一种基于舒适度的代谢舱人体数据测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于舒适度的代谢舱人体数据测量方法及系统，包括数据采集系统，用于获取舱室内PMV指数参数；PMV指数数据处理系统，用于根据PMV指数计算标准建立PMV指数计算模型，根据非线性规划方程确定温度和空气流速；代谢数据处理系统，用于按照温度和空气流速确定空气体积V的值，同时更新后的空气体积V的值计算能量消耗率MR；控制模块，用于按照温度和空气流速调整舱室内空调系统的温度和风速。本发明专利技术解决了PMV指数计算模型和代谢舱系统相互制约的关系，同时可检测代谢舱室内PMV指数值，进而可对舱室内环境进行调节，保证系统检测时受试者保持在热中性环境中，提高检测代谢数据的准确性。代谢数据的准确性。代谢数据的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于舒适度的代谢舱人体数据测量方法及系统


[0001]本专利技术属于代谢热管理领域，具体涉及一种基于舒适度的代谢舱人体数据测量方法及系统。

技术介绍

[0002]使用间接量热仪(代谢舱)测量的24小时能量消耗EE成分包括以下：(1)睡眠代谢率(SMR)，(2)静息代谢率(RMR)，(3)食物的热效应(TEF)，以及(4)与体力活动相关的EE(能量消耗)(PAEE)。通过适当的实验设计，还可以测量24小时EE的其他成分，如运动后过量耗氧量。
[0003]而静息代谢率(BMR)是完全休息时的EE率；它代表维持重要功能所需的EE，如身体的基本化学反应，并且其在间接量热仪中测量的24小时EE的主要贡献者(60％至75％)。BMR通常使用通风罩测量，BMR的最严格定义要求个人处于吸收后状态(10
‑
12小时，不消耗高热量食物或饮料)，同时身体不受干扰，清醒，处于热中性环境。
[0004]同时预计平均热感觉指数(PMV指数)用于评价环境的舒适度，其在建立人体热舒适的经典热平衡模型中包括以下六个基本参数：M(人体代谢率)，I
cl
(服装热阻)，t(空气温度)，t
r
(辐射温度)，RH(相对湿度)以及v(空气流速)，预计平均热感觉指数也能够表示为以下函数：
[0005]PMV＝f(M，I
cl
，t，t
r
，RH，v)
[0006]图6显示了在服装热阻等于1clo的情况下，PMV指数如何受到代谢率的影响，图中横轴代表温度，纵轴代表PMV指数，曲线自上而下分别代表代谢率从0.9met、1.1met、1.3met以及1.5met下PMV指数的变化，可以看出的是代谢率从0.9met变化到1.5met可能导致热中性温度(PMV指数等于0时的温度)变化超过3.2K，或PMV指数差的约1.5单位标度；人体代谢率的准确描述是热舒适性研究的基础，其在热舒适性预测中的重要性是不用质疑的；现有的热舒适性预测系统可用于不同场景下的环境调节，但是在研究和者实践中，代谢率往往是粗略的评估，在热舒适领域的大多数研究都依赖简单的活动日志来估计代谢率，该方法将代谢率视为基于个人和当前活动水平的恒定值，其按照下表1中不同活动的人体能量代谢率查表得到：
[0007]表1
[0008][0009]可以看出的是在上述热舒适研究和实践中流行的方法是不够精确的，特别是考虑BMI、性别、年龄、妊娠和更年期状态以及非稳态情景的个体差异时，已经无法维持任何精度的普通热舒适建模；为了解决代谢率估计的不确定性，通常通过利用牛顿法(将服装表面温度t cl
和人体代谢率M拟合后求PMV指数方程零点的方法)将计算的代谢率值整合至PMV指数的计算中，从而使PMV指数更接近真实值，但是牛顿法中代谢率的预测值是根据数学推断确定的，和代谢率的直接测量值相比，其精度并不完美，从而降低PMV指数计算值的有效性。
[0010]由此可见预计平均热感觉指数(PMV指数)和人体代谢率测量之间的关系，为了实现准确测量某类建筑内的热舒适性，往往引入人体代谢率特征的现场测量或者将其设计成具有特定代谢率特征建筑物，而将平均热感觉指数(PMV指数)引入人体代谢率测量的反而很少，不仅仅是因为人体代谢率测量系统是较为封闭，空调系统的改变造成了代谢数据的失真，同时空调调节如何根据场景变化来改变温度和风速也是难题。
[0011]然而保持环境热中性和将个体处于一个舒适的环境对人体代谢测量是非常重要的，通过设置舒适度评价系统来检测受试者周围的PMV指数进而对代谢舱的环境进行调节也是必要的。

