评估复杂热环境下的人体生理学和舒适度模型

评估复杂热环境下的人体生理学和舒适度模型
摘要
伯克利舒适模型基于人类热调节的Stolwijk模型取得了几个显着的改进。

我们的新模型可以分解为无数个身体区段部分（在Stolwijk模型中为6个区段）。

每个区段包括四层身体层（核心，肌肉，脂肪和皮肤组织）和一层衣服层。

我们也考虑到如血管舒张，血管收缩，出汗和代谢热产生等生理机制。

对流，传导（例如到汽车座椅或与身体的任何部分接触的其它表面）以及身体和环境之间的辐射也会被单独处理。

该模型能够预测人类对瞬态、非均匀热环境的生理反应。

论文介绍了生理算法以及模型的实现。

关键词：热舒适; 调温; 人类生理; 计算机模拟
1.介绍
Stolwijk的25节点温度调节模型[1]提出了许多当代多节点模型的基本概念、算法、物理常数和生理控制子系统[2]。

伯克利舒适模型基于Stolwijk模型以及Tanabe在日本的工作[3]，取得了对Stolwijk模型的几个显着改进。

Stolwijk模型包括六个身体部分：头，躯干，手臂，手，腿和脚。

伯克利模型可以模拟任意数量的段。

在大多数应用中，我们使用16个对应于伯克利分割热人体模型的身体部分[4]。

这些段中的每一部分都由四层身体层（核心，肌肉，脂肪和皮肤组织）和一层衣服层组成。

单独的一系列节点表示血液，并且提供了节段和组织节点之间的对流热传递。

该模型使用具有可变时间步长的标准/简化算法来计算每个节点之间的热传递，以优化计算资源，同时保持数字稳定性。

我们使用一系列可变长度的离散“相位”来模拟环境，衣服和代谢条件之间的任意组合。

可以通过模型预测在诸如双节点PMV模型的全身模型中完全丢失的瞬态和空间非对称条件的影响。

样例模拟可以是一个人从一个有空调的建筑中走到炎热的夏季户外，然后进入一辆阳光曝晒下的汽车，打开空调、驾驶汽车，同时汽车开始冷却。

应用评估了具有不对称或瞬态热环境（建筑物，汽车或户外）的空间的热舒适性。

2.模型改进
对Stolwijk模型进行了以下改进：
•身体段数从六个增加到无限。

•改进血液流动模型，包括四肢中的逆流热交换，以及改进从血管到组织的血液灌注。

•增加一个服装节点来模拟热和水汽电容。

•通过传导对与身体接触的表面增加热传递。

图1在模型中使用的典型分割是：头部，胸部，背部，骨盆，左右上臂，左右下臂，右手和左手，左右大腿，右和左小腿，以及左右脚。

•改进对流和辐射传热系统。

•使用角度因子的显性辐射热传递计算。

•添加辐射热通热量模型（例如阳光照射身体）。

分割：模型结构可以容纳任意数量的身体区段。

在温度或热通量存在大的局部变化的环境中，可以使用非常精细的分割。

为了开发模型，我们使用直接对应于加州大学伯克利分段热人体模型的16个区段（图1）。

人体模型可以准确地测量出个人身体部位的传热系数和衣物绝缘值，然后我们可以直接在我们的舒适模型中使用这些数据。

人体模型测量每个区段到环境的热通量，提供可用于验证模型的有价值的数据。

改进的血流模型：人体热调节主要通过调节血流实现.因此，符合实际的血流模型对于任何人类热舒适的动态模型是很重要的。

