基于中國人熱特性的熱舒適儀及評價方法
【專利摘要】一種屬于建筑室內環境領域的基于中國人熱特性的熱舒適儀，包括對室內環境參數的測量裝置，以8051單片機作為系統的計算器和控制器，將環境參數、人員參數、多節點的中國人熱調節人體模型和熱感覺模型事先設定在程序中，同時程序加入了自適應方法，使得熱舒適儀的預測不僅僅適用于中國人，還可以根據不同的人群，不同的社會習俗來對預測方法進行一定的修正，以期可以用于各種不同情況下的熱舒適及熱感覺的預測。本發明能夠準確的預測中國人的熱舒適狀態，為國內室內環境的評價和設計提供有價值的參考，基于中國人熱感覺預測的空調控制策略在滿足人體熱舒適的前提下，能大幅提高空調的節能效果。
【專利說明】
基于中國人熱特性的熱舒適儀及評價方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種室內熱環境下評價人體熱舒適的熱舒適儀，尤其是一種基于中國人熱特性的用于預測中國人熱舒適的熱舒適儀，屬于建筑室內環境領域。
【背景技術】
[0002]準確的對人體熱舒適狀態進行預測是評價一個室內熱環境是否舒適的重要方法，而熱舒適狀態一般用人對室內環境的熱感覺來表達，熱感覺從冷到熱目前通常可分為七級，分別為冷、涼、微涼、中性、微暖、暖、和熱，其對應的分值為-3到3 ο國際上較為常用的熱舒適預測方法是Fanger于1982年提出的PMV-PH)模型，它只適用于傳統的穩態均勻空調環境。隨著時代的發展，很多基于節能需求的空調技術紛紛出現并得到了廣泛的應用，比如個性化空調、輻射吊頂、地板送風等技術，這些技術的出現，打破了傳統空調系統對均勻穩態的室內環境的追求，同時也帶來了如何評價這些新型室內環境的舒適性的問題。多節點的人體熱舒適模型得以發展，其通過將人體分為多個節點建立起環境-人體的反饋調節系統，能有效對復雜室內環境下的人體熱舒適性進行評價，得到廣泛的關注和研究。然而，現有的多節點模型比如Fiala 模型(《Dynamic simulat1n of human heat transfer andthermal comfort)) ,De Montfort University博士論文)，UCB模型(《Thermal sensat1nand comfort models for non-uniform and transient environments: Part 1: Localsensat1n of individual body parts〉〉發表在Building and Environment,2010,45:380-388)，均是建立在西方人的生理和心理的基礎研究上，通過對比中國人熱感覺實測值和現有的西方模型(PMV模型、Fiala模型、UCB模型)，發現在低溫環境下，Fiala模型和UCB模型的預測值偏高0.5左右；而在高溫環境下，三個模型的預測值均明顯高于實測值，部分情況下甚至可到I個等級左右。上述差異的來源主要來自兩方面:一是熱調節模型對皮溫預測的不準確，熱調節模型對應的是人體的熱生理，而西方人與中國人存在很多熱生理方面的差異，比如中國男性大腿的體表面積比例高于西方人16%，中國男性脂肪含量高于西方人16.7%，中國女性基礎代謝率低于西方人26.2% (這里皆是國家標準GB10000-88《中國成年人人體尺寸》中值百分位數的男女性數據與Fiala模型中采用的西方人體數據做對比)，二是基于皮溫的熱感覺模型對熱感覺的預測出現了偏差，而熱感覺模型則對應的是人體的熱心理。因此中西方人種上的差異對熱舒適影響很大，但這些差異還沒有在現有的多節點模型中得到考慮。
