的原材料。3）辐射换热辐射换热是一种非接触的换热方式，主要以电磁波的形式来传递热量，不需要任何的中间媒介，只要具有温度，任何物体都能发射红外线。正常情况下，人体与外界环境之间存在温差，两者之间就会发生辐射换热过程，环境温度高于人体表面温度，人体就获得辐射热，环境温度低于人体表面温度，人体就失去辐射热。人体的辐射散热量主要取决于两者之间的温差、黑度以及人体的有效辐射面积。人体与外界环境壁面的辐射换热过程也遵循斯蒂芬—玻尔兹曼定律，并且存在以下公式44R=Aeffεσ�Tcl—Tmnt�(2.4)2式中R——辐射换热量，W/m；2Aeff——着装人体有效辐射面积，m；ε——着装人体外表面的平均黑度，又称辐射系数；-824σ——斯蒂芬-玻尔兹曼，σ=5.67×10/(m·K);Tcl——着装人体外表平均温度，K；Tmnt——环境的平均辐射温度，K从式2.4中可以看出，平均辐射温度、着装人体的有效辐射面积以及人体外表面平均温度的确定是计算人体与环境壁面辐射换热量的基础。4）蒸发散热人体从食物中获取的水分有一部分是通过呼吸道和皮肤散失的，水从液态变为气态的物理过程称为蒸发，水分蒸发的过程中就会吸收气化潜热，从而形成蒸发换热过程。水的的气化潜热在35℃时为2418kJ/kg。但是人体从皮肤表面蒸发的10 2理论基础汗液是一定浓度的盐溶液，因此正常情况下每蒸发1kg的汗液大约吸收2450kJ的热量。皮肤散热主要由辐射、对流和蒸发三种方式完成，通过辐射和对流能够将温度较高部位的热量传递到温度较低的部位，但是在天气炎热的情况下，单靠这些散热方式远远不够，需要通过出汗的方式来进行散热，汗液蒸发能够带走大量热量，使体温维持正常。如果人体的出汗机能不能得到充分发挥，体温就会上升，从而引发一系列的不良反应。人体的蒸发散热热损失包括呼吸蒸发热损失（Eres）和皮肤表面的水分蒸发热损失（Esk）。呼吸蒸发带走的热损失可以用下式表示：()2Eres=Vd-dW/m（2.5）ei式中，V——呼吸换气量，kg/s；de——呼出气体的含湿量，即每千克干空气中水蒸气含量，kg/kg；di——吸入空气的含湿量，即每千克干空气中水蒸气含量，kg/kg。人的呼吸换气量与当前所从事的工作强度有关，即与人体的新陈代谢率有关。皮肤水分蒸发导致的蒸发热损失则可以用下式表示：wp(sks,−pa)E=（2.6）skR+1e,cl(fh)cle式中w——皮肤湿润度，无量纲，其定义为皮肤表面汗液的实际蒸发量Esk与同一环境中皮肤表面完全湿润（w=1）时可能产生的最大散热量Emax之比，即人体皮肤表面被水分覆盖面积的相应百分率；Psk,s——皮肤表面的水蒸气分压力，通常将其视为平均皮肤温度下的饱和水蒸气分压力，kPa；Pa——环境空气的水蒸气压力，kPa；2.Re,cl——所穿服装的蒸发热阻（类比于Rcl），(mkPa)/W；2.he——蒸发换热系数（类比于hc），W/(mkPa)。③人体蓄热人体新陈代谢的产热量经过消耗以及与环境进行热交换之后，如果剩余量为正值，说明人体的得热量要大于散热量，人体内部有一定的热量积蓄，此时蓄热率S为正值；反之，人体就会散失热量，蓄热率S就为负。如果人体的得热量恰好等于散热量，表明此时人体处于热平衡状态，蓄热率S为零。如果人体处于热不平衡状态，比如得热量大于散热量，富余的热量就会在体内积蓄，只要人体的蓄热率处于一个有限的范围，人体就能通过自身的调节机制如血管扩张、出汗等11 重庆大学硕士学位论文促进与环境的换热，从而使人体逐渐恢复到热平衡状态。一旦蓄热率超出了人体的调节范围，人们就只能通过减少衣物、采用空调制冷等措施来维持体内的热平衡状态。由于人体本身具有较大的热容量，再加上人体自身的调节机能，短时期之内可以保证人体在热不平衡的状态下体温只有很小的波动，人体的蓄热率和人体温度之间的关系如下式所示：Cωdtbb(2)S=W/m（2.7）AdtD式中，Cb——人体组织的平均比热容，kJ/kg·℃；tb——人体平均温度，℃；t——体温变化时间，s；dtb——体温变化率，℃/s。dt[35]人体组织的比热大约为3.49kJ/kg·℃，这个数值约为液态水比热的83%。通过上式只要知道一个人的体重、体表面积以及体温变化率就可以求得相应的蓄热率，反之利用上式也可以求得某一蓄热率下人体温度的变化率。2.1.2人体体温调节机制体温调节是指人体能够将体内温度稳定在一个有限的波动范围内[(37±2)℃]。人的体温之所以能够保持相对稳定，是由于人体有着较为完备的体温调节机制，能够有效地控制机体的产热和散热过程，从而使人体始终处于动态的热平衡状态，因而得以维持体内温度的相对恒定。人体在体温调节中枢的控制下能够通过增减皮肤表面的血流量、出汗、寒颤等生理性产热和散热过程来维持体温的相对恒定，这个过程称为自主性体温调节。除此之外，人体还可以通过一系列的行为活动对体温进行调节，比如加减衣物。开启空调等，这称之为行为性体温调节。行为性体温调节过程是以自主性体温调节为基础的主观有意识的活动，是对后者的补充。这两种体温调节方式构成了人体体温调节的完整机制。人体要想维持体温的相对恒定就必须要有良好的代谢产热过程以及各种有效的散热途径，同时还必须时刻根据体温和环境温度的变化进行调节。人体的体温调节机制必须对外界环境的变化保持敏感，并且在感受到变化的同时迅速做出反应，这才是一个完备且有效的体温调节系统。人体体温的自主性调节主要依赖自身的调节控制系统，如图2.2所示。12 2理论基础图2.2人体体温调节系统Fig.2.2Thermoregulatorysystemofhumanbody人体的体温调节系统的组成比较复杂，主要由以下几部分构成：①温度感受器人体皮肤层中存在许多的温度感受器，人体能够通过这些温度感受器来感受外界的温度变化。温度感受器是人体体温调节系统的重要组成部分，为体温调节中枢输送温度信号，温度感受器顾名思义就是对温度敏感的感受器。温度感受器根据其位置的不同可以分为外周温度感受器和中枢温度感受器。1）外周温度感受器外周温度感受器分布在人体皮肤、黏膜以及腹腔内脏等处，一般来说冷感受器的数量要多于热感受器。通常情况下温度感受器在不同的温度下其放电频率也不同，温度感受器感受到冷热刺激后会转化为神经冲动输送到调节中枢，不仅会产生冷热感，同时还会触发人体的体温调节机制。冷感受器不仅数量要比热感受器多，其在皮肤表面下分布的厚度也比较浅，这就造成了人体对冷的反应要比热的反应更加敏感。2）中枢温度感受器在脊髓、延髓、脑干网状结构以及下丘脑都分布着对温度比较敏感的神经元，称为中枢温度感受器。中枢温度感受器可以分为热敏神经元和冷敏神经元两类，热敏神经元在温度升高时放电频率增加，冷敏神经元在温度降低时放电频率增加。这两种神经元对核心温度的变化非常敏感，其能够根据人体体温的状态随时做出反应。②体温调节中枢体温调节中枢主要存在于下丘脑，另外还有一部分位于大脑皮层和脊髓。下丘脑由若干个分区组成，下丘脑前部（散热中枢）和下丘脑后部（产热中枢）这13 重庆大学硕士学位论文两个负责控制体温调节系统。体温调节中枢对各方面的温度信息进行综合处理后通过控制一系列的体温调节机制如血管舒张和收缩、出汗、寒颤等产热和散热过程来维持体温的相对稳定。但是，体温稳定的程度还要取决于人体的体温调定点，体温调定点的设定值并不是一成不变的，它会受到温度敏感神经元兴奋性的影响。当体温超过设定点时，热敏神经元放电增多，促进人体进行散热，使体温逐渐下降；当体温低于设定点时，冷敏神经元的放电就会增多，促进人体产热，使体温逐渐升高，从而使人体的产热和散热处于动态的平衡状态，最终维持人体在所设定的温度水平。③效应器效应器与其控制对象体温的变化有着直接的关系，主要由血管、汗腺和肌肉组成，它可以根据体温调节中枢传来的指令完成相应的动作，从而调节人体的产热和散热情况来控制人体温度。效应器的生理活动主要包括以下3种：汗腺活动、血管扩张或收缩、肌肉活动3种。1）汗腺活动人体在炎热的环境下能够通过全身各部位的汗腺分泌汗液，汗液通过蒸发过程带走人体的热量，从而加大人体的散热量。当皮肤的热感受器感受到热刺激或者人体活动强度增大时，能够刺激下丘脑负责汗液分泌的中枢热敏神经元，从而引发出汗，促进人体的散热过程。在正常情况下，人体汗腺分泌的强度主要受下丘脑的出汗中枢控制，而血液中肾上腺素和去甲肾上腺素的刺激也会对汗腺的分泌产生一定的影响。出汗分为温热性出汗和精神性出汗，前者占主导地位，后者与人的情绪有关，作用有限。人体在受到炎热刺激时，汗腺的分泌活动非常频繁，1h的发汗量可达0.5～4.2L，99%以上的汗液都是水分，蒸发1g水分需要消耗2.4kJ热量，因此出汗是人体散热的重要途径。此外，当人体体温升高时，还可以反射性地抑制肌肉张力，从而抑制人体的产热过程，使产热量减少。但是肌肉张力变化的幅度一般较小，而温度升高还会提高化学反应的速率，因此体温升高时降低体内产热的能力十分有限。由此可见，在高温环境下汗液的蒸发散热在人体体温调节过程中发挥着十分重要的作用。2）血管扩张或收缩人体内部的热量主要通过导热和对流换热的方式传递到皮肤表面，而人体组织是热的不良导体，因此导热传热量较少，血液流动带来的对流换热过程在人体内的热交换中起主导作用。皮肤表面的温度也主要由皮肤血流量来控制。在寒冷的环境下，人体皮肤表面的血流受到抑制，从而减少散热，防止人体核心温度的降低，此时皮肤层中的血管收缩，血流量减少，对流换热过程受到抑制，从体内向体表的传热量减少，皮肤温度降低，进而人体与外界环境之间的对14 2理论基础流和辐射散热也相应减少。在炎热环境下，皮肤血管舒张，皮肤血流量显著增大，通过血液循环将大量的热量从人体内部带到人体表面，皮肤温度升高，散热量也显著增加。另外，人体的动脉血和静脉血之间还会形成一个逆流换热系统，温度较高的动脉血和温度较低的静脉血之间存在温差而进行热量交换。由此可见，皮肤血管的扩张或收缩在人体体温调节过程中也发挥着十分重要的作用。3）肌肉活动当人体处于寒冷环境时，由于人体与外界环境之间的温差增大，人体的散热量也随之增加，此时人体能够通过寒颤产热来维持人体内部的热平衡。当下丘脑感受到寒冷刺激时，其寒冷中枢的兴奋性增强，产生神经冲动引起骨骼肌收缩使寒颤的产热量增加。寒颤消耗的能量全部转化为热能，能够使人体的产热量增加4～5倍，因此寒颤是非常高效的产热方式，在寒冷环境下寒颤产热能够保证人体的体温处于相对稳定的状态。寒颤能够导致人体产热量的显著增加，提高人体温度，减少严寒对人体的损伤。但是人体在产生寒颤时，肌肉规律性的收缩还会引起皮肤振动，皮肤振动的同时导致皮肤周围空气的流动速度变快，从而加强了皮肤表面与环境之间的对流换热。此外，寒颤会导致肌肉层血流量的增加，增强肌肉层的传热性能，同时促进血液循环，增加体内向体表的传热量，从而抵消散热量的增加导致的体温下降。2.1.3热舒适的评价方法室内环境的营造首先要满足人体热舒适的要求，经过多年的研究，热舒适领域的评价指标得到了不断的完善和发展，并且形成了一系列的评价方法和评价指标。①PMV—PPD模型[5]丹麦的Fanger教授基于人体热平衡理论，利用ASHARE的七级热感觉指标，并通过建立热舒适方程，得到了预测人体热感觉及不满意率的PMV—PPD模型。该模型通过输入空气温度、平均辐射温度、空气湿度、相对风速、活动水平、服装热阻六个参数就可以对人员的热感觉指数进行合理的预测，经过大量数据的验证，其在稳态均匀热环境下具有较高的准确度。然而，由于该模型只考虑稳态舒适环境，并且是在实验室的条件下得到的，因此其适用范围相当有限，当热环境偏离热舒适状态时，其预测结果就会出现明显的偏差。②适应性热舒适模型适应性理论认为：在人体与热环境的互相作用过程中，人体除了被动接受外界热环境外，还能够通过一系列的反应机制去适应周围环境，人体的热感觉受到适应性的显著影响，适应性越强人体对热环境的满意度就越高。另外，人体对外15 重庆大学硕士学位论文界环境的接受度和满意度受到环境参数、人体参数以及人体适应性等多重因素的影响。热平衡模型只是考虑了人体行为调节的重要性，但是它却忽略了人们心理调节的作用，心理调节在热环境中也发挥着十分重要的作用，进而影响人体对外界环境的满意度。适应性模型的理论主要包括三部分，分别是生理适应、心理适[36][37]应和行为适应，根据适应性理论，deDear、姚润明等人分别提出了各自的适应性模型。通过适应性模型可以得到室内环境控制的最佳温度及可接受舒适温度范围，该范围要比稳态热舒适模型得到的舒适区范围大，可以减少建筑空调能耗，从而降低温室气体排放，并且，该类模型可用于各种建筑类型（办公室、住宅等）。首先通过建筑模拟工具预测自然通风建筑的室内温度变化范围，然后与适应性模型提出的可接受温度范围进行比较，根据比较结果进行相应的修改，确定最后的室内温度范围。在建筑设计过程中，适应对策的实际应用能够满足我们对于节能和舒适的要求。③动态热舒适模型日常生活中人们所处的热环境时刻都会发生着变化，环境参数的动态变化必然会导致人体的热平衡状态和体温调节机制的变化。而有学者认为热舒适并不存在于稳态热环境中，只有在动态热环境中才能达到真正的热舒适状态，因此许多研究人员针对动态热环境下的人体热舒适进行研究，并建立了相应的评价模型。[38]Ping等提出了当人体皮肤表面温度以正弦形式呈周期性变化时人体热感觉强度的预测模型，该模型强调人体的热感觉与温度感受器的深度及其响应时间有[39]关，而在此基础上，LV等提出了一维多层有限差分模型，用来预测环境温度变化时人体皮肤温度感受器的温度值及其动态响应，该模型还可以预测当气流以正弦形式变化时皮肤温度感受器的动态响应。