評價(jià)復(fù)雜熱環(huán)境下的人體生理學(xué)和舒適度模型

1、評估復(fù)雜熱環(huán)境下的人體生理學(xué)和舒適度模型摘要伯克利舒適模型基于人類熱調(diào)節(jié)的Stolwijk模型取得了幾個顯著的改進(jìn)。我們的新模型可以分解為無數(shù)個身體區(qū)段部分（在Stolwijk模型中為6個區(qū)段）。每個區(qū)段包括四層身體層（核心，肌肉，脂肪和皮膚組織）和一層衣服層。我們也考慮到如血管舒張，血管收縮，出汗和代謝熱產(chǎn)生等生理機(jī)制。對流，傳導(dǎo)（例如到汽車座椅或與身體的任何部分接觸的其它表面）以及身體和環(huán)境之間的輻射也會被單獨(dú)處理。該模型能夠預(yù)測人類對瞬態(tài)、非均勻熱環(huán)境的生理反應(yīng)。論文介紹了生理算法以及模型的實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：熱舒適；調(diào)溫；人類生理；計(jì)算機(jī)模擬1 .介紹Stolwijk的25節(jié)點(diǎn)溫度調(diào)節(jié)模型1

2、提出了許多當(dāng)代多節(jié)點(diǎn)模型的基本概念、算法、物理常數(shù)和生理控制子系統(tǒng)20伯克利舒適模型基于Stolwijk模型以及Tanabe在日本的工作3,取得了對Stolwijk模型的幾個顯著改進(jìn)。Stolwijk模型包括六個身體部分：頭，軀干，手臂，手，腿和腳。伯克利模型可以模擬任意數(shù)量的段。在大多數(shù)應(yīng)用中，我們使用16個對應(yīng)于伯克利分割熱人體模型的身體部分4。這些段中的每一部分都由四層身體層（核心，肌肉，脂肪和皮膚組織）和一層衣服層組成。單獨(dú)的一系列節(jié)點(diǎn)表示血液，并且提供了節(jié)段和組織節(jié)點(diǎn)之間的對流熱傳遞。該模型使用具有可變時(shí)間步長的標(biāo)準(zhǔn)/簡化算法來計(jì)算每個節(jié)點(diǎn)之間的熱傳遞，以優(yōu)化計(jì)算資源，同時(shí)保持?jǐn)?shù)字穩(wěn)

3、定性。我們使用一系列可變長度的離散“相位”來模擬環(huán)境，衣服和代謝條件之間的任意組合。可以通過模型預(yù)測在諸如雙節(jié)點(diǎn)PMV模型的全身模型中完全丟失的瞬態(tài)和空間非對稱條件的影響。樣例模擬可以是一個人從一個有空調(diào)的建筑中走到炎熱的夏季戶外，然后進(jìn)入一輛陽光曝曬下的汽車，打開空調(diào)、駕駛汽車，同時(shí)汽車開始冷卻。應(yīng)用評估了具有不對稱或瞬態(tài)熱環(huán)境（建筑物，汽車或戶外）的空間的熱舒適性。2 .模型改進(jìn)對Stolwijk模型進(jìn)行了以下改進(jìn)：?身體段數(shù)從六個增加到無限。?改進(jìn)血液流動模型，包括四肢中的逆流熱交換，以及改進(jìn)從血管到組織的血液灌注?增加一個服裝節(jié)點(diǎn)來模擬熱和水汽電容。?通過傳導(dǎo)對與身體接觸的表面增加熱傳

4、遞。圖1在模型中使用的典型分割是：頭部，胸部，背部，骨盆，左右上臂，左右下臂，右手和左手，左右大腿，右和左小腿，以及左右腳。?改進(jìn)對流和輻射傳熱系統(tǒng)?使用角度因子的顯性輻射熱傳遞計(jì)算?添加輻射熱通熱量模型（例如陽光照射身體）分割：模型結(jié)構(gòu)可以容納任意數(shù)量的身體區(qū)段。在溫度或熱通量存在大的局部變化的環(huán)境中，可以使用非常精細(xì)的分割。為了開發(fā)模型，我們使用直接對應(yīng)于加州大學(xué)伯克利分段熱人體模型的16個區(qū)段（圖1）。人體模型可以準(zhǔn)確地測量出個人身體部位的傳熱系數(shù)和衣物絕緣值，然后我們可以直接在我們的舒適模型中使用這些數(shù)據(jù)。人體模型測量每個區(qū)段到環(huán)境的熱通量，提供可用于驗(yàn)證模型的有價(jià)值的數(shù)據(jù)。改進(jìn)的血流