[0003]另一方面，在已有技術中，申請號為01132267.5，名稱為考慮人體新陳代謝率和服裝熱阻測量室內舒適程度的儀器，提出了一種以中國人為對象，根據測定的環境參數(包括空氣溫度、濕度、空氣流動速度和平均熱輻射溫度)以及人體活動量和服裝熱阻進行室內環境熱舒適度評價的熱舒適儀，然而，雖然該專利考慮了不同的活動量和服裝熱阻對人體熱舒適造成的影響，但其基本原理還是基于Fanger提出的PMV-PF1D模型，因此該熱舒適儀在一些復雜的室內環境，諸如動態環境、不均勻室內環境等，其對熱舒適狀態的預測還不夠準確。因此，綜上所述，考慮中國人熱生理和熱心理特性的熱舒適儀還未有所見。
【發明內容】
[0004]為了克服已有熱舒適儀的缺陷和不足，本發明的目的在于提出一種考慮中國人熱特性的基于多節點人體模型的熱舒適儀，準確的預測在不同室內環境下的中國人的熱舒適狀態，從而為國內室內環境的評價和設計提供有價值的參考。這里所說的中國人的熱特性指中國人和西方人在生理和心理上的差異，其中熱生理特性指與西方人相比，中國人在身體結構、身體尺寸和生理參數(基礎代謝率、心輸出量、體脂含量等)等方面的不同，熱心理特性指與西方人相比，中國人的熱感覺的不同。這里所說的中國人，既可以是特定區域的中國人，例如城市與農村，北方與南方;也可以是有特定生活習慣的中國人，例如漢族與其他少數民族等。
[0005]本發明是通過以下技術方案實現的:基于已有的熱舒適儀，在測量空氣溫度、空氣濕度、空氣流動速度以及平均熱輻射溫度四個表征室內環境的參數以及預設人員活動量和服裝熱阻的基礎上，將基于中國人熱特性的多節點人體模型程序和熱感覺模型也事先設定在熱舒適儀內，根據現場測定的各個環境參數，人員實際的活動量和服裝熱阻值，以及多節點人體模型、熱感覺模型，通過儀器內部程序的運算，進行室內熱舒適的綜合評價，最終得到反映中國人熱舒適狀態的室內環境熱舒適度。
[0006]本發明主要包括用于測量和傳輸室內環境參數的溫度、濕度、空氣流動速度、平均熱輻射溫度傳感器、轉換器、運算放大器，用于儲存環境參數和人員信息等參數并進行控制運算的單片機系統8051，用于顯示輸出熱感覺和局部皮膚溫度的液晶顯示器，多節點的中國人熱調節人體模型、熱感覺模型、自適應模塊，熱調節人體模型和熱感覺模型均基于中國人的熱生理和熱心理特性。
[0007]進一步地，在本發明中，熱調節人體模型包括標準模型、修正模型、個性化模型程序，熱感覺模型包括標準模型、修正模型程序;熱調節人體模型、熱感覺模型，可以根據現場測定的各個環境參數、人員實際的活動量和服裝熱阻值，通過儀器內部程序的運算，進行室內熱舒適的綜合評價，最終得到反映中國人熱舒適狀態的室內環境熱舒適度；自適應模塊，可以對熱調節人體模型進行修正和個性化設計，可以對熱感覺模型進行修正。
[0008]更進一步地，在本發明中，個性化人體熱調節模型選擇身高、體重、年齡以及性別四個參數作為個性化模型預測的輸入參數，這四個參數均與體脂、體表面積、各節段長度、各組織層厚度、心輸出量、新陳代謝率存在相關關系。
[0009]更進一步地，在本發明中，標準模型包括標準人體熱調節模型和標準熱感覺模型；在標準人體熱調節模型中，標準男女性根據中華人民共和國國家標準GB10000-88《中國成年人人體尺寸》中值百分位數的男女性的相應身體尺寸來確定，其中標準人體模型的中國男性身高為1.70米、體重為59.5千克，女性的身高為1.60米、體重為51.5千克，標準人的年齡為30歲。