LV等通过比较在相同环境温度变化时热感受器和冷感受器的动态响应差异（冷感受器的脉冲频率比热感受器高，且在初始阶段冷感受器的温度变化比热感受器要快），揭示了人体对冷的反应比对热的反应更敏感的机理。目前在动态热环境提出的热舒适模型都是在原有的稳态模型发展过渡而来的，并且大多数是通过实验得到的，模型所能模拟的瞬态工况仅包括缓慢瞬态环境和突变瞬态环境两种，对渐变瞬态环境的研究很少。这些模型能够对稳态环境下的人体热反应进行良好的预测，但是对非稳态情况的预测却达不到准确的程度。目前非稳态环境下建立的热舒适模型都只适用于特定的热环境，当环境参数发生变化时就不能使用，模型不存在普遍适用性，这就导致该类模型目前还难以推广。16 2理论基础2.2室内热环境与工作效率2.2.1室内热环境对人员工作效率的影响机制人具有的主观能动性决定了人体不会被动地对环境应激作出单调反应，两者之间是相互作用的。人员会不断地对外界环境进行综合评价，当他们感觉外界环境加重了他们的资源负担、超过其脑力资源或威胁到他们的健康舒适时，此时外界环境就对人体形成了应激作用。而相互作用理论就强调了个体在处理外界应激所导致的额外需求的主动性。根据工作任务的性质和自身的能力，人员会主动地采取措施去完成。应对措[40][41]施一般是以任务为中心或以情感为中心。如果以任务为中心，人员会根据外部条件的变化来采取应对措施从而保证任务的绩效，如在热不舒适环境中，工作人员可以通过增加努力投资来完成公司布置的任务，或者对任务的速度—准确性的比重进行重新定义。如果以情感为中心，那么工作人员就可能降低工作热情、担心环境污染的威胁等，从而导致工作效率降低。工作人员的负面情绪一方面会占用当前任务的注意资源或工作记忆，另一方面还会干扰工作状态调节和信息加工的过程，从而导致工作效率下降。对于外界环境的热应激，人体能够通过生理和心理调节来进行应对，一旦热应激超过人体应对的程度，就会对人们的工作效率带来负面影响，舒适的热环境能够提高人们的工作效率。图2.4具体展示了室内[29]环境对人员工作效率的影响机制模型。图2.4室内环境对人员工作效率的影响机制模型Fig.2.4Aunifiedmodelindicatingthemechanismsofindoorenvironmentaleffectsonhumanproductivity17 重庆大学硕士学位论文在相同的热环境下某些任务的工作效率可能会提高，而另一些任务的工作效率就可能降低，通过激发水平的定义能够来解释热环境对工作效率的影响。在高水平的激发下，人体的情绪过于激动导致大脑的注意力下降，从而对工作效率产生不利影响，而在低水平的激发下，人体的兴奋性又明显不足，不能维持正常的工作状态，这也不利于主观能动性的发挥，而在中等水平的激发下，人体的工作效率反而能够维持一个较高的状态。复杂的工作能够激发人们的热情，从而投入更多的精力去完成，此时人体的激发水平就处于良好的状态，而当人们从事简单枯燥的工作时，工作热情明显不足，往往需要外部的刺激才能提高工作效率。因此，不同的工作任务在不同的环境下人们的工作效率明显不同。根据热力学定律第二定律可知，热力系统由任意状态转变到与环境状态相平[42]衡时所能做的最大有用功称为㶲。人体与外界环境的换热过程中不可避免会出现㶲损现象，㶲损越小，人体的有用功就越大。人体作为一个开口热力系统，与[43]其周围室内热环境之间的能量交换过程就是一个热力过程。由于人体只有在正常状态下才具有做功能力，因此人体㶲可以表示为人体正常状态可逆转变到与环境状态相平衡时所能做的最大有用功。由于人体与室内热环境之间的能量交换过程是不可逆的，㶲会有一定的损失（称为人体㶲损），此时人体所能做的有用功也将会有一定的损失，并随着㶲损的减小，人体所能做的有用功将会增大，反之[44]亦然。基于以上分析建立的人体㶲平衡模型如图2.5所示：图2.5人体㶲平衡模型Fig.2.5ThemodelofHumanexergybalance18 2理论基础总的来说，人类生活的劳动可以分为体力劳动和脑力劳动，具有代表性的就是工厂的工人和办公室的工作人员。在寒冷环境中，人体皮肤血管收缩，体温下降，手指操作的灵活性和敏感性都会降低，同时寒冷产生的刺激还会对人体的神经系统造成影响，从而干扰人体的工作效率。而在炎热环境下，人体体温上升，汗腺开始分泌汗液，会导致人体的不舒适感加剧，进而增加人体的负面情绪，从而影响人体的认知能力，比如脑力劳动、信息处理、记忆等。另外，在高温环境下，皮肤血管扩张以此增加散热，调节体温，这就会导致供给肌肉活动的血液减少，影响人体的体力劳动工作效率。热环境对工作效率的影响还与劳动人员在热环境中的暴露时间有关，人员劳动过程中，在偏离舒适区的环境中暴露的时间越长，其工作效率就会越低，同时热环境对体力劳动和脑力劳动的影响机制略有差别，不过整体的影响趋势还是保持一致。所有的劳动都可视为劳动人员所做的有用功，劳动人员需要消耗一定的能量才能完成这些任务。抛开主观能动性和客观环境的影响，劳动人员在工作中投入的有用功越大，完成的任务就越多，工作效率就越大，反之亦然。因此在劳动过程中，人体与外界环境之间的热交换过程中㶲损越小，劳动人员所能做的有用功就越大，工作效率将越高，反之亦然。当㶲损达到最小时，办公人员所能做的有用功将达到最大，其工作效率也将达到最大。因此，从理论上讲人体㶲损与人员工作效率之间是此消彼长的关系，人员的工作效率在㶲损最小的时候能够达到最[45]佳水平。而在不同温度下人体㶲损、人体热感觉和工作效率的数值如表所示：表2.2不同室内温度下人体热感觉、人体㶲损及平均人员工作效率Table2.2Metabolicrateofadultmalesindifferentintensityofactivities室内操作温度人体热感觉人体㶲损平均人员工作效率（℃）（%）（%）18-0.773.6398.619-0.563.5799.520-0.343.70100.021-0.133.8299.3220.083.9297.1230.304.0094.3240.524.0592.2250.744.0991.0260.964.1090.5271.194.0890.019 重庆大学硕士学位论文2.2.2人员工作效率的评价方法人员工作效率（Productivitiy）等于产出(output)与投入(input)的比值，即Productivity=Output/Input（2.8）对于办公人员而言，产出是指办公人员在工作实际时间内完成的任务量，而投入是指办公人员的工作时间。工作的产出不仅包括完成的工作量，还包括完成工作的质量，因此工作效率与完成任务的速度（Speed）和准确度（Accuracy）直接相关，即：Productivity=f(Accuracy,Speed)（2.9）对许多任务而言，都会存在速度越快犯错误就越多的现象，当人试图加快反应速度时，其所犯的错误往往会更多。也就是说，人员在完成任务时可能速度很快但是错误较多，也有可能速度很慢但错误较少。例如，打字速度越快其出现的错误就越多，要想提高准确性就必须放慢打字的速度，这种时间与错误的反比关[46]系称为速度—准确性互换性（Speed-accuracytrade-off）。因此，我们在评价人员的工作效率时，必须考虑这种互换性的因素，速度和准确度这两个指标就需要同时加以考量。在外界环境因素的影响下，速度和准确度这两个指标也有可能呈现出不同的变化趋势，例如当室内温度稍微升高时，人员完成工作的准确度可能下降，但是速度会略有上升，这时评价室温稍微升高对工作效率的作用就显得复杂起来。因此，除了对速度和准确度这两个指标进行同时测量外，还有必要将这两个指标进行综合，尤其是对实际办公场所，从而真实有效地评价室内热环境对人员工作效率的综合影响。图2.6人员工作效率评价的神经行为能力模型Fig.2.6Aneurobehavioralframeworkforevaluationofproductivityofofficework20 2理论基础[29]上海交通大学兰丽提出了以神经行为能力评价模型来定量地、系统地评价室内环境对人员工作效率的影响，如图2.6所示。室内环境对工作人员的生理和心理都会产生影响，从而导致工作人员的工作效率表现出不同的水平。在现代社会中，脑力劳动发挥的作用越来越重要，本文考察的重点也放在受试者脑力劳动的工作效率方面。表2.1列举了25项具有代表性的神经行为能力测试项目，分别从不同方面对人员的工作效率进行测试，而在本文的研究中，工作效率的考核主要针对的是脑力劳动，考察受试者的认知能力，本文选取数字计算的方法，记录受试者在规定的时间内完成的任务量以及正确量等，基于这些数据，就可以计算出受试者完成任务的速度和准确度，从而对人员的工作效率进行定量的分析。表2.125项代表性神经行为能力测试Table2.1Correspondingfunctionsmainlytestedbythe25representativetests测试能力测试项目情感（Emotion）情感状态问卷（POMS）持续专注测试字母检索、斯特普鲁字色干扰测感知（Perception）验、图形叠代、时间估计、左右重定位、面部识别听数字广度测试，视数字广度、最近事件判别、学习和记忆认知符号－数字模式测试、视觉学习、无意义图形再（Learning&memory）（Cognition）认顺序推理、文字演绎推理、语法推理、阅读理解、思维（Thinking）数字计算、空间图形想象、创造力测试、空间视觉推理表达能力（Expression）眼手协调测试执行功能（Executivefunction）视复杂反应时、连续操作测试2.3本章小结本章主要介绍了热舒适研究领域的一些理论基础，分别从人体与热环境的热交换、人体体温调节机制以及热舒适的评价方法三方面进行说明，不仅概括介绍了热舒适的生理学基础例如人体产热与散热机理、体温、皮肤温度、温度感受器等，同时还对热舒适的主观评价方法进行说明，对热舒适的基本理论进行了梳理与分析。除此之外，还对室内热环境与工作效率之间的关系进行了详细的说明，分别从室内热环境对人员工作效率的影响机制、人员工作效率的评价方法两方面21 重庆大学硕士学位论文进行介绍，系统地阐述了室内热环境与工作效率之间的联系。以上基础理论的总结和归纳，为本文的研究奠定了良好的理论基础。22 3实验方案3实验方案3.1实验目的目前，动态环境下人体热舒适的研究已经成为热舒适研究领域的主流趋势，而作为室内环境营造的重点要素，温度控制越来越受到人们的关注，因此，本文在2014年夏季6~7月利用人工气候室营造不同的温度渐变环境，基于人体平均皮肤温度、人体热感觉、人员工作效率三方面，来综合研究温度渐变对人体热舒适及工作效率的影响，希望从主观热反应、客观生理响应两方面来探索温度渐变的动态热环境下人体的热反应特征。同时根据人体在温度渐变环境下的热反应及工作效率的响应特征，为进一步营造良好的室内环境和动态空调控制策略提供基本的理论依据。3.2实验室介绍为了严格控制实验环境的物理参数，减少外界因素的干扰，本次研究的实验选在重庆大学城环实验楼一楼的人工气候室内进行，该人工气候室建立于2009年，具体尺寸为4m（长）×3m（宽）×3m（高），其平面图如图3.1所示图3.1人工气候室平面图Figure3.1Thelayoutplanofclimatechamber该人工气候室建立在一个室内房间的内部，气候室外部的室内房间能够通过空调控制环境参数，这样就可以最大限度的减少室外环境的影响。气候室有多种23 重庆大学硕士学位论文送风模式，包括散流器送风、孔板送风等，能够对风速进行精确控制。另外，气候室的围护结构都是用保温隔热材料制成，具有良好的隔热性能。气候室整个环境控制系统包括制冷机组、空气处理机、加热器以及加湿器等，能够对室内的各项环境参数进行设置，并且能够实时记录。本实验对温度的控制主要是通过加热器完成，加热器的功率范围可以从0%～100%进行设置，从而实现对气候室内进行温度渐变的精确控制，该气候室环境参数的控制范围及精度如表3.1所示：表3.1环境参数控制范围及精度Table3.1Controlledrangeandprecisionoftheenvironment环境参数范围精度干球温度-5℃～40℃±0.3℃（10℃以下±0.5℃）相对湿度15%～90%±5%风速0.1m/s～2m/s0.3m/s本次实验中气候室内采取顶部孔板送风，由于孔口分布密集，可保证室内气流的均匀性，进而保证室内温度分布的均匀性，实验过程中的恒温段和变温段均在此气候室内进行，实验现场如图3.2所示。图3.2实验现场Fig.3.2Experimentalfields3.3实验测试参数及仪器设备3.3.1环境测试仪和脂肪测试仪本次实验测试的热环境参数有：空气温度Ta、相对湿度RH、空气流速Va，以及黑球温度Tg。实验中，采用德国美翠METREL公司的MI6401型热舒适度24 3实验方案测试仪对人工气候室的热环境参数进行不间断的测试和记录，采用日本百利达（TANITA）BC-601人体脂肪测试仪对人体的基本生理信息进行测试。环境参数[47]的测试严格参照ISO7730标准，为了获得精准的测试数据，实验前所用仪器都经过相关厂家调试和校准，实验测试期间，将METREL热舒适测试仪置于距离受试者50cm以内处，传感器高度在受试者腹部位置（大概60cm高度处）。测试仪器如图3.3所示。a.人体脂肪测试仪b.热舒适仪a.Humanbodyfatmeasureb.Thermalcomfortinstrument图3.3实验仪器Fig.3.3Experimentalinstrument日本百利达（TANITA）BC-601人体脂肪测试仪，可以对人体体重、体脂率、肌肉量、水分含量进行测量，其精度分别为：体重0.1kg，体脂率0.1%，肌肉量0.1kg，体水分含量0.1%。