周雨濃　戴嘉豪　戴蔣千易

【中圖分類號】R83 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-6851（2017）11-0-01

前言

隨著時代的不斷發(fā)展，當代人對于生活的舒適度提出了更高的要求，對人體舒適度的評價也愈發(fā)成為了社會熱點。人體的生理功能受到包括大氣溫度、濕度、氣壓、光照、風、個體差異、服裝等多種因素的影響。研究表明，氣溫適中時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影響顯著[2]。高溫高濕影響人體汗液蒸發(fā)，機體熱平衡受破壞，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，此時衣服的導熱性也會增加，從而加速機體散熱。而風在氣溫低于皮膚溫度時加快散熱，風越大散熱越快[3]。

有效溫度指數ET（Effective Temperature Index）， 該指標以受試者對冷暖的主觀感受作為評價依據[4]， 在決定此項指標的實驗中， 受試者在氣溫和相對濕度不同的兩個房間來回走動， 調節(jié)一個房間的環(huán)境參數， 當受試者在兩個房間內獲得相同的熱感覺時， 就把房間A的溫度作為房間B的有效溫度。后來有人將風速考慮進來， 并根據香港實際情況對經典ET公式進行修正， 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)氣象服務指標之一[5]。

進入21世紀以后， 伴隨著多學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薄弱、陳舊、太過理想化。在世界氣象組織（WMO）氣候學委員會的倡導之下，建立了一個基于多結點模型的通用熱氣候指數UTCI（Universal Thermal Climate Index）[6]， 該模型將人體明確分為具有熱調節(jié)功能的主動系統和人體內部傳熱過程的被動系統， 主動系統用來模擬人體代謝、皮膚血液流動的減弱（血管收縮）和加強（血管舒張）、發(fā)汗、發(fā)抖等；被動系統需要考慮人體不同部位表皮、真皮、骨骼、肌肉、內臟等組分的差別，模擬各區(qū)段中血液循環(huán)、新陳代謝、熱量傳導與累積等人體內部傳熱過程。UTCI結構復雜，考慮細致周全，擬真度高，可以廣泛應用于氣象服務、公眾健康預警、城市規(guī)劃、旅游娛樂等諸多領域[7，8]。

2 研究方法：

2.1 模型假設和模型建立求解

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高度適宜且空間充足長方體，且房屋四面裝有可通風的窗戶，確?？諝獬浞至魍?。忽略海拔高度對壓強的影響，假設一個65公斤重的健康的人體補充適宜且充足的食物，保證人體產熱量能有效供給散熱，且不在室內劇烈運動影響排汗系統。

首先我們不考慮服裝的影響，假設人為裸體

若溫度適中，在23℃左右時，在這一空間內壓強可視為定值，人體的熱代謝和水鹽代謝正常，不進行排汗，排尿等正常代謝適量且健康，根據2017全國中學生建模競賽試題，相對濕度對人體汗液蒸發(fā)和服裝吸附影響忽略不計，人體不會感到不適。根據，人體工作強度直接決定了人體的舒適與否。溫度適宜的條件下，人體必需生命活動產生廢熱在健康狀態(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，人體質量M=65kg，其中平均散熱效率為60%。當溫度適宜，自然條件下人體輻射散熱和產生廢熱相等，于是近似有：Q=O.6*c△TM=0.6c（T?-T）M=0.6*4020*（37-23）*65J=2194920J。規(guī)定人體工作強度為P=│Q-0.6c△TM│/t=0（存在T=T時，等號成立）

此處t為自然狀況下的散熱時間，假設人體沒有活性，冷卻至室溫時間大致為10小時，所以有t=10h，此時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，這時人體還要通過排出皮膚中的水汽和汗液蒸發(fā)散熱，設其散熱量為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

人體工作強度P=│Q-0.6c△TM-0.6cTM|/t

=│Q-0.6c（T-T）M|/t

Q蒸>Q?時，此時人體會感到寒冷，產生熱量來維持機體體溫

P=（Q蒸-QL）/t

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

Q=c0.6*△TM

人體工作強度P=k│Q+Q-0.6*c△TM│/t

工作強度越大，人體機能負荷越大，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：當人體穿著透氣服裝之后，衣服能吸附空氣中的水分子，此時增大人體散熱。即在冬天和大風天氣時，服裝會加劇人體寒冷程度，使人體不適。

當人體穿著不透氣服裝，衣服對熱量的保溫作用增強，減少人體散熱途徑。在夏季或少風天氣時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。引入了新的關于人體舒適度的判斷指標，將主觀化的人體舒適度轉變?yōu)橄鄬陀^化的標準[9]。同時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，簡化了計算，并且切實可行。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。

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

參考文獻

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