地铁乘坐全过程佩戴医用外科口罩的人体热反应研究.pdf
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1、doi:10.3969/j.issn.2095-4468.2023.03.203 地铁乘坐全过程佩戴医用外科口罩的人体热反应研究地铁乘坐全过程佩戴医用外科口罩的人体热反应研究 刘明昊,李芃,臧建彬(同济大学机械与能源工程学院,上海 201804)摘摘 要 要 为了有效预测佩戴医用外科口罩的人体在地铁乘坐全过程这一复杂环境下的皮肤温度这一生理参数,基于 FIALA 和 STOLWIJK 模型,考虑佩戴口罩对面部传热以及脑部血流量、代谢产热的影响,对口罩热阻加以分析,并修正了脑部血流量、代谢产热的参数值,用 Fortran 汇编语言建立了佩戴医用外科口罩人体的热反应模型。同时,针对过渡季节,测试了
2、地铁乘坐全过程下的人体各部位皮肤温度和环境参数,用以分析验证模型。验证结果表明人体各部位测试结果和模拟值趋势吻合得很好,且皮肤温度最大差值均小于 1,面部佩戴口罩预测精度为 85.7%,躯干预测精度为 86.8%,手臂预测精度为 70.8%,腿部预测精度为 66.8%,越靠近心脏端预测精度越高。关键词 关键词 地铁乘坐全过程;非稳态;佩戴医用外科口罩;热反应模型 中图分类号:中图分类号:TU834;TK124 文献标识码:文献标识码:A Study on Human Thermal Response of Wearing Medical Surgical Mask During Whole S
3、ubway Riding LIU Minghao,LI Peng,ZANG Jianbin*(School of Mechanical and Energy Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China)Abstract In order to effectively predict the physiological parameter of skin temperature of a person wearing a medical surgical mask in the complex environment of the wh
4、ole subway riding,based on FIALA and STOLWIJK models,considering that wearing a mask affects heat transfer on the face,blood flow and metabolic heat generation in the brain,the thermal resistance of the mask is analyzed,and the parameter values of brain blood flow and metabolic heat production are c
5、orrected,a thermal response model of the human body wearing a medical surgical mask was established using Fortran assembly language.At the same time,for the transition season,the skin temperature,and environmental parameters of various parts of the human body during the entire subway riding were tes
6、ted to analyze.The validation results show that the test results of various parts of the human body agree well with the simulated value trend,and the maximum difference in skin temperature is less than 1.The prediction accuracy of facial wearing mask is 85.7%,torso prediction accuracy is 86.8%,arm p
