基于人体体表温度的家用空调控制系统的研究（可编辑）

基于人体体表温度的家用空调控制系统的研究（可编辑） 基于人体体表温度的家用空调控制系统的研究 基于 人体体表温度的家用空调 控制系统的研究Research of Home air-conditioning Control System Based on Surface Temperature of Human Body 专 业:供热、 供燃气、 通风 及 空 调工程 作者姓名 :高 晶 指导教师 :娄承 芝 高级工程师天津大学 环境科 学 与工程学 院 二零一二 年十 二 月 独创性声明 本 人 声 明 所 呈 交 的 学 位 论 文 是 本 人 在 导 师 指 导 下 进 行 的 研 究 工 作 和 取 得 的 研究成果, 除了文中特 别加以标注和致谢之处外, 论文中不包含其他 人已经发表 或撰写过的研究成果, 也不包含为获得 天 津大学 或其他教育机构 的学位或证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名: 签字日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天 津大 学 有关 保留、使用学位论文的规定。 特授权 天津大学 可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索, 并采用影印、 缩印或 扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 导师签名: 签字日期:年 月 日 签字日期:年 月 日 摘 要 随着人类文明的发展, 地球上的煤、 石油、 天 然气等不可再生能源正以飞快 的速度被消耗着, 能源危机已经成为世界性的大问题。 我国能源相对匮乏, 且能 源的消耗量又巨大,石化能源不 得 不 依 靠 国 外 进 口 , 我国的能源 安 全 问 题 开 始 “浮出水面”。 在全国的总能耗中, 建筑能耗约占 27.6% , 其中, 用于暖通空调 的能耗约占建筑总能耗 的 60% , 为了降低暖通 能耗, 提出了基于人体体表温度的 家用空调控制系统。 首先, 本课题 进行了人 体 体表温度的数据 采集实验。 这一阶段的实验 是在春、 夏、 秋三季进行的, 用到的主要实验仪器为两台 HOBO-U10 系列温 湿度仪, 一台用来实时记录人体 体表温度, 一台用来记 录周围空气的温湿度 , 要求两台记 录仪同步进行记录 。经过为期 5 个月的实验, 得到:在室温基本不变的情况下, 不同状态 下, 人 的 体 表 温 度是不同的, 人 在 静 止 状 态 , 舒适的 体 表 温 度 大 约为 32?~34?,人在运 动 状态, 舒适的体表温 度 约为 31?~32?,人在 睡眠状态, 舒适的体表温度约为 34.5?~36.5?。 其次, 根据前期探索性 实验 数据, 建立 了基于 人体体表温度的家用空调控制 系统, 目的是为了验证 前期探索实验的正确性以及研发的可行性 。 在这一阶 段内, 主要 研发了 基于人体体表温度的家用 空调控制系统, 由于是秋、 冬季, 因 此空调系统送热风 。 该控制系统由人体 体表 温度发射仪、 接收仪、 一台 HOBO-U10 系列温湿度记录仪、RM4041 远端开出驱动模块、继电 器、PC 机及上位机 控制 系统、交流接触器、空调组成。 经过两个阶段的实验,得出 以下结论: 人体体表温度会受到核心温度、 环 境 温度、环境相对湿度、 衣着、行为状态、情绪等 多种因素的影响,且 实验 表明, 体表温度的变化情况与医学结论一致, 因此, 空 调根据室温进行控制是不 合适的, 用基于人体体表温度的家用空调控制系统 根据人体体表温度控制空调的开 关, 可 使非公众独立房间内的个人根据自身需要改变 空调状态,使人感觉舒适。 关键词 : 能源; 体表 温度;家用;控制; 空调 ABSTRACT With the rapidly development of human civilization, coal, oil, natural gas and other non-renewable energy on earth is being deadly consumed. So the energy crisis has become a worldwide problem. The scarce energy and a huge consumption made our country had to import petrochemical energy from foreign countries. At the same time, energy security issues of our country is appeared. In China, the building energy consumption accounts for 27.6% of the total energy consumption, which, HVAC system accounts for about 60% of the building energy consumption. In