特种密闭服装内微环境热舒适评价模型探讨

王 涛，林贵平，张万欣，卜雪琴，张 宸，陶永博

（1.北京航空航天大学人机工效与环境控制重点学科实验室，北京100191；2.中国航天员科研训练中心，北京100094）

1 引言

国际标准化组织（ISO）制定的ISO 7730标准将热舒适描述为人对周围热环境所做的主观满意度评价［1］。20世纪初，随着科技的发展和生活水平的提高，人们对住所和穿衣有了更为苛刻的舒适要求，环境的热舒适性研究开始盛起。20世纪中后期，热舒适问题直接影响到了建筑环境系统的节能，在建筑的经济性和可持续性发展上起着十分重要的作用，这一时期热舒适研究得到了迅猛发展［2］。直到现今热舒适与能源之间发展矛盾解决方案的不断优化依然是人类迈进现代化进程中需要面对和解决的课题之一。

热舒适研究在过去很长一段时间内关注的是建筑室内环境的热舒适性，内容包含建立模型和评价指数［3-4］、试验研究［5］、建立评价方法和热舒适标准［6］等。这些研究发现创建了现今国际和国内执行的通行标准，即ASHRAE 55标准［7］和ISO7730标准［1］。这两个标准主要基于人体与环境间的热交换理论，由丹麦Fanger教授通过1296名志愿者在人工气候舱内的大量试验数据推导获取［8］。然而这些方法和标准基于的是热舒适状态发生在人体与环境间达到热平衡时的假设，适用条件是人体处于或接近热中性状态，这大大限定和缩小了人体热舒适范围，另外模型也没有考虑地域、种族、年龄和性别的差异性［9］。此类标准只适用于稳态均匀环境［10］。

密闭服内部空间狭小，始终处于动态和非均匀的微小环境气候下。相比稳态均匀环境，在此类环境中人对环境的主观热反应不仅取决于整个身体的热状态，同时也受制于对身体各个局部热状态的判断［11-12］。在过去二十多年里，有大量的研究文献涉足动态非均匀环境下的热舒适研究［13-15］，它们主要集中在汽车行业，这是由于汽车车轿内环境常常处于不均匀和瞬态。这些文献给出的经验和成果为密闭服的热舒适性研究提供了有益借鉴，但由于服装内部空间更狭小，内腔结构更复杂，还有通风加液冷的特殊散热形式，这些特性还需要有针对性的具体研究，另外动态非均匀环境下的热舒适研究本身还不成熟，目前还处于基础实验和探索阶段，现有大量文献中的研究方式和结论都有其局限性。开展密闭服热舒适性问题研究和探讨不仅是特种服装工程的需要，也将在学术上拓展热舒适研究的范围和领域。

2 热舒适评价方法和模型

热舒适问题涉及环境、生理和心理等诸多因素的共同作用［16］，研究包括诸多方面：试验研究，评价方法研究，确立热舒适标准、评价指标和建立模型等。本文着重在研究方法和建立模型两方面进行探讨。

2.1 稳态均匀环境评价方法和模型

目前有两种不同的评价方法对稳态和均匀环境热舒适进行评估，它们具有各自的优缺点。这两种方法是：热平衡方法和适应性方法。

2.1.1 热平衡法

在众多的热平衡方法中，Fanger提出的舒适模型最为典型，他建立的舒适模型如式（1）～（9）［17］：

式中：M为新陈代谢率，W为人体对外做功功率，E为蒸发散热量，R为辐射换热量，C为对流换热量。其中蒸发散热量由公式（2）～（6）给出，辐射换热和对流换热分别由公式（7）和公式（8）给出：

式中：Ew为水分蒸发散热；Esw为皮肤汗液蒸发散热；Eres为呼吸潜热散热；Qres为呼吸显热散热；Tsk是人体皮肤表面温度，在热舒适状态下其表达式如公式（9）；Pa为空气中的水蒸汽分压力；ta为环境空气温度；fcl为服装面积系数，是人体着装后外露面积与裸体表面积的比值；tcl为服装外表面温度，是服装热阻等参数的函数；¯tr为环境平均辐射温度；α为对流换热系数，是风速的函数。

Fanger的人体热平衡模型是在热中性状态下建立的，模型较为全面和客观的反映出在热中性状态下影响人体热舒适的6个影响参数及其相互间的作用关系，其适用范围如下：1）稳态环境；2）均匀环境；3）人体皮肤表面要有接近热舒适时的温度；4）人体具有接近舒适时的排汗率［8］。

