文/樊佳璇（清華大學(xué)）

研究團(tuán)隊(duì)使用暖體假人開展低溫環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

清華大學(xué)建筑學(xué)院2021級(jí)碩士鞠欣源的本科畢業(yè)論文《低溫環(huán)境下人體熱舒適的部位需求分布及響應(yīng)特征研究》被評(píng)為優(yōu)秀畢業(yè)論文。她是怎樣通過(guò)一件神奇的加熱服和一系列的冷庫(kù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)人體哪個(gè)部位最怕冷？同時(shí),又如何為個(gè)體熱舒適的改善提供理論支撐？

不設(shè)計(jì)建筑的建筑學(xué)院學(xué)生

鞠欣源本科專業(yè)為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程，隸屬于清華大學(xué)建筑學(xué)院的建筑技術(shù)科學(xué)系。不同于負(fù)責(zé)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)、外觀進(jìn)行整體設(shè)計(jì)規(guī)劃的建筑系，建環(huán)專業(yè)的研究領(lǐng)域主要是在建筑設(shè)計(jì)完工后，對(duì)室內(nèi)的空調(diào)設(shè)備、聲光條件、空氣質(zhì)量等條件進(jìn)行合理規(guī)劃，以營(yíng)造必要的適宜人類生活、工作的居住環(huán)境，同時(shí)也包括了對(duì)建筑運(yùn)行過(guò)程中如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能減碳目標(biāo)等相關(guān)問題的研究。

鞠欣源本科階段就進(jìn)入了清華大學(xué)建筑學(xué)院朱穎心教授和曹彬副教授帶領(lǐng)的熱舒適課題組，在課題組老師和師兄、師姐的帶領(lǐng)下，研究如何通過(guò)技術(shù)手段改善人對(duì)熱環(huán)境的滿意度和接受度。由于人對(duì)舒適的感受具有一定的主觀性，研究需要先基于實(shí)驗(yàn)和投票將受試者的感受轉(zhuǎn)化為可量化的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，除了需要定期向受試者發(fā)放問卷，收集受試者主觀感受，還會(huì)通過(guò)心率帶、皮膚溫度傳感器、核心溫度膠囊等設(shè)備，采集受試者在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的心率、皮膚溫度、核心溫度等數(shù)據(jù)，并結(jié)合問卷結(jié)果進(jìn)行綜合分析，得出結(jié)論。這樣的研究方法成為鞠欣源在畢業(yè)設(shè)計(jì)中采用的基本研究框架。

冬奧極寒環(huán)境誕生的“熱”課題

2022年，奧林匹克的圣火再次在北京點(diǎn)燃，在延慶、張家口賽區(qū)舉辦的大量雪上項(xiàng)目多在露天舉行，山區(qū)雪多風(fēng)大，氣溫低至 -10 ℃甚至 -20 ℃的情況很常見。極端的低溫環(huán)境不僅影響觀眾的參與熱情，可能導(dǎo)致大量觀眾因過(guò)于寒冷而提前退場(chǎng)，還可能會(huì)使媒體記者、志愿者等因?yàn)槭帜_凍僵而難以正常工作，這給賽事組織方的熱舒適保障帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。

自2018年開始，清華大學(xué)建筑學(xué)院副教授曹彬團(tuán)隊(duì)參與了國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”專項(xiàng)，開展了一系列基礎(chǔ)研究和設(shè)備研發(fā)，力求在冰雪運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館極端寒冷條件下，為廣大觀眾提供較為溫暖舒適的觀賽保障，從而提升觀賽體驗(yàn)。

曹彬副教授也是鞠欣源的畢業(yè)論文導(dǎo)師。鞠欣源深入了解了曹彬老師課題組針對(duì)冬奧研發(fā)的“加熱坐墊”“加熱馬甲”等設(shè)備，并對(duì)局部熱舒適以及個(gè)體熱舒適系統(tǒng)領(lǐng)域過(guò)往研究進(jìn)行了梳理。她發(fā)現(xiàn)還存在很大的研究空間，例如實(shí)驗(yàn)往往集中于單個(gè)或三到四個(gè)部位的熱刺激，不同身體部位的組合測(cè)試相對(duì)較少，受試者在實(shí)驗(yàn)中主要作為被動(dòng)接受者而不具有自主調(diào)節(jié)能力等。

通過(guò)反復(fù)討論與修改，鞠欣源在以往的課題成果和工程項(xiàng)目上進(jìn)行深入發(fā)掘，將自己畢業(yè)論文的研究問題確定為自主調(diào)節(jié)加熱模式下人體熱需求的部位間分布，以及交替加熱的熱舒適改善效果。她希望通過(guò)對(duì)人的不同部位熱需求的實(shí)驗(yàn)研究，為個(gè)體熱舒適設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用提供一定的理論支撐，服務(wù)于冰雪運(yùn)動(dòng)員、邊防官兵等需長(zhǎng)期處于低溫環(huán)境的工作者。

冷庫(kù)里誕生的優(yōu)秀畢業(yè)論文

為了完成這一復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，首先需要一套涵蓋溫度測(cè)量與控制、問卷發(fā)布與數(shù)據(jù)收集的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。鞠欣源與專業(yè)公司合作，設(shè)計(jì)出了一套以加熱服為核心的局部熱舒適實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

加熱服由普通的運(yùn)動(dòng)服改造而成，在一套運(yùn)動(dòng)服上添加20片石墨烯加熱片，覆蓋人體的胸、腹、大臂、大腿等9個(gè)部位，每片加熱片通過(guò)線路與位于控制盒內(nèi)的主板相連，通過(guò)4G通訊實(shí)現(xiàn)與主試端和被試端的數(shù)據(jù)傳輸與溫度控制。

