蔣毅,趙立華,孟慶林
(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 建筑學(xué)院,長(zhǎng)沙 410076;2.華南理工大學(xué) 建筑學(xué)院;亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510641)
在溫室效應(yīng)和快速城鎮(zhèn)化的雙重影響下,中國(guó)南方濕熱地區(qū)城市室外熱環(huán)境日趨嚴(yán)峻,熱浪發(fā)生率日益增加,引發(fā)中暑等與氣候緊密相關(guān)的熱疾病的發(fā)生,導(dǎo)致與熱有關(guān)的死亡率提高[1-4]。高溫對(duì)人體產(chǎn)生的危害主要是通過(guò)影響肌體正常的生理過(guò)程導(dǎo)致新陳代謝和生理功能障礙,使人體體核溫度升高和大量排汗,引發(fā)脫水和熱中暑等疾病。
Gaage等[5]于1967年開(kāi)始了室內(nèi)人體熱反應(yīng)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究,于1971年提出了得到廣泛使用的人體二節(jié)點(diǎn)模型(two-node-model,簡(jiǎn)稱2NM)[6],該模型用分為內(nèi)外兩個(gè)集中層(皮膚層和核心層)的圓柱體來(lái)描述人體,并將人體視作受控系統(tǒng),而控制系統(tǒng)由皮膚層和核心層的傳感器組成,輸出信號(hào)通過(guò)傳感器可以調(diào)節(jié)血管中的血流量和皮膚層出汗量,從而調(diào)節(jié)人體皮膚溫度和體核溫度。二節(jié)點(diǎn)模型基于人體傳熱和生理熱調(diào)節(jié)原理提出,確立了熱環(huán)境物理參數(shù)變化與人體熱反應(yīng)之間的理論關(guān)系,是目前最簡(jiǎn)單、使用最廣泛的人體熱反應(yīng)模型。之后,大量學(xué)者的研究都是基于二節(jié)點(diǎn)模型或改進(jìn)的二節(jié)點(diǎn)模型開(kāi)展:如堪薩斯州立大學(xué)的Jones[7]將二節(jié)點(diǎn)模型與人體瞬態(tài)熱濕傳遞模型相結(jié)合,來(lái)模擬瞬態(tài)環(huán)境中不同參數(shù)變化條件下人體熱感覺(jué)的變化;敖順榮[8]采用二節(jié)點(diǎn)模型,研究了在突變熱環(huán)境下人體的熱感覺(jué)變化與生理參數(shù)變化的關(guān)系;Takada等[9]在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)二節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行了修正,并對(duì)改進(jìn)的二節(jié)點(diǎn)模型在穩(wěn)態(tài)環(huán)境下皮膚溫度預(yù)測(cè)的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證;張軍[10]開(kāi)展了室內(nèi)溫濕度突變?nèi)梭w熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn),改進(jìn)了人體二節(jié)點(diǎn)預(yù)測(cè)模型,使其在中國(guó)濕熱地區(qū)室內(nèi)溫濕度突變環(huán)境中具有適用性。以上研究大部分基于室內(nèi)理想可控環(huán)境,所得研究成果無(wú)法直接應(yīng)用到室外熱環(huán)境領(lǐng)域;二節(jié)點(diǎn)模型基于歐美白人人體特征獲得,運(yùn)用到亞洲人體熱反應(yīng)預(yù)測(cè)時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往出現(xiàn)較大誤差,需要對(duì)模型進(jìn)行修正和改進(jìn)。近年來(lái),室外熱環(huán)境受到重視,逐漸開(kāi)展了室外人體熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究。這些研究嘗試將基于室內(nèi)測(cè)試結(jié)果得到的人體熱反應(yīng)預(yù)測(cè)模型應(yīng)用到室外環(huán)境領(lǐng)域,并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)室外環(huán)境中人體熱調(diào)節(jié)的動(dòng)力學(xué)機(jī)理進(jìn)行分析[11];對(duì)常用室內(nèi)模型,如Stolwijk模型、人體二節(jié)點(diǎn)模型在室外熱環(huán)境領(lǐng)域的預(yù)測(cè)精度作出了初步判斷[12-13];對(duì)相關(guān)模型在室外熱環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了修正[14]。