测量期间，将仪器放置在极少振动的坚固平坦表面物体上，被测量者赤脚站立于底座金属电极板上，手握电极棒，胳膊不能碰到身体，等待测量完成后才能松手，测试时还要输入测试对象的基本信息（年龄、性别、身高、运动习惯等级）后，就可以得到最终的测量结果。德国美翠公司的MI6401型热舒适度测试仪是一款多功能微气候测试仪器，具有高度模块集成化的特点，其可对空气温度、风速、相对湿度、湿球温度、露点温度、黑球温度、照度等室内环境参数进行连续监测和记录，并能根据室内参数计算热舒适评价指标PMV和PPD。其室内环境参数的测量精度分别为：空气温度25 重庆大学硕士学位论文为±0.2℃，风速为±0.05m/s，相对湿度为±2%，黑球温度为±0.5℃。根据本实验要求温度渐变的特殊实验工况，根据实验的精确度和相关的数据处理原则，该仪器设定为10s采集一次数据，从而便于对实验结果进行的分析。3.3.2皮肤温度测试仪[48-55]重庆大学热舒适课题组开展了大量关于热舒适的研究，分别研究了多项人体生理指标与热环境参数之间的关系，从中分析得到人体皮肤温度能够对外界环境的冷热刺激快速做出反应，并且还能反映出人体与外界环境之间热交换的状[56][57]态，其既可反映出人体内部至体表的热流量，也可反映出服装覆盖下的皮肤表面的散热量与得热量之间的动态平衡状态。因此本文的研究也选用人体皮肤温度作为生理指标的考察依据。皮肤温度的测量方法分为直接测量和间接测量两种方法：1）间接测量法通过红外线摄像仪可以将人体各部位的皮肤温度用不同的颜色整体显示到屏幕上，这种方法的优点在于可以随时给出完整的人体皮肤温度分布情况，但是，此法不能测定着装人体的皮肤温度，其测量得到的数据数量级较大，并且数据的收集及处理也较为复杂。2）直接测量法采用若干皮肤温度感测器（如热敏电阻、热电偶等）贴于人体的不同部位，然后通过模块转换，从而得到各部位的皮肤温度。由于热电偶的灵敏性和便利性，其能够比较精确地测量出皮肤各点的温度。该方法是目前热舒适研究测试皮肤温度中广泛使用的一种方法，鉴于直接测量法的优越性，本实验同样采取这种方法测量人体皮肤温度。在实验过程中测试多个部位的皮肤温度再通过加权平均的方法就可得到最终的平均皮肤温度。目前关于平均皮肤温度计算方法有很多，这些方法的主要区别[58-64]在于皮肤温度的测量部位、测点数目以及权重因子的不同。采用不同的人体平均皮肤温度计算方法就会得到不同的数值。根据可靠性和灵敏性的原则，本文选用八点法来计算人体平均皮肤温度MST，皮肤温度测点位置如图3.4所示。平[65]均皮肤温度计算公式如下：MST=0.07T额头+0.175T胸口+0.175T背部+0.07T上臂+0.07T小臂+0.05T手背+0.19T大腿+0.20T小腿（3.1）式中MST表示平均皮肤温度，单位为℃，具体值根据测点的测试结果和相应的权重因子计算得到。本实验选用美国BIOPAC公司MP150型16通道生理信号记录分析系统测试人体的皮肤温度，如图3.5所示，测试精度为0.1℃。对皮肤温度进行测试时，首先在待测部位涂抹少量的导电膏，然后利用透气性医用胶将铜—康铜热电偶紧贴在皮肤表面待测部位，并确保实验过程中热电偶与人体皮肤表面接触良好。实验26 3实验方案过程中，其皮肤温度的数据采集同样选取10s采集一次数据，便于同环境参数进行一一对照。图3.4皮肤温度测点位置：（1）额头；（2）胸；（3）背；（4）左上臂；（5）右上臂；（6）左小臂；（7）右小臂；（8）左手背；（9）右手背；（10）左大腿；（11）右大腿；（12）左小腿；（13）右小腿Figure3.4Measuringsitesofskintemperature：（1）forehead;（2）chest;（3）back;（4）leftupperarm;（5）rightupperarm;（6）leftforearm;（7）rightforearm;（8）lefthand;（9）righthand;（10）leftthigh;（11）rightthigh;（12）leftcalf;（13）rightcalf图3.5皮肤温度多导生理测试仪Figure3.5Skintemperatureinstrument27 重庆大学硕士学位论文3.4实验工况本次实验共设计3个工况，分别涵盖了偏冷环境、偏热环境与中性环境之间的相互转变，偏冷环境的设置一方面是为了初步探索温度渐变环境下人体的热反应规律，另一方面则主要是为了研究在稍微凉爽的环境下人员的工作效率是否最高。根据前人的研究可知，温度变化率过快或者过慢都不是理想的温度渐变环境，本文参考已有的研究结果，在偏热环境设置了两种温度变化速率，力求找到最佳的温度变化率。每个工况包括恒温阶段和温度渐变阶段，室内相对湿度控制在60%左右，保证温度为环境参数的唯一变量，从而提高实验的精确性。实验室背景气流控制在0.1m/s以下，以避免空气流动对受试者的影响。为保证实验数据的真实性和准确性，在参加实验前要求所有受试者具有良好的睡眠，未喝含有酒精的饮料，确保在实验期间身体状况良好，并都穿着统一购置服装（短袖T恤、轻便裤子、[55]鞋，根据《民用建筑室内热湿环境评价标准》计算得服装热阻约为0.28clo），独立完成所有设计工况的测试。实验设计工况的详细信息见表3.2。表3.2实验设计工况Table3.2Settingconditionsofexperiences温度变化率实验时间设计工况温度范围(℃)相对湿度(%)热感觉范围(℃/min)（min）22-2660偏凉-中性0.170126-2260中性-偏凉0.17026-3060中性-偏热0.170230-2660偏热-中性0.17026-3260中性-热0.260332-2660热-中性0.2603.5实验问卷设计在各实验过程中，均采用了调查问卷的形式对人体的主观热反应进行了考察，调查问卷主要涉及人体即时的热感觉、热舒适和热期望等问题，同时通过心算乘法的方式对受试者的工作效率进行考量。①主观心理感受目前，热感觉投票（ThermalSensationVotes，TSV）标尺普遍选用ASHRAE[45]推荐的7级分度标尺，主要侧重于对冷热感觉的考量。考虑到该标尺引自国外，在直译过程中受试人员可能产生的理解性错误，根据我国的语言文化背景和夏季人们感受的理解，本文将标尺中的“warm（TSV=2）”译为“热”，“hot（TSV=3）”28 3实验方案译为“很热”，并且在备注中对标尺进行了进一步解释，即标尺中-1、0、1表示人体的热感觉处于可接受的范围，而选择其他的刻度则表示人体感到热不满意或冷不满意，同时在实验前给予受试者相应的解释，以便该问卷更能体现中国人的特点。而热舒适投票采用0至4的5级标尺，主要是考查受试者在周围环境温度渐变下的舒适状况，从而可以从另一角度更深入了解人们对环境温度渐变的评价情况。通过受试者对此时温度的判断，采用“您期望此刻的温度升高、不变、降低”三级标尺对热期望进行考量。以上所有主观热反应的考核标尺如表3.3所示。由于热感觉标尺是唯一在国际标准中认证且被广泛应用的标尺，本文在研究过程中主要对人体热感觉投票进行了分析，以人体的热感觉情况表征人体的主观热反应。表3.3主观调查问卷标尺Table3.3Thescaleinthequestionnaire标尺43210-1-2-3热感觉很热热有点热中性微凉凉冷热舒适难以忍受很不舒适不舒适稍不舒适舒适热期望升高不变降低②工作效率表3.4工作效率测试Table3.4thetestofproductivity实验工况计算题目537×6=955×7=925×8=438×9=797×6=369×4=698×5=582×6=823×6=786×7=22℃→26℃959×6=279×4=718×9=637×8=758×6=887×4=745×8=747×7=975×5=684×4=工作效率的考量主要针对的是办公任务，目前最常用的考量方法是打字任务、图片记忆和数字运算等，考虑到办公任务需要考察受试者的思维能力，同时综合受试者的教育水平，本文特选取三位数与个位数的心算乘法来考察工作效率，计算题目由MATLAB程序随机生成，总共20道题，两分钟内完成，最后统计受试者的完成数目和正确数目，从而更加有效地考察工作效率。实验开始前每个受试者会进行一次相关测试的培训，以便受试者能够适应本次实验的测试方法，同时29 重庆大学硕士学位论文为了防止受试者形成思维惯性，每次实验所测试的题目均不相同。为了尽可能真实地考察受试者的工作效率，会根据受试者的完成情况给予不同程度的奖励，这一点也会提前进行告知。鉴于实验总共所用的测试问卷太多，这里只选取一种实验工况（22→26℃升温工况）的测试问卷进行说明，具体问卷形式如表3.4所示。3.6实验步骤及方法实验过程分为实验前的适应准备阶段和正式实验阶段，均在人工气候室完成，具体实验流程如图3.6所示。受试者首先在人工气候室按要求换上实验服装，然后静坐30min，适应阶段的温度设定为各工况的起始温度，保证受试者在实验开始前有相同的热经历。在此过程中，实验人员按照要求给受试者贴附热电偶测试仪，并且对实验问卷进行必要的讲解。30min过后，此时受试者皮肤温度基本趋于稳定，开始正式实验。实验期的温度控制参数根据实验设计工况随机安排。实验进行过程中要随时观察受试者的热感觉、热期望及生理参数随着实验暴露时间的变化情况，同时在实验的中间阶段考察受试者的工作效率。正式实验阶段的具体流程如下：当实验工况的温度变化率为0.1℃/min时，其恒温段时长为30min，每隔5min进行一次投票，变温段时长为40min，每隔4min进行一次投票，工作效率的考察在实验期的第50min进行，整个实验历时70min；当实验工况的温度变化率为0.2℃/min时，其恒温段的时长及投票和前者相同，变温段的时长则为30min，每隔3min进行一次投票，工作效率的考察在实验期的第45min进行，整个实验历时60min。为保证实验的准确性，要求每个工况下的环境参数、生理参数及问卷调查的主观热反应参数测试均在同一时间记录，整个实验过程中，受试者静坐并保持安静，允许进行看书、写作业等一些轻体力活动。图3.6实验流程图Fig.3.6Experimentalprocess30 3实验方案实验工况的安排顺序按照22℃～26℃、26℃～30℃、26℃～30℃进行，每个工况全部测试完毕后再进行下一个工况，每个工况的升温过程均安排在上午进行，降温过程均安排在下午进行，保证实验过程的统一性，最大程度上减少外界环境的影响。3.7本章小结本章介绍了针对温度渐变环境考察人体热舒适及工作效率的实验设计与方法。首先简要介绍了实验目的，接着详细介绍了实验环境、测量仪器、测试参数等实验所必须的前提条件，然后对工况设计、实验方法以及主观调查问卷设计等实验所必须的准备要素进行了详细说明，另外还对实验过程中工作效率的考察方法进行相应的介绍，最后又详细介绍了整个实验的流程及注意事项。31 重庆大学硕士学位论文32 4实验结果与分析4实验结果与分析针对温度渐变的动态热环境下人体热舒适的研究，大部分学者都选择在人工气候室里进行实验，通过在气候室中营造不同的温度变化范围、不同的温度变化速率来实现温度渐变环境的多样化。因此，本文根据夏季温度渐变的情况，结合实验本身操作，分别选定1个偏冷环境（22℃）和两个偏热环境（30℃、32℃）向中性环境（26℃）过渡进行温度渐变实验，从而综合分析不同的温度变化范围和变化速率下人体的热反应特征。工作效率的考察则以中性环境（26℃）的人员工作效率为基准，同时考察各个工况下变温段的人员工作效率，对比分析室内温度对人员工作效率的影响。首先对恒温段受试者实验中所有热感觉投票结果进行组内各工况下的多重比较分析，即检验每组各工况下每次投票间的差异，若在某次投票以后，各次投票间都无显著差异，则表示该次热感觉投票之后热感觉达到稳定，而该次投票所对应的实验暴露时间为热感觉稳定时间。检验结果表明，在恒温段时间内各工况下受试者的热感觉都能达到稳定状态，即所有受试者在变温段的起始阶段都具有稳定的热感觉，达到实验要求。为了增强实验数据的针对性和减少运算强度，对受试者数据都取变温段的投票数据进行对比分析。在实验数据处理过程中，对于明显违背常理的数据进行剔除，保证实验数据的有效性。4.1实验背景资料4.1.1受试者基本信息所有受试者均来自在校大学生，身体健康，无不良嗜好，男女比例为1：1，年龄均在23～27岁之间。由于气候条件和建筑条件也可能会影响受试者以往的热经历，从而对实验造成干扰，为避免这些因素对实验的影响，要求所有受试者均在重庆本地招募，并且在重庆居住一年以上，从而消除来自不同地域气候区的差异，并且都已基本适应重庆地区气候。根据以上要求共招募受试者16名，男女各8名，受试者在参加实验前要注意以下事项：1）受试者在实验前一天需保持良好的睡眠，避免剧烈的运动和情绪波动，确保测试期间身体和精神状况良好。2）准时到达实验室，至少提前1小时用餐，避免空腹，实验正式开始前提前上卫生间，实验过程中不能离开实验室。3）实验过程中可以进行阅读等简单任务，但是请避免实验时身体的大幅度运动。33 重庆大学硕士学位论文本次实验选择在夏季进行，共测试96人次，每个受试者均进行6次，受试者基本信息如表4.1所示。表4.1受试者信息Table4.1Informationofsubjects类别人数/个年龄/岁身高/cm体重/kg脂肪率/%男825±2172±560.9±3.913.7±1.6女824±1165±848.2±4.120.1±2.5注：表中数据表示为平均值±标准差Note:thevalueswereshownasmean±std4.1.2环境参数统计本次实验利用人工气候室营造所需的室内环境，实验中房间的环境湿度均控制在60%左右，风速控制在0.1m/s以下。