order to reduce the energy consumption of HVAC system, we propose home air-conditioning control system based on surface temperature of human body Firstly, the topic carries on a data acquisition experiment on human body surface temperature in spring, summer and autumn. The main laboratory instruments are two HOBO-U10 Series temperature and humidity loggers. One is used to record the skin temperature of human body, the other is used to record the temperature and humidity of the air. After a five-month experiment, the conclusions are as follows. With the same indoor temperature, the person's body temperature is different at different conditions. In the static state, the skin temperature is about 32? to 34 ?. In the state of motion, the skin temperature is about 31? to 32?. In the state of sleep, the skin temperature is about 34.5? to 36.5? is comfortableSecondly, according to the early experimental data, we set up home air-conditioning control system based on surface temperature of human body to verify the correctness of the experiment and the feasibility of the project. At this stage, we developed home air-conditioning control system based on surface temperature of human body. The system consists of the surface skin temperature emission instrument, temperature receivers, a HOBO-U10 series of temperature and humidity logger, RM4041 remote open drive module, relay, PC and PC control system, AC contactor and air-conditioning After the two stages, we can get the following conclusions: The human body surface temperature will be affected by the core temperature, environment temperature, environment relative humidity, clothing, behavior, emotion and so onThe change of surface temperature corresponds with the medical conclusion. So using room temperature only to control the air conditioner is not appropriate. Therefore, In non-public rooms, according to the human body surface temperature ,person could change the switch of the air conditioner to feel comfortableKEY WORDS : energy ; surface temperature ; household ; control ; air-conditioning 目 录 第一章 绪论. 1 1.1 研究背景1 1.1.1 能源危机. 1 1.1.2 能耗分析. 2 1.1.3 空调在现代社会的应用. 3 1.2 人体热舒适的医学领域研究现状. 4 1.2.1 人体热平衡 4 1.2.2 人体温度的测量方法5 1.3 人体热舒适性的国内外研究现状. 