中國(guó)南方濕熱地區(qū)高溫、高熱,夏季漫長(zhǎng),熱安全風(fēng)險(xiǎn)較高,在該地區(qū)開(kāi)展該研究,對(duì)提高和改善室外空間的熱環(huán)境水平,提升該地區(qū)城市室外環(huán)境的品質(zhì)和利用率,有一定的價(jià)值和指導(dǎo)意義。筆者以研究濕熱地區(qū)室外動(dòng)態(tài)變化環(huán)境對(duì)人體熱反應(yīng)影響為目的,通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取該地區(qū)人群在室外動(dòng)態(tài)變化環(huán)境中的生理變化特點(diǎn),在二節(jié)點(diǎn)模型的基礎(chǔ)上,探索建立適用于室外人體生理量變化預(yù)測(cè)模型。
二節(jié)點(diǎn)模型通過(guò)輸出信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)皮膚血流量和出汗量,從而調(diào)節(jié)人體皮膚溫度和體核溫度,因此,選取皮膚溫度和體核溫度這兩個(gè)生理量指標(biāo)來(lái)開(kāi)展人體熱反應(yīng)模型研究。血壓、心率和出汗量3個(gè)生理量指標(biāo)可以反映出受試者的生理調(diào)節(jié)狀態(tài),實(shí)驗(yàn)對(duì)這3個(gè)指標(biāo)都進(jìn)行了測(cè)定。其中,出汗量的測(cè)定方法是采用高精度工業(yè)天秤,對(duì)受試者在規(guī)定時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行體重測(cè)量,取前后兩次體重值之差作為出汗量。然而,在后續(xù)分析中發(fā)現(xiàn),室外環(huán)境中體重的測(cè)定受風(fēng)速的影響,出汗量的測(cè)定值存在很大誤差。由于血壓、心率和出汗量在二節(jié)點(diǎn)模型的系列數(shù)學(xué)表達(dá)式中屬于因變量,這3個(gè)變量的測(cè)試與否不影響皮膚溫度和體核溫度的計(jì)算,因此,實(shí)驗(yàn)舍棄了出汗量的相關(guān)分析。
引起人體生理量變化的主要環(huán)境因素為:風(fēng)速、太陽(yáng)輻射、場(chǎng)地的變化以及人體活動(dòng)狀態(tài),針對(duì)上述因素,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了站立、行走和環(huán)境交替變化3種類型的6個(gè)工況,具體如表1所示。
表1 工況設(shè)置
根據(jù)文獻(xiàn)[15]的研究顯示,廣州11月典型氣象日的日最高空氣溫度為29.2 ℃,日最大太陽(yáng)輻射量為978.93 W/m2,考慮到在此環(huán)境中無(wú)間隔站立行走30 min受試者很容易患中暑等熱疾病,基于安全考慮及招募受試者也存在一定的難度,選取了6名18~30歲的健康在校學(xué)生,于2017年11月27—28日下午及12月1日下午開(kāi)展了人體熱反應(yīng)測(cè)試,測(cè)試期間的天氣狀況如圖1所示。
受試者性別為3男3女,基本信息如表2所示,其中,體表面積A的計(jì)算采用式(1)所示DuBois公式[16]獲得。
實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為華南理工大學(xué)五山校區(qū)校園內(nèi)的實(shí)際人行空間,場(chǎng)地滿足休息室、日照區(qū)域和遮蔭區(qū)域銜接在一起的需求,如圖2、圖3所示。實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)的環(huán)境參量和人體生理量如表3所示。
圖3 遮蔭區(qū)域和日照區(qū)域
表3 測(cè)試變量和儀器