技术实现思路

[0012]本专利技术的目的就在于为了解决上述技术问题而提供一种基于舒适度的代谢舱人体数据测量方法及系统，其适用于代谢舱系统，基于预计平均热感觉指数的舒适度评价系统来实时保持环境热中性，进而提高代谢数据准确度的代谢舱人体数据测量方法。
[0013]为了实现上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0014](一)代谢舱
[0015]代谢舱、通风罩和面罩均进而用于间接测量人体的能量消耗，代谢舱的主要优点是受试者不受贴身仪器的影响；因此可以连续24小时或更长时间进行精确测量，其用于测量人体的能量消耗的原理主要依据：“舱室内气体体积的增加率＝进入舱室内气体体积流量的增加率+受试者产生气体体积的速度
‑
舱室内排出气体体积流量的增加率”因此针对代表能量消耗的气体(氧气和二氧化碳)的变化率计算如下：
[0016][0017]其中VO2为氧气代谢消耗率，VCO2为二氧化碳代谢生成率，F为进入舱室的逆流空气流量，由质量流量控制器设置，其为标准状态下的气体流量，流量，由质量流量控制器设置，其为标准状态下的气体流量，分别是进入和流出舱室的氧气、二氧化碳的浓度，其中为预先设定浓度，由气体分析器检测流出空气流中氧气、二氧化碳的浓度；由气体分析器检测流出空气流中氧气、二氧化碳的浓度；是舱室内空气中氧气、二氧化碳浓度的时间变化量；V为标准状态下舱室内的空气体积；N为霍尔丹系数；
[0018]上述的霍尔丹系数用于逆流空气流量和流出空气流量的转换，其转换标准在于假设代谢舱系统中除去氧气和二氧化碳其他气体没有参与发生反应，得到设代谢舱系统中除去氧气和二氧化碳其他气体没有参与发生反应，得到因此固定逆流空气中氧气和二氧化碳的浓度，同时确保代谢舱密封(压差传感器可用于平衡舱室内外气压)可实现人体代谢能量的测量，进而代谢舱进行可如下设置。需要指出的是，本专利技术所述的代谢舱并非单一一类或者固定作用的代谢舱体，其可以是一种特定代谢率特征建筑物，本专利技术代谢舱系统包括舱室、质量流量控制器、气体分析器以及压差传感器；舱室密封，向舱室内提供逆流空气流，另一端从舱室内抽出空气形成流出空气流，质量流量控制器检测逆流空气流的流量，气体分析器检测流出空气流中二氧化碳和氧气的浓度，压差传感器用于平衡舱室内外气压，当然为了代谢舱受试者的体验装载空调也是必须的。
[0019](二)代谢数据的预修正
[0020]人体代谢率M通过能量消耗率MR和人体表面积BSA的商来确定(值得注意的是需要将能量消耗率MR(L/min)单位化为(kcal/min)，进而单位化为J/s，统一单位计算)；能量消耗MR＝3.941*VO2+1.106*VCO2；其中人体表面积BSA如下确定：
[0021]BSA＝0.0061*L+0.0124*G
‑
0.0099
[0022]其中L为受试者身高(cm)，G为受试者重量(kg)，由于其中VO2为(L/min)氧气代谢消耗率，VCO2(L/min)为二氧化碳代谢生成率不仅仅是检测数据的函数，其中主要影响因子还有舱室内气体体积V，而舱室内气体体积V和温度、压强以及气体汇合速度(空气流速都有关系)，在设定压差传感器用于平衡舱室内外气压后，其主要和温度、空气流速有关系，因此为了减少环境变化对代谢数据的影响将在代谢测量之前进行一组气体冲刷试验，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于舒适度的代谢舱人体数据测量方法，其特征在于，通过将平均热感觉指数计算模型引入代谢舱系统测量中，用于确保受试者在代谢数据测量时始终处于热中性状态，包括以下步骤：步骤S100，利用平均热感觉指数计算模型计算平均热感觉指数，平均热感觉指数计算模型包括以下参数：温度t、空气流速v、人体代谢率M、人体对外做功W、辐射温度t