7 1.3.1 国外研究现状8 1.3.2 国内研究现状9 1.4 空调领域的控制研究现状10 1.5 本课题的意义及主要研究 11 第二章 人体体表温度的数据采集及分析13 2.1 人与环境的热交换模型 13 2.2 人体体表温度数据采集 14 2.2.1 人体体表温度测试点的选择 14 2.2.2 人体舒适感 测试方法 15 2.3 人体舒适感数据及预测分析. 17 2.3.1 测试数据分析 17 2.3.2 预测性结论. 22 2.4 后期实验建议. 24 第三章 基于人体体表温度的家用空调控制系统实验台的建立25 3.1 人体体表温度发射仪的研制. 25 3.1.1 体表温度发射仪的工作原理 26 3.1.2 体表温度发射仪的开发手段 26 3.1.3 温度发射仪的总体#方案# 29 3.1.4 温度发射仪的硬件选择30 3.1.5 温度发射仪的软件设计33 3.2 人体体表温度接收方法 39 3.3 上位机软件系统设计. 39 3.3.1 上位机软件界面的设计40 3.3.2 上位机软件程序的设计42 3.4 空调系统的启停控制. 42 3.5 空调控制系统的改进过程45 第四章 基于人体体表温度的家用空调控制系统的运行工况分析. 46 4.1 基于人体体表温度的家用空调系统的调试. 46 4.1.1 体表温度发射仪的调试46 4.1.2 上位机软件的调试. 47 4.2 基于人体体表温度的家用空调系统运行数据分析. 47 第五章 结论与建议50 5.1 结论50 5.2 建议50 参考文献52 发表论文和参加科研情况说明52 致谢. 56第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 研 究背景 随着人类文明的发展, 地球上的 天然气、 石油、 煤等不可再生能源正以飞快 的速度被消耗着, 尤其 是从化石能源时代开始, 人类社会在短短一百 多年的时间 内,化石能源消耗量年均增长了约 50 倍,能 源危机已经成为世界性的大问题。 各国政府都将目光 转移到节能减排上来。 基于人体体表温度的家用空调控制 系统 的研究就是在这样的大背景下提出的。 1.1.1 能源危 机 人类开始使用能源可以大体分成三大阶段 : 十 七世纪以及以前的时期 , 人类 社会消费的一次能源主要 是木材, 木材在能源结构中 长期居首, 历史上称为 “薪 柴时代”; 到了十九世纪五十年代 , 煤炭 代替了 木材的地位, 成了首要能源 , 历 史上称为“煤炭时代 ”; 到了二十世纪的六十 年代 , 煤炭在世界能源 结构中的地 位被石油取代,石油成了能源主力军 ,从此 开创了人类历史上的“ 石油时代”。 从人类选择使用能源的结构可以得出 , 当今世界人类社会还处于 煤炭时代和石油 [1] 时代 。 目前,我国已经探明 了 的能源储量中 ,天然 气 资源占到 了 0.6% , 石 油资源 [2] 占到了 5.4% ,煤炭资源占到 了 94% 。我国 这种“煤富油贫气少 ”的能源结构 特点, 决定了 今后的能源格局还将是以煤炭为主, 并且 长期不会改变。 至少是到21 世纪中叶之前, 煤炭还将是我国的基础能源 ,不会改变。 目前, 中国的经济已经 进入了一个飞速发展的时期, 在世界能源危机 这 一大 背景下, 我国的能源安 全问题开始 “浮出水面 ”, 并且以飞快的速度 由 国内空间 层次越入国际空间层次, 变成一个令人关注的越来越敏感大问题 。 9 截止到2001年末, 中国 剩余的石油可采储量为3.3×10 t , 占世界 总量 的2.3% , 12 3 位居 世 界 第11 名 ; 中 国 剩 余 的 天 然 气 可 采 储 量 为1.37×10 m , 占 世 界 总量 的 6 0.9% ,位居 世界第18 名 ;中国剩余 的煤炭 可 采 储量为114500×10 t ,占世界总量 的11.6% ,位居世界第3 名。而在世界上,石油剩余储量最多的地区为中东地区, 9 约为93.4×10 t , 占到世 界总石油剩余储量的三分之二; 剩余的天然气 的储量绝大 部分储存在前苏联与中东地区, 这两地域剩余的可以开采的天然气 的储量大约占 1 第一章 绪论 到世界剩余可以开采 总储量的70% 以上, 其中俄 罗斯居于首位; 煤炭剩 余储量主 要分布在亚洲及太平洋地区 、 北美 地区、 前苏 联, 这三 地域的可以开采的剩余煤 [3] 炭储量大约占到世界剩余 可以开采 总量的80% ,美国排名第一 。 从以上数据可以看出, 我国除煤炭资源总储量在世界上稍占优势之外, 石油、 天然气总储量均处于劣势, 再加上我国有着近14亿人口, 使得本就匮 乏的资源的 人均拥有量更是远 远低于世界平均水平, 煤炭 的人均剩余可采储量 仅占到世界平 均 水 平 的58.6% , 石 油 的 人 均 剩 余 可 采 储 量 仅 占 到 世 界 平 均 水 平 的7.69% ,天然 [2] 气的人均剩余可采储量 仅占到世界平均水平的7.05% 。 6 据2001年统计的 石化能源消耗数据显示,中国的石油消耗量为231.9×10 t , 6 占世界石油消耗总量的6.6% , 位居第三;中国的煤炭消耗量为520.6%×10 t ,占 [4] 世界煤炭消耗总量的23.1% , 位 居第二 ; 天然 气 的 使 用 情 况 并 不理想 , 还 未 能 成为我国能源的主力军。 