具有中国人体特征的暖体假人测试系统研制

　　暖体假人是模拟人体与环境之间热湿交换的仪器设备，是从20世纪40年代逐渐发展起来的一种新的生物物理实验设备，它的形状大小和普通成年人相似。暖体假人可在多种环境下进行连续实验，避免了真人实验中个人生理、心理因素和个体差异的影响，实验结果准确，可重复性好。利用暖体假人对热环境进行客观评价的方法已广泛应用于服装、建筑、环境、航空航天、消防、交通安全等领域。

　　随着我国人民生活水平的提高和技术的发展，人们对室内环境及相关热舒适性产品的要求越来越高，因此，有必要根据我国人体的生理特征和应用现状，研制一个中国的暖体假人测试系统，为我国室内环境及相关热舒适性环境营造产品的研发、设计和评价工作提供技术支持和评价依据，有效提升我国的室内环境、热舒适性营造产品的宜人性水平。

　　暖体假人控制主要有三种模式：等表面温度模式、等热流模式和热舒适方程模式。等表面温度控制模式是暖体假人的分区表面温度为恒定值，该模式控制速度快，表面温差小，但稳定性差。等热流模式是暖体假人的分区加热热流恒定，该模式比等表面温度模式控制速度慢，时间长且与实际人体温度分布差别大，但控制过程稳定。热舒适方程控制模式是暖体假人的表面温度按舒适状态热平衡方程控制，与等表面温度模式相比，该模式控制过程稳定，但速度慢，与等热流模式相比，该模式表面温度更贴近实际值。

　　当暖体假人用于热环境评价时，应模拟实际人体与环境间的真实换热过程。真实人体除了与环境间存在对流和辐射换热（干换热）外，还通过呼吸及皮肤与环境间的水汽交换产生的湿换热。暖体假人与环境间只有对流和辐射换热，无法通过表面与环境间产生湿换热，因此建立湿换热与干换热之间的关系，使暖体假人只通过对流和辐射换热形式就可以模拟实际人体与环境间的总换热。

　　暖体假人根据人体舒适状态下的热平衡方程进行控制，假人表面温度数值取决于人体与周围环境间的换热量。在不考虑人体对外做功情况下，人体舒适状态热平衡方程见公式（1）、（2）和（3）：

　　Q_t——人体与环境间的总换热，单位为瓦每平方米，（W/m²）；

　　E_s ——人体皮肤蒸发换热，单位为瓦每平方米，（W/m²）；

　　Q——人体与环境间的对流辐射换热，单位为瓦每平方米，（W/m²）；

　　由公式（1）、（2）和（3）得到人体和环境间的总散热Qt与人体和环境间的对流辐射换热Q间的关系见公式（4）：

　　舒适状态下人体平均皮肤温度t_sk与总散热Q_t间的关系见公式（5）：

　　由公式（4）和（5）得到人体平均皮肤温度t_sk与对流辐射换热Q之间的关系如公式（6）所示：

　　公式（6）即为暖体假人表面温度的调节控制方程，暖体假人表面温度高低取决于假人与环境间的散热量或者是假人的加热功率。

　　由人体舒适状态热平衡方程可知，暖体假人通过控制表面温度及加热热流使其达到稳定状态，稳定状态下加热功率与假人和环境间的散热量相平衡。假人与环境间的散热对假人的稳定控制具有决定性作用，暖体假人应尽可能模拟实际人体，实际人体在环境中的散热受到环境气温、辐射温度、大气压力、湿度、风速、人体姿势、人体不同部位间的相对位置、着装、人体表面形状等影响。

　　暖体假人按第50百分位中国成年男性人体尺寸制造，分为30个独立温度控制分区，如图1所示。暖体假人具有髋、膝、肘等活动关节，可以实现立姿及坐姿状态模拟。由于黄铜的导热性非常好，内外表面温度均匀性高，暖体假人实体采用黄铜材料制造，如图2所示。

