文/樊佳璇（清華大學）

研究團隊使用暖體假人開展低溫環(huán)境現(xiàn)場實驗

清華大學建筑學院2021級碩士鞠欣源的本科畢業(yè)論文《低溫環(huán)境下人體熱舒適的部位需求分布及響應特征研究》被評為優(yōu)秀畢業(yè)論文。她是怎樣通過一件神奇的加熱服和一系列的冷庫實驗，發(fā)現(xiàn)人體哪個部位最怕冷？同時,又如何為個體熱舒適的改善提供理論支撐？

不設計建筑的建筑學院學生

鞠欣源本科專業(yè)為建筑環(huán)境與能源應用工程，隸屬于清華大學建筑學院的建筑技術(shù)科學系。不同于負責對建筑結(jié)構(gòu)、外觀進行整體設計規(guī)劃的建筑系，建環(huán)專業(yè)的研究領(lǐng)域主要是在建筑設計完工后，對室內(nèi)的空調(diào)設備、聲光條件、空氣質(zhì)量等條件進行合理規(guī)劃，以營造必要的適宜人類生活、工作的居住環(huán)境，同時也包括了對建筑運行過程中如何實現(xiàn)節(jié)能減碳目標等相關(guān)問題的研究。

鞠欣源本科階段就進入了清華大學建筑學院朱穎心教授和曹彬副教授帶領(lǐng)的熱舒適課題組，在課題組老師和師兄、師姐的帶領(lǐng)下，研究如何通過技術(shù)手段改善人對熱環(huán)境的滿意度和接受度。由于人對舒適的感受具有一定的主觀性，研究需要先基于實驗和投票將受試者的感受轉(zhuǎn)化為可量化的數(shù)據(jù)。實驗過程中，除了需要定期向受試者發(fā)放問卷，收集受試者主觀感受，還會通過心率帶、皮膚溫度傳感器、核心溫度膠囊等設備，采集受試者在實驗過程中的心率、皮膚溫度、核心溫度等數(shù)據(jù)，并結(jié)合問卷結(jié)果進行綜合分析，得出結(jié)論。這樣的研究方法成為鞠欣源在畢業(yè)設計中采用的基本研究框架。

冬奧極寒環(huán)境誕生的“熱”課題

2022年，奧林匹克的圣火再次在北京點燃，在延慶、張家口賽區(qū)舉辦的大量雪上項目多在露天舉行，山區(qū)雪多風大，氣溫低至 -10 ℃甚至 -20 ℃的情況很常見。極端的低溫環(huán)境不僅影響觀眾的參與熱情，可能導致大量觀眾因過于寒冷而提前退場，還可能會使媒體記者、志愿者等因為手腳凍僵而難以正常工作，這給賽事組織方的熱舒適保障帶來極大挑戰(zhàn)。

自2018年開始，清華大學建筑學院副教授曹彬團隊參與了國家“十三五”重點研發(fā)計劃“科技冬奧”專項，開展了一系列基礎(chǔ)研究和設備研發(fā)，力求在冰雪運動場館極端寒冷條件下，為廣大觀眾提供較為溫暖舒適的觀賽保障，從而提升觀賽體驗。

曹彬副教授也是鞠欣源的畢業(yè)論文導師。鞠欣源深入了解了曹彬老師課題組針對冬奧研發(fā)的“加熱坐墊”“加熱馬甲”等設備，并對局部熱舒適以及個體熱舒適系統(tǒng)領(lǐng)域過往研究進行了梳理。她發(fā)現(xiàn)還存在很大的研究空間，例如實驗往往集中于單個或三到四個部位的熱刺激，不同身體部位的組合測試相對較少，受試者在實驗中主要作為被動接受者而不具有自主調(diào)節(jié)能力等。

通過反復討論與修改，鞠欣源在以往的課題成果和工程項目上進行深入發(fā)掘，將自己畢業(yè)論文的研究問題確定為自主調(diào)節(jié)加熱模式下人體熱需求的部位間分布，以及交替加熱的熱舒適改善效果。她希望通過對人的不同部位熱需求的實驗研究，為個體熱舒適設備的開發(fā)應用提供一定的理論支撐，服務于冰雪運動員、邊防官兵等需長期處于低溫環(huán)境的工作者。

冷庫里誕生的優(yōu)秀畢業(yè)論文

為了完成這一復雜的實驗，首先需要一套涵蓋溫度測量與控制、問卷發(fā)布與數(shù)據(jù)收集的實驗系統(tǒng)。鞠欣源與專業(yè)公司合作，設計出了一套以加熱服為核心的局部熱舒適實驗平臺。