專門設(shè)計(jì)定制加熱服裝與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，耗費(fèi)了鞠欣源大量時(shí)間，留給實(shí)驗(yàn)的時(shí)間十分有限。而在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段后，由于新開發(fā)的設(shè)備本身存在不穩(wěn)定性，再加上招募來(lái)的受試者也都是沒有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的普通學(xué)生，鞠欣源在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要不斷地與實(shí)驗(yàn)設(shè)備、平臺(tái)進(jìn)行磨合，修復(fù)bug。現(xiàn)在回憶起那段經(jīng)歷，鞠欣源第一時(shí)間想到的就是實(shí)驗(yàn)中一系列令人“防不勝防”的“意外事故”。

加熱服是鞠欣源整套實(shí)驗(yàn)設(shè)備的核心部件。每次實(shí)驗(yàn)開始前，都需要受試者先穿戴好整套加熱服，而分布在加熱服上各個(gè)部位的加熱片通過(guò)一條條線路與主板相連，遍布全身的電源線路，就像是為加熱服“輸血”的“血管”，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的溫度控制與數(shù)據(jù)傳輸具有至關(guān)重要的作用。

然而，作為一套自研的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，加熱服沒有經(jīng)過(guò)細(xì)致包裝，電源線被直接附著在運(yùn)動(dòng)服里襯上，受試者在穿戴加熱服時(shí)，密集而裸露的電源線被扯斷的情況時(shí)有發(fā)生。即使在外觀沒有異常的情況下，也可能會(huì)發(fā)生加熱片失靈等情況。針對(duì)此，鞠欣源一方面加強(qiáng)在實(shí)驗(yàn)開始前的設(shè)備檢查，另一方面，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中時(shí)刻通過(guò)對(duì)講機(jī)與受試者保持溝通，隨時(shí)準(zhǔn)備處理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的意外狀況。

除了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的“不穩(wěn)定性”，鞠欣源遇到的另一個(gè)困難是實(shí)驗(yàn)環(huán)境的營(yíng)造。冬奧賽場(chǎng)的平均溫度常常低至-10℃，甚至-20℃。為了模擬極端嚴(yán)寒的氣候環(huán)境，鞠欣源將自己的實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定在了-15℃，這就需要一個(gè)10m左右的空間，能夠同時(shí)容納兩位受試者，且溫度穩(wěn)定維持在-15℃。由于清華校內(nèi)沒有能夠滿足這一實(shí)驗(yàn)需求的低溫實(shí)驗(yàn)室，鞠欣源只好借助校外場(chǎng)地完成實(shí)驗(yàn)。最終，天津商業(yè)大學(xué)的制冷技術(shù)實(shí)驗(yàn)室提供了符合鞠欣源實(shí)驗(yàn)需求的冷庫(kù)，這個(gè)培養(yǎng)制冷專業(yè)人才的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成為了鞠欣源研究熱舒適的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行流程示意圖

經(jīng)過(guò)不懈努力，鞠欣源最終完成了實(shí)驗(yàn)，得到了人體不同部位的熱需求分布規(guī)律，也驗(yàn)證了個(gè)體間熱需求確實(shí)存在差異的假設(shè)。

鞠欣源從實(shí)驗(yàn)中得出的第一個(gè)結(jié)論便是人體熱需求的分布在身體各部位間是有差別的。在實(shí)驗(yàn)的第一階段，受試者可以通過(guò)手中的平板電腦，自主調(diào)節(jié)身體各部位加熱片的加熱溫度，從而達(dá)到比較舒適的狀態(tài)。鞠欣源對(duì)受試者的自主調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)，如果以加熱片溫度調(diào)整幅度為標(biāo)準(zhǔn)度量部位間熱需求，四肢的熱需求明顯高于軀干。其中，小腿部位加熱片溫度提升最高，達(dá)到了14.9℃，而背部最低，只有5.8℃。也就是說(shuō)，從鞠欣源的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，小腿是人體最怕冷的部位。

在解釋“交替加熱在節(jié)能的同時(shí)，與持續(xù)加熱效果基本相同”的結(jié)論時(shí)，鞠欣源試圖用拍電影來(lái)類比，讓這一結(jié)論更便于理解。在她看來(lái)，電影是將一幀一幀的靜止畫面連續(xù)播放，利用人眼的“視覺暫留”原理，使人得到連續(xù)動(dòng)態(tài)的視覺觀感，形成與真實(shí)世界中觀看連續(xù)運(yùn)動(dòng)的物體相同的感受。與此類似，“熱感覺暫留”效果同樣存在，通過(guò)對(duì)人體3個(gè)部位為一組的交替循環(huán)加熱，獲得的熱舒適改善效果與持續(xù)加熱相近。同時(shí)，相較全身9個(gè)部位持續(xù)加熱的模式，交替加熱又節(jié)省了2/3的加熱時(shí)間，起到了節(jié)能效果。

鞠欣源的畢設(shè)最終被評(píng)為2021年清華大學(xué)優(yōu)秀畢業(yè)論文，她自研的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)也已經(jīng)在課題組內(nèi)得到了小范圍推廣，應(yīng)用到組內(nèi)開展的其他實(shí)驗(yàn)中。接下來(lái)，鞠欣源會(huì)繼續(xù)在熱舒適領(lǐng)域?yàn)楦纳迫说沫h(huán)境滿意度做出微小卻有意義的探索。