由于我国人均能源匮乏, 且消耗量巨大, 石化 能源不得不依靠国外进口, 尤 其是石油。2002年, 我国 成为了世界第二大石油进口国, 仅次于美国, 并且 石油 的进口量已经超过日本。 为了抢夺世界石油资 源, 美国多次在中东地 区发动战争, 基本控制了中东地区的石油资源; 日本也积极利用其资金优势加强与海湾地区国 家的合作; 俄罗斯也利用其大国优势, 力图重返中东。 美国、 日本、 俄罗斯均不 希望中国崛起, 影响他们经济大国的地位, 因此, 我国的能源安全问题受到前所 未有的压力和挑战。 1.1.2 能耗分 析 我国是世界上最大的发展中国家, 同时也是能源消费大国。2001 年, 中国一 6 次能源消费量为839.7×10 t ,占世界的9.2% ,位居世界第二。中国能源结构及 oe [3] 消耗特点主要归结为以下几点 : 1能源 和资源 的总 储 量多, 但人均相对 少, 人均电力和 人均耗能在 世界的 排名均非常靠后。 2能源及资源、 能源 的生产与经济结构 布局失调明显, 北方煤炭运 往南方 、 西部电力送去东部 、 西 部 地 区 天 然 气 向 东 部 地 区 输 送 将 会 是 长 期 的 能 源 分 配 格 局。 3能源 消费 的结构 欠 合理, 煤炭 资源仍 然在 能源结 构中 占居主 导 。 能源 消 耗总量的五分之三 以上都为煤炭 ; 并且最主要的能源消耗部分依然是工业和建筑 业。这种能源消费模式直接造成 了能耗升高 、 能源的使用效率降低、 浪费了能源、 严重污染了环境; 电力 系统的峰谷差日益加大 , 供能系统抵抗风险 的 本领尚待提 高。2 第一章 绪论 4常规 能源 在我国 的 能源消 费结 构中仍 然担 任着主 要角 色 , 我 国的 石油消 费仍然远远落后于发达国家。 5地方 煤矿 与 集体 煤 矿 是我 国主 要的煤炭来源,由 于缺 少监管 ,技 术较 为 落后, 使得 原煤的 入选率较低, 大部分煤炭 没有经过洗选, 直接把含有 高灰分和 高硫分的煤炭投入 使用, 严重污染了环境, 同 时煤炭的 掺假问题突出, 质量档次 不高。 随着我国国民经济的快速发展与人们生活水平的迅速提高, 空调已变得越来 越普及。 空气调节对于国民经济各部门的发展以及对人民物质文化生活水平的提 高有着非常重要的意义和作用。 在全国的总能耗中, 建 筑能耗约占27.6% , 其 中, 用于暖通空调的 能 耗 约占 建筑总能耗的60% 。 天然气、 石油、 煤炭等常规能源 的储量是有限 的, 风能、 太 阳能等新能源虽是取之不尽、 用之不竭的, 但 其 应用仍十分有限, 为了使能源与 环境能够可持续发展, 实现节能减排, 研究建筑节能, 尤其是暖通空调领域的节 能显得尤为重要。 1.1.3 空调在 现代社 会的应用 空调, 即空气调节, 它 的意义是 使被控空气达到想要的温湿度状态或是处于 正常状态。 所以, 空气环境 受控, 通常是指 对某一房间或空间内的空气进行温度、 湿度、 清洁度和流动速度的人工调节, 使之能够 满足人们的工作、 生活、 工艺生 产过程需要。 空调应用于工业及科学实验过 程一般称之为 “工艺性空调”, 应用于以人为 主的空气环境调节则称 为“舒适性空调 ” 。 在工业及科学实验过程中, 为避免元器件由于温湿度变化而产生胀缩及表面 锈蚀, 一般会严格规定环境的基准温度和相对湿度, 以及它们的偏差范围; 而在 药品、 食品工业以及生物实验室、 医院的病房及手术室中, 不仅要求有空气温湿 度方面的控制,而且还要求控制空气中的含尘浓度和细菌的数量。 在公共与民用建筑中,为保证办公楼、 会议厅、图书馆、影剧院、展览馆 、 大会堂等场所功能的正常使用, 都需要用空调来进行调节。 同时, 空调在游乐场、 商业中心、酒店、宾馆等地方也是不可缺少的。随着人民生活水平的 不断 提高, 居民住宅对空调的需 求也是与日俱增。 除此之外, 空调在各种交通工作如汽车、 火车、 轮船、 飞机上的应用也越来 越广泛,在核能、地下、宇航、水下以及军事领域也发挥着越来越重要的作用。因此, 可以说, 现 代化发展离不开空调, 空调已经成为现代生活中必不可少 的工具。3 第一章 绪论 1.2 人 体热舒 适的医 学领域研 究现状 空调的一个非常重要的作用就是为人提供一个舒适的热湿环境, 人感觉的舒 适与否会直接体现在人的表皮温度的高低上, 因而人的舒适性感觉与人体的温度 有着密切的关系。 这是因为皮肤温度的降低或升高是由人体皮肤血管的收缩或扩 张导致的, 因此, 皮肤 温度是反映 人体与环境之间热交换状态以及人体冷热程度 的一个重要生理参数。 目前 作为研究用的指标 基本上都设为皮肤温度。 Fanger 提 出的人体热舒适的三个条件之一就是人体 的 平 均 皮 肤 温 度 应当 满 足 给 定 的 舒 适 [5] 性要求 。Bulcao 等研究了人的体温以及表面皮肤温度 对人体热舒适度的影响, [6] 结论是人体热舒适在很大程度上是受表面皮肤温度决定的 。 Huizenga 等选取受 试者21个部位的局部皮肤温度 进行整体与局部受冷、 受热测量, 发现 当人体处于 [7] 热中性状态时, 手指和手部 的皮肤温度波动显著 。