5、模型：人體熱調(diào)節(jié)主要通過調(diào)節(jié)血流實(shí)現(xiàn).因此，符合實(shí)際的血流模型對于任何人類熱舒適的動態(tài)模型是很重要的。正是借助于血管收縮和血管舒張，身體能夠調(diào)節(jié)血液分布，以便控制皮膚溫度并增加或減少對環(huán)境的熱損失。在運(yùn)動或工作期間，血液攜帶產(chǎn)生到身體表面的額外熱量，其中較高的皮膚溫度通過對流和輻射增加熱損失。更重要的是，皮膚溫度和下丘腦溫度控制這種調(diào)節(jié)，也通過蒸發(fā)打開汗腺去除額外的熱。在冷環(huán)境下，皮膚血管收縮將血液從動脈分流到更深的靜脈。原始的Stolwijk模型假設(shè):動脈血液溫度在整個身體中是相同的。因此，局部組織和局部血液之間的熱量變化被簡化為在該核心溫度下局部組織和血液之間的熱交換。這個假設(shè)在模擬頭部和

6、軀干部分基本上是合理的。在頭部，大腦接收相對大的、恒定的血液流動，占身體約15%的總血流量。由于高的血液流動速率和相對短的血管長度，熱交換效率小，并且進(jìn)入腦的血液溫度實(shí)際上與核心血液溫度相同。類似地，軀干中的大血管與周圍組織的熱傳遞相對較少，這是由于高的血液流動率和與組織的不完全接觸造成的5,6o四肢部分，Stolwijk的假設(shè)不太有效。基于Chato的數(shù)據(jù)5,我們計(jì)算出流動到手的動脈血液將會達(dá)到進(jìn)入上臂血液溫度和手臂組織溫度之間的一半。冷環(huán)境下，這可能導(dǎo)致從上臂到手腕的動脈血溫度降低2c或更多。基于此，我們認(rèn)為，當(dāng)血液從四肢流至四肢末端時(shí)，可以通過血液溫度的變化改進(jìn)Stolwijk的模型。我

7、們對Stolwijk血流模型做了兩個重要的改變，增加了：（1）中心動脈=靜脈逆流熱交換，和（2）改進(jìn)的血液管住模型用以估計(jì)到局部組織的血流量圖2展示了包括熱和質(zhì)量傳遞的手臂（腿具有相同的結(jié)構(gòu)）血流模型。血液通過中心動脈流出并通過中心靜脈返回。如Mitchell和Myers所描述的7,動脈和靜脈之間的逆流熱交換，以及血管和接觸組織之間的熱交換。同時(shí)，質(zhì)量轉(zhuǎn)移發(fā)生在離開中心動脈，通過橫向末端動脈到毛細(xì)血管床的徑向血流中，以將血液分配到核心，肌肉，脂肪和皮膚組織。然后它被橫向終端靜脈吸收并返回到中心靜脈。我們使用Pennes的血流灌注術(shù)8來模擬這個水平的質(zhì)量和熱傳遞。血液在該段的平均動脈溫度下進(jìn)入局

8、部組織并在其來自的組織溫度返回到中心靜脈。圖2肢體血液陶氏模型%sr|總=*Jf婢n岑C5grr<dnn>IlilFkUE5在四肢末端（即手臂和腿）中，一個節(jié)段進(jìn)入動脈血液溫度是前一節(jié)段的離開動脈血液溫度。從靜脈返回的所有血液混合在一起可以確定返回的核心血液溫度。服裝款式：Stolwijk認(rèn)為服裝是沒有質(zhì)量的絕緣材料（圖3）。我們利用一個服裝節(jié)點(diǎn)來模擬服裝的熱和水分電容（圖4）。水分電容對于正確地模擬穿過衣服的身體的蒸發(fā)熱損失是重要的。實(shí)驗(yàn)證明，在考慮瞬態(tài)效應(yīng)時(shí)，服裝的熱容量是非常重要的9。熱量通過服裝從身體流失。水分模型使用回歸方法10來計(jì)算特定織物在給定相對濕度下吸收的水分量。