7、rediction accuracy is 70.8%,and leg prediction accuracy is 66.8%,and the closer to the heart end,the higher the prediction accuracy.Keywords Whole subway riding;Unsteady state;Wearing the medical surgical mask;Thermal response model 0 引言引言 以往的热舒适研究1大多是相对稳定的热环境,且非稳态、非均匀的热舒适研究更多集中在乘用车2-4。随着疫情防控佩戴口罩的常态
8、化,尤其是人们在不同空间移动时,普遍存在温度渐变和不 臧建彬(1973),男,教授,博士。研究方向:载运工具环境控制与节能。联系地址:上海市嘉定区曹安公路 4800 号同济大学,邮编 201804。联系电话:13661664534。E-mail:。对称温度场的分布。广泛使用的预测平均评价(PMV)模型5是一种基于实验条件导出的预测热反应的经验模型。人体被模拟为一段,模型不包括温度调节系统。多节点热反应模型基于人体与环境之间的热交换、人体在不同热环境中的自我调节,建立的人体温第43卷 第3期 2023年6月 制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration Tec
9、hnologyVol.43,No.3 Jun.202351度调节模型,可以预测评估非稳态、非均匀环境下的人体热舒适。STOLWIJK6-7开发了最具影响力的多节点热反应模型,还有 TANABE 模型8、BERKELEY 模型9、FIALA 模型10、KINGMA 11、GHALI 12等建立的模型也部分沿用了 STOLWIJK的主动系统建模方法。热反应模型的精确性直接影响后续预测热感觉的有效性。本文基于 FIALA10和 STOLWIJK6多节点热反应模型,考虑到佩戴口罩影响面部传热以及脑部血流量、代谢产热,故对口罩热阻加以分析,并修正了脑部血流量、代谢产热的参数值,用 Fortran 语言求
10、解得到各部位皮肤温度随时间变化的热反应模型。同时,针对夏季和过渡季节,测试地铁乘坐全过程下的人体生理参数和环境参数,分析测试数据并验证所建立的模型。1 热反应模型的建立与求解热反应模型的建立与求解 人体热反应模型包括物理系统、被动系统和主动系统。物理系统提供人体各节段的几何尺寸和各类组织热物理特性参数。被动系统包括人体内部各节点的热传递、人体表面与环境之间的热传递两部分。主动系统定义人体的热调节活动来维持核心温度恒定。1.1 物理系统物理系统 建立人体物理模型的过程是在一定程度上简化复杂不规则的人体,构建便于计算的简单几何体,如图 1 所示。在物理模型中,基于 FIALA10和 STOLWIJ
11、K6-7多节点热反应模型,标准人体划分为 8个节段,包括头部、佩戴口罩面部、未佩戴口罩面部、躯干、手臂、手部、腿部和脚部,每个节段根据典型的组织结构进一步分为核心层、肌肉层、脂肪层和皮肤层。头部和面部的核心层又划分为内脏层和骨骼层,且头部没有肌肉层。因此,共计8个节段,35个节点。除头部被简化为1/2 球体、佩戴口罩面部被简化为 1/4 圆柱体、未佩戴口罩面部简化为 3/4 圆柱体之外,其他节段均被简化为圆柱体。基于有关研究13-14,可获得标准人体各节点尺寸,各组织层半径、密度、导热率、热容、基本血液灌注流量和基本代谢热值。1.2 被动系统被动系统 被动系统包括人体内部各节点的热传递、人体表
12、面与环境之间的热传递。图 2中,内部各节点的热传递考虑了组织节点的代谢产热、相邻组织节点之间的导热、以及与中心血池的对流换热。人体表面与环境的热传递考虑了人体表面的对流换热、辐射换热、蒸发热损失和呼吸热损失15。4 412/35566中央血池中央血池7788躯干躯干手臂手臂手部手部头部头部面部面部腿部腿部脚部脚部(a)人体节段的构成人体节段的构成 脂肪层脂肪层内脏层内脏层/肌肉层骨骼层肌肉层骨骼层A-A核心层肌肉层皮肤层核心层肌肉层皮肤层(b)节段的组织层节点构成节段的组织层节点构成 图图 1 基于基于 FIALA10和和 STOLWIJK6-7模型的物理系统原理模型的物理系统原理 核心层核心