皮膚溫度的監(jiān)測(cè)采用文獻(xiàn)[17]中的7點(diǎn)測(cè)試方法,監(jiān)測(cè)額頭、手腕、手背、腹部、大腿、小腿和腳背溫度的連續(xù)變化。動(dòng)態(tài)環(huán)境參量的獲得方法為:用電動(dòng)三輪車裝載測(cè)試儀器,在實(shí)驗(yàn)中跟受試者一起保持相同的活動(dòng)狀態(tài),獲得與受試者所處環(huán)境一致的動(dòng)態(tài)環(huán)境參量,實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)置如圖4所示。
圖4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)置
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,受試者統(tǒng)一服裝,按照?qǐng)D5所示流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前在可控房間靜坐30 min,受控室溫度維持在24 ℃,室內(nèi)風(fēng)速為0 m/s,MRT值為24 ℃,所有環(huán)境參數(shù)維持穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)記錄受試者皮膚溫度、體核溫度、血壓、心率等生理量指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后,受試者在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地中面朝太陽(yáng)方向,每隔5 min記錄一次皮膚溫度、體核溫度和血壓心率等生理量指標(biāo)。參照標(biāo)準(zhǔn)ANSI ASHRAE Standard 55—2017,受試者在站立狀態(tài)時(shí)的新陳代謝量取70 W/m2,行走速度為1.2 m/s時(shí)的新陳代謝量取150 W/m2。
圖5 各工況測(cè)試進(jìn)程
各工況中的環(huán)境參數(shù)與受試者生理量變化如圖6所示。
工況1:遮蔭處站立。受試者由受控間到遮蔭區(qū)域站立,平均皮膚溫度呈下降趨勢(shì),下降幅度為1 ℃左右;平均體核溫度呈曲折上升趨勢(shì),變化幅度為0.4 ℃左右;平均血壓和心率都比較平穩(wěn),說(shuō)明此工況下受試者血流變化量小,通過(guò)皮膚層散熱也小。
工況2:日照處站立。受試者由受控間來(lái)到日照區(qū)域站立,平均皮膚溫度在前15 min呈波動(dòng)上升趨勢(shì),之后稍有回落,變化幅度為2 ℃左右;平均體核溫度同樣呈波動(dòng)上升狀態(tài),波動(dòng)幅度為0.5 ℃左右。受試者最高血壓、最低血壓以及心率都高于沒(méi)有太陽(yáng)輻射的工況1,說(shuō)明在有太陽(yáng)輻射的情況下,受試者血流速率增大,通過(guò)血液的流動(dòng)將更多的體內(nèi)產(chǎn)熱傳到皮膚層散發(fā)出去。
工況3:遮蔭處行走。受試者由受控間來(lái)到遮蔭區(qū)域以1.2 m/s行走,平均皮膚溫度在前10 min下降較快,之后趨于平穩(wěn),變化幅度接近2 ℃;平均體核溫度同樣呈波動(dòng)上升趨勢(shì),波動(dòng)幅度為0.3 ℃左右。血壓呈現(xiàn)波動(dòng)上升的狀態(tài),說(shuō)明受試者肌體血流速率增加,加快了將體內(nèi)產(chǎn)生的熱量通過(guò)皮膚層散發(fā)出去。
工況4:日照處行走。受試者由受控間來(lái)到日照區(qū)域,以1.2 m/s行走,平均皮膚溫度在前5 min上升較快,之后呈波動(dòng)狀態(tài),變化幅度接近2 ℃;平均體核溫度隨著時(shí)間的增加逐漸上升,波動(dòng)幅度為0.4 ℃左右。工況4的血壓和心率都高于工況3的狀態(tài),且波動(dòng)幅度更大,說(shuō)明此工況下受試者體內(nèi)積累了更多的熱量,身體通過(guò)調(diào)節(jié)增加血流速率和心跳速率,將體內(nèi)熱量從皮膚層散發(fā)出去。
工況5:環(huán)境交替變化站立。受試者走出受控間,在日照-遮蔭-日照區(qū)域交替站立10 min,皮膚溫度隨著環(huán)境的改變變化明顯,在日照區(qū)域皮膚溫度逐漸升高,在遮蔭區(qū)域皮膚溫度逐漸降低。受試者體核溫度值隨環(huán)境MRT的增大而上升,隨環(huán)境MRT的減小而下降,波動(dòng)幅度較大。受試者血壓值呈現(xiàn)與工況1、工況2相同的狀態(tài),即在太陽(yáng)輻射較強(qiáng)區(qū)域升高,在太陽(yáng)輻射較弱區(qū)域回落。
