周雨濃　戴嘉豪　戴蔣千易

【中圖分類號(hào)】R83 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-6851（2017）11-0-01

前言

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，當(dāng)代人對于生活的舒適度提出了更高的要求，對人體舒適度的評(píng)價(jià)也愈發(fā)成為了社會(huì)熱點(diǎn)。人體的生理功能受到包括大氣溫度、濕度、氣壓、光照、風(fēng)、個(gè)體差異、服裝等多種因素的影響。研究表明，氣溫適中時(shí)溫度對人體影響并不顯著[1]。濕度主要影響人體熱代謝和水鹽代謝，尤其在溫度相對較高或較低時(shí)影響顯著[2]。高溫高濕影響人體汗液蒸發(fā)，機(jī)體熱平衡受破壞，且隨溫度升高更趨明顯。在冬天的相對濕度較高的日子里，身體的熱輻射易被空氣中的水汽吸收，此時(shí)衣服的導(dǎo)熱性也會(huì)增加，從而加速機(jī)體散熱。而風(fēng)在氣溫低于皮膚溫度時(shí)加快散熱，風(fēng)越大散熱越快[3]。

有效溫度指數(shù)ET（Effective Temperature Index）， 該指標(biāo)以受試者對冷暖的主觀感受作為評(píng)價(jià)依據(jù)[4]， 在決定此項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)中， 受試者在氣溫和相對濕度不同的兩個(gè)房間來回走動(dòng)， 調(diào)節(jié)一個(gè)房間的環(huán)境參數(shù)， 當(dāng)受試者在兩個(gè)房間內(nèi)獲得相同的熱感覺時(shí)， 就把房間A的溫度作為房間B的有效溫度。后來有人將風(fēng)速考慮進(jìn)來， 并根據(jù)香港實(shí)際情況對經(jīng)典ET公式進(jìn)行修正， 提出了“凈有效溫度” NET（Net Effective Temperature）， NET已成為香港氣象觀測中心每天發(fā)布的常規(guī)氣象服務(wù)指標(biāo)之一[5]。

進(jìn)入21世紀(jì)以后， 伴隨著多學(xué)科的高度交叉與融合， 人類可以更全面、更精確地描述人體的熱量傳輸與能量代謝過程， 相比之下， 以往的熱量平衡模型顯得理論基礎(chǔ)薄弱、陳舊、太過理想化。在世界氣象組織（WMO）氣候?qū)W委員會(huì)的倡導(dǎo)之下，建立了一個(gè)基于多結(jié)點(diǎn)模型的通用熱氣候指數(shù)UTCI（Universal Thermal Climate Index）[6]， 該模型將人體明確分為具有熱調(diào)節(jié)功能的主動(dòng)系統(tǒng)和人體內(nèi)部傳熱過程的被動(dòng)系統(tǒng)， 主動(dòng)系統(tǒng)用來模擬人體代謝、皮膚血液流動(dòng)的減弱（血管收縮）和加強(qiáng)（血管舒張）、發(fā)汗、發(fā)抖等；被動(dòng)系統(tǒng)需要考慮人體不同部位表皮、真皮、骨骼、肌肉、內(nèi)臟等組分的差別，模擬各區(qū)段中血液循環(huán)、新陳代謝、熱量傳導(dǎo)與累積等人體內(nèi)部傳熱過程。UTCI結(jié)構(gòu)復(fù)雜，考慮細(xì)致周全，擬真度高，可以廣泛應(yīng)用于氣象服務(wù)、公眾健康預(yù)警、城市規(guī)劃、旅游娛樂等諸多領(lǐng)域[7，8]。

2 研究方法：

2.1 模型假設(shè)和模型建立求解

為了研究住房和室溫對人體舒適的影響，我們不妨把住房簡化為一個(gè)高度適宜且空間充足長方體，且房屋四面裝有可通風(fēng)的窗戶，確?？諝獬浞至魍?。忽略海拔高度對壓強(qiáng)的影響，假設(shè)一個(gè)65公斤重的健康的人體補(bǔ)充適宜且充足的食物，保證人體產(chǎn)熱量能有效供給散熱，且不在室內(nèi)劇烈運(yùn)動(dòng)影響排汗系統(tǒng)。