Wang 等通过实 验研究认为, [8] 监测和预测人的热舒适状态可以用手指温度或手指-前臂温度差 。 可见, 人体 体表温度是评价人热 舒适度的一个重要指标。 1.2.1 人体热 平衡 动物需要有合适的体温, 才能进行 生长、 发育、 繁殖 等各种生命活动。 人完 成生命活动需要能量,而能量主要来自于食物 。食物经过人体复杂的化学反应, 产生能量, 这些能量一 方面用于维持人体基本的生命特征, 一方面用 于劳动生产 消耗, 一方面进行能量存储。 人在环境中工作、 生活, 体温必然也会受到 外界环 境的影响, 外部的热湿环境也会影响人体产热。 人体的热量主要通过汗液、 呼吸 蒸发, 向周围环境辐射, 与周围空气进行 传导和热对流来进行散发, 其中, 辐射 热会造成热丢失。如图 1-1 所示。外环境热维持能量 蒸发 产热 热丢失 生产能量 辐射 食物能量摄食增加 传导和对流 的能量 图1-1 动物 体内 热平 衡 4 第一章 绪论 体温调定点假说认为 ,人 与高等恒温动物的体温调节 与恒温器的调节 类似。 调定点是调节温度的基准,其 作用与恒温箱的 调定器 相似。 人的体内 分布着热敏 神经元来感受热, 冷敏 神经元来感受冷, 下丘 脑的热敏神经元与冷敏神经元起着 调定点的作用, 正常人 的调定点温度一般为37?。 如果血液流经调定 点时 温度超 过37?, 那么温敏神经元 就会增加放电频率 , 引起产热过程减弱, 散热过程加强 ; 如流经调定点的血液温度不足37?时,则引起相 反的变化。 人的体温调节中枢位于下丘脑, 下丘脑控制着 人的 骨骼肌、 肝脏等 产 热装置, 散热装置 (如汗腺、 皮 肤、 血管等) , 而产热 装置与散热装置的作用都是为了使 深部温度能够保持恒定, 维持人的正常生命特 征。 深部温度又通过人 体的神经系 统输出体温, 进行反馈, 与调定点进行比较, 进入下一轮的调节。 如图1-2所示。产热装置 (骨骼 肌、肝等) 受 控装置 下丘脑体温 深部温度 体温 调节中枢 调 定点 受 控对象 输 出变量 控 制系统 散热装置(汗腺、 皮肤 、 血管) 受 控系统 温度感受装置 反 馈检测器图1-2 体温 调节 自动 控制 示意图 1.2.2 人体温 度的测 量方法 人体的温度可分为深部温度 (即核心区温度) 与体表温度两大部分。 人的体 温调节中枢在下丘脑,因而下丘脑是体温变化最敏感的区域 。 人体的深部温度是相对 均匀而稳定 的, 但是 , 各个内脏器官的温度 会根据其 代谢水 平 的不同而 略有 差异。 肝脏 承 担重 要生 理功能 , 最高 温度 可 达 38?,大 脑的产 热量也比较 多, 其温度 也 近乎 38 ? , 十二指 肠、胰 腺及 肾脏 等处的 温度 稍低, 深部各器官的温度 会随血液循环趋于一致。 因此在理论上, 体 温 指的是人 机体深部的血液温度, 可用它 代表身体内部器官温度的平均值 。 深 部 温 度 高 于 体 表 温 度 ,且 由 表 及 里 存 在 明 显 的 温 度 梯 度 。 体 表 具 有 5 第一章 绪论 一 定 的 厚 度 , 在 体 温 调 节 中 起 到 隔 热 层 的 作 用 , 深 部 体 温 就 是 通 过 它 来 维 持 相 对 稳 定 的 。 体 表 的 最 外 层 是 皮 肤 表 面 , 其 温 度 称 为 皮 肤 温 。 机 体 不同 部位 的 体表 温 度 差 别 很 大 。 例 如 , 在 温 度 为 23 ? 的 环 境 中 测定, 足 的 温 度 为 27 ? ,手为 30 ? , 躯 干 为 32 ? , 额 部 为 33 ? 到 34 ? 。 在 寒 冷 的 环 境 中 , 随 着 气 温 下 降 , 四 肢 末 梢 , 即 手 和 足 的 皮 肤 温 度 下 降 显 著 , 而 头 部 皮 肤 温 的变化 则 不 是 很 明 显 。皮肤 内 部 遍 布 着 血 管 , 只 要 血 管 舒 张 或 收 缩 , 体表 温 度 就 会 随 之 改 变 。 测量人体体温在医学领域处于较为成熟阶段。 按照测量部位划分, 人 体温度 [9] 的测量方法有 : 1肺动脉测温 许 多 研 究 者 都 将 肺 动 脉 温 度 作 为 测 试 温 度 计 的 精 确 程 度 的 , 以 此 来 证 明 温 度 与 脑 部 血 液 温 度 吻 合 。 但 是 由 于 这 样 做 危 险 大 于 益 处 。 2 腋 窝 测 温 腋 窝 测 温 是 临 床 上 用 的 最 多 的 一 种 测 温 方 法 , 既 安 全 也 容 易 让 人 接 触 , 但 是 这 种 方 法 会 因 为 出 汗 和 蒸 发 的 影 响 , 引 起 体表 温 度 比 核 心 温 度 低 , 影 响 测 量 的 精 准 度 , 且 测 试 的 时 候 , 需 要 在 腋 下 制 造 一 个 密 闭 的 环 境 , 不 适 合 极 度 消 瘦 者 。 3 直 肠 测 温 这 种 方 法 被 当作 临 床 测 量 体 温 的 标 准 。 但 有 关 比 较 肺 动 脉 温 度 与 直肠 温度 的 研 究 认 为 , 直 肠 温 度 与 体 内 温 度 变化 相 比 会 有 滞 后 , 且比 肺 动 脉 温 度 高 。 