具体实验工况的环境参数统计见表4.2。表4.2室内热环境参数实测值Table4.2Measuredenvironmentparametersintheclimatechambers实验工况Ta起始温度终止温度温度变化率相对湿度RH编号(℃)(℃)(℃)(℃/min)（%）22-2622.1±0.125.9±0.10.09±0.0158.4±3.8126-2226.2±0.122.0±0.20.1±0.0157.6±4.526-3026.1±0.129.9±0.20.09±0.0157.1±3.5230-2629.9±0.226.0±0.10.09±0.0159.3±3.726-3226.0±0.132.1±0.20.21±0.0160.2±2.1332-2631.9±0.126.0±0.10.2±0.0159.7±1.3注：表中数据表示为平均值±标准差Note:thevalueswereshownasmean±std表中Ta表示室内环境温度，RH表示室内空气相对湿度。从表中可以看出，每个工况下，起始、终止温度波动均不大，并且温度变化速率较为相似，控制较为精确，符合实验环境的控制要求。4.2偏冷环境实验结果与分析4.2.1主观热反应①热感觉34 4实验结果与分析将各个工况同一温度下所有受试者热感觉投票取算术平均，获得变温阶段整体热感觉随温度的变化趋势，如图4.1所示。从图4.1中可以看出，在偏冷环境下，无论是升温过程还是降温过程，受试者的热感觉（TS）与空气温度均存在较好的线性关系，并且两者的线性关系也较为相似。以热感觉为0时的空气温度为中性温度，升温过程的中性温度为25.4℃，降温过程的中性温度为25.6℃，两者之间没有明显差异；若以热感觉投票值-0.5作为下限，分别求出升温过程和降温过程的舒适区的下限值，升温过程为24.1℃，降温过程为24.3℃，两者之间也没有明显差异。图4.1偏冷环境下空气温度与热感觉的关系Fig.4.1TherelationshipbetweenTaandTSduringcoolenvironment通过对两组数据进行非参数检验，可以得出受试者的热感觉分布没有显著差异。（P=0.922，若P﹤0.05，表示两者之间有显著差异；若P﹥0.05，表示两者之间无显著差异）。根据以上分析，升温过程和降温过程中，受试者的热感觉与室内空气温度均存在良好的线性关系，并且两组数据的分布没有显著差异，因此可以对上述两组数据整体进行线性拟合，结果如图4.2所示。2从图4.2中可以看出，该线性拟合的相关系数R达到0.96，很好地表示出了空气温度与热感觉的线性关系，并且受试者的热感觉都包含在置信度为95%的预测区间内，因此可以得出当温度变化率为0.1℃/min时，偏冷环境下空气温度与热感觉的线性关系式(Y表示热感觉，X表示空气温度)：Y=0.38X-9.69（22≦X≦26）（4.1）35 重庆大学硕士学位论文图4.2偏冷环境下热感觉与空气温度的拟合曲线Fig.4.2LinearregressionanalyseswithTSandTaduringcoolenvironment②热舒适度将各个工况同一温度下所有受试者热舒适度投票取算术平均，获得变温阶段整体热舒适度（TC）随温度的变化情况，如图4.3所示。图4.3偏冷环境下空气温度与舒适度的关系Fig.4.3TherelationshipbetweenTaandTCduringcoolenvironment从图4.3中可以看出，在偏冷环境下，升温过程中受试者的舒适度与空气温度存在较好的线性关系，受试者的不舒适感随着温度的升高逐渐降低，而在降温过36 4实验结果与分析程中，受试者的不舒适感随温度的降低起初略有降低，然后不舒适感开始逐渐增大，而当空气温度降低到23.2℃时，变化趋势突然增大，升温过程和降温过程受试者的舒适度投票值存在较大差异。对同一温度下两者投票进行差值比较（升温过程—降温过程），结果如图4.4所示。从图4.4中可以看出，除了22℃、25.6℃、26℃温度时刻外，其余时刻升温过程的不舒适感都大于降温过程，可见在变温阶段前的热经历过程对受试者的舒适度造成一定的影响。升温过程起初受试者处于不舒适状态，之后随着温度的升高，不舒适感逐渐降低，因此整个过程中受试者的投票值都较大，最终到达中性环境，才恢复舒适状态。而在降温过程开始时，受试者处于舒适状态，由于人体具有一定的热适应性，在降温开始阶段受试者的主观舒适感对温度的降低并不十分敏感，因此其投票值在开始阶段一直保持在较低的水平，然而随着温度的继续降低，受试者的不舒适感逐渐增强，后期的不舒适感和前期的舒适感形成强烈的对比，这种对比对受试者的主观感受带来很大的影响，进一步加大了受试者的主观不舒适感，因此在降温后期受试者的不舒适感急剧增大，甚至超过了升温过程。图4.4偏冷环境下舒适度差值Fig.4.4DifferenceofTCduringcoolenvironment④热期望将各个工况同一温度下所有受试者热期望（TE）投票进行概率计算，获得变温阶段热期望随温度的变化幅度，如图4.5、4.6所示。37 重庆大学硕士学位论文图4.5、4.6分别表示在偏冷环境下升温过程和降温过程中受试者的热期望投票值分布图，从图中可以看出，受试者期望温度升高的比率随室内空气温度的升高而逐渐减少，而期望温度不变的概率则随空气温度的升高而逐渐增大。并且，随着空气温度的升高，受试者热期望的分布差异有逐渐缩小的趋势。升高不变降低100%热80%期望60%投票40%比20%例0%2222.823.624.425.226空气温度/℃图4.5升温过程热期望分布Fig.4.5ThedistributionofTEduringheatingprocess升高不变降低100%热80%期望60%投票40%比20%例0%2222.823.624.425.226空气温度/℃图4.6降温过程热期望分布Fig.4.6ThedistributionofTEduringcoolingprocess38 4实验结果与分析通过检验发现，在25.2℃、25.6℃、26℃三个空气温度时刻下，受试者的热期望分布不存在显著差异（P值分别为0.1、0.16、0.75），其他温度情况下均出现显著差异（P<0.05）。而从热感觉投票结果可知，不存在差异的温度都出现在舒适温度范围内，这表明在热舒适的温度范围内热期望与空气温度的变化无关，而在舒适温度范围之外热期望与空气温度的变化有关，即与人体当前的热经历有关。在升温过程中，由于受试者在偏冷环境中已经忍受了一段时间，其不舒适感一直处于较为强烈的状态，因此在该阶段受试者期望温度升高的比例更为迫切，随着温度逐渐升高，受试者不舒适感降低，其对温度的期望值也逐渐恢复正常。故升温过程和降温过程受试者的期望值在舒适区内无明显差异，而在舒适区外存在显著差异。4.2.2客观生理反应对受试者客观生理反应的测试主要针对的是其皮肤温度，根据测试数据，通过计算得到受试者的平均皮肤温度，具体结果如图4.7所示。图4.7偏冷环境下皮肤温度与空气温度的关系Fig.4.7TherelationshipbetweenTskinandTaduringcoolenvironment图4.7为偏冷环境下升温和降温过程中受试者平均皮肤温度的比较，可以发现降温过程的皮肤温度要大于升温过程，并且在两个过程中受试者的平均皮肤温度都随时间线性变化，升温过程的皮肤温度变化率为0.011℃/min，降温过程的皮肤温度变化率为0.025℃/min，降温过程的变化幅度要大于升温过程。该结果表明，虽然人体的主观热感觉没有受到温度变化方向的影响，但是其客观生理反应却受39 重庆大学硕士学位论文到温度变化方向的显著影响，并且人体的热经历也对生理反应产生显著影响，人体的生理反应对降温过程的敏感性要远远大于升温过程。为了进一步分析温度渐变环境下人体客观生理反应的变化规律，对升温过程和降温过程同一空气温度下的平均皮肤温度进行差值分析（降温过程—升温过程），结果如图4.8所示。从图4.8中可以看出，在偏冷环境中平均皮肤温度的差值最大值出现在26℃一侧，最大值为1.1℃，最小值出现在22℃一侧，最小值为0.5℃。图4.8中平均皮肤温度差值分布大致反应出这样的趋势，即平均皮肤温度越大，其差值就越大。这一点进一步验证了人体的生理反应在降温过程中更加敏感，由于两个过程中受试者初始皮肤温度存在较大差距，同时降温过程皮肤温度减小的速率要大于升温过程皮肤温度增大的速率，按照这种趋势，随着空气温度的由高到低这种差距就会逐渐减小，因而平均皮肤温度差值最大值在26℃一侧，最小值在22℃一侧。图4.8偏冷环境下平均皮肤温度差值Fig.4.8DifferenceofTskinduringcoldenvironment4.3偏热环境实验结果与分析4.3.1主观热反应①热感觉将偏热环境下两种工况同一时刻下所有受试者热感觉投票值分别取算术平均，获得变温阶段整体热感觉随温度的变化曲线，如图4.9所示。40 4实验结果与分析图4.9偏热环境下空气温度和热感觉之间的关系Fig.4.9TherelationshipbetweenTaandTSduringhotenvironment图4.10偏热环境下热感觉与空气温度的拟合曲线Fig.4.10LinearregressionanalyseswithTSandTaduringhotenvironment从图4.9中可以看出，在偏热环境下，无论是升温过程还是降温过程，受试者的热感觉（TS）同样与室内空气温度存在较好的线性关系，并且随着温度变化速率的增大，其热感觉投票值也有一定程度的增大。当温度变化速率为0.1℃/min时，其升温、降温过程的中性温度分别27℃、27.3℃，两者之间没有明显差别；以热感觉投票值0.5作为上限，分别可得到升温41 重庆大学硕士学位论文过程和降温过程舒适区的下限值为28.4℃、28.5℃，两者舒适区的上限值也没有明显差异。当温度变化速率为0.2℃/min时，其升温、降温过程的中性温度均为26.3℃，与稳态环境下的中性温度没有明显差异，而其升温、过程的舒适区上限值分别为27.6℃、27.5℃，两者同样没有明显差异。通过对实验结果分析可得，偏热环境下的升温和降温过程中，受试者热感觉没有明显差异。分别对两组温度变化速率下的数据进行非参数检验，可以得出受试者的热感觉分布没有显著差异。（P值分别为0.813、0.856，若P﹤0.05，表示两者之间有显著差异；若P﹥0.05，表示两者之间无显著差异），因此可以对上述两组数据整体进行线性拟合，结果如图4.10所示。2从图4.10中可以看出，该线性拟合的相关系数R均为0.95，很好地表示出了空气温度与热感觉的线性关系，并且受试者的热感觉都包含在置信度为95%的预测区间内，因此分别可以得出当空气温度变化率为0.1℃/min、0.2℃/min时，偏热环境下空气温度与热感觉的线性关系式(Y表示热感觉，X表示空气温度)：ΔTa为0.1℃/min时，Y=0.39X-10.47（26≦X≦30）（4.2）ΔTa为0.2℃/min时，Y=0.42X-11.08（26≦X≦32）（4.3）图4.11偏热环境下空气温度与舒适度的关系Fig.4.11TherelationshipbetweenTaandTCduringhotenvironment②热舒适度将偏热环境中两种工况同一温度下所有受试者热舒适度投票值分别取算术平均，获得变温阶段热舒适度随温度的变化趋势，如图4.11所示。从图4.11中可以看出，无论温度变化速率是0.1℃/min还是0.2℃/min，两者升温过程和降温过程的42 4实验结果与分析舒适度投票都表现出相同的趋势。在升温过程中，起初舒适度投票都保持在较低的水平，然后当空气温度超过28℃后投票值开始增大，其变化幅度也开始增大，表明此时不舒适感在急剧增大；在降温过程中，受试者舒适度投票值则是逐渐降低，并且与空气温度存在一定的线性关系，变化趋势相对稳定，表明在该过程中受试者的不舒适感是在逐渐减小。在温度变化速率为0.2℃/min的工况下，不论是升温过程还是降温过程，当空气温度在30～32℃范围内，受试者的不舒适感明显加剧，其随空气温度的变化幅度也明显增大，这是由于此时的空气温度已经超出舒适区的范围，受试者的不舒适感比较强烈，故其变化幅度较大。分别对两种工况下的升温过程和降温过程舒适度进行差值分析（升温过程—降温过程），结果如图4.12所示。从图4.12可以看出，在偏热环境下，尽管空气温度变化速率不同，但是两种工况的舒适度差值却呈现出相同的趋势，即升温过程的舒适度投票值均小于降温过程，并且温度靠近26℃的时候差值较小，温度增大的时候差值较大。该结果表明，在偏热环境下降温过程受试者的不舒适感要普遍超过升温过程，受试者的舒适度受到之前热经历的影响。升温过程受试者之前的热经历为中性环境，降温过程受试者之前的热经历为偏热环境，受试者在中性环境的不舒适感明显低于偏热环境，人体在偏热环境中不舒适感的积累需要温度的降低来逐渐抵消，因而呈现出了降温过程的不舒适感要大于升温过程的现象，并且随着温度的降低不舒适感积累对人体的影响也随之减小，当温度降低到26℃后舒适度差值基本可以忽略。与偏冷环境不同的是，在偏热环境下升温过程的不舒适感最终时刻不仅没有超过降温过程的初始时刻，反而要远远低于降温过程，这表明人体对热环境的敏感性要低于冷环境，在偏热环境下人体更多地受到之前热经历的影响，此时人体的热适应性占主导地位。a.