正是借助于血管收缩和血管舒张，身体能够调节血液分布，以便控制皮肤温度并增加或减少对环境的热损失。

在运动或工作期间，血液携带产生到身体表面的额外热量，其中较高的皮肤温度通过对流和辐射增加热损失。

更重要的是，皮肤温度和下丘脑温度控制这种调节，也通过蒸发打开汗腺去除额外的热。

在冷环境下，皮肤血管收缩将血液从动脉分流到更深的静脉。

原始的Stolwijk模型假设:动脉血液温度在整个身体中是相同的。

因此，局部组织和局部血液之间的热量变化被简化为在该核心温度下局部组织和血液之间的热交换。

这个假设在模拟头部和躯干部分基本上是合理的。

在头部，大脑接收相对大的、恒定的血液流动，占身体约15％的总血流量。

由于高的血液流动速率和相对短的血管长度，热交换效率小，并且进入脑的血液温度实际上与核心血液温度相同。

类似地，躯干中的大血管与周围组织的热传递相对较少，这是由于高的血液流动率和与组织的不完全接触造成的[5,6]。

四肢部分，Stolwijk的假设不太有效。

基于Chato的数据[5]，我们计算出流动到手的动脉血液将会达到进入上臂血液温度和手臂组织温度之间的一半。

冷环境下，这可能导致从上臂到手腕的动脉血温度降低2℃或更多。

基于此，我们认为，当血液从四肢流至四肢末端时，可以通过血液温度的变化改进Stolwijk的模型。

我们对Stolwijk血流模型做了两个重要的改变，增加了：（1）中心动脉=静脉逆流热交
换，和（2）改进的血液管住模型用以估计到局部组织的血流量。

图2展示了包括热和质量传递的手臂（腿具有相同的结构）血流模型。

血液通过中心动脉流出并通过中心静脉返回。

如Mitchell和Myers所描述的[7]，动脉和静脉之间的逆流热交换，以及血管和接触组织之间的热交换。

同时，质量转移发生在离开中心动脉，通过横向末端动脉到毛细血管床的径向血流中，以将血液分配到核心，肌肉，脂肪和皮肤组织。

然后它被横向终端静脉吸收并返回到中心静脉。

我们使用Pennes的血流灌注术[8]来模拟这个水平的质量和热传递。

血液在该段的平均动脉温度下进入局部组织并在其来自的组织温度返回到中心静脉。

图2 肢体血液陶氏模型
在四肢末端（即手臂和腿）中，一个节段进入动脉血液温度是前一节段的离开动脉血液温度。

从静脉返回的所有血液混合在一起可以确定返回的核心血液温度。

服装款式：Stolwijk认为服装是没有质量的绝缘材料（图3）。

我们利用一个服装节点来模拟服装的热和水分电容（图4）。

水分电容对于正确地模拟穿过衣服的身体的蒸发热损失是重要的。

实验证明，在考虑瞬态效应时，服装的热容量是非常重要的[9]。

热量通过服装从身体流失。

水分模型使用回归方法[10]来计算特定织物在给定相对湿度下吸收的水分量。

图3 Stolwijk模型节点结构
图4 典型的节段结构显示四个平行的热路径：顶部，暴露的皮肤具有对流和辐射热损失，第二从顶部，穿着对流和辐射热损失的皮肤; 第三，穿着皮肤具有导电性损失接触表面; 底部，裸露的皮肤
接触表面：几乎在任何环境中，身体通过传导与固体表面接触并且失去热量。