此 外, 还有 不少 的 缺点, 例 如 : 可 能 引 起 耐 药 菌 群 或 肠 道 致 病 菌 的 传播 、 病 人 不 愿 意 接 受 以及 偶 尔会 有 穿 孔 的 危 险 。 4 鼓 膜 测 温 大脑 的 动脉血 在 鼓膜 以 及 它 的 周 边 区 域 供 应 丰 富 , 测 试 时 在 外 耳 道 口 放置 一个 基 于 鼓 膜 红 外 线 热 技术 的 探 针 , 就 可 以 间接 地 测 量 下 丘 脑 的 温 度 。 Ferrara 等 把 肺 动 脉 温 度 和 鼓 膜 温 度 进 行 了 比 较 研 究 , 结 果 得 出 这 两 者 无明 显差别 。 但 是 , 操 作 者 必 须 正 确 操 作 红 外 线 耳 式 体 温 计 , 以 免 因 手 法 不当 造 成 测 温 结 果 的 不准确 。 [9] 按照测量方式划分,人体温度测量可分为以下几种方法 : 1接触式测温法 目前, 这种方法使用最 多的是 水银温度计, 它 检测机体温度的原理是水银遇 到热会膨胀这一物理 性质。 水银温度计把感湿 泡附近的管子制作得很细, 目的就 是使温度计离开被测对象 后还能 读取人体 的温度, 这样, 用体温计 测 量体温的时 候, 管内水银会受热后膨胀 , 通过细管口上升 , 体温计离开 被测对象以 后, 管内 6 第一章 绪论 水银遇冷会收缩, 这样,水银柱就 会在管口断开 ,升上去的水银不可 自由倒流。 但这种测试方法 有很多缺点 : 测量的时间 较长, 一般需5min 左右 ; 需 要被测 者很好地配合; 如不小 心 破碎会产生汞中毒 等不安全的因素; 其消毒 过程比较麻 烦;可能存在交叉 性感染。目前, 国际上已经逐渐淘汰这 种方法。 2非接触式 测温法 目前临床应用较为广泛的方法是采用 红外线测温仪测量体温。 人体的表面温 度可以通过人体的 红外线辐射 被迅速地测出, 人群体温的初筛就是用这 种方法实 现的。 在测量的时候 需要检测距离在3到5m 的范围内, 将镜头正面 朝准被测者1s 钟即可。 这种方法有很多好处 : 体温可以自动采集 ; 操作简单快捷, 能在1s 钟内读到 测得的数据, 工作效率 明显提高; 数字直观明了, 方便读数; 非接触式测量法 很 大程度上减少了交叉 性感染的机会; 比较适合 用于人员大量出入的场所, 比如医 院、车站、机场等。 3体温遥测法 这种腋窝体温 测量仪有发射功能、 且方便佩带, 可进行 预先设置, 自 动 间断 或连续地进行体温测量, 并将测量数据 通过 无线方式传送到可移动数据接收装置 上来。 1.3 人 体热舒 适性的 国内外研 究现状 从20 世 纪初 ,对人 体 热舒适 性和 热环境 之间 关系的 研究 就开始 进入 人们的 视野。 虽然我国已经有不少人开始了这方面的研究, 但是, 基于人体 体表温度的 家用空调控制系统一直没有得到广泛应用, 目 前, 空调系统在暖通领 域的研究还 处于比较传统的水平。图1-3 ASHRAE 舒适 图(ASHRAE 手 册,1977 )7 第一章 绪论 美国供热制冷空调工程 师学会1977 年 版 手 册 基 础 篇里给出了新有效温 度图 和舒适区。图1-3 中画出了两块舒适区,一块是梯形面积,是ASHRAE 推荐的舒 适标准55-74 所给出的舒适区;另一块是菱形面积,它是美国堪萨斯州立大学通 过 实 验 得 到 的 。 两 者 的 实 验 条 件 不 同 , 前 者 适 用 于 身 着0.8~1.0clo 服 装 坐 着 但 活 动 量 稍 大 的 人 , 后 者 适 用 于 身 着0.6~0.8clo 服 装 坐 着 的 人 。 两 块 舒 适 区 重 叠 处 则 是推荐的室内空气设计条件。 Fanger 根 据 人 体 热舒适 性 方 程提 出 了预 测 平均 投 票 数(PMV ) 和 预测 不 满 意百分数(PMV- PPD )评价指标,这两种评价指标被编入了国际标准IS07730, 它是在分析统计实验 得到大量数据 的基础上, 再结合人体热舒适性 方程, 得到的 一个表示人体 热舒适 性 的比较 客观的 指标。 这 项指标 综合起来考虑 了6项因 素, 分别是人体的活动 强度、 空气的温度、 空气 的湿度、 空气 的流速、 衣服 的热阻以 及平均辐射的温度, 同 时结合了 心理学和生理学 主观方面的热感觉,是截至目前 为止的评价指标里综合 考虑人体 的热舒适 性众多因素最全面的一种 。 但是, 他是 一种考虑众人热舒适性的研究。 1.3.1 国外研 究现状 国外研究人体热舒适性 的最初目的是为 其国家军事服务的, 如: 研究 士兵在 严寒或是炎热的环境中心理 承受能力和 生 理承受能力,研究军事设备 舱内环境, 研究军 队在行 军 的过程 当中衣 着在什 么厚度 最 为合适 等。后 来, 随着 科学 技术 生产力的不断发展, 人们的生活水平 也随之 不断地提高, 于是, 越来 越多的研究 目前投向了生产和生活领域。 国外对于热舒适性的研究可以分为两个阶段。 第一个阶段多是一些定性的描 述或采用经验公式进行定量讨论, 第二阶段是从人体热量平衡角度去研究人体对 冷热的具体感受。 第一阶段:1947 年,Yag tou 和Houghten 提 出了实感气温,这是根据人体 [10] 在不同风速、 温度和相对湿度的 条件下所产生的热感觉指标得出的 。