工況6:環(huán)境交替變化行走。受試者走出受控間,在日照-遮蔭-日照區(qū)域交替行走10 min,皮膚溫度變化趨勢(shì)與工況5一致,由于受較大相對(duì)風(fēng)速和較高的出汗量的影響,變化幅度略小于工況5。受試者的體核溫度變化規(guī)律與工況5基本一致,但體核溫度值要高于工況5。同樣,在步行狀態(tài)下,受試者的血壓和心率都比站立狀態(tài)下要高,在日照區(qū)域,血壓有升高趨勢(shì);在遮蔭區(qū)域,血壓有下降趨勢(shì)。
圖6 各工況環(huán)境參數(shù)和生理參數(shù)
為驗(yàn)證二節(jié)點(diǎn)模型(2NM)在濕熱地區(qū)室外動(dòng)態(tài)環(huán)境中的預(yù)測(cè)精度,用模型對(duì)受試者生理量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè),將預(yù)測(cè)值(模擬輸出結(jié)果)與觀測(cè)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)生理量數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較,二節(jié)點(diǎn)模型的輸入為室外熱環(huán)境的4個(gè)環(huán)境參量:空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、MRT值和2個(gè)人體相關(guān)參量:服裝熱阻、人體代謝率,分析過(guò)程如圖7所示。
圖7 模型驗(yàn)證流程
皮膚溫度和體核溫度的實(shí)測(cè)值與二節(jié)點(diǎn)模型的模擬值分別如圖8、圖9所示。
由圖8、圖9可以看出,二節(jié)點(diǎn)模型的預(yù)測(cè)值均高于熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)值,這與日本東北大學(xué)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似[12],該實(shí)驗(yàn)的4個(gè)工況條件下,受試者在可控房間內(nèi)的平均皮膚溫度實(shí)測(cè)值和二節(jié)點(diǎn)模型模擬值如表4所示。
由表4可知,工況1中實(shí)測(cè)值與模擬值之差最小,選擇該工況,采用式(2)做t檢驗(yàn),分析實(shí)測(cè)值與模擬值之間是否存在顯著性差異。
(2)
表4 實(shí)測(cè)平均皮膚溫度值、體核溫度值和2NM模型預(yù)測(cè)值對(duì)比Table 4 Comparison of predicted skin temperature and measured values
圖8 修正前各工況皮膚溫度模擬值與實(shí)測(cè)值比較
圖9 修正前各工況體核溫度模擬值與實(shí)測(cè)值比較
通過(guò)對(duì)工況1受試者平均皮膚溫度實(shí)測(cè)值和二節(jié)點(diǎn)模型的預(yù)測(cè)值做t檢驗(yàn),根據(jù)結(jié)果查表,得出檢驗(yàn)概率P<0.05,存在顯著性差異。由于工況1中實(shí)測(cè)值與模擬值之差最小,因此,可得出所有工況均存在顯著性差異。
亞洲人作為受試者的人體熱反應(yīng)存在二節(jié)點(diǎn)模型預(yù)測(cè)值高于實(shí)測(cè)值的現(xiàn)象。Gagge[6]的附件中給出了二節(jié)點(diǎn)模型的FORTRAN程序代碼,由代碼可得其熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)于室內(nèi)穩(wěn)態(tài)環(huán)境中進(jìn)行,人體模型采用的是歐美白種人人體標(biāo)準(zhǔn)模型。為驗(yàn)證此模型應(yīng)用到室外動(dòng)態(tài)環(huán)境的人體熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn),且受試者為黃種人時(shí),模型是否需要修正,基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)亞洲受試者二節(jié)點(diǎn)模型生理量預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值做了吻合度檢驗(yàn)。
吻合度評(píng)價(jià)值C的計(jì)算式如式(3)。
(3)