9、圖3Stolwijk模型節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖4典型的節(jié)段結(jié)構(gòu)顯示四個平行的熱路徑：頂部，暴露的皮膚具有對流和輻射熱損失，第二從頂部，穿著對流和輻射熱損失的皮膚；第三，穿著皮膚具有導(dǎo)電性損失接觸表面；底部,裸露的皮膚接觸表面：幾乎在任何環(huán)境中，身體通過傳導(dǎo)與固體表面接觸并且失去熱量。身體最常接觸的物體表面是椅子。在穩(wěn)態(tài)條件下，這可以被視為增加絕緣并被建模為服裝。在瞬態(tài)條件下，這種方法不能很好地工作，因?yàn)橐巫涌赡芫哂酗@著的熱質(zhì)量。伯克利模型包括每個區(qū)段的接觸表面。該表面具有初始溫度，熱導(dǎo)率，比熱和厚度。遠(yuǎn)的場溫度和傳熱系數(shù)被用作邊界條件。每個身體部分包括與表面接觸的裸露皮膚和穿著皮膚的部分。對流和輻射熱傳遞

10、：Stolwijk對他的模型的六個部分中的每一個都使用了組合的對流和輻射傳熱系數(shù)。伯克利模型分離對流和輻射熱傳遞?；诿總€段提供的空氣溫度和速度計(jì)算對流熱傳遞。16個身體段的對流傳熱系數(shù)是基于Berkeley人體模型的坐姿和站立姿勢的測試結(jié)果11?？梢允褂没卺槍γ總€身體部分指定的平均輻射溫度（MRT）的線性化模型或使用Stefan-Boltzmann定律的顯式模型來計(jì)算輻射熱傳遞。使用真實(shí)的身體的3-D模型（圖5）,我們計(jì)算每個身體段和任意的任意組的環(huán)境表面之間的形狀因子。這些環(huán)境表面中的每一個都通過其位置，表面積，溫度和發(fā)射率來描述。這種方法比非均勻環(huán)境下的MRT方法更顯著/更準(zhǔn)確12。圖

11、5使用身體的現(xiàn)實(shí)三維模型來計(jì)算身體和周圍表面之間的輻射視圖因子輻射熱源：除了與周圍表面的長波輻射熱傳遞之外，身體經(jīng)常暴露于來自太陽，熱燈或其它源的輻射。我們已經(jīng)利用一個雙波段輻射熱流動模型，將這個熱流動分成短波和長波分量。短波輻射基于皮膚或衣服吸收率被吸收，而長波輻射基于皮膚或衣服輻射被吸收。生理變化：人的生理學(xué)在個體之間變化很大，這些差異可以影響熱舒適的感覺；例如，較高的代謝率或增加的體脂使人們感覺溫暖。注意，舒適模型一般沒有考慮這種變化。我們?yōu)槲覀兊哪Ｐ烷_發(fā)了一個預(yù)處理器，我們稱之為“身體建構(gòu)者”。身體建構(gòu)器模型將人體的六個描述性特征（身高，體重，年齡，性別，膚色和身體脂肪）映射到舒適模型

12、使用的生理數(shù)據(jù)。表1描述了我們修改的生理數(shù)據(jù)和我們使用的關(guān)系的基礎(chǔ)。我們打算使用身體建設(shè)者模型來探究生理變化對熱舒適感覺的影響。初始模擬顯示，身體脂肪從14%到28%的變化可導(dǎo)致皮膚溫度變化接近1C圖4典型的節(jié)段結(jié)構(gòu)顯示四個平行的熱路徑：頂部，暴露的皮膚具有對流和輻射熱損失，第二從頂部，穿著對流和輻射熱損失的皮膚；第三，穿著皮膚具有導(dǎo)電性損失接觸表面；底部,裸露的皮膚。圖5.使用身體的現(xiàn)實(shí)三維模型來計(jì)算身體和周圍表面之間的輻射視圖因子。3 .實(shí)施伯克利舒適模型使用不限數(shù)量的環(huán)境和生理的輸入條件的順序集，稱為相位。通過交互式或通過文本/文件來指定這些相位，以方便使用其他軟件的模型（圖6和7）。每