毋庸置疑Fanger在热舒适评价方法上的研究工作是开创性的，由其建立的热舒适方程是目前为止对人体热舒适因素考虑最为全面的推导公式，在其理论下形成的ISO 7730国际标准沿用至今。但任何理论都有一定的局限性，这一理论也饱受争议，越来越多的学者对其提出质疑［10，18-20］。这主要是因为Fanger理论是基于试验室研究，大量试验数据来自人工气候模拟舱，测量环境是稳态和均匀（或大致均匀）的，这与现实中真实环境有很大差别［5］；还有，Fanger的热平衡模型是在热中性状态下建立的，以其为原理的PMV方程只能预测较为热舒适环境下的人体舒适程度，对于热不舒适环境（｜PMV｜＞2）的预测是不适宜的［9］，这是在使用ISO 7730国际标准时经常容易走入的误区。Fanger模型受到质疑还有一个重要原因是模型中没有考虑人种、文化、气候、地域、社会环境和性别等因素对热舒适的影响［21］。

2.1.2 适应性方法

在热舒适评价方法里考虑人的自适应行为就形成了自适应方法，它的理论思想是：人既是环境热刺激的被动接受者，也是积极的适应者，人的适应性对热感觉的影响超过了自身热平衡，对环境的积极适应会使人逐渐对该环境满意［22］。de Dear［23］将人体对热环境自适应性调整分为三个类别，分别是：行为自适应，生理自适应和心理自适应，详见图1。

图1 自适应模型原理图［23］Fig．1 Schematic diagram of holistic principle of adaptive models［23］

自适应方法基本原理是有任何引起热不舒适的变化发生，人体就会向维持热舒适状态做出行为反应［24］。可以看出采用自适应方法对热环境做出的评价要比热平衡法更贴近实际生活应用，出现热不舒适的情况会更少，对热环境的可接受程度更宽，使得建筑暖通系统运行成本更低。

自适应方法在应用中也有不足之处。正如Halawa和van Hoof指出，标准ASHRAE 55中创建自适应舒适图表里内含的所有前提和假设对使用者来说是无从知晓的，这会对应用产生混淆和误区［25］。由自适应方法设计出的某些绿色环保建筑虽然较Fanger的方法更为节能，然而在长期运转中并不可靠，不能使人员感到热舒适［26］。

2.2 动态非均匀环境评价方法和模型

早期人体热舒适研究主要局限在稳态和均匀的热环境，上世纪八十年代以来，动态和非均匀环境的热舒适问题业已成为国际上的研究热点。这是因为动态和非均匀环境在实际生活中是普遍存在的，另外随着对人体热舒适研究的深入，人们开始认识到稳态和均匀的环境不是热舒适的充要条件，相反在动态和非均匀环境里才有可能达到热舒适状态［27］。

动态和非均匀环境下的热舒适研究起步晚，目前还不成熟，在该方向上还是以试验和建模研究为主。例如Taniguchi［28］针对车内环境的非均匀和动态变化的特点建立了一种多元线性回归模型，用来评估车内乘员整体热感觉。Hagino和Junichiro开展了人体整体和部分肢体间热感觉相互影响关系的研究，结果指出前额和上臂对人体整体热感觉影响比其他肢体更灵敏［29］。 De Dear［30］通过给人体热敏感性不同的部位分配不同的热感觉影响因子，创建了动态热刺激模型用于评估瞬态下的人体热感觉。近年来Zhang［31-36］基于大量人工试验舱内的稳态和瞬态环境试验数据，构建了一种较为全面的热感觉和热舒适模型，该模型可以适用于均匀、非均匀和稳态、非稳态的较为广泛的环境条件。笔者认为这是目前为止在试验研究上考虑人体局部和整体热感觉／热舒适相互作用影响较为全面的人体热舒适预测模型，具有一定的发展和应用前景。

3 密闭服热舒适评价模型方案

3.1 密闭服内环境特点

密闭服内环境参数特点是：瞬态变化，空间分布不均匀（如空气温度、湿度空间分布梯度大），面部辐照强度强等，另外有的密封服内还有通风和液冷等特殊散热形式，这些特点将增加小环境热舒适的预测难度。

3.2 总体方案

动态非均匀环境下的热舒适研究难点是各类环境参数的非均匀和随时间变化给人体带来的瞬时效应对热舒适如何产生作用。本文采用的研究方法借鉴了国际上较为主流的研究思路，其流程如图2所示［37］：首先为了得到与热舒适相关的环境参数的空间分布和随时间变化的情况，采用商业CFD软件，如Fluent等，对小环境空间的流场、温度场和湿度场分布进行实时计算。再将计算结果作为边界条件输入人体生理热调节模型和衣物热模型，得出人体在每一时刻的局部皮肤温度、整体平均皮肤温度和核心温度，及它们的温度变化率。将这些参数输入主观热反应模型（即热舒适模型），计算得到人体各节段的局部热舒适值和整个人体的热舒适值。