ΔTa=0.1℃/min,43 重庆大学硕士学位论文b.ΔTa=0.2℃/min图4.12偏热环境下舒适度差值Fig.4.12DifferenceofTCduringhotenvironment③热期望将两种工况同一温度下所有受试者热期望（TE）投票进行概率计算，获得变温阶段热期望随温度的变化幅度，如图4.13、4.14所示。升高不变降低升高不变降低100%100%热热80%80%期期望60%望60%投投40%40%票票比20%比20%例例0%0%2626.827.628.429.2302626.827.628.429.230空气温度（℃）空气温度（℃）a.升温过程（heatingprocess）b.降温过程(coolingprocess)图4.13ΔTa=0.1℃/min时,偏热环境下热期望分布Fig.4.13ThedistributionofTEduringhotenvironmentwhenΔTais0.1℃/min44 4实验结果与分析升高不变降低升高不变降低100%100%热热80%80%期期望60%望60%投投40%40%票票比20%比20%例例0%0%2627.228.429.630.8322627.228.429.630.832空气温度（℃）空气温度（℃）a.升温过程（heatingprocess）b.降温过程(coolingprocess)图4.14ΔTa=0.2℃/min时,偏热环境下热期望分布Fig.4.14ThedistributionofTEduringhotenvironmentwhenΔTais0.2℃/min从图4.13、4.14可以看出，在偏热环境下两种工况的热期望投票同样呈现出相同的趋势，在温度偏低时，期望温度不变的比例较高，期望温度降低的比例较低，而在温度较高时期望温度不变的比例较小，期望温度降低的比例则较大，这符合人们对热环境主观感受的规律。另外，从上述两图中还可以看出，在降温过程中期望温度降低的比例都大于升温过程，这表明热期望也受到之前热经历的影响。降温过程中人体在偏热环境的热经历导致体内产生一定量的蓄热，而这部分蓄热增加了人体的不舒适感，为了达到舒适状态，受试者要求温度降低的期望更加迫切，而随着温度的降低，体内的蓄热也逐渐减少，对热环境的期望也逐渐趋于正常。4.3.2客观生理反应对受试者在偏热环境下的皮肤温度进行测试，根据测试结果，通过计算得到受试者的平均皮肤温度，具体结果如图4.15所示。图4.15为偏热环境下不同空气温度变化速率过程中受试者平均皮肤温度的变化规律，从中可以看出，在不同空气温度变化速率过程中，受试者的平均皮肤温度变化趋势相似，都随时间线性变化，并且降温过程的皮肤温度要普遍大于升温过程。当△Ta为0.1℃/min时，升温过程的皮肤温度变化率为0.018℃/min，降温过程为0.02℃/min；当△Ta为0.2℃/min时，升温过程的皮肤温度变化率为0.029℃/min，降温过程为0.03℃/min.。在同一空气温度变化速率下，人体的皮肤温度变化率在升温过程和降温过程没有明显差异，而在不同的空气温度变化速率下，人体的皮肤温度变化率却产生了明显的区别，△Ta越大，皮肤温度变化率就越大。该结果表明，在偏热环境下，受试者的热经历以及空气温度变化速率对其生理反应45 重庆大学硕士学位论文产生一定影响，但是温度变化方向却没有对其生理反应产生显著影响，在偏热环境下人体生理反应对升温和降温的敏感性降低。图4.15偏热环境下空气温度与皮肤温度的关系Fig.4.15RelationshipbetweenTaandTskinduringhotenvironment同样对偏热环境同一温度下受试者的平均皮肤温度进行差值比较（降温过程—升温过程），结果如图4.16所示。从图4.16中可以看出，在偏热环境下平均皮肤温度的差值总体上呈现出了随温度的升高先增大后减小的趋势，最大值分别为0.65℃、0.8℃，最小值分别为0.4℃、0.5℃，整个过程中差值变化幅度不是很大，这也说明在偏热环境下人体生理反应敏感性降低，皮肤温度的差值变化幅度相对稳定。a.ΔTa=0.1℃/min46 4实验结果与分析b.ΔTa=0.2℃/min图4.16偏热环境下平均皮肤温度差值Fig.4.16DifferenceofTskinduringhotenvironment4.4工作效率实验结果与分析为了更加准确地体现出受试者实际的工作效率，分别对受试者的完成数目和正确数目进行统计分析，结果如图4.17、图4.18所示。图4.17受试者完成数目Fig.4.17Completednumberofthesubject47 重庆大学硕士学位论文图4.18受试者正确数目Fig.4.18Correctnumberofthesubject由图4.17、图4.18可得，不论是完成数目还是正确数目，稳态工况与温度渐变工况均出现显著差异（P值均小于0.05），受试者的工作效率在温度渐变工况下较稳态工况有显著提高，完成数目的提高幅度在5%～17%之间，正确数目的提高幅度在8%～25%之间。工作效率最高的工况出现在偏冷环境下的降温过程，这也表明适当的冷刺激能够提高人员的工作效率。另外还可以发现，温度变化方向也对受试者的工作效率产生一定的影响，相比于从不舒适状态向舒适状态的变化（偏冷环境表现为升温过程，偏热环境表现为降温过程），从舒适状态向不舒适状态的变化过程中（偏冷环境表现为降温过程，偏热环境表现为升温过程）受试者的完成数目和正确数目也有不同程度的增加，受试者的工作效率受到其热经历的影响。4.5讨论与分析4.5.1温度渐变下人体主观热反应的规律分析在偏热环境和偏冷环境的温度渐变过程中，无论是升温过程还是降温过程，受试者的热感觉投票没有明显差异，没有受到温度变化方向的显著影响。并且，人体热感觉与空气温度存在良好的线性关系，其线性关系也较为相似，偏热环境下随着温度变化速率的增大，人体热感觉也有增大的趋势。造成这一结果的原因主要是由于温度渐变过程中室内空气温度变化的速率较为缓慢，人体感受到的是连续而缓慢的冷热刺激，从而产生相应的热适应性，短暂时间内人体热感觉会达到一个稳定过程，不会出现显著波动，对人体来说，整个温度渐变过程就是由这些连续的稳定过程组成，因而其热感觉的变化规律就与稳态环境较为相似。在稳48 4实验结果与分析态环境下，无论是偏热环境还是偏冷环境，人体热感觉都与室内温度存在一致的[5]线性关系，并且在严格控制湿度、风速以及受试者活动水平、服装热阻的情况下，室内温度是影响热感觉差异的主要因素。根据稳态环境下人体热感觉的变化规律可知，在温度渐变过程中，人体热感觉与室内温度存在相似的线性关系，温度变化方向对人体热感觉没有产生显著影响，室内温度是影响热感觉差异的主要因素，同时温度变化速率的作用不能忽略，温度变化速率越大，人体感受到的热冲击强度就越大，相对稳定过程的时间就越短，削弱了人体的热适应性，在一定程度上增加人体的不舒适感，因而在偏热环境下较大的温度变化速率会造成受试者热感觉投票值偏大。另外，在稳态环境下Fanger的PMV模型能够很好地预测人体热感觉，是稳态环境下预测人体热感觉的经典模型，本文也尝试利用PMV模型对温度渐变环境下人体的热感觉进行预测，同时与受试者实际热感觉投票值（TSV）进行对比，结果如图4.19、4.20所示。图4.19偏冷环境下TSV与PMV的对比Fig.4.19DifferencebetweenTSVandPMVduringcoldenvironment从图4.19、4.20可以看出，在温度渐变的动态热环境下，偏冷环境中受试者热感觉投票值要普遍高于PMV模型预测值，在偏热环境中PMV模型预测值要大于受试者实际投票值。之所以出现这种不一致的现象可能存在以下两方面原因：①环境参数不一致。稳态环境下，PMV模型输入的空气温度和辐射温度均处于稳定状态，不会存在变化，而在温度渐变的环境下，空气温度和辐射温度都处在变化状态，并且两49 重庆大学硕士学位论文者的变化速率也存在差异，辐射温度的响应速率要小于空气温度，因此造成了实际输入PMV模型的环境参数与稳态环境并不对应，从而导致预测效果与实测数据不一致。图4.20偏热环境下TSV与PMV的对比Fig.4.20DifferencebetweenTSVandPMVduringhotenvironment②人体的热适应性。PMV模型仅仅是从环境参数方面对人体热感觉进行预测，在稳态环境下人体的热适应性作用较弱，因而模型能够准确预测人体热感觉。而在温度渐变的环境下，人体的热适应性开始发挥作用，会随着环境参数的变化对人体的热感觉施加一定的影响，从而与稳态环境下的热感觉存在差别。上述结果表明，PMV模型虽然能够准确地预测稳态环境下人体热感觉，但是其在温度渐变的动态热环境下的适用性还存在一定的误差，需要根据实际情况对其进行修正。4.5.2温度渐变下人体生理反应的规律分析人体存在体温自动调节机制，从而在环境温度发生变化的情况下能够保持体温的相对恒定。当人体处于冷环境时，体温调节中枢会指示皮下血管收缩来减少皮肤表层的血流量，皮肤温度随之降低，从而减少人体的辐射和对流换热；当人体处于热环境时，体温调节中枢会指示皮下血管扩张来增加皮肤表层的血流量，皮肤温度随之升高，从而增加人体的辐射和对流换热。而当环境温度较高时，人体体温调节系统已不能维持人体核心温度稳定，就会自动通过人体表面汗液的分[66]泌和蒸发等方式增加散热量，维持人体热平衡。50 4实验结果与分析从前面的结果分析可以看出，在温度渐变的环境下降温过程的平均皮肤温度要普遍高于升温过程，人体平均皮肤温度受到热经历的显著影响。这是由于在降温过程的适应期，人体处于一个相对较热的环境中，体内蓄热量大于零。由于人体存在一定的热适应性和热惰性，这部分蓄热量没有对人体热感觉产生影响，但是人体皮肤温度对蓄热量的反应较为灵敏，这部分蓄热量会造成人体皮肤温度的显著升高，因而导致升温过程的皮肤温度大于降温过程的皮肤温度，造成了相同的环境温度下，人体平均皮肤温度出现差异。另外从实验结果还可以看出，在偏冷环境下降温过程皮肤温度变化率要大于升温过程，而在偏热环境下两者却没有显著差别，并且△Ta越大，皮肤温度变化率就越大。这是因为人体通过皮肤表面的冷热感受器来感受环境的冷热刺激，而冷感受器的数量要远远大于热感觉器的数量，造成人体对冷刺激更加敏感，体温调节机制反应也更加迅速。由于人体对冷刺激的敏感性，偏冷环境下的降温过程等于是冷刺激的双重作用，因此其皮肤温度变化率要大于升温过程。而在偏热环境下，人体对冷热刺激的敏感性降低，因而其升温和降温过程的皮肤温度变化率没有明显差异。但是，随着空气温度变化速率的不同，人体感受到的冷热刺激存在差异，而皮肤温度又直接受到冷热刺激的影响，冷热刺激变化的快慢决定了皮肤温度变化的快慢，因而空气温度变化速率越大，皮肤温度变化率就越大。4.5.3热感觉与皮肤温度之间的关系分析皮肤温度（Tskin）是反应外界热环境对人体影响的重要生理指标，人体体温调节的紧张度同时反应在体内核心温度和体表皮肤温度的变化上，而体表与外界环境接触紧密，皮肤温度变化幅度也较大，其可在15～42℃范围内波动，体表任何一点的皮肤温度是由核心至该处的热流与该处皮肤至环境的散热之间的局部平衡条件所决定的。当机体与环境进行热交换时，体表温度起着重要作用，并且皮肤温度能综合反映人体的冷热感和舒适感，以及环境温度的舒适范围，故可作为人[67]体评价热环境的重要生理指标。目前，对于稳态环境下热感觉与皮肤温度之间的关系已经有大量学者进行研[68][69]究，Gagge和张宇峰分别得到了稳态环境下两者的对应关系，结果如图4.21所示。从图4.21可以看出，在29～33℃范围内两人的研究结果一致，热感觉与皮肤温度呈现出较好的线性关系，然而当皮肤温度超过33℃后，Gagge的研究结果表明两者之间呈指数函数关系，而张宇峰的实验结果则明显偏低，但热感觉与皮肤温度仍然呈近似线性关系，而当皮肤温度在34.2℃以上范围时变化斜率陡增，近似呈指数大于1的指数函数关系，此时两人的实验结果又逐渐靠近。51 重庆大学硕士学位论文2张宇峰1.5Gagge10.50热感觉-0.5-1-1.5-230.53131.53232.53333.53434.535平均皮肤温度/℃图4.21稳态环境下热感觉投票与皮肤温度的关系Fig.4.21RelationshipbetweenTSandTskinduringsteadyenvironment从上述研究结果来看，稳态环境下皮肤温度与热感觉存在一一对应的关系，可以认为，在稳态环境中平均皮肤温度可以作为预测人体热感觉的重要指标，其作为客观生理评价指标能够合理、有效地评价人体热感觉。然而，在动态环境特别是温度渐变的动态热环境下皮肤温度还能否有效地对人体热感觉进行评价，这个问题就需要进一步的分析。图4.22偏冷环境下热感觉投票与皮肤温度的关系Fig.4.22RelationshipbetweenTSandTskinduringcoldenvironment52 4实验结果与分析图4.23偏热环境下热感觉投票与皮肤温度的关系Fig.4.23RelationshipbetweenTSandTskinduringhotenvironment本文针对温度渐变的动态热环境下人体热感觉与皮肤温度的关系进行深入分析，分别得到了偏冷环境和偏热环境下两者之间的关系，结果如图4.22、4.23所示。从图4.22、4.23可以看出在温度渐变的动态环境下，无论是偏冷环境还是偏热环境，其升温过程和降温过程热感觉与皮肤温度都存在良好的线性关系，但是线性关系却有较大的差别，同一热感觉下升温过程和降温过程的皮肤温度不同，降温过程大于升温过程，热感觉与皮肤温度不再是一一对应的关系，而这样的结果主要是由两方面的原因造成的。