[0010]多節點人體模型，通過對人體外形一定的簡化，將人體從上到下左右對稱的分為17個節段，比如頭部簡化為球形，其他節段比如腹部、大腿、腳等均用圓柱體簡化，而每個節段由身體內部到外部又可分為核心層、肌肉層、脂肪層和皮膚層，這樣人體就可看成由68個節點組成。我們通過對比發現，西方人和中國人相比，在人體總體表面積、各節段體表面積的分布、身高、體重、體脂含量及體脂分布、新陳代謝率、心輸出量上都存在顯著差別，將這些身體結構、尺寸和熱生理參數上的差別反映到人體模型中去，建立了中國人的人體模型。基于大量的中國人熱感覺和熱舒適實驗調查數據，其中包括穩態和非穩態，均勻的和非均勻環境下的多個室內環境下的實驗研究，通過回歸公式確定了不同條件下人體熱感覺的計算方法。在此基礎上，我們采用目前標準中通用的方法進行人體熱舒適進行判斷，即:當整體熱感覺值在±0.5的區間內時，認為人體是處于舒適狀態的。通過對中國人人體模型和熱感覺模型的建立，實現了從環境和人員參數進行熱舒適判斷的方法。
[0011]為了擴展熱舒適儀的通用性，在單片機系統中加入了自適應方法，使得該舒適儀還可以根據不同的人群，比如老年人、不同的社會習俗進行一定的修正，以期可以用于各種不同情況下的熱感覺預測。同時，我們選擇個性化參數為身高、體重、年齡、性別，對人體模型進行了個性化，當對個體預測有特別高要求時，便可以使用個性化模型來預測。
[0012]與現有技術相比，本發明的有益效果是:第一，基于中國人的熱特性和多節點的人體模型和熱感覺模型，使得熱舒適儀的使用范圍得到了擴展，不僅適用于傳統的均勻穩態的室內環境，而且適用于動態或者非均勻的室內環境;第二，預測結果表示，對于均勻穩態環境來說，預測熱感覺和實測熱感覺的偏差基本在±0.2的范圍內；在動態環境中，整體熱感覺的預測偏差大部分在±0.5的范圍內。與全國范圍內真實建筑環境的調查結果相比，熱舒適儀的預測值和熱感覺調查結果相關系數在0.9左右，基于中國人熱特性的熱舒適儀能較為準確的反映中國人的熱感覺變化。第三，此熱舒適儀為室內環境的設計提供依據，如在夏季，采用本發明的熱舒適儀進行設計，室內環境的設計溫度較PMV模型可以相應的進行提高，如果采用本發明的熱舒適儀作為設計參考，能在保證舒適性的前提下，更有效挖掘空調系統的節能潛力。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明的計算程序流程圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明，本實施例以本發明技術方案為前提，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0015]實施例
[0016]本發明的實施例如圖1所示，本發明單片機系統內嵌程序中主要包括熱調節多節點人體熱模型和熱感覺模型，可以根據預測的結果和要求相應使用標準模型、修正模型或者個性化模型，它們之間的關系是模型預測的精度逐漸提高。
[0017]本實施例中單片機系統程序運行步驟如下:首先采用標準模型進行預測，輸入參數包括:由測量裝置測量并經過轉換的環境參數(空氣溫度、空氣濕度、空氣流動速度和平均熱輻射溫度)、根據現場情況選擇的人員參數(服裝熱阻和人員活動量)，通過熱調節模型預測實驗工況下的皮膚溫度，將局部皮膚溫度輸入到熱感覺模型，計算得到整體熱感覺，和實測的熱感覺數據進行對比，如果預測的整體熱感覺和實測的整體熱感覺的誤差在±0.5的范圍內(驗證A)，則認為該預測模型能較好的預測該人群的熱舒適狀態。而如果驗證A沒有通過，則可以根據實驗中受試者的人體參數(身高、體重、年齡、性別)，建立起基于標準熱調節模型的修正熱調節模型，并對局部熱感覺預測公式中的權重系數進行調整，采用最小二乘法來使得預測和實測的熱感覺值之間的誤差最小，然后采用修正的人體熱調節模型和熱感覺模型計算得到整體熱感覺的預測值，如果此時計算的整體熱感覺能通“驗證A”，則輸出整體熱感覺值，如果整體熱感覺的預測值精度仍達不到要求，可繼續重復上述修正過程，直到預測結果通過驗證A，最后輸出整體熱感覺，則該預測值為本模型的最佳預測結果。圖1中的個性化熱調節模型則是指根據單獨個體的四項人體基本參數對模型進行個性化，然后再進行皮溫的計算。該模型通常對個體預測精度有特別高要求時使用，如醫學等領域的研究需要精確計算局部皮溫時。