13、层Q()核心层核心层Q()核心层核心层Q()核心层核心层 j=1肌肉层肌肉层 j=2 脂肪层脂肪层 j=3皮肤层皮肤层 j=4导热导热 D(i,1)导热导热 D(i,2)导热导热 D(i,3)中央血池对流换热中央血池对流换热B(i,j)服装层服装层辐射换热蒸发热损失呼吸热损失(仅发生在胸部核心层)环境节段辐射换热蒸发热损失呼吸热损失(仅发生在胸部核心层)环境节段 i对流换热对流换热 图图 2 i 节段四个节点的传热流程节段四个节点的传热流程(,1)(,1)(,1)(,1)(,1)ddiiiiiTCQBD (1)(,1)(,1)(,1)(,1)(,1)(,1)ddiiiiiiTCQBDR (2)
14、(,2)(,2)(,2)(,2)(,1)(,2)ddiiiiiiTCQBDD (3)第43卷 第3期 2023年6月 制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration TechnologyVol.43,No.3 Jun.202352(,3)(,3)(,3)(,3)(,2)(,3)ddiiiiiiTCQBDD (4)(,4)(,4)(,4)(,4)(,3)t(,4)(,4)ddiiiiiiiTCQBDQE(5)194(77)(77)(,)11ddi jijTCB (6)式中,C(i,1)为第 i 个节段第 1 层节点的热容,(Wh)/;T(i,1)为节点的温度,K
15、;Q(i,1)为节点的代谢热量,W;B(i,1)为节点与中央血池的对流换热量,W;D(i,1)为节点与径向相邻节点的导热,W;R(i,1)为节点的呼吸散热,W;Qt(i,1)为节点与外界的显热换热,W;E(i,1)为节点与外界的潜热换热,W。1.2.1 节点的代谢产热节点的代谢产热(,)b(,)(,)h(,)i ji ji ji jQQWC (7)(,2)etbDuetf()58.2()iiWMQ A M (8)式中,Qb(i,j)为基础代谢产热量,W;W(i,j)为做功产热量,W;Ch(i,j)为颤抖产热量,仅发生在肌肉层,W;Met为代谢率,met;Qb为基础代谢率,约为 0.778Met
16、,met;ADu为人体表面积,m2;Metf(i)为外部工作产生热量的单个肌肉层分配系数。此外,由于面部佩戴口罩,脑部节点的代谢产热量将增加 35%、血流量将增加 18%16-17。1.2.2 节点与中央血池对流传热节点与中央血池对流传热(,)(,)(,)(35)i jF i ji jBcBTT (9)(,)h(,)F(,)FB(,)1.16i ji ji ji jWCBB (10)式中,a 为逆流传热比,取值 1;c 为血液的比热,(Wh)/;BF(i,j)为节点血流量,1/h;BFB(i,j)为节点基础血流量,1/h。1.2.3 节点与相邻节点的径向导热节点与相邻节点的径向导热(,)d(,
17、)(,)(,1)i ji ji ji jDCTT (11)式中,Cd(i,j)为 1 s 内节点与相邻节点节点两侧温差1 时所传递的热量,W/。1.2.4 呼吸散热呼吸散热(,)a(1)35a(1)(,)1,10.001 4(34)0.017(5.867)i ji jijRtpQ (12)式中,ta(1)为环境温度,;pa(1)为水蒸气分压力,kPa。呼吸热损失仅发生在胸部核心层。1.2.5 节点与外界环境的潜热换热节点与外界环境的潜热换热 bsw(,4)(,4)(,4)E iE iEi (13)b(,4)e()sk,s()a()Du()()iiiiiEhppA (14)sw(,4)b(,4)
18、max()max()10.06iiiiEEEE (15)max()e()sk,s()a()Du()()iiiiiEhppA (16)R cl()e()cl()cl()cl()c()0.155iiiiiiL ihiifh (17)式中,E(i,4)为皮肤表面的蒸发热损失,W;Eb(i,4)为水蒸气扩散到皮肤的热损失,W;Esw(i,4)为汗液蒸发引起的热损失,W;Emax(i)为最大蒸发热损失,W;he(i)为从皮肤表面到环境的蒸发热传递系数,W/(m2);psk,s(i)为皮肤表面的饱和蒸气压,kPa;ADu(i)为每个部分的表面积,m2;LR为刘易斯系数,/kPa;icl(i)为服装的水蒸气