一是之前的热经历不同，升温过程和降温过程中受试者之前的热经历是不同的，受试者的起始皮肤温度就存在差异，虽然升温过程和降温过程的空气温度设定是一样的，但是人体的体温调节却跟不上空气温度变化的节奏，其具有一定的滞后性，造成降温过程的皮肤温度要大于升温过程；二是人体热感觉和皮肤温度对空气温度的敏感性不同，人体对外界热环境的感知相对固定，人体能够迅速对周围空气温度的变化对自身的热感觉做出判断，而皮肤温度却需要体温调节系统的作用才能对温度的变化做出相应的反应，两者的反应机制不同，造成两者之间对应关系的脱节，最终形成了升温过程和降温过程热感觉相同，皮肤温度却不相同的现象。通过以上分析，可以得出这样的结论：尽管在稳态环境下平均皮肤温度能够较为准确地预测人体热感觉，两者之间是一一对应的关系，但是在温度渐变的动53 重庆大学硕士学位论文态热环境下两者之间的对应关系脱节，不再是一一对应的关系，因而平均皮肤温度在温度渐变环境下不能够作为预测人体热感觉的有效生理指标。4.5.4室内热环境对工作效率的影响规律通过前人的研究分析可知，稳态环境中，中性偏凉的环境下人员的工作效率最高，环境温度过高或过低都会导致工作效率的下降。人体处于冷不舒适的环境中，寒冷的刺激严重影响了人体的反应速度，人体大脑的兴奋性和机体的灵活性[28]都会下降，进而对工作效率产生负面影响。而在热不舒适的环境下，一方面人员的负面情绪增加，病态建筑综合症加剧，工作热情下降；另一方面，人体呼吸末二氧化碳浓度增加，导致动脉血管中的二氧化碳浓度增加，血氧饱和度下降，供氧量不足，增加人员的疲劳感，脑部认知能力下降，从而导致人员的工作效率[29]下降。而在温度渐变的动态热环境下，热环境对工作效率的影响机制与稳态工况下相类似，只是影响程度略有差别，并且影响因素也有增加。本次试验在考察受试者的工作效率过程中，当ΔTa为0.1℃/min时，受试者热感觉均在±0.5之间，处于舒适状态，而此时由于温度变化带来的微弱而持续的冷热刺激，提高了大脑的兴奋性，使大脑处于持续活跃的状态，因此其工作效率较稳态的舒适环境显著升高；而当ΔTa为0.2℃/min时，受试者的热感觉为1.18，虽然处于热不舒适状态，但是该热环境并没有引起受试者的明显不适，同时温度的变化在一定程度上也会给受试者带来刺激，提高大脑活跃程度，因而其工作效率也要高于稳态的舒适环境，但是要低于ΔTa为0.1℃/min时的工作效率，这也说明随着空气温度变化速率的增大，不舒适感的增加也会对工作效率造成一定的影响。4.5.5室内热环境动态控制策略的探讨随着社会经济的发展和生活水平的提高，人们对室内热环境的舒适性要求越来越高，目前恒温室的控制策略已经远远不能满足人们的要求，病态建筑综合症、空调病逐年增多迫使人们去寻找更优的室内环境控制策略，根据本文的研究结果，从舒适性、减小热冲击强度、工作效率三方面考虑提出以空气温度线性变化为目的的室内环境动态空调控制策略，具体策略如下：①室内温度控制范围。根据前文对热感觉与空气温度的关系分析，以人体热感觉±0.5为上下限，分别求得偏冷环境、偏热环境下舒适区范围，偏冷环境为24.2℃，偏热环境下的最大值为28.1℃，从节能的角度看偏冷环境的下限值偏低，不利于节能，而从工作效率的角度看适当的冷刺激能够有效提高工作效率，稍微偏凉的环境工作效率最高，从这两方面综合考虑，以热感觉为0重新求得偏冷环境的舒适区范围下限值为25.5℃，这样就最终确定了室内温度的控制范围：25.5℃～28.1℃。54 4实验结果与分析②室内温度变化速率。根据前人的研究和本文的分析可知，空气温度变化速率过慢，人体难以察觉，温度渐变营造的动态环境就没有意义，空气温度变化速率过快又会增加人体的不舒适感，其优势就无法体现，因此综合考虑最终确定室内温度的变化速率控制在0.1℃/min左右。室内环境的动态控制策略还可以充分利用人体自身对热环境的调节能力，在一定程度上锻炼和提高人体的热适应能力。由此可见，合理的动态空调控制策略，符合当下人们对室内环境的需求趋势，未来发展潜力巨大，应该给予足够的重视。从实际应用的角度来说，本文所提出的动态空调控制策略只是提供了理论上的分析，具体的温度控制范围和变化速率还需要进一步的研究，本文只是给出了一些参考值，实际应用中还需要考虑控制措施的实现以及控制的精度问题。4.6本章小结本章首先分析了在夏季温度渐变的动态热环境下人体热反应的响应规律，包括主观热反应和客观生理反应，并对实验结果进行定性和定量分析，通过对偏冷环境和偏热环境下的温度渐变工况进行研究得出，在温度渐变工况下人体热感觉在升温过程和降温过程没有出现显著的差异，而热舒适度却受到温度变化方向的影响，热经历、人体蓄热以及热适应性均对人体客观生理反应尤其是皮肤温度产生一定的影响，人体客观生理反应对冷环境的反应更加敏感，空气温度变化速率也给人体热感觉和热舒适度带来不同程度的影响。另外本章还针对稳态环境和温度渐变环境下人员的工作效率进行研究分析，通过实验结果可以初步得出在温度渐变的动态热环境下人员在舒适状态下其工作效率要高于稳态环境下的舒适状态，表明来自外界的冷热刺激能够在一定程度上提高大脑活跃程度，从而提高工作效率。最后本章根据温度渐变环境下人体热反应的响应规律，同时综合人员工作效率的考察情况初步对室内热环境的动态控制策略提出探讨，为营造更加舒适、健康、高效的室内环境提供理论参考。55 重庆大学硕士学位论文56 5动态环境人体热反应模型5动态环境人体热反应模型本章主要研究适用于温度渐变的动态环境人体热反应模型，针对重庆大学热[70][71]舒适课题组杨宇博士提出的人体动态热反应预测模型——PTR(PredictedThermalResponse)进行验证性分析，该模型基于中国人群的特性建立，能够对偏热环境下人体热生理反应和热感觉进行良好的预测。本人同期参与了该模型的搭建工作，对模型的原理、流程以及相应的程序均较为熟悉，能够根据实验结果对模型的各个部分进行检验和修正，从而来验证该模型在温度渐变环境下的适用性，并且利用均值预测模型的评价方法对预测结果与实际结果进行对比分析，从而对PTR模型的预测效果进行综合评价。人体动态热反应预测模型——PTR(PredictedThermalResponse)包括三个模块：人体热生理预测模型、热感觉预测模型、均值预测模型的评价方法，能够在均匀偏热环境中预测包括人体皮肤温度和热感觉在内的人体动态热反应，并通过均值预测模型的评价方法对模型的适用性进行有效评价。该模型基于人体生理学、传热传质学、数理统计学建立，同时结合人体热暴露实验的生理和心理测试结果，将人体主观热反应和客观生理反应有效地结合起来，对人体热反应进行全方位的描述，下面是该模型的一些主要介绍。5.1人体热生理模型①模型简化该人体热生理模型不仅基于人体生理学，而且考虑从数学模型的角度研究热环境中的人体热生理反应，其首先通过物理模型将实际情况简化，该物理抽象模型需要既能简化人体复杂的结构或环境的复杂性，又能充分反映人体在热环境中热反应的主要特性。1）热环境的简化。在该模型中将热环境简化为一个以平均空气温度（Ta）、平均相对湿度（RH）、平均黑球温度（Tg）、平均空气流速（Va）四个热物理参数表征的三维均匀热环境。2)人体模型的简化。目前关于人体模型的建立已经有大量学者进行研究，其主要都是对真实的人体按照一定的方式将其抽象成一个物理模型，如Gagge的二节点模型、Stolwgk的分节段分层模型等，而该模型综合考虑各种模型的利弊，最终将人体抽象为由核心层、肌肉层、脂肪层和皮肤层四个同轴心圆筒壁构成的圆柱体，另外有中心血液分别流经各层完成通过血液的热量交换。而对于着装人体，在物理模型的叙述中，需要考虑服装的作用，具体的做法57 重庆大学硕士学位论文是在皮肤层的外侧添加服装层，整个人—服装—环境的物理抽象模型如图5.1所示。图5.1人体物理抽象模型示意Fig.5.1Physicalmodelofhumanbody②受控系统受控系统主要是在人体物理模型的基础上，描述某一状态下热量从人体内部传至周边环境的物理过程。该热量传递过程主要包括三个部分，一是人体内热量的产生；二是热量在人体内部的传递过程；三是热量从人体表面或体内向外界（包括服装、环境）的传递过程。1)人体产热。人体中的产热主要有两种方式，一是体内新陈代谢产热，二是寒冷环境下人体的骨骼肌产热。2)体内换热。人体内部热量的传递主要有两种方式。一是导热，由于人体的温度分布由内到外是逐渐降低的，这就在人体内部形成一个温度梯度，从而产生热传导过程。二是血液的对流换热作用，人体还可以通过血液循环的作用把热量从深层带到体表，从而保证人体内部热量的均衡分布。3)人体与环境换热。人体与外界环境的换热主要有以下几种方式，a.呼吸散热。人体通过呼吸产生的水蒸气与外界环境换热，由于呼出气体和吸入气体的热湿含量不同会产生一定的热量损失。b.皮肤蒸发散热。人体皮肤表面的水分通过蒸发作用将热量散失到外界环境中，其蒸发过程主要有两种，一是隐性蒸发，这是指皮肤表面的水分在没有聚集58 5动态环境人体热反应模型产生明显的水滴前就通过蒸发作用直接蒸发掉；二是显性蒸发，这是指皮肤表面由于汗腺分泌产生明显的汗液，进而蒸发散失的热量。c.服装与环境的换热。对于着装人体而言，人体会通过皮肤向服装传递热量，而服装与外界环境则会通过对流和辐射的形式进行换热，从而将人体的热量散失到外界环境中。以上受控系统中涉及到的产热、换热过程均有详细的计算公式，这里就不一一叙述，通过对受控系统各部分的简要介绍，整个模型的脉络就逐渐清晰起来，有助于理解该模型的建立过程。③控制系统控制系统是指受到体温调节作用控制的系统，其主要描述了体温调节系统在人体模型中对人体热反应的作用，主要包括以下四个方面：输入信号、血液调节、出汗调节、冷颤调节，控制系统的描述，将生理学的体温调节系统部分完美地融入到该热生理调节模型当中，进一步完善了该模型的组织架构。图5.2就是根据以上描述建立的人体热生理调节理论模型，最后通过导热微分方程、单值性条件以及数值求解就能够以数学的形式反应人体热生理调节的过程，从而模拟人体在稳态环境或非稳态环境中的热反应。图5.2人体热生理调节模型Figure5.2Schematicdiagramofthermoregulationmodelofhumanbody59 重庆大学硕士学位论文5.2人体热感觉模型前文已经对人体的热生理预测模型进行了简要介绍，而在实际的热环境暴露时，我们还要关注人体热感觉这一主观热反应的情况。针对人体热感觉的研究，目前基本上分为两类：基于热环境参数和基于生理参数，然而对于非稳态环境而言，仅仅基于热环境参数无法对人体热感觉进行准确预测，基于生理参数对热感觉的研究是从热感觉的产生原理出发，有较强的理论支持，因此该人体热感觉模型同样是从人体生理参数入手，通过生理参数实现对热感觉的准确描述。以下对本文涉及的人体热感觉模型的原理进行介绍。该人体热感觉模型基于人体生理参数对热感觉的影响进行研究，从热感觉产生的原理出发，通过平均皮肤温度和皮肤温度变化率对热感觉进行描述，建立基于生理参数的热感觉经验模型。其将热感觉分为稳态项和非稳态项，首先对稳态条件下的热感觉进行研究，建立热感觉模型的稳态项；再通过分析非稳态条件下的特殊性，寻找热感觉模型的动态项，最终建立热感觉的预测模型。该人体热感觉模型的稳态项是基于气候室实验的测试数据，通过Boltzmann回归建立稳态环境下人体平均皮肤温度与热感觉之间的关系。而热感觉的动态项则因为人体的热感觉和平均皮肤温度在非稳态过程中不存在一一对应的关系，不再选取平均皮肤温度而是选取皮肤温度变化率作为描述动态刺激的变量，建立热感觉动态项的经验模型。最终该热感觉预测模型基于人体平均皮肤温度及其变化率，通过稳态项与动态项的组合来对动态环境下人体的热感觉进行预测。5.3均值预测模型的评价方法图5.3模型评价方法流程图Fig.5.3Theprocessofevaluationmethodofpopulationbasedmodel60 5动态环境人体热反应模型目前，虽然在各学科中都存在大量的均值预测模型，但关于均值预测模型的评价方法却鲜有研究。模型效果的评价对于预测模型研究来说是必不可少的部分，于是杨宇博士对已有的模型评价方法进行了总结、并对其优缺点进行了分析，随后提出一套新的模型评价方法，用于对建立的人体生理模型和人体热感觉模型的预测效果进行验证和评价，而该方法也可通用于满足一定要求的均值模型。该评价方法的研究思路主要从验证模型的准确度以及对比模型间的准确度两方面出发，具体的步骤如图5.3所示。通过图5.3的模型评价方法流程就可以对模型的预测结果进行等级评价，具体的评价体系如表5.1所示。表5.1均值预测模型评价体系Table5.1Theevaluationsystemofthepopulationbasedmodel准确性等价术语说明Ⅰ统计上准确模型的预测在统计上足够准确Ⅱ经验上准确模型的预测在应用上足够准确Ⅲ不准确模型的准确性不能满足要求注：对于不同等级的模型：Ⅰ级模型优于Ⅱ级模型。Ⅱ级模型优于Ⅲ级模型；对于同等级的模型，预测值和样本均值的均方根误差越小，模型越优。5.4模型的输入与输出①输入参数人体动态热反应预测模型（PTR）的输入项主要包括以下三个部分：1)人体基本体征参数包括性别（sex），年龄（age），身高（Hb），体重（Wb），脂肪率（ηm,b），这些参数在实验前均已经对受试者进行测量。2)热暴露过程中的人体与热环境状态参数涉及的状态参数包括空气温度（Ta），黑球温度（Tg），相对湿度（RH），空气平均流速（Va），人体活动水平（M），服装总热阻（Icl），服装水蒸气渗透系数（icl），人体移动速度（Vw）。