建模的同时还需要开展试验研究，因为流程中所牵涉的各类模型可以有不同的选择，但是目前所有现有模型都是研究者在特定研究范围和工况下，用小样本数据取得的研究成果，其内置的各种参数是否具有普适性，不能得到证实。因此在现阶段，试验研究仍然是必不可少的手段，它可以检验和修正由模型得到的局部热舒适与整体热舒适值，使模型在实际使用工况下具有一定的工程应用价值。

图2 动态非均匀环境下热舒适评价仿真计算流程Fig．2 Calculation process of simulation for thermal comfort evaluation in dynamic and non-uniform environment

3.2.1 人体热调节模型

人体热调节模型的研究始于二十世纪初［38］，发展至今已积累了大量丰富的研究成果。在这些成果中一些具有重要地位和里程碑意义的模型是在二十世纪六十年代到九十年代期间建立的，在此之后多是对这些经典模型的完善、补充和具体应用。根据研究方法不同，可将模型归为以下几类：1）一节点模型（经验模型）；2）两节点模型；3）多节点模型；4）多元模型。表1将对不同模型方法中具有代表性的经典模型进行介绍和评述。

表1 典型生理热调节模型汇总Table 1 Summary of the classical physiological thermoregulation models

密闭服的环境特点是动态非均匀环境，从表中可以明确，只有多节点模型和多元模型满足要求。多元模型虽然更适合应用在动态非均匀环境下，但其所使用的有限元方法较为复杂，应用难度大，而且模型中的网格数量多，会占用较多的计算机资源，计算时效不如多节点模型；而多节点模型虽然不如多元模型对人体划分的精细，在不均匀环境中的精度略低，但其可以按需求任意划分节段和节点，从而提高预测精度，达到工程要求，使用简单灵活。综合评定，研究将采用Tanabe多节点模型（65 节点）［45］。

3.2.2 衣物传热传质模型

研究中可以应用的衣物热质传递模型有两类：一是从宏观层面关注衣物系统整体对热湿传递的阻隔效应的热阻加湿阻的混合模型；二是从织物材料的微观结构角度研究热湿在织物中传递的物理机理而形成的热湿传递耦合模型。前者以Farnworth模型为代表，每层衣物的热流方程和传质方程见公式（10）和（11）［48］。

式中，Ci是第i层衣物单位面积热容，Ti是第i层衣物温度，Rd，i是每层衣物间的热阻，Qci是每层衣物单位时间和单位面积上水汽吸收或凝结释放的热量，Mi是第i层衣物中单位面积上水的质量，其由水蒸气、液态水和被纤维吸附的水份三部分构成，Pi是水蒸气压力，Rv，i水汽的阻力。

热湿耦合模型基本方程组由抛物型偏微分方程组构成，包括三个方程——质量守恒方程、能量守恒方程和织物纤维含湿量的变化特性方程，见公式（12） ～ （14）［47］。

式中，R是回潮率，L蒸发潜热，ρfab织物密度，P 水蒸气分压力，Rv，fab织物湿阻，tfab织物厚度，CP，fab织物热容，Rd，fab织物热阻，RH 相对湿度。

以上两种模型都有不足和缺陷，仍都处于发展阶段。前者涉及的热阻和湿阻是在试验室条件下的测量值，与实际使用情况下的真实值存在差异，这会给模型带来一定的误差［49］；后者的问题在于忽略了织物纤维膨缩作用对热质传递的影响，也没有考虑气体层在织物纤维中的运动和辐射换热等作用，并且模型求解复杂不易应用，若将其应用到整个衣物系统上，需要强大计算机作为保障［47］，另外从微观建立起来的模型能否完全反应出衣物系统整体的热质传递效果也存在疑问。

从工程上来说具体采用哪种类型的模型，取决于模型的易用性、精度的满足性、占用计算机资源的大小和计算时效等因素，只有从实际使用环境和研究对象出发选择能够综合满足上述要求的模型才是最优的工程解决方案。综合考虑，热质传递耦合模型较为复杂，应用难度大，目前也不成熟不能作为最佳选项，热阻加湿阻混合模型简单易用，只要对热阻和湿租测量准确能够满足工程应用需求，是较好的选择。