式中:Yi為i時(shí)刻二節(jié)點(diǎn)模型的預(yù)測(cè)值;yi為i時(shí)刻熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)值;∑i為i時(shí)刻熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值標(biāo)準(zhǔn)偏差。
對(duì)C值進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)C>1.2時(shí),表示二節(jié)點(diǎn)模型預(yù)測(cè)值和熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值不相吻合;當(dāng)0.8≤C≤1.2時(shí),表示二節(jié)點(diǎn)模型預(yù)測(cè)值和熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值在標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍內(nèi)吻合;當(dāng)C<0.8時(shí),表示二節(jié)點(diǎn)模型預(yù)測(cè)值和熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值之間吻合度高。如果二節(jié)點(diǎn)模型預(yù)測(cè)值和熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值之間的吻合度較低或者不相吻合,則需對(duì)二節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行修正,以提高適用性。
計(jì)算得到的6個(gè)工況條件下皮膚和體核溫度的二節(jié)點(diǎn)模型預(yù)測(cè)值及熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值之間的吻合度C值如表5所示。
由表5中吻合度判斷可知,在室外動(dòng)態(tài)環(huán)境中應(yīng)用二節(jié)點(diǎn)模型時(shí),需要對(duì)其進(jìn)行修正。
表5 未修正模型吻合度檢驗(yàn)
注:□表示在標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍內(nèi)吻合(0.8≤C≤1.2);×表示不相吻合(C>1.2)
將二節(jié)點(diǎn)模型FORTRAN程序代碼[6]的算法過(guò)程、相關(guān)數(shù)學(xué)表達(dá)式的生理量取值與實(shí)驗(yàn)相應(yīng)過(guò)程及相關(guān)生理量實(shí)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)分析,發(fā)現(xiàn)模型算法的預(yù)測(cè)流程與本實(shí)驗(yàn)在以下方面存在差異,具體為:受試者皮膚和體核調(diào)定溫度、人體標(biāo)準(zhǔn)模型取值、肌體啟動(dòng)體溫調(diào)節(jié)時(shí)的環(huán)境溫度值、人體與環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)取值。因此,需要對(duì)此4個(gè)方面取值進(jìn)行修正,修正過(guò)程如下:
1)6個(gè)實(shí)驗(yàn)工況受試者初始皮膚溫度平均值為32.9 ℃,初始體核溫度平均值為36.1 ℃,二節(jié)點(diǎn)模型相應(yīng)取值為初始體核溫度值34.1 ℃、初始體核溫度值36.6 ℃,表明亞洲黃種人皮膚、體核溫度的調(diào)定點(diǎn)與歐美白種人之間存在差異,需對(duì)模型相應(yīng)取值進(jìn)行修正,分別為32.9、36.1 ℃。
2)目前缺乏中國(guó)人標(biāo)準(zhǔn)人體模型數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中,受試者平均體重為63.8 kg,平均身高為1.66 m,平均人體表面積為1.8 m2。二節(jié)點(diǎn)模型中相應(yīng)取值采用了白種人標(biāo)準(zhǔn)人體模型數(shù)據(jù),即體重81.7 kg,身高1.77 m,人體表面積2.0 m2。由黃種人和白種人之間的差異性可知,需對(duì)相應(yīng)取值進(jìn)行修正,采用實(shí)驗(yàn)受試者平均值。
