哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
个性化舒适加热系统是人体热舒适领域的重要研究方向。当人们处于-20℃
左右的极低温环境时，面临着冷暴露带来的各种危害，此类型的情景包括复合
冰壳结构建筑中的游客、从事冷库或食品加工行业的工人等。这种情况下，从
热源、安全、美观和节能角度考虑，传统的供热方式已经不再适用。个性化舒
适加热系统为解决这一问题提供了新的思路，因此本文通过客观实验、主观实
验、数学建模和CFD模拟四种手段实现了极低温环境下人体热舒适和个性化加
热的实验与模拟研究。研究成果可作为极低温环境下的个性化加热方法，可用
于预测极低温环境下人体热生理参数、评估人体热舒适、个性化加热技术的测
试与开发。主要工作和研究成果如下：
首先，完成了极低温环境下人体热舒适与个性化加热实验。利用低温实验
室营造-20℃左右的极低温环境，设置了9个实验工况，对低温实验室的升温特
性、个性化加热设备的加热特性和人体周围热环境的升温特性进行了测试；同
时测量了受试者的皮肤温度，并收集了主观调查问卷，进而分析出了不同实验
工况对热生理参数和热舒适的影响。结果表明，暖风机+限制箱工况是一种适用
于极低温环境的高效个性化加热技术，其矫正能力CP高达38.3℃。
其次，建立了整体-局部热舒适评价模型和基于热生理参数的热舒适评价模
型。根据人体热舒适实验得到的整体/局部热舒适投票和整体/局部热感觉投票，
通过多元线性回归方法建立了整体-局部热感觉/热舒适评价模型，得到了极低温
环境下各部位热感觉/热舒适占整体热感觉/热舒适的权重因子；此外还建立了基
于皮肤温度/皮肤温差的热舒适评价模型。与国内外现有的热舒适评价模型相比，
本文所建立的热舒适评价模型在适用性和准确性方面表现出一定优势。
随后，建立了基于Stolwijk的一维人体体温调节模型，并确定使用该模型
计算热舒适的方法。参考Stolwijk的人体体温调节模型，根据研究需要建立了
由被动系统和主动系统构成的一维人体体温调节模型；并使用人体热生理实验
数据对模型进行了验证，结果表明，体温调节模型会低估部分身体部位的皮肤
温度，但总体上模型的准确性可以接受；此外，利用人体体温调节模型结合热
舒适评价模型计算了人体热舒适，确定了具体的计算方法。
最后，提出了瞬态环境下人体体温调节模型结合CFD模拟的方法，并应用
该方法对暖风机+限制箱工况进行了优化。将复杂的虚拟人体几何模型处理后加
入到整体几何模型中，在此基础之上对暖风机+限制箱工况及其优化工况进行了
I
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数值模拟研究，分析了不同工况下的温度场、流场分布特点，并对热舒适进行
了评估。结果表明，通过优化暖风机的送风温度和送风高度，改善了暖风机+限
制箱工况存在的问题，达到了预期优化目标，同时还实现了22%的节能率。
关键词：极低温；热舒适；个性化加热；体温调节；CFD
II
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Abstract
Personalcomfortheatingsystemshaveemergedasacrucialresearchareainthe
fieldofhumanthermalcomfort.Whenindividualsareexposedtoextremelylow
temperatureenvironmentsaround-20°C,theyencountervarioushazardsduetocold
exposure.Suchscenariosmayincludevisitorsinbuildingswithcompositeiceshell
structuresandworkersengagedincoldstoragehandlingorfoodprocessingindustries.