暖體假人的常見(jiàn)種類(lèi)

    暖體假人是模擬人體與環(huán)境間熱交換過(guò)程的儀器設(shè)備，根據(jù)人體各個(gè)部位的散熱特點(diǎn)，暖體假人一般分為頭、胸、背、上肢、手、腹、腿和腳等部位。暖體假人是從20世紀(jì)40年代逐漸發(fā)展起來(lái)的一種新的生物物理試驗(yàn)方法，被廣泛地應(yīng)用于服裝、職業(yè)健康、環(huán)境、消防、石油、交通安全、航空航天、建筑等領(lǐng)域。暖體假人的常見(jiàn)種類(lèi)包括：

    1、暖體假頭和假肢

    最近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者研制了暖體假頭、假手、假腳等，主要用于頭盔或頭飾、手套、鞋的評(píng)價(jià)和指導(dǎo)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。暖體假頭由頭顱、面部和頸部組成，三部分單獨(dú)加熱，獨(dú)立控制。為模擬出汗，假頭包括25個(gè)出汗孔，分布于面部和頭顱，位于假頭上方水罐內(nèi)的蒸餾水經(jīng)管道喂入假頭，出汗量由單獨(dú)的閥門(mén)控制，可達(dá)70g/h。假頭可在恒溫和恒熱方式下工作，測(cè)試結(jié)果以面部溫度下降的程度表示頭盔熱舒適性能。暖體假手由八塊組成，即大拇指、食指、中指、無(wú)名指、小指、手掌、手背和手腕。各塊供熱量由計(jì)算機(jī)控制，暖體假手放在一個(gè)小盒子內(nèi)，手腕露在外面，在實(shí)際生活中，手總是在活動(dòng)，尤其是在室外，因此在盒子內(nèi)引入一定的氣流，最后以手套的傳熱系數(shù)和局部傳熱系數(shù)來(lái)表示手套的隔熱性能。手掌和手背的傳熱系數(shù)較低，食指、中指和無(wú)名指次之，大拇指和小指。暖體假腳由八塊組成，即腳趾、腳底、腳后跟、腳中部、腳踝、下小腿、中小腿和防護(hù)段。為模擬出汗，假腳包括5個(gè)汗腺，分別位于腳趾、腳底、腳踝、腳背、側(cè)邊踝。將純棉襪穿在假腳上，以便讓水分布到全腳。評(píng)價(jià)指標(biāo)有熱阻、濕阻和透濕指數(shù)。如果和氣動(dòng)活塞相連，還能模仿人體行走。

    2、干態(tài)暖體假人

    干態(tài)暖體假人可工作在三種方式下：恒溫法、變溫法和恒熱法。恒溫法是將暖體假人各解剖段的體表溫度控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，使暖體假人進(jìn)入一個(gè)動(dòng)態(tài)熱平衡狀態(tài)，以便得到穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該方式用于測(cè)量服裝的熱阻值;變溫法是基于人體在冷環(huán)境中的熱調(diào)節(jié)模型，模擬真人在不同環(huán)境下體表溫度的變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)的體表溫度不是設(shè)定值，而是和真人一樣自然平衡的結(jié)果，同樣可以得到與恒溫法測(cè)量的非常相似的服裝熱阻，變溫法具有近似真人的生理評(píng)價(jià)意義[18];恒熱法是根據(jù)服裝的熱阻和環(huán)境參數(shù)，用設(shè)定的熱流值來(lái)觀察全身各部位散熱的差異，這時(shí)體表溫度逐漸下降，直到穩(wěn)定。包括靜態(tài)暖體假人和動(dòng)態(tài)暖體假人。

    3、出汗暖體假人

    由于干態(tài)暖體假人只能在非蒸發(fā)散熱范圍內(nèi)模擬人體的生理反應(yīng)，人們又開(kāi)發(fā)了出汗暖體假人。早期的出汗暖體假人是在假人表面覆蓋一層純棉織物或其它透濕性好的內(nèi)衣來(lái)模擬人體皮膚，先將蒸餾水噴射到模擬皮膚上，然后穿上衣服，使假人平均體表溫度上升到一定水平，控制系統(tǒng)每5分鐘對(duì)假人體表溫度、環(huán)境參數(shù)和加熱功率記錄一次，并計(jì)算服裝的蒸發(fā)阻力，在模擬皮膚開(kāi)始干燥之前完成測(cè)試。由于這一過(guò)程是一種準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過(guò)程，通常時(shí)間很短，主要靠操作者主觀判斷其中相對(duì)穩(wěn)定的蒸發(fā)阻力值作為測(cè)試結(jié)果，所以這種方法不能很準(zhǔn)確地、可重復(fù)地測(cè)量服裝的蒸發(fā)阻力。