3)二節(jié)點(diǎn)模型基于室內(nèi)可控環(huán)境開(kāi)發(fā),沒(méi)有受到太陽(yáng)輻射的影響,當(dāng)空氣溫度達(dá)到一定高度時(shí),受試者肌體就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)體溫調(diào)節(jié)功能。熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)選取的場(chǎng)所為有太陽(yáng)輻射影響的室外動(dòng)態(tài)環(huán)境,在輻射影響下,人體啟動(dòng)調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)溫度值應(yīng)考慮太陽(yáng)輻射影響,因此,對(duì)二節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行修正,將受試者肌體自動(dòng)啟動(dòng)體溫調(diào)節(jié)功能的驅(qū)動(dòng)溫度值由空氣溫度Ta改為受試者所處環(huán)境的平均輻射溫度MRT。
4)二節(jié)點(diǎn)模型基于室內(nèi)可控環(huán)境開(kāi)發(fā),不用考慮風(fēng)速的影響,人體與環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)hc取值為查表獲得的常量,以步行狀態(tài)為例其取值為10.00 W/m2·C。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為室外動(dòng)態(tài)環(huán)境,風(fēng)速時(shí)刻變化,受試者與環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)跟瞬時(shí)相對(duì)風(fēng)速密切相關(guān),因此,需對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)的取值方法進(jìn)行修正,修正方法按式(4)[17]進(jìn)行。
(4)
式中:Va為場(chǎng)地內(nèi)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)風(fēng)速,m/s;β為場(chǎng)地內(nèi)亂流度,由式(5)計(jì)算得到。
(5)
式中:Vp為場(chǎng)地內(nèi)風(fēng)速平均值,m/s;Vi為場(chǎng)地內(nèi)各節(jié)點(diǎn)風(fēng)速值,m/s。
將二節(jié)點(diǎn)模型(簡(jiǎn)稱為Re2NM)進(jìn)行修正后,對(duì)修正后模型的預(yù)測(cè)精度進(jìn)行吻合度檢驗(yàn)。實(shí)測(cè)值與Re2NM對(duì)人體皮膚、體核溫度的預(yù)測(cè)值比較如圖10、圖11所示。
修正之后的二節(jié)點(diǎn)模型皮膚溫度和體核溫度模擬值吻合度檢驗(yàn)見(jiàn)表6。
表6 修正后吻合度檢驗(yàn)
注:√表示吻合度高(C<0.8)
由表中吻合度判定可知,6個(gè)工況的Re2NM對(duì)受試者皮膚溫度、體核溫度模擬值與實(shí)測(cè)值具有高吻合度,由此可知,修正后人體二節(jié)點(diǎn)模型對(duì)中國(guó)濕熱地區(qū)室外環(huán)境中人體變化的生理量預(yù)測(cè)具有適應(yīng)性,可用于該地區(qū)人體變化生理量的預(yù)測(cè)。
圖10 修正后各工況皮膚溫度模擬值與實(shí)測(cè)值比較
圖11 修正后各工況體核溫度模擬值與實(shí)測(cè)值比較
二節(jié)點(diǎn)模型由Gagge基于室內(nèi)可控穩(wěn)態(tài)環(huán)境開(kāi)發(fā),受試者均為歐美白種人,模型的所有數(shù)參量基于歐美白種人人體標(biāo)準(zhǔn)體型確定取得,并寫入模型軟件的相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算式中。同樣,由于試驗(yàn)場(chǎng)地為室內(nèi)可控環(huán)境,人體與環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)值為常數(shù),具體取值根據(jù)人體的活動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行查表獲得。因此,在其他不同狀態(tài)環(huán)境中應(yīng)用Gagge的二節(jié)點(diǎn)模型,或受試者為其他與歐美白種人存在差異的人種時(shí),為保證實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)精度,需要對(duì)二節(jié)點(diǎn)模型的相關(guān)計(jì)算過(guò)程和取值進(jìn)行修正。