13、個相位包括以下數(shù)據(jù)：?持續(xù)時(shí)間?代謝速率?生理常數(shù)*?服裝*（絕緣水平和透濕性）?空氣溫度*?平均輻射溫度*（或表面溫度，發(fā)射率和角度因子）?空氣速度*?相對濕度*?接觸面熱性能*表1”身體建造者”修改的生理數(shù)據(jù)RquoioiicfildatjPanunctcrsHwrtlarmFuR甲SurfakAtcAII由由，wi*IUmIlUcubulKiKiMprtMlucUunwcigtoL群Mm.ugcfUsiilcirduu;outputHciftiLweightbodyfitDu快加(1927)(12EhrruiinilIkw也也。切門|I4|舊房而(15kAllenetM(I9M)ItTh

14、crniaJ.池ancoBodyfiluntMirvi：Tbcnnalca|wnanccwcigltlCtsvDtcrourricniheal!exchangeHjeibtrHrBiity上加時(shí)11q.nsolarahMrpHonSkinederCloddnsolaraJsaqstHsnFsbcictypeandcohwStolwiik17Stolwijk(1*701MitchtEIandMyers(1*曰“7Haudasand(19K2)|IK|Blum-M3j冏圖6“相位數(shù)據(jù)”對話框。在這個示例屏幕中有四個階段，第一階段持續(xù)40分鐘，代謝率為58W-m2(1met)和服裝集合，如外部文件稱

15、為summer.clo中所述。圖7空氣溫度的編輯對話框。每個身體部分可以暴露于不同的環(huán)境條件相位最常用于表示以環(huán)境條件為常數(shù)或隨時(shí)間線性變化的時(shí)間段。由于相位的長度是任意的，非線性瞬態(tài)可以通過簡單的線性近似來模擬。嵌入在模型中的所有生理常數(shù)也可以通過輸入數(shù)據(jù)來改變。這允許用戶不僅可以改變明顯的身體數(shù)據(jù)，例如身高，體重，基礎(chǔ)代謝率和傳熱系數(shù)，而且還可以改變更詳細(xì)的生理數(shù)據(jù)，例如組織性質(zhì)，熱傳導(dǎo)性，熱/冷受體性質(zhì)，血管收縮和血管舒張系統(tǒng)。這些屬性甚至可以在模擬期間改變以校正諸如姿勢（例如，就座與站立）的變化的條件。該模型已在C+”使用面向?qū)ο螅∣O）方法實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和仿真過程類似于物理模型。我們

16、保持內(nèi)部模型結(jié)構(gòu)非常靈活，因此模型的變化可以很容易地實(shí)現(xiàn)，通常不需要重新編譯代碼。例如，從文本輸入/文件讀取節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，使得添加主體段僅需要修改程序輸入。面向?qū)ο笳Z言的選擇極大地簡化了這種方法。幾個對象被定義來表示物理模型的每個元素。節(jié)點(diǎn)對象是此對象結(jié)構(gòu)中的基本單元。所有實(shí)際的模擬程序-熱產(chǎn)生，熱傳遞和調(diào)節(jié)控制機(jī)制-在節(jié)點(diǎn)對象內(nèi)完成。多個節(jié)點(diǎn)被組織成由較高級對象（段對象）維護(hù)的樹狀結(jié)構(gòu)。段還具有包含動脈和靜脈的血液對象。圖8示出了這些對象的關(guān)系。身體由通過血液彼此連接的幾個區(qū)段組成。節(jié)點(diǎn)通過傳導(dǎo)來和它們的相鄰節(jié)點(diǎn)以及血液交換熱量。圖8段對象模式片硅用HBJl每個段中的節(jié)點(diǎn)形成鏈接樹。在每個區(qū)段中

17、可以包括多個平行分支來模擬不同的熱流路徑。每個段的結(jié)構(gòu)不需要相同。這提供了對具有完全不同的物理結(jié)構(gòu)和/或不相同的環(huán)境條件的不同身體部位建模的能力。例如，如果受試者穿著短褲，則該模型將為大腿節(jié)段產(chǎn)生穿衣和裸露皮膚路徑。如果受試者穿著長褲，則只會產(chǎn)生穿著的路徑。4 .驗(yàn)證作為模型的初始驗(yàn)證，我們將模擬皮膚溫度與其他研究人員報(bào)告的許多生理研究相比較。這些研究包括幾個穩(wěn)態(tài)條件和三個瞬態(tài)環(huán)境條件。穩(wěn)態(tài)條件。Werner（維爾納）在40%相對濕度（RH）下進(jìn)行86個氣候室實(shí)驗(yàn)，空氣溫度范圍為10至50?C測試對象只穿短褲，休息躺在吊床上20o測量通過節(jié)段，直腸和鼓室溫度的皮膚溫度。冷曝光瞬變。Raven等