身体最常接触的物体表面是椅子。

在稳态条件下，这可以被视为增加绝缘并被建模为服装。

在瞬态条件下，这种方法不能很好地工作，因为椅子可能具有显着的热质量。

伯克利模型包括每个区段的接触表面。

该表面具有初始温度，热导率，比热和厚度。

远的场温度和传热系数被用作边界条件。

每个身体部分包括与表面接触的裸露皮肤和穿着皮肤的部分。

对流和辐射热传递：Stolwijk对他的模型的六个部分中的每一个都使用了组合的对流和辐射传热系数。

伯克利模型分离对流和辐射热传递。

基于每个段提供的空气温度和速度计算对
流热传递。

16个身体段的对流传热系数是基于Berkeley人体模型的坐姿和站立姿势的测试结果[11]。

可以使用基于针对每个身体部分指定的平均辐射温度（MRT）的线性化模型或使用Stefan-Boltzmann定律的显式模型来计算辐射热传递。

使用真实的身体的3-D模型（图5），我们计算每个身体段和任意的任意组的环境表面之间的形状因子。

这些环境表面中的每一个都通过其位置，表面积，温度和发射率来描述。

这种方法比非均匀环境下的MRT方法更显着/更准确[12]。

图5 使用身体的现实三维模型来计算身体和周围表面之间的辐射视图因子
辐射热源：除了与周围表面的长波辐射热传递之外，身体经常暴露于来自太阳，热灯或其它源的辐射。

我们已经利用一个双波段辐射热流动模型，将这个热流动分成短波和长波分量。

短波辐射基于皮肤或衣服吸收率被吸收，而长波辐射基于皮肤或衣服辐射被吸收。

生理变化：人的生理学在个体之间变化很大，这些差异可以影响热舒适的感觉;例如，较高的代谢率或增加的体脂使人们感觉温暖。

注意，舒适模型一般没有考虑这种变化。

我们为我们的模型开发了一个预处理器，我们称之为“身体建构者”。

身体建构器模型将人体的六个描述性特征（身高，体重，年龄，性别，肤色和身体脂肪）映射到舒适模型使用的生理数据。

表1描述了我们修改的生理数据和我们使用的关系的基础。

我们打算使用身体建设者模型来探究生理变化对热舒适感觉的影响。

初始模拟显示，身体脂肪从14％到28％的变化可导
致皮肤温度变化接近1℃。

图4典型的节段结构显示四个平行的热路径：顶部，暴露的皮肤具有对流和辐射热损失，第二从顶部，穿着对流和辐射热损失的皮肤; 第三，穿着皮肤具有导电性损失接触表面; 底部，裸露的皮肤。

图5.使用身体的现实三维模型来计算身体和周围表面之间的辐射视图因子。

3.实施
伯克利舒适模型使用不限数量的环境和生理的输入条件的顺序集，称为相位。

通过交互式或通过文本/文件来指定这些相位，以方便使用其他软件的模型（图6和7）。

每个相位包括以下数据：
•持续时间
•代谢速率
•生理常数*
•服装*（绝缘水平和透湿性）
•空气温度*
•平均辐射温度*（或表面温度，发射率和角度因子）
•空气速度*
•相对湿度*
•接触面热性能*
表1“身体建造者”修改的生理数据
图6 “相位数据”对话框。

在这个示例屏幕中有四个阶段，第一阶段持续40分钟，代谢率为58 W-m2（1 met）和服装集合，如外部文件称为summer.clo中所述。

图7 空气温度的编辑对话框。

每个身体部分可以暴露于不同的环境条件
相位最常用于表示以环境条件为常数或随时间线性变化的时间段。

由于相位的长度是任意的，非线性瞬态可以通过简单的线性近似来模拟。

嵌入在模型中的所有生理常数也可以通过输入数据来改变。

这允许用户不仅可以改变明显的身体数据，例如身高，体重，基础代谢率和传热系数，而且还可以改变更详细的生理数据，例如组织性质，热传导性，热/冷受体性质，血管收缩和血管舒张系统。