加熱服由普通的運動服改造而成，在一套運動服上添加20片石墨烯加熱片，覆蓋人體的胸、腹、大臂、大腿等9個部位，每片加熱片通過線路與位于控制盒內(nèi)的主板相連，通過4G通訊實現(xiàn)與主試端和被試端的數(shù)據(jù)傳輸與溫度控制。

專門設計定制加熱服裝與實驗平臺，耗費了鞠欣源大量時間，留給實驗的時間十分有限。而在進入實驗階段后，由于新開發(fā)的設備本身存在不穩(wěn)定性，再加上招募來的受試者也都是沒有相關(guān)經(jīng)驗的普通學生，鞠欣源在整個實驗過程中需要不斷地與實驗設備、平臺進行磨合，修復bug。現(xiàn)在回憶起那段經(jīng)歷，鞠欣源第一時間想到的就是實驗中一系列令人“防不勝防”的“意外事故”。

加熱服是鞠欣源整套實驗設備的核心部件。每次實驗開始前，都需要受試者先穿戴好整套加熱服，而分布在加熱服上各個部位的加熱片通過一條條線路與主板相連，遍布全身的電源線路，就像是為加熱服“輸血”的“血管”，對實驗過程中的溫度控制與數(shù)據(jù)傳輸具有至關(guān)重要的作用。

然而，作為一套自研的實驗設備，加熱服沒有經(jīng)過細致包裝，電源線被直接附著在運動服里襯上，受試者在穿戴加熱服時，密集而裸露的電源線被扯斷的情況時有發(fā)生。即使在外觀沒有異常的情況下，也可能會發(fā)生加熱片失靈等情況。針對此，鞠欣源一方面加強在實驗開始前的設備檢查，另一方面，在實驗過程中時刻通過對講機與受試者保持溝通，隨時準備處理實驗過程中可能出現(xiàn)的意外狀況。

除了實驗設備的“不穩(wěn)定性”，鞠欣源遇到的另一個困難是實驗環(huán)境的營造。冬奧賽場的平均溫度常常低至-10℃，甚至-20℃。為了模擬極端嚴寒的氣候環(huán)境，鞠欣源將自己的實驗條件設定在了-15℃，這就需要一個10m左右的空間，能夠同時容納兩位受試者，且溫度穩(wěn)定維持在-15℃。由于清華校內(nèi)沒有能夠滿足這一實驗需求的低溫實驗室，鞠欣源只好借助校外場地完成實驗。最終，天津商業(yè)大學的制冷技術(shù)實驗室提供了符合鞠欣源實驗需求的冷庫，這個培養(yǎng)制冷專業(yè)人才的重點實驗室，成為了鞠欣源研究熱舒適的實驗場。

實驗平臺運行流程示意圖

經(jīng)過不懈努力，鞠欣源最終完成了實驗，得到了人體不同部位的熱需求分布規(guī)律，也驗證了個體間熱需求確實存在差異的假設。

鞠欣源從實驗中得出的第一個結(jié)論便是人體熱需求的分布在身體各部位間是有差別的。在實驗的第一階段，受試者可以通過手中的平板電腦，自主調(diào)節(jié)身體各部位加熱片的加熱溫度，從而達到比較舒適的狀態(tài)。鞠欣源對受試者的自主調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)，如果以加熱片溫度調(diào)整幅度為標準度量部位間熱需求，四肢的熱需求明顯高于軀干。其中，小腿部位加熱片溫度提升最高，達到了14.9℃，而背部最低，只有5.8℃。也就是說，從鞠欣源的實驗結(jié)果來看，小腿是人體最怕冷的部位。

在解釋“交替加熱在節(jié)能的同時，與持續(xù)加熱效果基本相同”的結(jié)論時，鞠欣源試圖用拍電影來類比，讓這一結(jié)論更便于理解。在她看來，電影是將一幀一幀的靜止畫面連續(xù)播放，利用人眼的“視覺暫留”原理，使人得到連續(xù)動態(tài)的視覺觀感，形成與真實世界中觀看連續(xù)運動的物體相同的感受。與此類似，“熱感覺暫留”效果同樣存在，通過對人體3個部位為一組的交替循環(huán)加熱，獲得的熱舒適改善效果與持續(xù)加熱相近。同時，相較全身9個部位持續(xù)加熱的模式，交替加熱又節(jié)省了2/3的加熱時間，起到了節(jié)能效果。

鞠欣源的畢設最終被評為2021年清華大學優(yōu)秀畢業(yè)論文，她自研的實驗平臺系統(tǒng)也已經(jīng)在課題組內(nèi)得到了小范圍推廣，應用到組內(nèi)開展的其他實驗中。接下來，鞠欣源會繼續(xù)在熱舒適領(lǐng)域為改善人的環(huán)境滿意度做出微小卻有意義的探索。