【摘要】：熱舒適模型的建立需要人體生理學(xué)、生物傳熱學(xué)、環(huán)境心理學(xué)等多學(xué)科的系統(tǒng)知識。目前已建立的較為完善的人體熱舒適模型均基于西方人的生理學(xué)及心理學(xué)的研究,而中國人和西方人相比,不僅在人體尺寸、組成等熱調(diào)節(jié)參數(shù)上存在較大的差異;而且由于中國和西方在社會和自然環(huán)境上的差別,導(dǎo)致中國人和西方人在熱心理及熱偏好上也存在一定的差異。因此,在采用基于西方人生理和心理數(shù)據(jù)建立起來的熱舒適模型來預(yù)測中國人熱感覺時,其預(yù)測值和實際環(huán)境的中國人熱感覺投票值就會出現(xiàn)一定的偏差,部分情況下的預(yù)測偏差可達(dá)1個等級。這些預(yù)測偏差來自于中國人和西方人在熱生理及熱心理上的差異,所以為了提高對中國人熱舒適水平的預(yù)測精度,有必要建立基于中國人生理和心理特征的熱舒適模型。本文基于中國人熱生理和心理特征的相關(guān)基礎(chǔ)研究,建立起適用于中國人的熱舒適模型,并對模型的預(yù)測精度進(jìn)行了多方面的驗證,進(jìn)而探索了模型在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計和控制策略開發(fā)等方面的應(yīng)用價值。研究的主要內(nèi)容和結(jié)果有:1)建立了基于中國人熱生理參數(shù)的個性化熱調(diào)節(jié)模型。中國人和西方人在身體尺寸和組成上存在顯著差異,因此根據(jù)中國標(biāo)準(zhǔn)人的熱生理基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)建立起標(biāo)準(zhǔn)熱調(diào)節(jié)模型,計算得到人體的皮膚溫度。進(jìn)一步為了提高對皮溫的預(yù)測精度,用身高、體重、年齡、性別四個參數(shù)對標(biāo)準(zhǔn)人模型進(jìn)行了個性化。個性化參數(shù)的敏感性結(jié)果分析表明,身高和體重對皮溫預(yù)測的影響較大,不同身高及體重的人的平均皮溫預(yù)測值之差可達(dá)1℃,而不同年齡之間的預(yù)測值之差在0.5℃左右。通過中國人的實驗對已建立的熱調(diào)節(jié)模型進(jìn)行了驗證。驗證結(jié)果表明,大部分情況下中國標(biāo)準(zhǔn)人的模型對平均皮溫的和局部皮溫的預(yù)測要顯著優(yōu)于基于西方人的Fiala模型,對平均皮溫預(yù)測的最大偏差值從0.79°C降至0.48°C,而對局部皮溫的最大預(yù)測偏差從2.11℃降至1.46℃;而多數(shù)情況下個性化的中國人模型的預(yù)測精度則顯著優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)人模型,對平均皮溫的預(yù)測精度在0.20℃到0.38℃之間,且局部皮溫的預(yù)測偏差基本在1℃以內(nèi)。2)建立了基于中國人熱心理特征的熱感覺模型。首先,基于熱調(diào)節(jié)模型計算得到的人體局部皮溫建立起局部熱感覺模型。通過包含局部皮溫和平均皮溫影響的回歸公式來計算得到局部熱感覺;且在非穩(wěn)態(tài)的環(huán)境下,環(huán)境參數(shù)的變化對局部熱感覺也會產(chǎn)生影響�；谝延械臒岣杏X實驗數(shù)據(jù),通過最小二乘法確定了回歸公式中各項影響因素的權(quán)重系數(shù)。綜合局部熱感覺的影響,建立起判斷整體熱感覺的總體原則:熱感覺偏離中性的程度越大,其在整體熱感覺計算中的相對權(quán)重就越高�；谝陨显瓌t,得到了不同環(huán)境下整體熱感覺的計算方法。3)結(jié)合熱調(diào)節(jié)和熱感覺模型建立起適合中國人的熱舒適模型,實現(xiàn)了用環(huán)境和人員參數(shù)進(jìn)行熱舒適水平的判斷。為了擴(kuò)展模型的通用性,在中國人模型加入了自適應(yīng)方法,使得該模型可以根據(jù)不同人群的生理特征和熱偏好在合理范圍內(nèi)對模型進(jìn)行修正,進(jìn)而獲得更高的預(yù)測精度。通過大量實驗數(shù)據(jù)對中國人的熱舒適模型進(jìn)行全面的驗證,整理了現(xiàn)有針對中國人的實驗研究,建立起中國人熱舒適研究的數(shù)據(jù)庫。對于均勻穩(wěn)態(tài)環(huán)境來說,模型的預(yù)測熱感覺值和實測熱感覺均值的偏差基本在±0.2的范圍內(nèi);在動態(tài)環(huán)境中,對平均皮溫的預(yù)測基本在實測值的標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi),整體熱感覺的預(yù)測偏差大部分在±0.5的范圍內(nèi)。模型的預(yù)測與全國范圍內(nèi)實際建筑環(huán)境的熱感覺調(diào)查結(jié)果吻合良好,模型預(yù)測值和主觀熱感覺投票均值的相關(guān)系數(shù)基本在0.9左右。4)將熱舒適模型用于室內(nèi)環(huán)境的設(shè)計和評價中,提出了基于中國人熱舒適模型的空調(diào)設(shè)計參數(shù)范圍。研究發(fā)現(xiàn),對于夏季制冷環(huán)境而言,在相同的熱舒適設(shè)計要求下,采用中國人熱舒適模型計算得到的室內(nèi)空氣空氣設(shè)計溫度較原有規(guī)范可以提高1-2℃。此外,中國人模型還可以用于非均勻環(huán)境的設(shè)計,基于中國人模型的預(yù)測對床頭送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行實驗研究,找到了最優(yōu)的送風(fēng)參數(shù)組合。進(jìn)一步基于中國人熱舒適模型,開發(fā)出了基于熱感覺的空調(diào)系統(tǒng)控制策略。通過環(huán)境參數(shù)的測量和問卷調(diào)查,基于熱感覺的空調(diào)控制策略不僅舒適性較好:模型的熱感覺預(yù)測值在±0.5的范圍內(nèi);且空調(diào)系統(tǒng)單位時間內(nèi)的能耗降低:和傳統(tǒng)的空調(diào)控制策略相比,夏季典型工況下節(jié)能幅度可達(dá)14.8%。
【圖文】：

