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主要作者及研究机构

该研究由Jiahao Wang、Xinyu Jia、Miao Wang、Yingxin Zhu和Bin Cao共同完成。主要研究机构包括清华大学建筑学院建筑科学系、清华大学教育部生态规划与绿色建筑重点实验室、太原理工大学土木工程学院以及清华大学未央学院。该研究于2025年3月发表在《Building and Environment》期刊上。

学术背景

随着城市化进程的加快和健康生活方式的重视，步行空间的设计与建设日益受到关注。然而，现有研究主要集中在静态人体或跑步机模拟步行的风场效应上，这些方法与真实步行条件下的相对风速来源存在显著差异，导致现有热舒适模型与实测结果偏差较大。因此，本研究旨在通过实验测量真实步行（RW）和模拟步行（SW）条件下的对流换热系数（hc），并探讨其影响因素，为未来步行空间的热舒适设计提供理论支持。

研究流程

研究分为热人体模型实验和受试者实验两部分。

热人体模型实验

1. 实验条件：模拟步行实验（SW）在清华大学的气候室内进行，真实步行实验（RW）在一个全尺寸舱室内进行。环境温度、湿度和风速在实验前后均进行了监控。
2. 实验仪器：使用丹麦PT Teknik公司生产的热人体模型，模型高度1.71米，体表面积约1.67平方米，包含22个独立控制段。模型表面覆盖铝箔以减少辐射换热的影响。
3. 步行装置：研究团队自行设计了一套热人体模型步行装置，包括肢体摆动模块和前进移动模块，能够模拟真实步行的肢体摆动和前进速度。
4. 风扇墙：由四个220V轴流风扇组成，用于在SW实验中生成相对风速。
5. 环境参数测量：使用多种仪器测量空气温度、湿度和风速，并通过公式计算平均辐射温度。
6. 实验设计与程序：SW实验设计了三种相对风速（0.3 m/s、0.5 m/s、0.8 m/s）、两种风向（前向和侧向）和两种肢体状态（摆动和不摆动），共13种条件。RW实验仅考虑前向风向，共7种条件。每个实验条件重复两次，数据稳定后取平均值。
7. 对流换热系数计算：模型在恒温模式下运行，通过热平衡方程计算对流换热系数。

受试者实验

1. 受试者：12名健康成年人（6男6女，年龄20.8±1.5岁，BMI 21.5±1.8）参与实验，穿着统一的服装。
2. 环境仪器：实验在气候室内进行，空气温度和湿度分别设定为24°C和50%。使用无线温度传感器连续测量皮肤温度，并通过加权平均计算全身平均皮肤温度。
3. 主观问卷：包括热感觉投票（TSV）和气流感觉投票（ASV），分别在实验前后和实验过程中进行。
4. 实验程序：受试者在气候室内进行模拟步行和真实步行实验，步行速度分别为0.3 m/s、0.5 m/s和0.8 m/s。每个步行阶段持续20分钟，之后进行15分钟的静坐恢复。

主要结果

1. 对流换热系数：研究发现，SW实验的hc普遍高于RW实验，且肢体摆动显著增加了四肢的hc。在RW实验中，hc随相对风速的增加而增加，拟合公式为hc = 11.03v^0.52。
2. 皮肤温度：SW实验中的稳定皮肤温度显著低于RW实验，且随着相对风速的增加，差异逐渐增大。
3. 主观感觉：SW实验中的整体TSV和ASV均低于RW实验，且随着相对风速的增加，差异逐渐增大。特别是在0.8 m/s的相对风速下，头部、胸部、上臂和前臂的TSV和ASV差异显著。

结论

研究得出了不同步行条件下hc与相对风速的拟合公式，并发现SW和RW实验中的hc存在显著差异，主要归因于湍流强度（tu）、湍流长度尺度（lt）和气流特性的不同。研究结果提供了步行条件下对流换热系数的实验依据，为未来步行空间的热舒适设计提供了重要参考。

研究亮点

1. 重要发现：研究首次系统地测量了真实步行和模拟步行条件下的对流换热系数，并发现了二者之间的显著差异。
2. 方法创新：研究团队自行设计了热人体模型步行装置，能够更真实地模拟人类步行。
3. 研究对象的特殊性：研究不仅关注对流换热系数，还探讨了其对皮肤温度和主观感觉的影响，为步行空间的热舒适设计提供了全面的数据支持。

其他有价值的内容

研究还探讨了湍流强度和湍流长度尺度对对流换热系数的影响，并提出了未来研究应进一步验证公式在更高速度条件下的适用性。此外，研究还建议未来应探索步行速度对服装隔热性能的影响。