18、人2111名受試者暴露在從靜止空氣中的28.5?C在45%RH至U4.7?C在70%RH。受試者僅穿著短褲，并且在仰臥在尼龍帶床上，這種床安裝接連著的房間里，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境條件的變化。測量段上的直腸和皮膚溫度。Hardy和Stolwijk提供了三個男性受試者的數(shù)據(jù)，這些受試者暴露于從43c在30%RH至U17c在40%RH的階躍變化環(huán)境中。受試對象從一個房間快速走到另一個房間，花費(fèi)不到1分鐘。直腸和10個區(qū)域的平均溫度以及蒸發(fā)熱損失在22中給出。熱曝光瞬態(tài)。Stolwijk和Hardy使用從30c在40%RH至48c在30%RH的向上階躍變化進(jìn)行了類似的測試。直腸和皮膚溫度的平均值和總蒸發(fā)熱損失在

19、23中給出。來自上述實(shí)驗(yàn)的測量數(shù)據(jù)和來自我們的模型的模擬結(jié)果的比較示于圖1和圖2中。圖9-11。在穩(wěn)態(tài)條件下，核心溫度預(yù)測非常接近測量值（在0.5?C內(nèi)）（圖9a）。對于大多數(shù)段（圖9b和9c）,皮膚溫度模擬在1C內(nèi)。對于瞬態(tài)條件，在瞬態(tài)期間由Raven測量的趾部溫度低于來自模擬的足部溫度（圖10c）。這并不意外，因?yàn)槟_趾是腳的最遠(yuǎn)端部分，并且比整個腳更快地響應(yīng)于瞬變。測量的臂溫度高于瞬態(tài)期間的模擬臂溫度，然而，最終穩(wěn)定的溫度非常接近。測量的臂溫度從Gordon獲得，并且未陳述測量的具體位置。Hardy和Stolwijk測量的直腸溫度略高于模型預(yù)測的直腸溫度。圖11c示出在兩個階躍變化期間，在

20、熱狀態(tài)下，背部的測量和預(yù)測的蒸發(fā)熱損失。如Fu觀察到的24,Stolwijk的原始模型傾向于預(yù)測比冷環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更高的皮膚溫度。這是因?yàn)镾tolwijk使用的中心血液模型假設(shè)段的任何節(jié)點(diǎn)會接收與核心相同溫度的血液。事實(shí)上，由于逆流熱交換，動脈血液溫度降低，使下肢皮膚溫度下降。添加逆流血液陶氏模型大大改善了我們的模型和肢體和四肢的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的協(xié)議。上述模型驗(yàn)證表明，該模型能夠在環(huán)境條件范圍內(nèi)以合理的精度預(yù)測核心和末端皮膚溫度。圖9.在10到50c的穩(wěn)態(tài)條件下測量的20和模擬溫度的比較。（a）頭皮和中心；（b）上臂,下臂和手；（c）大腿，小腿腳20州40AmDisniTwipgratyn?C

21、C|解M婚3025制(a)M435M-20j15T4她力直&i制8AfrfcienrTem*ri1urEI"Ci(b)AmwnTfltrw加值("CJ(c)圖10比較測量21和從28攝氏度到4.7攝氏度的階躍變化期間的模擬溫度。（a）頭；（b）上臂和手；（c）大腿和腳G-EfwkilMl.E5sI幽歸修出-HBUtt時(shí)hlitd/Ffi-nl4FC融HUICCITiHllHUI=i-ffli力卦玲It0-現(xiàn)副&o-KiaTiin«加»(W圖11測量的1和溫度變化期間的模擬溫度和蒸發(fā)熱損失的比較。（a）在從43C,30%RH至17C,40%RH的冷階躍變化期間的皮膚和芯溫度；（b）在從30C,40%RH到48C,30%RH的熱階躍變化期間的表皮和芯溫度；（c）在相同的熱階躍變化條件期間的蒸發(fā)熱損失riilMMirt!TlftteIrwlJTine,mint2OT3»斯川如«卻t.-r££mEwlndwUJ102030EHTTC）5 .舒適性預(yù)測預(yù)測身體對環(huán)境的生理反應(yīng)是一個有趣的嘗試，