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作者：

李超

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摘要：

相对湿度是影响人体热舒适的四个主要环境因素之一。对建筑环境设计和运行而言,相对湿度的合理设置不仅关系到人体的舒适与否,还关系到建筑的能耗高低和建筑节能技术的应用。此外对一些特殊的室内环境如飞机座舱等,适宜的相对湿度设置是提高乘客舒适的重要途径之一,对商业公司的运营和竞争有重要的潜在影响。鉴于相对湿度对人体热舒适的重要影响,国内外已经在该领域开展了许多研究工作,主要针对相对湿度或相对湿度与温度耦合作用的影响。但这些研究经常难以获得一致的结论,甚至得到相反的结论。这可能是由于相对湿度对人体热舒适的影响还受其它重要的非室内环境因素影响,如气候适应性,且这些研究并没有对相对湿度和相对湿度动态变化的影响加以区别,而极少有研究报道关注室内环境相对湿度动态变化对人体热舒适的影响。基于动态热舒适神经生理学理论及动态环境人体生理状态及环境参数变化与心理状态关联理论,可以将稳态环境人体心理状态视为动态环境人体心理状态变化的基础,因此对相对湿度及其动态变化的综合研究是理解环境相对湿度对人体热舒适影响的重要基础。对此,本论文围绕相对湿度及其动态变化对人体热舒适的影响进行研究,并探索其背后影响机制,建立了对应环境中人体热舒适的经验预测模型,获得了室内环境温湿度舒适区,并提出了相应的环境调控策略,既可以为建筑环境的运营提供参考,也可以为今后进一步开展相对湿度与温度、风速以及适应性等多因素耦合作用对人体热舒适影响的研究提供基础。本论文在考虑之前文献中忽略的人体适应性因素的基础上进一步验证相对湿度对人体热舒适的影响,以获得对相对湿度更深入更准确的理解。通过在不同季节,不同温度水平和相对湿度水平环境中进行人体暴露实验,结果表明相对湿度对热感觉的影响均在非热中性区域更明显,并没有表现出明显的季节差异。在热感觉方面,相对湿度对温度存在补偿作用,且SET*相比于ET*及PMV可以更好的反映这种补偿关系,并可以更准确的预测相对湿度对人体热感觉的影响。此外,结果分析获得了80%可接受的舒适区。春季,夏季和冬季最佳湿度范围分别为7.9-15.1 g/kg,3.3-18.8 g/kg和2.9-12.8 g/kg(含湿量),最佳温度范围分别为21.8-26.2 ~oC,20.2-26.9 ~oC和23.2-28.6 ~oC(SET*)。本论文尝试从分子生物学的角度通过动物实验对相对湿度对热敏感TRPs通道(热感受器)基因表达的影响进行研究,间接探索相对湿度影响人体热舒适的微观机理。通过不同温度水平,两种相对湿度水平(30%和60%)动物气候舱小鼠暴露实验表明,相对湿度的变化会导致小鼠皮肤和大脑组织在对应组织温度条件下激活的热敏感TRPs通道蛋白表达的显著变化,进而可能导致机体对热刺激强度的感受差异,分析表明相对湿度通过对温度的补偿作用间接影响热敏感TRPs通道蛋白表达是机体在不同相对湿度条件下感受热刺激强度差异的分子机制。本论文将相对湿度的动态变化分为渐变和突变。通过人工气候室模拟飞机飞行过程中不同温度水平座舱环境相对湿度渐变,研究了人体热舒适和皮肤温度随相对湿度渐变的变化规律,结果表明相对湿度渐变对人体热感觉有明显影响,特别是当人体暴露于偏热环境中。此外,结果分析建立了SET*及皮肤温度与热感觉的线性关系,并获得了80%可接受的相对湿度渐变舒适区。相对湿度渐变时,温度宜处于21.3-25.8 ~oC(SET*)范围内,湿度宜小于12.8 g/kg(含湿量)且空气焓值宜小于54.7kJ/kg。对于相对湿度突变,必须考虑服装材质的影响。通过不同服装材质着装人体在相对湿度突变环境中暴露实验表明,相对湿度突变对人体热舒适有显著影响,且这种影响与服装材质及环境温度有关。相对湿度突变的瞬态效应对100%棉质着装人体热舒适影响最大,其次是100%聚酯纤维和60%棉+40%聚酯纤维着装。基于动态热舒适神经生理学理论模型分析表明,棉质着装人体热感觉可以通过皮肤温度与皮肤温度变化率很好的预测,其余两种服装材质着装则单独通过皮肤温度可以很好的预测。而对于相对湿度动态变化的影响,由于人体热生理(皮肤温度)及热损失与热舒适存在很好的关联性且背后的生理机制清晰,本文则通过建立人体-服装动态热湿传递综合换热模型探索相对湿度动态变化瞬态效应对人体热生理和换热的影响,从而间接的探索其背后机理。结果表明该模型可以较好的模拟偏冷和偏热环境中相对湿度渐变和相对湿度突变过程中人体皮肤温度和人体总热损失的变化规律,并与对应的人体实验结果符合较好,从而可以从人体热调节和换热的角度解释相对湿度动态变化对人体热感觉影响的机制。

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关键词：

相对湿度；动态；热舒适；热感觉；湿感觉；可感知空气品质

学位级别：

博士