这些属性甚至可以在模拟期间改变以校正诸如姿势（例如，就座与站立）的变化的条件。

该模型已在C ++中使用面向对象（OO）方法实现，数据结构和仿真过程类似于物理模型。

我们保持内部模型结构非常灵活，因此模型的变化可以很容易地实现，通常不需要重新编译代码。

例如，从文本输入/文件读取节点结构，使得添加主体段仅需要修改程序输入。

面向对象语言的选择极大地简化了这种方法。

几个对象被定义来表示物理模型的每个元素。

节点对象是此对象结构中的基本单元。

所有实际的模拟程序- 热产生，热传递和调节控制机制- 在节点对象内完成。

多个节点被组织成由较高级对象（段对象）维护的树状结构。

段还具有包含动脉和静脉的血液对象。

图8示出了这些对象的关系。

身体由通过血液彼此连接的几个区段组成。

节点通过传导来和它们的相邻节点以及血液交换热量。

图8 段对象模式
每个段中的节点形成链接树。

在每个区段中可以包括多个平行分支来模拟不同的热流路径。

每个段的结构不需要相同。

这提供了对具有完全不同的物理结构和/或不相同的环境条件的不同身体部位建模的能力。

例如，如果受试者穿着短裤，则该模型将为大腿节段产生穿衣和裸露皮肤路径。

如果受试者穿着长裤，则只会产生穿着的路径。

4.验证
作为模型的初始验证，我们将模拟皮肤温度与其他研究人员报告的许多生理研究相比较。

这些研究包括几个稳态条件和三个瞬态环境条件。

稳态条件。

Werner（维尔纳）在40％相对湿度（RH）下进行86个气候室实验，空气温度范围为10至50◦C。

测试对象只穿短裤，休息躺在吊床上[20]。

测量通过节段，直肠和鼓室温度的皮肤温度。

冷曝光瞬变。

Raven 等人[21]11名受试者暴露在从静止空气中的28.5◦C在45％RH到4.7◦C在70％RH。

受试者仅穿着短裤，并且在仰卧在尼龙带床上，这种床安装接连着的房间里，以实现环境条件的变化。

测量段上的直肠和皮肤温度。

Hardy和Stolwijk提供了三个男性受试者的数据，这些受试者暴露于从43℃在30％RH到17℃在40％RH的阶跃变化环境中。

受试对象从一个房间快速走到另一个房间，花费不到1分钟。

直肠和10个区域的平均温度以及蒸发热损失在[22]中给出。

热曝光瞬态。

Stolwijk和Hardy使用从30℃在40％RH至48℃在30％RH的向上阶跃变化进行了类似的测试。

直肠和皮肤温度的平均值和总蒸发热损失在[23]中给出。

来自上述实验的测量数据和来自我们的模型的模拟结果的比较示于图1和图2中。

图9 -11。

在稳态条件下，核心温度预测非常接近测量值（在0.5◦C内）（图9a）。

对于大多数段（图9b和9c），皮肤温度模拟在1℃内。

对于瞬态条件，在瞬态期间由Raven测量的趾部温
度低于来自模拟的足部温度（图10c）。

这并不意外，因为脚趾是脚的最远端部分，并且比整个脚更快地响应于瞬变。

测量的臂温度高于瞬态期间的模拟臂温度，然而，最终稳定的温度非常接近。

测量的臂温度从Gordon获得，并且未陈述测量的具体位置。

Hardy和Stolwijk 测量的直肠温度略高于模型预测的直肠温度。

图11c示出在两个阶跃变化期间，在热状态下，背部的测量和预测的蒸发热损失。

如Fu 观察到的[24]，Stolwijk的原始模型倾向于预测比冷环境中的实验数据更高的皮肤温度。

这是因为Stolwijk使用的中心血液模型假设段的任何节点会接收与核心相同温度的血液。

事实上，由于逆流热交换，动脉血液温度降低，使下肢皮肤温度下降。

添加逆流血液陶氏模型大大改善了我们的模型和肢体和四肢的实验数据之间的协议。

上述模型验证表明，该模型能够在环境条件范围内以合理的精度预测核心和末端皮肤温度。

图9.在10到50℃的稳态条件下测量的[20]和模拟温度的比较。

（a）头皮和中心;（b）上臂，下臂和手; （c）大腿，小腿脚
(a)
(b)
(c)
图10比较测量[21]和从28摄氏度到4.7摄氏度的阶跃变化期间的模拟温度。

（a）头；（b）上臂和手; （c）大腿和脚
图11 测量的[1]和温度变化期间的模拟温度和蒸发热损失的比较。

（a）在从43℃，30％RH 至17℃，40％RH的冷阶跃变化期间的皮肤和芯温度; （b）在从30℃，40％RH到48℃，30％RH的热阶跃变化期间的表皮和芯温度; （c）在相同的热阶跃变化条件期间的蒸发热损失
5.舒适性预测
预测身体对环境的生理反应是一个有趣的尝试，但通常我们想预测心理以及主观反应。

预测的主观反应的最好的验证模型[25,26]仅限于均匀的热环境。

Bohm接受Wyon [27]提出的用于评估非均匀环境和发展极限的等效同质温度（EHT）[28]。

我们计算每个身体段的EHT，并生成一个图表，绘制这些在由Bohm为段确定的限制内，如图所示。

图12.需要进行更多的研究，以便针对瞬态条件下的不均匀环境开发全身舒适指数。

图12 使用EHT坐在靠近冷窗的人的舒适预测图。

注意，身体的左侧比右侧冷
6.应用
其可靠的输入结构和其评估瞬态，非均匀热环境的能力使得伯克利舒适模型可用于广泛的应用。

例如包括评估建筑物的创新HVAC方法，例如任务/环境系统或位移通风，统一或分层的环境。

另一个例子是评估汽车中的乘客舒适度，其中环境可能是非常短暂的并且具有高度不均匀的辐射负载。

伯克利模型的输入结构允许它连接到建筑模拟程序，并以比目前正在进行的更严格的方式评估热舒适性。

7.未来的工作
我们的下一步是提高我们在瞬态过程中预测人类对非均匀热环境的主观反应的能力。

我们正在考虑包括Ring and de Dear [29]提出的详细的皮肤热感受器模型和Song等人提出的整个肢体的更详细的血流模型。

[30]。

致谢
这项工作部分由以下组织赞助：德尔福哈里森热系统，美国陆军环境医学研究所，国家可再生能源实验室。

Taeyoung Han，Shin -ichi Tanabe和Richard de Dear提供了宝贵的技术投入。