r
、相对湿度RH以及舱室内受试者的服装热阻I
cl
，其中辐射温度t
r
、舱室内受试者的服装热阻I
cl
为常数，相对湿度RH、温度t、空气流速v分别从代谢舱系统中的湿度传感器、温度传感器和风速探头获取，人体代谢率M从代谢舱系统测量实时获取，人体对外做功W基于受试者运动状态来确定，计算得到的平均热感觉指数结合设定的阈值P，用于判断受试者是否处于热中性状态；步骤S200，推算人体代谢率M的预测值M
′
：当受试者体力活动发生改变，进入非热中性状态后，根据受试者的运动状态，推算人体代谢率M的预测值M
′
；步骤S300，温度和空气流速的预调节：当受试者体力活动发生改变时，首先获取此时代谢舱室内温度t、空气流速v、辐射温度t
r
、舱室内受试者的服装热阻I
cl
以及相对湿度RH，然后将根据受试者运动状态变化确定人体对外做功W1以及人体代谢率M的预测值M1′
，输入步骤S100的平均热感觉指数计算模型后求解非线性规划方程得出预测温度t
′
和预测空气流速v
′
，非线性规划方程包括目标函数和满足条件，目标函数用于限制温度t、空气流速v的改变量最小，满足条件用于确定代谢舱室内的平均热感觉指数始终处于设定阈值P之内，求解得到的预测温度t
′
和预测空气流速v
′
，用于调节空调系统的温度和风速；步骤S400，空调系统的预调节以及计算预调节后的平均热感觉指数：按照步骤S300得出的预测温度t
′
和预测空气流速v
′
调整代谢舱室内空调系统的温度和风速；待代谢舱系统稳定后，首先通过代谢舱系统获取受试者运动状态变化后的人体代谢率M1，然后将根据受试者运动状态变化确定的人体对外做功W1以及人体代谢率M1、预测温度t
′
、预测空气流速v
′
，输入平均热感觉指数计算模型确定预调节后平均热感觉指数值P1；步骤S500，检测预调节结果：将步骤S400确定的预调节后平均热感觉指数值P1与设定阈值P相比较，判断受试者是否处于热中性状态，处于热中性状态则结束调整，在预测温度t
′
和预测空气流速v
′
环境下进行人体代谢率M的测量；不处于热中性状态则进入步骤S600；步骤S600，空调系统的极值调节：将步骤S400获取的人体代谢率M1和人体对外做功W1输入平均热感觉指数计算模型后求解的|PMV|极值，获得极值温度t
″
和极值空气流速v
″
，按照极值温度t
″
和极值空气流速v
″
调整舱室内空调系统的温度和风速，在极值温度t
″
和极值空气流速v
″
环境下进行人体代谢率M的测量。2.按照权利要求1所述的一种基于舒适度的代谢舱人体数据测量方法，其特征在于：所述步骤100中平均热感觉指数计算模型如下：PMV＝a*[(M
‑
W)
‑
H
‑
E
c
‑
C
res
‑
E
res
](a＝0.303*e
‑
0.306M
+0.028)其中M为人体代谢率，W为人体对外做功，H为人体敏感热损失，E
c
为皮肤上通过蒸发产生的热交换，C
res
为呼吸的对流热交换，E
res
为呼吸的蒸发热交换。3.按照权利要求2所述的一种基于舒适度的代谢舱人体数据测量方法，其特征在于：所述平均热感觉指数计算模型中温度t、空气流速v、人体代谢率M以及人体对外做功W为变量，辐射温度t
r
、湿度RH以及舱室内受试者的服装热阻I
cl
为常量，具体模型建立步骤包括：通过
温度t、空气流速v、人体代谢率M以及人体对外做功W确定人体敏感热损失函数H＝k1(t,v,M,W)...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨逸凡，王远，毕安安，周真友，金海英，刘睿德，
申请(专利权)人：安徽宏元聚康医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：