19、渗透系数;fcl(i)为服装面积系数;hc(i)为对流换热系数,W/(m2)。1.2.6 节点与外界环境的显热换热节点与外界环境的显热换热 人体穿戴衣物时皮肤表面与环境之间的换热:t(,4)t()(,4)o()Du()()iiiiiQhTtA (18)cl()cl()t()c()r()10.155iiiiifIhhh (19)式中,Qt(i,4)为皮肤表面与环境之间的显热交换量,W;ht(i)为总传热系数,W/(m2);to(i)为操作温度,;Icl(i)为衣物热阻,clo;hr(i)为辐射传热系数18,W/(m2)。1.3 主动系统主动系统 将控制命令分配到每个节点后,系统调整代谢率、血流和
20、蒸发热损失的值,来维持核心温度恒定19-20:rr(,)(,)set(,)ate(,)(,)i ji ji ji ji jETTRF (20)arm(,)rr(,)ld(,),0i ji ji jWEC (21)ld(,)rr(,)arm(,),0i ji ji jCEW (22)8rmsKINR()arm(,4)1()iiiWSW (23)8ldsKINR()ld(,4)1()iiiCSC (24)式中,Err(i,j)为误差信号,;Tset(i,j)为设定温度,;Rate(i,j)为接收器的动态灵敏度,h;F(i,j)为温度变化率,/h;Warm(i,j)为热信号,;Cld(i,j)为冷信
21、号,;SKINR(i)为节段的传感器信号积分加第43卷 第3期 2023年6月 制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration TechnologyVol.43,No.3 Jun.202353权系数;Wrms为积分热信号,;Clds为积分冷信号,。1.3.1 血管舒缩血管舒缩 FB(,4)KINV()LF(,4)m(,4)KINC()T1iiiiiBSDBkSS (25)Ldlrr(1,1)dlrmsldsdlarm(1,1)rms()DC ES WCP WW(26)Tstrr(1,1)strmsldsstld(1,1)lds()SC ES WCP CC (2
22、7)rr(,4)T(,4)m(,4)2EiRiik (28)式中,SKINV(i)为 DL皮肤分布系数;SKINC(i)为 ST皮肤分布系数;DL为血管舒张信号;ST为血管收缩信号;Cdl为头部核心层血管扩张控制系数,1/(h);Sdl为各节段皮肤层血管扩张控制系数,1/(h);Pdl为头部核心层和各节段皮肤层血管扩张控制系数,1/(h);Cst为头段核心层血管收缩控制系数1/;Sst为各节段皮肤层血管收缩控制系数,1/;Pst为头部核心层和各节段皮肤层的血管收缩控制系数,1/;km(i,4)为局部皮肤温度对血管舒缩和出汗的影响因素;RT(i,4)为温度宽度,。1.3.2 呼吸散热呼吸散热 s
23、wrr(1,1)sw(,4)swrmsldsKINS()m(,4)swarm(1,1)rms()iiiC EESWCSkP WW (29)式中,Csw为头部核心层控汗系数,W/;Ssw为各节段皮肤层汗液控制系数,W/;Psw为头部核心层和各节段皮肤层信号的汗液控制系数,W/2;SKINS(i)为汗液皮肤层分布系数。1.3.3 颤抖产热颤抖产热 h(,2)chrr(1,1)chrmsldschld(1,1)ldshilf()()iiCC ESWCP CCC (30)式中,Cch为头部核心层颤抖控制系数,W/;Sch为各节段皮肤层颤抖控制系数,W/;Pch为头部核心层和各节段皮肤层的颤抖控制系数,
24、W/2;Chilf(i)为产生颤抖热的肌肉层分布系数。1.4 数值求解数值求解 在求解多节点热反应模型时,使用中心差分法将常微分方程转化为代数方程求解,即每个时间间隔的递推公式。该仿真定义了乘坐地铁的全过程。初始条件:1)环境参数,每个时间步长的空气温度、相对湿度和风速值,在测试中获得;2)人体皮肤温度,人体各节点在初始时间步长下的温度,除皮肤温度取测量值外,其余取热中性状态下的设定值;后续时间步长的节点温度由从上一个时间步长仿真获得的温度确定;3)衣物热阻,服装热阻和口罩热阻在实验中测量;4)时间参数,在测试中测量每个区域的步行速度和持续时长。衣物热阻21-22见表 1。Fortran 汇编
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