【主權項】
1.一種基于中國人熱特性的熱舒適儀，包括用于測量和傳輸室內環境參數的溫度、濕度、空氣流動速度、平均熱輻射溫度傳感器、轉換器、運算放大器，用于儲存環境參數和人員信息等參數并進行控制運算的單片機系統8051，用于顯示輸出熱感覺和局部皮膚溫度的液晶顯示器，其特征在于，還包括多節點的中國人熱調節人體模型、熱感覺模型、自適應模塊，此熱調節人體模型和熱感覺模型均基于中國人的熱生理和熱心理特性。2.根據權利要求1所述基于中國人熱特性的熱舒適儀，其特征在于所述熱調節人體模型包括標準模型、修正模型、個性化模型程序，熱感覺模型包括標準模型、修正模型程序;所述熱調節人體模型、熱感覺模型，可以根據現場測定的各個環境參數、人員實際的活動量和服裝熱阻值，通過儀器內部程序的運算，進行室內熱舒適的綜合評價，最終得到反映中國人熱舒適狀態的室內環境熱舒適度;所述自適應模塊，可以對熱調節人體模型進行修正和個性化設計，可以對熱感覺模型進行修正。3.根據權利要求2所述基于中國人熱特性的熱舒適儀，其特征在于所述熱調節人體模型，通過對人體外形一定的簡化，將人體從上到下左右對稱的分為17個節段，每個節段由身體內部到外部又可分為核心層、肌肉層、脂肪層和皮膚層。4.根據權利要求3所述基于中國人熱特性的熱舒適儀，其特征在于所述個性化模型包括個性化人體熱調節模型和個性化熱感覺模型，個性化人體熱調節模型選擇身高、體重、年齡以及性別四個參數作為個性化模型預測的輸入參數，這四個參數均與體脂、體表面積、各節段長度、各組織層厚度、心輸出量、新陳代謝率存在相關關系。5.根據權利要求4所述基于中國人熱特性的熱舒適儀，其特征在于所述的標準模型，包括標準人體熱調節模型和標準熱感覺模型；在標準人體熱調節模型中，標準男女性根據中華人民共和國國家標準GB10000-88《中國成年人人體尺寸》中值百分位數的男女性的相應身體尺寸來確定，其中標準人體模型的中國男性身高為1.70米、體重為59.5千克，女性的身高為1.60米、體重為51.5千克，標準人的年齡為30歲。6.一種評價權利要求1所述基于中國人熱特性的熱舒適儀的方法，其特征在于包括以下步驟:第一，采用標準模型進行預測，將標準熱調節模型的輸出皮膚溫度輸入到標準熱感覺模型中，計算得到整體熱感覺，與實測的熱感覺數據進行對比；第二，如果預測的整體熱感覺和實測的整體熱感覺的誤差在±0.5的范圍內(驗證A)，則模型計算完畢，得到熱感覺的預測結果，進而判斷人體的熱舒適狀態;第三，如果驗證A沒有通過，則根據實驗中受試者信息，建立起基于標準熱調節模型的修正熱調節模型，采用最小二乘法使得預測和實測的熱感覺值之間的誤差最小的原則建立起修正熱感覺模型，采用熱調節修正模型和熱感覺修正模型計算得到整體熱感覺的預測值，該預測值為本模型的最佳預測結果;第四，當對個體預測精度有特別高要求時，使用個性化熱調節模型進行皮溫的計算。
【文檔編號】G01D21/02GK106052754SQ201610332707
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月18日
【發明人】連之偉, 周鑫, 馬婷
【申請人】上海交通大學