　　暖体假人各分区温度独立控制和测量，表面温度测点布置在假人各分区内表面，对于换热条件差别较大的分区布置多个传感器测量表面温度，如腿部、躯干以及臀部等位置，布置温度传感器时应尽可能减少接触热阻，降低内外表面温差。暖体假人内的加热装置均匀铺设在每个分区，每个分区的加热热流与表面温度根据控制模式由计算机控制。暖体假人的技术数据见表1。

　　暖体假人在测试前及测试后需标定表面温度。表面温度在箱体或气候室中标定，采用均匀环境条件t_a = t_r= 34±0.2℃，∆t_0.1-0.9m<0.4℃，其中t_r为环境辐射温度，∆t_0.1-1.1m为离地高度0.1m及0.9m处空气的垂直温差。

　　在整个测量范围内标定表面温度时，采用更高精度的基准仪器校准。暖体假人测量的面积加权平均表面温度与基准仪器测量结果的偏差应小于±0.3℃。

　　暖体假人与环境间的换热系数h_cal,whole在箱体或气候室中测定，采用均匀环境条件t_a=t_r=24±0.2℃，v_a ≤ 0.05m/s，∆t_0.1-0.9m< 0.4℃,其中v_a为空气流速。

　　测量过程中传感器应布置在与暖体假人实际测试时同样的位置，假人放置方式应与实际测试时一致，否则换热系数将产生变化。

　　暖体假人应坐在有网孔或类似的座椅上以免由于座椅增大假人表面与环境间的热阻。假人同一分区上表面温度差别不能超过3℃。

　　暖体假人主要用于测量室内环境的等效温度（t_eq,whole），表1列出了与测量有关的暖体假人技术参数及要求。

因素	典型值/变量	要求
服装	暖体假人着装应考虑宽松程度及热阻两个方面。由于假人用于室内中等热环境的评价，因此采用室内常见着装，同时为使重复性偏差最小，假人应穿紧身服装	夏季着装：短内衣、长袖衬衣、长裤、薄短袜及薄鞋（0.50clo）冬季着装：内衣裤、衬衫、裤、夹克、袜、鞋（1.00clo）
恢复时间	指关断仪器电源3min后再接通电源，稳定后的等效温度恢复到关断前相同等效温度平均值±0.5℃范围所需要的时间。恢复时间取决于假人控制方式及传感器热容等	恢复时间＜30min
精度	指暖体假人测量的等效温度与实际均匀环境温度的偏差。精度取决于以下条件：表面温度、着装、假人尺寸、姿态及表面分区	允许精度＜±1.0 ℃
重复性	指同一操作人员采用同样方法、同样仪器在同样环境中多次测量等效温度后产生的最大偏差	允许重复性＜±0.5 ℃
复现性	指不同操作人员采用同样方法在同样环境中测量等效温度后产生的差别。两次测量应间隔一段时间，重新准备实验，并移动暖体假人	允许复现性＜±1.0 ℃
分辨率	表面温度测量仪器的分辨率	允许分辨率＜0.2℃
范围	包括测量温度范围及储存温度范围	测量温度范围： 0 ℃＜t_eq,whole＜40 ℃ 储存温度范围： 0 ℃＜t_eq,whole＜50 ℃

1——面部	7——左上臂外侧	13——右上臂外侧	19——左大腿外侧	25——右大腿外侧
2——头后部	8——左上臂内侧	14——右上臂内侧	20——左大腿内侧	26——右大腿内侧
3——胸部	9——左前臂外侧	15——右前臂外侧	21——左小腿外侧	27——右小腿外侧
4——腹部	10——左前臂内侧	16——右前臂内侧	22——左小腿内侧	28——右小腿内侧
5——背部	11——左手外侧	17——右手外侧	23——左足外侧	29——右足外侧
6——臀部	12——左手内侧	18——右手内侧	24——左足内侧	30——右足内侧