1951 年, Lots 和Wezler 将 气流对人体舒适感的影响 进行了描述。1995年,Burton 等将相 对湿度对人体舒适感的影响 进行了描述,他 指出, 当气温适中时, 人 体的热舒适 感受大气相对湿度的影响较小 ; 只有当气温 偏 低或 较高时, 人体的热 感觉才会受 相 对 湿 度 的 影 响 较 为 明 显 。Thom 在1959 年 提 出Bosen 进 一 步 发 展 的 不 适 指 数 [10] DI 应用较为广泛, 这个指数后来被美国国家气象局当作预报夏季 热舒适性以 及上班工作小时数的温湿 度指数的参考依据。 DI0.72TT 40.6 1-1 a w 8 第一章 绪论 式中 DI 是不 舒适指数,T 为气温,T 是湿球温度。 a w 以上这些研究都已经认识到, 周围空气温度较高时, 相对湿度越高, 人的热 感觉就会越明显; 而当周围空气温度较低时, 大风常常使人觉得更加 的冷。 一直 到了20世纪60年代 ,舒适度指数Comfort index 和风效指数Wind effect index 的 概念才被特吉旺正式提出来 。 舒适度指数是描述 空气温度和相对湿度对人体的综 合影响指标之一, 它表 示的是人体在某种温、 湿度条件下对该空气环境感觉舒适 的程度, 是用气温和相 对湿度的不同组合来表示 的。 风效指数指大多 数人对气温 和风速组合的感受指数, 风效指数实际上是人的散热指数, 气温越低, 人的感觉 越冷;在同等温度下,风速越大,人的散热越多,感觉越冷。 第二阶段: 最为完善 的是美国生物学家、 气象学家Steadman 提出的感 热温度 理论。 他在人体热量平 衡方程的基础上, 对 人 体产热和失热的各类要素 都进行了 充分的考虑。 当人 以1.4m/s 的速度步行时, 他主 要是靠体内新陈代谢 来获得热量, 其次才是是通过衣服和 皮肤吸收太阳辐射。 人 体 的失热途径主要有三种, 即 人体 裸露部分失热,衣着失热和 肺部呼吸作用失热 。 Steadman 推出了 室外无 遮蔽 、 室内、 室外有遮蔽等 多种情况下 都适用的体感 温度模型, 并 对影响体感温度的湿、 风、 辐射等要素 进行了讨论。 该模型 对影响 体感温度的各个要素 都进行了充分的考虑 ,包括空气、衣服和皮肤 的传热阻力, 尤其是辐射要素的考虑, 使该模型 更具广泛适应性。 但该模型 也有欠缺之处,如 没有对不同性别、 年龄 和国别的人群对体感温度的反应 进行考虑, 这 一点 可以作 [11] 为今后课题的研究方向 。 1.3.2 国内研 究 现状 国内的研究步伐较国外稍晚一些, 一 直到 了20 世纪 的90 年代才有了较快发 [12] 展。气象学研究教授 钱 妙芬 和 叶梅提出 “ 气 候宜人度评价 ”模型 ,该模型的 依据是舒适与清洁原则 。C0.13C0.36C0.26C0.25C 1-2 1 1 2 3 4 C0.44C0.42C0.14C 1-3 2 5 6 7 公式1-2、1-3中, 表示气压、 表示晴朗、C 表示温湿 、 表示风 C C C 3 1 2 4 冷舒适指数,C 代表日照 、C 代表降水、C 代表雾舒适分指数, 它们 均是计算 5 6 7 晴朗舒适性指数的 不同分指数。 这个模型将大气压力 、 日照、 气温等 七项气候要 素以及大气的污染物浓度 进行了综合考虑,得出了它们 对气候宜人程度的影响。9 第一章 绪论 王远飞教授等 参考了国外 关于人体的 温湿性指标、不舒适指标、 风寒指 标等, 再根据上海市气候 的特点,建立了 一套适用于 上海市的人体“气象舒适度指数 ” [13] 的计算公式 。 夏半年:SSDI ?1.8T0.145RH1.8T26áT33 V0.134S271-4 1 冬半年: 1-5 SSDI ?1.8T0.122RH1.8T26á T33 V0.641S27 2 公式1-4 、1-5 中,T 代表温度 、 RH 代 表 相 对 湿 度 、V 代表风速 、 S 代 表日照的时数,á 代表夏半年的风向修正系数 、á 代表冬半年的风向修正系数。 1 2 当前, 全国各气象部门 均是在上述计算公式 的基础上, 再结合本地 的 气候类型预 报舒适度指数, 但是由 于 受到地区差异以及 气候条件类型等诸多条件的 限制, 上 述模型是否具有普遍性 尚待进一步验证。 1.4 空 调领域 的控制 研究现状 最早使用的方法就是 主观问知人的舒适度 , 根据人的需求, 手动调节空调系 统,达到令人满意的热湿环境,这种方法通常用于人员较少的小型空调系统中 。 若将此方法运用到人员较多的大型空调环境下, 该方法是存在一定的局限性 的。 单纯地主观问知可信度不是很高,且在相同的热湿环境下每个人的感 知是不同 的。 根据研究显示, 相 同年龄的男女体温各不相同, 不同年龄的人的体温 也不相 同, 因此, 他们对相同 热湿环境的感知也是不同的。 通过该方法很难进行系统的 数据分析, 得出可靠的结果。 除此之外, 在实际操作的过程中, 也会遇到较大的 困难,很难用于实际应用。 目前, 暖通空 调系 统 控 制方面 , 采用PI 、PID 调节器 对设定 的温 湿度 进行恒 温、恒湿控制技术是比较成熟的 ,这样就可以通过设置 系统参数降低能源消耗 。 