3.2.3 主观热反应模型

目前同时适用于动态和非均匀环境下的主观热反应模型并不多，表2将近些年来出现的主观热反应模型进行了概括说明。不难看出，由Zhang H等建立的模型的适用环境十分全面，囊括了稳态、动态、均匀和非均匀的绝大部分的环境范围，并可同时对身体局部和整体的热感觉／热舒适作出预测，完全满足密闭服热舒适评价中需要对人体整体和各部位进行热舒适预测的客观要求。另外该模型的最大特点和优势在于模型中的各类控制系数是可以通过特定环境下受试者试验确定的，保证了模型应用的可移植性和准确性。

表2 典型主观热反应模型汇总Table 2 Summary of the classical psychological thermal comfort models

3.2.4 密闭服热舒适评价模型验证试验方法

现今试验验证在动态非均匀环境的热舒适评价中不可缺少，它不仅是对模型进行验证的必要措施，还可以帮助研究人员发现动态非均匀环境下人体热舒适受外在因素的影响规律。试验总体实施方案如图3所示，分为三个阶段：准备阶段，实施阶段和总结阶段。

图3 热舒适试验总体实施方案Fig．3 Overall implementation plan of thermal comfort experiment

实施阶段中着服状态的设置情况主要基于两点考虑：1）要含盖着密闭服状态下由里及外各层服装；2）服装的穿着应按模型验证需求由里及外逐层加以验证。根据这两点考虑试验着服分为四种状态：裸体状态，着内衣状态，着内衣与液冷服状态和着密闭服状态。每种着服状态对应模型的验证设计如图4。

图4 不同着服状态与对应模型验证Fig．4 Relationship between clothing condition and corresponding model verification

每种着服状态下受试者要连续对外进行不同量级的做功。试验需要采集的数据见表3，它是依据试验对模型的验证需求和模型本身对环境初始、边界参数输入的需要而设计确定的。

4 总结和讨论

本文是针对特种密闭服装内部热舒适评价方法的预研究。现今动态非均匀环境下的热舒适评价方法远未达到成熟阶段，没有成熟体系和执行标准可以遵循。本文在研读大量国内外文献的基础上，提出了一种评价方案和思路。依据文献对所涉及模型的论述和对后续项目研究中可能出现的影响因素的考虑，需要关注和注意以下一些问题的处理：

表3 试验数据采集列表Table 3 List of experimental data

1）人体传热模型的精度问题。本项研究要求人体热调节模型对皮肤温度的预测精度较高，在±0.8℃内。要达到高精度要求，人体血流模型是关键，而人体血流的分布和分配差异性较大，缺乏生理数据。针对此问题的解决思路是利用试验数据对血流控制系数进行修正，以期适应受试者生理特点。

2）人体多节点传热模型对人体节段和节点的划分直接影响到对身体热状态预测的可靠性。划分过细会徒增计算量，使预测模型复杂，时效性差，精度也未必能得到有效提高；相反，划分不合理、不够精细则会带来较大偏差，不能为热舒适预测模型提供人体真实的热响应状态。在分析各类多节点模型文献的基础上，并结合密闭服结构特点，本项研究将人体划分成17节段，分别为：头部、颈部、胸部、背部、腹部、上臂（左右）、下臂（左右）、手（左右）、大腿（左右）、小腿（左右）、足（左右），每一节段划分四层：核心层，肌肉层，脂肪层和皮肤层。

3）衣物传热模型。人员在密闭服内着装有两层：内衣层和液冷服层。由于液冷服的存在，人服间的换热效率较高，即使人体短时内产生较大代谢也不会有大量出汗发生，皮肤和内衣始终基本处于干燥状态，而且由于液冷服的温度较为恒定，人体的高代谢和低代谢也不会对其造成大的温度波动，这些特点使得衣物模型采用相对简单的热阻和湿阻混合模型是较为合理的。但研究中还需根据液冷服和通风层换热特点进行有针对性的建模，并通过暖体假人等设备对服装织物材料的热阻和湿租进行测量，得到较为准确和可靠的衣物传热模型。

4）主观热反应模型。研究中采用了Zhang等［建立的热舒适评估模型，需要指明该模型内的各类系数是否满足受试者的生理情况，需要通过试验进行验证和修正，只有针对每一位受试者建立了对应的合理系数才能将模型移植到此项研究中。

5）穿着密闭服对人员心理的影响。“热感觉”和“热舒适”概念易混淆，人员在试验过程中身体表现出的适应性，以及环境的极不均匀造成身体各节段不同程度的热应激给局部热感觉和整体热感觉带来的判断误差，是在试验受试者培训和数据分析时需要着重加以应对和考虑的问题。

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