而在本次温度渐变的实验中，由于人体处于静坐状态，因此其活动水平取1.0met，移动速度取值为0，服装水蒸气渗透系数近似取值为0.25，其他状态参数在实验过程中均已经实时记录，保证能够得到其在热过程中的逐时量。3)初始状态条件61 重庆大学硕士学位论文该模型的初始条件选取热过程中初始时刻人体体温分布，而在温度渐变的动态热环境中，由于在温度渐变开始前受试者的热状态在稳态环境中已经达到稳定，因此在本研究中其初始时刻为室内空气温度开始变化的那一刻，在该时刻人体与热环境状态参数值可作为初始状态条件。以上三部分作为温度渐变环境下人体动态热反应预测模型的输入参数，由此作为模型的输入项，为模型的预测做好准备。②输出参数通过输入模型的必要参数，人体动态热反应预测模型能够得到以下两部分输出项：1)计算任意时刻下的人体平均皮肤温度；2)计算任意时刻下的人体热感觉分布；另外，需要注意的是人体动态热反应预测模型的输出项表示的是输入项对应下的总体均值水平，只有这样模型的结果才具有数学上的统计意义。5.5动态人体热反应模型的验证和效果评价根据以上对人体动态热反应预测模型（PTR）的介绍，同时针对温度渐变环境下的特殊性，分别对偏冷环境和偏热环境下人体热反应进行预测，由于本次实验没有考虑男女差异，因此在模型预测过程中分别对男女进行预测，最后取男性、女性预测值的平均值作为模型的最终预测值。①热生理模型在热生理模型部分中，分别输入人体的基本体征参数以及逐时记录的环境参数，就能对温度渐变环境下的人体热生理反应即平均皮肤温度进行预测，首先针对偏冷环境进行预测，同时与实测值进行对比分析，结果如图5.4所示。通过与实测数据进行对比发现，在偏冷环境下无论是升温过程还是降温过程，该模型预测得到的平均皮肤温度明显偏低，只有少部分数据落在实测值的置信区间内，不能满足模型的准确性要求。分析原因由于该模型是基于偏热环境建立，基本不涉及冷颤等寒冷环境下的产热机制，只是给出了一些模型关于冷颤产热量的经验公式，从而造成对偏冷环境下人体的产热量考虑不足。因此，在偏冷环境下，考虑从冷颤产热量方面对该模型进行修正。[72]首先分析该模型的冷颤产热项，该模型的冷颤产热项采取的是Stolwijk模块[73]和Gagge模块，其具体计算公式如下：Mshi=[-CshiErrc-Sshi(Wrms-Clds)+PshiCldcClds]/A（5.1）62 5动态环境人体热反应模型22式中，Mshi为单位体表面积的冷颤产热量（W/m），A表示人体体表面积（m），Errc表示核心层的输入信号，Wrms、Clds分别表示皮肤层的热信号和冷信号，Cshi、Sshi和Pshi为各信号的作用系数，分别代表核心层信号、皮肤层信号、核心层和皮222肤层的共同信号作用，单位分别为W/(℃·m)，W/(℃·m)和W/(℃·m)，其取值见表5.2。(a)升温过程(a)Heatingprocess(b)降温过程(b)coolingprocess图5.4偏冷环境下热生理模型模拟效果验证Fig.5.4Theevaluationofthermalregulationmodelduringcoolenvironment63 重庆大学硕士学位论文表5.2热生理模型控制系统参数Table5.2Theparametersofcontrollingsyeteminthermalregulationmodel模块CSPshiCshi=0Sshi=0Pshi=24.4(a)升温过程(a)Heatingprocess(b)降温过程(b)Coolingprocess图5.5偏冷环境下修正模型模拟效果验证Fig.5.5Theevaluationofmodifiedmodelduringcoolenvironment由表5.2可知在冷颤产热量中起决定作用的是核心层和皮肤层的共同信号作64 5动态环境人体热反应模型用参数Pshi，但是模型中所给出的也只是基于各自实验结果的经验值，因此本文尝试从Pshi的取值着手对模型的产热量进行修正，分别取Pshi为30、40、50，经过初步验证，Pshi取值为40似乎可行，于是在这种情况下对模型的预测结果进行详细的分析验证，结果如图5.5所示。通过对模型进行修正后发现，该模型在适当增大产热量后，降温过程的预测数据均落在总体测试数据的置信区间内，此时模型评定为Ⅰ级，表明其在统计层面上能够满足准确性的要求；然而升温过程的预测数据仍然有部分落在总体测试数据的置信区间外，这表明其在统计层面上不能够满足准确性的要求，并且超出置信区间的数据已经超过了5%，对模型进行一致性检验也失去了意义，因此将该模型评定为Ⅲ级。综上所述，最终在偏冷环境下将该人体热生理预测模型评定为Ⅲ级，即该模型在偏冷环境下不能适用。分析对模型修正失败的原因可能是，在偏冷环境下人体的产热机理还不是很明确，现有的产热模块都是通过实验数据得到的一些经验公式，在这些公式推导过程中采用了较多的假定和近似计算，公式中的系数也是基于一些假定的数值推导而来，其用来定性分析还较为可信，但是如果用来定量分析则不可避免会带来一些差错，导致模型预测结果失真，因此，对于偏冷环境下人体产热项的定量分析还需要进一步的研究才能得到准确的结果。接下来对偏热环境下人体平均皮肤温度进行预测，结果如图5.6所示。通过与实测数据进行对比发现，在偏热环境下，升温过程的预测值均在总体测试数据的置信区间内，而降温过程的预测值却明显高于实际测试数据，分析其原因，该模型是在温度突变环境下得到的，控制系统中反应温度变化率输入信号影响的常数R也是由突变实验的结果得到的经验数值，而在突变环境下由于皮肤温度变化率远远大于渐变环境，因此导致常数R的取值会偏低，因此在偏热环境下考虑对常数R进行修正。(a)升温过程（26-30℃）(a)Heatingprocess（26-30℃）65 重庆大学硕士学位论文(b)降温过程（30-26℃）(b)Coolingprocess（30-26℃）(c)升温过程（26-32℃）(c)Heatingprocess（26-32℃）66 5动态环境人体热反应模型(d)降温过程（32-26℃）(d)Coolingprocess（32-26℃）图5.6偏热环境下热生理模型模拟效果验证Fig.5.6Theevaluationofthermalregulationmodelduringhotenvironment[74]另外由文献可知，在人体温度变化率大于0时，皮肤温度变化率对输入信号无作用，即此时R=0，也就是说常数R只会对降温过程产生影响，其数值的变化不会对升温过程造成影响。最终在模型的修正过程中考虑改变常数R的数值，将其比重从1800分别增加到2400、3000、3600，再次对降温过程的平均皮肤温度进行预测，初步分析常数R取3600预测结果较为准确，对该情况下模型的预测结果进行下一步的验证，结果如图5.7所示。(a)降温过程（30-26℃）(a)Coolingprocess（30-26℃）67 重庆大学硕士学位论文(d)降温过程（32-26℃）(d)Coolingprocess（32-26℃）图5.6偏热环境下修正模型模拟效果验证Fig.5.6Theevaluationofmodifiedmodelduringhotenvironment通过模型修正再次进行预测，结果发现修正后的模型其预测数据均在总体均值的置信区间内，表明其在统计层面上能够满足准确性的要求。最终在偏热环境下将该模型评定为Ⅰ级。综上所述，经过修正的模型，在偏冷环境下仍旧不能满足预测的准确性，而在偏热环境下则在统计层面上能够满足准确性的要求，表明该模型在偏热环境下的温度渐变过程具有适用性，能够对人体的平均皮肤温度进行准确的预测。②人体热感觉预测模型将人体热生理预测模型得到的皮肤温度数据输入到人体热感觉模型，从而对温度渐变环境下的人体热感觉进行预测，然而通过对预测结果初步进行分析发现该模型在预测人体热感觉方面出现严重失真，分析其失真的原因，可能存在以下两方面的问题。1)皮肤温度变化率由于该模型是在温度突变环境下建立，在突变环境下人体的皮肤温度变化率较大，因而其对热感觉的影响因子相应就会降低，而在温度渐变环境下，皮肤温度变化率较小，如果其占的比重太低，就无法体现出作用，然而在动态环境下皮肤温度变化率的作用还比较重要，这就造成在模型预测过程中对皮肤温度变化率的作用估计不足，导致模型预测失真。2)热感觉“超越”或者“滞后”在温度突变环境下会出现热感觉的“超越”或者“滞后”现象，这就导致模型在搭建的时候必然会考虑这个问题，然而在温度渐变环境下人体并没有出现明68 5动态环境人体热反应模型显的热感觉超越或者滞后现象，这就导致模型的预测数据会出现严重的误差。尽管该人体热感觉预测模型在温度渐变环境下无法适用，但是模型提出的理念可以借鉴，该模型提出在动态环境下，可以通过皮肤温度及其变化率来预测人体热感觉，基于这一理念，本文对温度渐变环境下的实验数据进行多元线性拟合，得到了三者之间的关系：TS=2.12Tskin+30.74ΔTskin–71.92，ΔTskin>0（5.2）TS=2.11Tskin–5.76ΔTskin–71.9，ΔTskin>0（5.3）上述两式的相关系数分别达到了0.93、0.95，表明其具有良好的线性关系，能够对人体热感觉进行良好的预测，输入前文热生理模型预测得到的皮肤温度及皮肤温度变化率就可以得到人体的热感觉数据，结果如图5.7所示(a)升温过程（26-30℃）(a)Heatingprocess（26-30℃）(b)降温过程（30-26℃）(b)Coolingprocess（30-26℃）69 重庆大学硕士学位论文(c)升温过程（26-32℃）(c)Heatingprocess（26-32℃）(d)降温过程（32-26℃）(d)Coolingprocess（32-26℃）图5.7偏热环境下热生理模型模拟效果验证Fig.5.7Theevaluationofthermalregulationmodelduringhotenvironment通过图5.7可以发现，在偏热环境下所有过程的模型预测值均在实测数据的置信区间内，表明该模型能够在统计层面上满足准确性的要求，最终将该模型评定为Ⅰ级模型。最后将修正后的人体热生理预测模型和热感觉预测模型进行综合评定，其在偏冷环境下预测结果不能满足准确性的要求，在偏热环境下预测结果比较准确，70 5动态环境人体热反应模型模型评定为Ⅰ级，在统计层面上能够进行准确的预测，提高了模型在温度渐变环境下的适用性，达到了本文的预期目标。5.6本章小结本章首先对重庆大学热舒适课题组杨宇博士建立的动态环境人体热反应模型进行了介绍，从热生理预测模型、热感觉预测模型、均值预测模型的评价方法三方面作了详细的阐述，其次根据温度渐变环境下的测试数据分别在偏冷环境和偏热环境下对模型进行检验，并通过对模型的深入分析从不同的角度进行了修正，最终得出该模型在偏冷环境下难以适用，在偏热环境下能够在统计层面上进行准确的预测，从而提高了该模型在温度渐变环境下的适用性。71 重庆大学硕士学位论文72 6结论与展望6结论与展望6.1结论本文通过在人工气候室内营造不同工况的的温度渐变环境，分别获取了受试者在不同温差和不同温度变化速率下人体主观和客观热反应变化规律，比较全面地分析了不同温度渐变环境下人体的热反应特征，获得的主要结论如下：①温度渐变的动态环境下，人体热感觉及皮肤温度都呈线性变化的趋势，热经历不同皮肤温度有较大差异，而热感觉却没有明显差异。升温过程的皮肤温度明显大于降温过程，而热感觉只与空气温度有关，与空气温度的变化方向无关，并且分别得到了偏冷环境和偏热环境下两者之间的关系式：(Y表示热感觉，X表示空气温度)：ΔTa为0.1℃/min时，Y=0.38X-9.69（22≦X≦26）；Y=0.39X-10.47（26≦X≦30）；ΔTa为0.2℃/min时，Y=0.42X-11.08（26≦X≦32）。②皮肤温度变化率受到空气温度变化率的显著影响，空气温度变化率越大，皮肤温度变化率就越大。当空气温度的变化速率为0.1℃/min时，偏冷环境下升温过程和降温过程皮肤温度变化率分别为0.011℃/min、0.025℃/min，偏热环境下升温过程和降温过程皮肤温度变化率分别为0.018℃/min、0.02℃/min；当空气温度的变化速率为0.2℃/min时，偏热环境下升温过程和降温过程皮肤温度变化率分别为0.029℃/min、0.03℃/min。③在适当的环境温度变化范围和变化速率下，人员的工作效率也较稳态的舒适环境有显著的提高，完成量提高幅度在5%～17%之间，正确量提高幅度在8%～25%之间，在偏冷环境下的降温过程人员的工作效率达到最高，适当的冷刺激有助于提高人员的工作效率。④基于温度渐变环境下人体的动态热反应特征以及工作效率的表现，提出了室内环境的动态空调控制策略，室内温度变化范围控制在25.5℃～28.1℃之间，变化速率则控制在0.1℃/min左右，对室内温度进行动态控制，提高人体的适应能力。⑤对动态人体热反应模型进行检验及修正，得出其在偏冷环境下无法适用，偏热环境下能够在统计层面上满足准确性的要求，从而提高模型在温度渐变环境下的适用性。偏热环境下，通过对反应温度变化率输入信号影响的常数R进行修正使热生理模型能够准确预测人体的平均皮肤温度，通过皮肤温度和皮肤温度变化率建立热感觉模型实现对人体热感觉的准确预测，热感觉的预测模型如下所示：73 重庆大学硕士学位论文TS=2.12Tskin+30.74ΔTskin–71.92，ΔTskin>0TS=2.11Tskin–5.76ΔTskin–71.9，ΔTskin>06.2展望和建议展望未来，本领域的后续研究工作主要包括以下几点：①本文根据温度渐变的动态环境下提出了室内环境的动态空调控制策略，但是该控制策略还需要进行大量的实验研究和现场调研进行补充完善，弥补其不足之处。