室内环境的温湿度在很大程度上与室外环境以及室内热负荷有关, 在许多时候, 室外环境的热变化 比较大, 而室内热负荷的变化也比较大, 虽然在技 术上可以实 现恒温恒湿的控制要求 , 但是已经在很大程 度上浪费了能源, 这与国家的 “节能 减排” 政策是相违背的 。 一般情况下, 只要人们事先设定好所需要的环境温湿度, 空调控制系统就可以实现 , 但是 面临的问题是 人们预先设定好的温湿度通常并不 10 第一章 绪论 是舒适的温湿度, 影响 人体热舒适的因素非常多 , 然而人们经常是 凭 经验 设定温 湿度, 而不是靠感觉 , 例如: 夏季的大型自习室的空调设计冷负荷为满员状态时 的冷负荷, 但是实际 上很少会达到该状态, 而空调依旧按原设计运行, 于是供给 了过量的冷, 既造成了人的不舒适感, 又浪费了大量的能源。 暖通空调系统 的滞 后性和大惯性是造成 热舒适温度 设定比较困难另一个原因, 这种闭环控制系统 靠 人工调节,且调节时间长 ,很难找到最佳热舒适温度。 另外一项控制技术 就是模糊控制技术。 目前, 模糊控制技术在 暖通空调领域 中的研究不断地深入 , 它的控制目标 已经从 过去的控制温度深入到 将人体热舒适 性指标PMV 当作 控制 的标准 ; 它 的 控 制 策 略 已 经 从 基 于 查 表 的 简 单 的 模 糊 控 制 进入到智能的模糊控制 , 它的意义不仅仅是 提 高了空调系统的 控制 性能, 更是在 很大程度上满足了 人们对空调系统 的健康 性、 舒适性、 节能性要求。 模糊控制技 术是一项非常复杂的技术 , 要想 达到预设的控制效果 , 在系统设计、 设备安装调 试以及使用过程中 有许许多多的问题需要解决 , 因此, 这项技术还没 有大规模地 [14] 投入使用 。 房间内 空气房间 调定点 温度 温度传 感器 图1-4 普通 空调 系统 自动 控制示 意图 综上所述, 智能空调系统的研究在暖通领域的研究还不够深入, 我们希望将 暖通领域与医学领域相结合, 使人 由被动接受预先设定的空调环境变为主动控制 空调,令空调系统适应人体所需,从而达到人体舒适与节 约能源的双赢效果。 1.5 本 课题 的 意义及 主要研究 内容 目前, 现有的空调系统大多是事先设定好温度值, 人只能被动接受这个设定 值, 这种系统可能出现的情况就是: 在夏季的时候, 若环境温度偏热, 人不舒适, 需要在有所感知之后再手动调节温度, 若空调使环境温度偏冷, 人也不舒适, 然 后再手动调节温度, 同时造成了冷量的浪费, 消耗了过多的能量; 在冬季的时候, 11 第一章 绪论 若环境温度偏冷, 人不舒适, 需要有感觉之后再去调节空调温度, 若空调使环境 温度过热,则人穿着冬装却出汗,既造成人的不舒适,空调也供给了过多的热, 造成了能量的浪费。 通 过建立基于人体热舒适性的智能空调系统, 可 以实时监测 处于该环境的人的体温, 空调系统可以根据人 的体温来启动或是停止, 从而自动 升高或降低室内温度, 以达到人的舒适度要求。 这样人 变被动为主动, 同时, 还 可以节约能源,达到能源与环境的可持续发展 。 基于人体体表温度的空调控制 系统示意图如图 1-5 所示。 与图 1-4 对比可知, 这种控制方法更加的人性化, 不再是根据房间 内空气温度来控制空调的启停, 而 是根据人体体表温度进行控制 ,能够使人体一直处于舒适的状态。 本课题的研究内容主要分为以下两个方面: 1进行 初期的 探索 性 研究。 我国的 建筑 内空 调夏季 使用主 要是 用于 供冷, 冬季使用主要用于供 热,在 5 月~9 月份期间 ,进行了志愿者真人体温测量 的探 索实验, 用于 人体体表温度的采集 。 志愿者将测温仪器戴于手腕处, 仪器每隔一 分钟读一次数。 志愿者 全天 24 小时佩戴测温仪 , 同时实时记录自己 的衣着状态、 行为状态、 舒适度感知, 每隔一段时间将仪器存储的数据读出, 与志愿者记录的 内容对应整理。 2通过 在实 验室搭 建 实验台 ,建 立模拟 实验 环境, 并且 在所搭 建的 实验台 上进行实验验证,看与前期的实验结论是否吻合。用 C 语言编写程序,制作 基 于单片机的体表温度 发射仪,将 测得的志愿者 体表温度与服装内空气 温度通过无 线通讯方式发射给 无线接收装 置, 上位机根据接收到的人体 体表温度数据 进行判 断, 自动控制空调的启停, 使志愿者始终舒适 。 志愿者可在实验室中做任何状态, 静坐、 轻运动、 剧烈运动、 睡眠以及各种其他状态。 将 验证实验得到的结果与探 索实验得到的结果对比,看两者是否吻合。房间内 空气 人体皮 肤 房间 调定点 温度 温度 温度传 感器 图1-5 智能 空调 系统 自动 控制示 意图 12 第二章 人 体体 表温 度的 数据采 集及 分析 第二章 人体体表 温度的 数据采集及分析 空调系统的主要功能就是为其使用者提供一个需要的合适的热湿环境。 随着 经济的发展, 家用空调系统越来越普及, 最初人们的追求是在夏季的时候, 空调 能使室内温度较室外温度低, 因此, 在炎热的夏 季, 人们可 以在相对 凉爽、 舒适 的环境下工作、 生活 , 对空调的要求也不是很高 。 随着人们生活水平的提高, 人 们越来越发现, 人才是 整个空调环境中的主体, 空调系统