第一章 緒論強(qiáng)，通過顫栗的方式增強(qiáng)人體的產(chǎn)熱量以平衡冷環(huán)境下散熱量的增加，從而保持體溫在一定的范圍內(nèi)。當(dāng)受到熱刺激時，人體皮下組織（或內(nèi)臟器官）的熱感受器將被激活，并將熱刺激信號傳到中樞神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行處理，如圖 1-1 右側(cè)所示。在接到中樞神經(jīng)系統(tǒng)的控制信號后，，人體啟動血管擴(kuò)張機(jī)制使得更多的血液能進(jìn)入皮膚表面血管中，從而更多的熱量可以從身體內(nèi)部散發(fā)到周圍環(huán)境中，血管的擴(kuò)張作用能使得血液流量最多可以增加 15 倍（如從靜止舒適狀態(tài)的 1.7 mL/(s·m2) 增加至 25 mL/(s·m2)）。若血管擴(kuò)張仍不足以消除熱刺激的影響，人體將通過分泌汗液來增強(qiáng)散熱。出汗可以非常有效的降低皮膚溫度和增加人體-環(huán)境的換熱量。據(jù)估計，在沒有出汗的情況下人體通過輻射、傳導(dǎo)及對流換熱量占總換熱量的 70%左右，而當(dāng)人體出汗時，通過汗液的蒸發(fā)散熱能占到總的換熱量的 70%左右[24, 25]。

第一章 緒論受在皮膚中的位置則相對較深，且數(shù)量相對較少。兩種感受率如圖 1-2所示[26]。從左至右隨著外界溫度的升高，最先是2℃左右時，冷感受的放電頻率增加，直至26℃左右達(dá)到最大電頻率增加，直到近 50℃時痛覺感受器再次放電。冷熱溫度界溫度值的高低，同時還能感知外界溫度的變化速率。中樞的溫度感受器的放電頻率，形成對當(dāng)前熱環(huán)境的判斷，進(jìn)而和行為。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TU111

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本文編號：2533919