    4、呼吸暖體假人

    可呼吸的暖體假人主要用于室內(nèi)工作環(huán)境的研究與室內(nèi)空氣品質(zhì)的評(píng)估[34~36]。呼吸暖體假人的身材大小和普通人一樣，由25個(gè)加熱區(qū)段構(gòu)成，各區(qū)段單獨(dú)加熱，獨(dú)立控制，假人可改變姿勢(shì)和自由活動(dòng)，以模仿人體在各種辦公室的真實(shí)情況，暖體假人采用緊身著裝方式，因?yàn)橐路蓽p少各區(qū)段相互之間的熱輻射以及在校正時(shí)室內(nèi)空氣溫度對(duì)傳熱系數(shù)的影響，再者衣服可降低衣服和假人表面間的空氣層厚度，以盡量減少測(cè)量的不確定性。呼吸暖體假人可工作在三種方式：①舒適模式，模擬普通人在熱環(huán)境下保持舒適狀態(tài)的干態(tài)散熱和體表溫度;②恒溫模式，假人的體表溫度為34℃;③恒熱模式，用于室內(nèi)溫度高于

    34℃時(shí)的熱環(huán)境的評(píng)價(jià)。舒適模式能代表人體的實(shí)際溫度分布，被廣泛使用。呼吸暖體假人有一個(gè)人工肺，由裝有活塞的氣缸組成，活塞由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，呼吸次數(shù)為10～12次/分，呼吸方式可采用口腔或鼻子呼吸，肺通氣量為6升/分，口腔或鼻子的大小和形狀對(duì)測(cè)試結(jié)果有影響，測(cè)試時(shí)，收集距離上嘴唇0.01m處或面部附近呼出的空氣，通過(guò)精確測(cè)量其濃度、溫度和濕度來(lái)研究污染物在人體之間傳遞的情況。同樣檢測(cè)暖體假人呼入空氣的上述參數(shù)可以評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣品質(zhì)。

    5、浸水暖體假人

    可浸水暖體假人是在暖體假人的基礎(chǔ)上，加上防水密封裝置，使假人具有防水功能。主要用于測(cè)試潛水服、水上救生衣在冷環(huán)境下的防護(hù)功能。測(cè)試時(shí)，將著裝的假人浸入水中，保持水溫恒定，記錄假人皮膚表面溫度、環(huán)境溫度和各區(qū)段的加熱功率，計(jì)算潛水服的總熱阻值，這時(shí)總熱阻值包括內(nèi)衣、潛水服、水和空氣的熱阻。實(shí)驗(yàn)證明由浸水暖體假人得到的潛水服總熱阻與用真人測(cè)得的總熱阻值吻合，湍流會(huì)大大降低潛水服的總熱阻，水波的高度也能降低潛水服的總熱阻。通過(guò)浸水暖體假人測(cè)得的熱阻值還可用于預(yù)測(cè)服裝在某一環(huán)境下的耐受時(shí)間。

    6、數(shù)值暖體假人

    暖體假人由于制造工藝復(fù)雜，且價(jià)格昂貴，假人的實(shí)驗(yàn)條件如人工氣候室的成本高，世界上只有為數(shù)不多的實(shí)驗(yàn)室擁有。在計(jì)算機(jī)上利用“虛擬”的假人進(jìn)行工效學(xué)研究則可以節(jié)省大量成本。最近，由于計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的迅速發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(ComputationalFluidDynamics，CFD)技術(shù)在各行業(yè)都得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)對(duì)人體進(jìn)行仿真也成為可能。與傳統(tǒng)暖體假人相對(duì)，這種計(jì)算機(jī)仿真的假人稱(chēng)為數(shù)值暖體假人，假人周?chē)鷤鳠醾髻|(zhì)的模擬是通過(guò)求解一系列偏微分方程實(shí)現(xiàn)。如果輸入特定的環(huán)境參數(shù)和服裝的熱學(xué)性能，數(shù)值暖體假人能對(duì)人體的傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射和蒸發(fā)等所有的散熱進(jìn)行計(jì)算，并預(yù)測(cè)人體局部溫度和換熱系數(shù)，以及各部位的汗液分布等，從而對(duì)某環(huán)境的熱舒適和空氣品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

    7、小型暖體假人

    小型暖體假人主要用于評(píng)價(jià)新生兒的熱環(huán)境，尤其是低體重嬰兒。它一般由6個(gè)加熱區(qū)段組成，即頭、左上肢、右上肢、軀干部、左下肢、右下肢，各區(qū)段單獨(dú)加熱，獨(dú)立控制，為模擬實(shí)際情況，小型暖體假人平躺在保育箱內(nèi)，其測(cè)試方法和大型暖體假人一樣。由于嬰兒的重量比體表面積的比例比成年人大，所以小型暖體假人的干態(tài)散熱量比大型暖體假人大，其評(píng)價(jià)指標(biāo)熱阻和大型暖體假人相比沒(méi)有太大的區(qū)別。