筆者從受試者皮膚和體核調(diào)定溫度、人體標(biāo)準(zhǔn)模型身高、體重和體表面積值、引起肌體啟動(dòng)體溫調(diào)節(jié)的環(huán)境溫度值、人體與所處環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)取值等方面,在Gagge的原始二節(jié)點(diǎn)模型FORTRAN語(yǔ)言計(jì)算程序基礎(chǔ)上進(jìn)行了修正,同時(shí)寫成EXCEL程序進(jìn)行驗(yàn)證。修正方法為:
1)將原始程序中相關(guān)人體常量定義成可賦值變量。
2)將人體與所處環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)有常量替換為數(shù)學(xué)表達(dá)式并增補(bǔ)進(jìn)程序中。
通過(guò)上述修正方式,得到的模型實(shí)現(xiàn)了模型程序的通用性,消除了樣本量不足時(shí)預(yù)測(cè)精度不高的局限性:當(dāng)熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地改變或受試者數(shù)量改變時(shí),只要按要求輸入相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)和受試者參數(shù),就可以保證預(yù)測(cè)的精度。
1)受試者在零風(fēng)速的受控室生理特征趨于平穩(wěn),之后進(jìn)入無(wú)太陽(yáng)直射輻射的室外環(huán)境,受場(chǎng)地內(nèi)自然風(fēng)的影響,人體與環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)增加,加快了人體與環(huán)境之間的對(duì)流換熱速度,皮膚表面水份加速蒸發(fā)致使皮膚的表面溫度下降,之后在人體的體溫調(diào)節(jié)作用下皮膚的表面溫度趨于平穩(wěn)。當(dāng)人體從無(wú)風(fēng)受控室進(jìn)入太陽(yáng)直射輻射區(qū)域時(shí),高平均輻射溫度(MRT)使皮膚溫度上升,之后人體進(jìn)行體溫調(diào)節(jié),皮膚溫度趨于平穩(wěn),當(dāng)平均輻射溫度(MRT)降低時(shí),平均皮膚溫度有下降趨勢(shì),之后人體進(jìn)行體溫調(diào)節(jié),皮膚溫度趨于平穩(wěn)。
2)站立或行走狀態(tài)下,受試者的體核溫度都明顯受所處環(huán)境平均輻射溫度(MRT)影響,在平均輻射溫度(MRT)較高環(huán)境中上升較快,在平均輻射溫度(MRT)較低環(huán)境中呈緩慢上升。當(dāng)受試者所處場(chǎng)地環(huán)境改變時(shí),在平均輻射溫度(MRT)值較高的區(qū)域,皮膚溫度、體核溫度、血壓和心率都呈上升趨勢(shì),在平均輻射溫度(MRT)值較低的區(qū)域呈下降趨勢(shì)。
3)Gaage的人體二節(jié)點(diǎn)模型應(yīng)用到黃種人的生理量預(yù)測(cè)時(shí),模型預(yù)測(cè)值普遍高于實(shí)測(cè)值,預(yù)測(cè)值和模擬值吻合度不高或不相吻合。
4)當(dāng)受試者為非歐美白種人或?qū)嶒?yàn)環(huán)境改變時(shí),需對(duì)Gaage的人體二節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行修正,修正的內(nèi)容包括:皮膚、體核調(diào)定溫度、人體標(biāo)準(zhǔn)模型身高、體重和體表面積值、引起肌體啟動(dòng)體溫調(diào)節(jié)的環(huán)境溫度值、人體與所處環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)取值。為保證修正模型的通用性,在模型的計(jì)算程序中,相關(guān)參數(shù)和調(diào)節(jié)過(guò)程不應(yīng)寫成常量,而應(yīng)寫成可賦值的變量或數(shù)學(xué)表達(dá)式。