②对动态环境下人体热反应模型的修正还需要后续的研究，特别是偏冷环境的适用性有待进一步的提高。74 致谢致谢时光荏苒，岁月如梭，当我的硕士研究生生活即将结束，硕士论文即将完成之际，百感交集。在此由衷地向3年来给予我帮助和鼓励的所有人说一声“谢谢”！首先衷心地感谢我的导师刘红教授。从论文的选题、研究工作的开展到最后论文的撰写、修改以及论文的成稿无不凝聚着导师的心血、汗水和智慧。导师敏锐的思维、新颖的视角、敬业的精神以及严谨的科研态度给我留下了深刻的印象，为我今后的学习和研究工作树立了良好的榜样。值此论文完成之际，谨再一次向刘老师表示我最真诚的感谢！另外还要特别感谢杨宇博士、杜秀媛博士在课题研究和日常生活中对我的大力支持。感谢卫诣凡、夏可超、孔凡鑫、杜晨秋、徐昆仑、程腾飞、张春光、廖桦浚、刁成玉琢、申爱红、张哲、吴语欣等同学在实验开展和数据收集过程中给予的无私帮助。在此向他们表示衷心的感谢！感谢我的家人和朋友多年来对我无私的关爱与鼓励！你们永远是我最有力的后盾，你们的默默支持与理解是我前进的坚强后盾。最后，衷心感谢在百忙之中抽出时间评阅论文和参加答辩的各位专家、教授。黄志超二O一五年五月于重庆75 重庆大学硕士学位论文76 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附录附录A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录[1]黄志超,刘红.温度渐变环境下的人体热反应及工作效率.中国科技论文在线.（已录用发表）B.作者在攻读硕士学位期间参与的项目[1]“十二五”项目国家科技支撑计划“建筑室内健康环境控制与改善关键技术研究与示范”之子课题“室内健康环境表征参数及评价方法研究”（2012BAJ02B05），2012～2015；[2]973计划项目“大型客机座舱内空气环境控制的关键科学问题研究”之课题三“座舱空气质量与热舒适的系统实验评估准则”（2012CB720103），2012～2015.[1][3][2][7][4][5][6]龙惟定XjY,HxC,ZwL.Thermalenvironmentandproductivityinfactory[J].ASHRAETRAN.2010,WyonDP.Theeffectsofindoorairquanlityonperformanceandproductity[J].IndoorAir.116(1):5902004,Vol14:911995.20TheProceedingsofInternationalSymposiumofEnvironmentandBiometeorology[C]Beijing:Xiong,XM,HuangXJ,LiangYN.Theclinicanalysesof32chilCopenhagen:DanishTechnologyPress,1970APGagge.IntroductiontothermalcomfFangerPO.Thermalcomfort赵荣义.,-22室内空气品质关于-598“热舒适-102”的讨论.暖通空调[J].-analysisandapplicationinenvironmentengineering[M].暖通空调,1989,19(4)ort.INSERM,1977,2000,30(3):25-26drenairconditionsyndrome.[9][8]余娟ZhaoR,XiaY,LiJ.Newconditioningstrategyforimprovingthethermalenvironment[ProceedingsofInternationalSymposium研究路线探讨,朱颖心,欧阳沁[J].暖通空调,沈恒根,,2010,03:1周翔.基于生理指标评价人体热舒适、工作效率和长期健康的-5onBUFF.Tianjin:1997,17-21J].[13][14][10][11][12]Glickman.PhysiologicaladjustmentofnormalsubjectsandcordialpatientstosuddenchangeinGlickman.PhysiologicaladjustmentofhumanbeingtosuddenchenvironmentHensenJphysiologicalresponsesatvariousambienttemperatureEnvironment,1990,25(4):309GaggeA(1):1WoynPD,BreumNO,OlesenS.Factorsaffectingthesubjectivetoleranceofambienttemperatureswings-20LP,StolwijkJA,Hardy[J]M.Literaturereviewonthermalcomfortintransientconditions.ASHRAETransactions,1949,55.[J].The5th-Int.CongressonHVAC,Copenhagen,1971316.JD.Comfortandthermalsensationandassociated[J].Environmentalangeinenvironmentr[J]esearch,.Buildingand1967,1[J].[15][16]ASHRAETransactions,1947,53HOhno,SKuno,MKida,etal.PhysiologicalandPsychologicalResponsesinThermalTransientswithRampchange[J].AshraeTransaction,1987,93JKolarik,BWOlesen,JToftum,etal.ThermalComfort,PerceivedAirQualityandIntensity(2):407-428.[17]ProceedingsofClima2007.LSchellen,WvanMarkenLichtenbelt,MdeWit,etal.ThermalComfort,PhysiologicalResponsesandofSBSSymptomsPerforduringExposuretoModerateOperativemanceduringExposuretoaModerateTemperatureDrift[A].TemperatureRamps[A].[18][19]environmentsBerglund,L.G.,Gonzalez,R.R.1978ApplicationofacceptabletemperaturedriftstobuildProceedingsoftheInternational许红波,端木琳asamodeofenergyconservation",ASHRAETransactions84:1,110,金权,李祥立,舒海文ConferenceIndoorAir2008[C],Copenhagen,Denmark,2008.,王宗山.瞬变环境中人体热舒适的研究[J].-121人类工效[20][21]学metaPilcherJJ,NadlerE,BuschC.EffectsofhotandcoldtemperatureexposureonPeblerRD,WarnerRE.Temperatureandlearning:anexperimentalstudy.ASHRAE,2012,04:82-analyticreview.Ergonom-87.ics,2002,45:682-698performance:a[22][23]Transactions,1968,74:211WyonDP.Studiesofchildrenunderimposednoiseandheatstress.Ergonomics,1970,13:598WyonDP.Theeffectsof-612moderateheatstressontypewritingperformance.Ergonomics,1974,-219[24][25]17(3):309WyonDP.Indoorenvironmentaleffectsonproductivity.In:IAQ96Pathstobetterenvironments/Keynoteaddress,pp5JohanssonC.-318Mentalandperceptualperformanceinheat.ReportD4:1975.Buildin-15,KevinY.Atlanta,ASHRAE,1996.gbuildingresearch[27][26]Creatingtheproductiveworkplace(2ndedition).London:TayloranMäkinenTM,PalinkasLA,ReevesDLetal.Effectofrepeatedexposuretocoldoncognitivecouncil.Sweden,1975WyonDP,WargockiP.Roomtemperatureeffectsonofficework.In:dFrancis,2005Clements-CroomeD(ed),[28][29]performanceinhumans.PhysiologyandBehavior,2006,87:166叶晓江2006,12(3):4兰丽.室内环境对人员工作效率影响机,连之伟-6.,李慈珍等.室内热环境、热舒适与工作效率关系的研究理与评价研究[D].上海交通大学-176.,2010..人类工效学,[30][31][32][33]李伟朱颖心魏润柏徐丰彦.室内温度和噪音对工作效率的影响研究...建筑环境学人体与环境热交换计算方法生理学[M].[M]北京.中国建筑工业出版社:人民卫生出版社[J].人类工效学,1963.[D].,2005.浙江理工大学,1995,1(2):39,2014-42.[35][36][34]andBuildings,1998,27(1):83杨世铭，陶文栓BragerGS,deD姚仲鹏，王瑞君earRJ.Thermaladaptioninthebuiltenvironment..传热学传热学[M].[M].-96.北京：北京理工大学出版社，北京：高等教育出版社，1998.2003.：Aliteraturereview.Energy[37][38][39]姚润明RingJW,deDearRJ.Humanthermalsensation:Frequencythesurfaceofskin.EnergyandBuildings,1993,20(2):159LvYG,LiuJ.Effectoftransienttemperatureonthermoreceptorresponseandthermal.室内气候模拟及热舒适研究[D].重庆:重庆建筑大学-165responsetosinusoidalstimuliat,1997.[40]sensation.BuildingandEnvironment,2007,42(2)Zeidner&NSEndler(Eds.),Handbookofcoping:Theory,MatthewsG,WellsA.AttNewYork:Wiley,1996entionalprocesses,copingstrategiesandclinicalresearch,applications(pp.573intervention.InM-601).[41][42]MatthewsG.Levelsoftransaction:acognitivescienceframeworkforoHancockPA,DesmondPA(Eds.).Stress,Workload,andFatigue.NewErlbaumAssociates,Mahwah,2001.FrankK.TheCRCHandbookofThermalEngineering[M].CRCPress,2000:22peratorJersey:Lawrence-24.stress.In:[47][43][46][44][45]PrenticeHallPress,2000.社ISO.InternationalStandard7730.ModeratethermalenvironmentsdetermineindoorthermalconditionsforoptimalPrekM.Thermodynamicanalysisofhumanheacomfort[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2005,48(3):731WickensCD,HollandsJ.Engineeringpsychologyandhumanperformance(3EnergyandBuildings,2013,56:48WuX吴小舟，王沣沛，赵加宁等,2003，ZhaoJ，OlesenBW朱祖祥等译.，室内热环境对人员工作效率影响热力学机理分析-etal.Anovelhumanbodyexergyconsumptionformulato55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