首先我們不考慮服裝的影響，假設(shè)人為裸體

若溫度適中，在23℃左右時(shí)，在這一空間內(nèi)壓強(qiáng)可視為定值，人體的熱代謝和水鹽代謝正常，不進(jìn)行排汗，排尿等正常代謝適量且健康，根據(jù)2017全國中學(xué)生建模競賽試題，相對濕度對人體汗液蒸發(fā)和服裝吸附影響忽略不計(jì)，人體不會(huì)感到不適。根據(jù)，人體工作強(qiáng)度直接決定了人體的舒適與否。溫度適宜的條件下，人體必需生命活動(dòng)產(chǎn)生廢熱在健康狀態(tài)下為定值，我們在此用Q表示，人體比熱容近似于水的比熱容C=4.02×103，人體保持T?=37℃恒溫，環(huán)境溫度為T，人體質(zhì)量M=65kg，其中平均散熱效率為60%。當(dāng)溫度適宜，自然條件下人體輻射散熱和產(chǎn)生廢熱相等，于是近似有：Q=O.6*c△TM=0.6c（T?-T）M=0.6*4020*（37-23）*65J=2194920J。規(guī)定人體工作強(qiáng)度為P=│Q-0.6c△TM│/t=0（存在T=T時(shí)，等號(hào)成立）

此處t為自然狀況下的散熱時(shí)間，假設(shè)人體沒有活性，冷卻至室溫時(shí)間大致為10小時(shí)，所以有t=10h，此時(shí)人體處于最舒適溫度，溫度升高，△T減小，Q不變，人體輻射散熱不能滿足散熱量需求，這時(shí)人體還要通過排出皮膚中的水汽和汗液蒸發(fā)散熱，設(shè)其散熱量為Q?有Q=0.6*c△TM+Q?；Q蒸=αy（0.0174vf+0.0229）（Pb-Pa）A（760/B）=306173.1459*（0.0174*vf+0.0279） 。

在Q蒸

人體工作強(qiáng)度P=│Q-0.6c△TM-0.6cTM|/t

=│Q-0.6c（T-T）M|/t

Q蒸>Q?時(shí)，此時(shí)人體會(huì)感到寒冷，產(chǎn)生熱量來維持機(jī)體體溫

P=（Q蒸-QL）/t

溫度降低，△T增大，此時(shí)人體為了維持體溫產(chǎn)生更多的熱量會(huì)使人產(chǎn)生寒冷的不舒適感，設(shè)Q為人體為了維持體溫所產(chǎn)生的更多的熱量。

Q=c0.6*△TM

人體工作強(qiáng)度P=k│Q+Q-0.6*c△TM│/t

工作強(qiáng)度越大，人體機(jī)能負(fù)荷越大，越不舒適，其中越接近0，越靠近舒適溫度。再考慮相對濕度。

再考慮服裝：當(dāng)人體穿著透氣服裝之后，衣服能吸附空氣中的水分子，此時(shí)增大人體散熱。即在冬天和大風(fēng)天氣時(shí)，服裝會(huì)加劇人體寒冷程度，使人體不適。

當(dāng)人體穿著不透氣服裝，衣服對熱量的保溫作用增強(qiáng)，減少人體散熱途徑。在夏季或少風(fēng)天氣時(shí)迫使人體通過排汗散發(fā)更多的熱量，容易使人體缺水甚至中暑。

3 討論

該模型有一定的優(yōu)點(diǎn)。引入了新的關(guān)于人體舒適度的判斷指標(biāo)，將主觀化的人體舒適度轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬陀^化的標(biāo)準(zhǔn)[9]。同時(shí)在濕度上我們僅改變濕度的對比更加的富有新意。建立的模型的原理簡單易懂，簡化了計(jì)算，并且切實(shí)可行。我們使用軟件較少，但保證了圖像的直觀性，模型邏輯性較強(qiáng)。

模型具有一定的局限性。難以做到將黃白黑三大人種，國內(nèi)外各地區(qū)具體環(huán)境，個(gè)人對不同環(huán)境耐受度等因素對模型的影響考慮進(jìn)模型中。由于數(shù)據(jù)、軟件等限制，模型無法將濕度與溫度建立確切的函數(shù)關(guān)系式。

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