基于密闭空间二氧化碳浓度变化的人体代谢产热测量装置及方法

本发明属于人体代谢产热测量技术领域，涉及一种基于密闭空间二氧化碳浓度变化的人体代谢产热测量装置及方法。

背景技术：

人体热舒适是建筑环境研究领域的基础科学问题，也是营造舒适节能型建筑环境的重要依据；在影响人体热舒适的因素中，代谢产热直接影响人体热平衡状态，是热舒适研究的基本参数。因此，准确描述人体代谢产热是建筑环境热舒适研究的基石。在建筑环境设计领域，当前主要沿用iso8996标准中的典型活动状态对应代谢产热量的方法估计人体散热量，并使用群集系数来修正不同功能房间在人群性别、年龄、体重等方面的差异，但是该方法存在不确定性大、典型活动状态对应的代谢产热量种类不足等缺点，其准确性远不能满足热舒适研究的精度要求。

目前，有几种可能用于建筑环境人体代谢产热研究的测量设备，其中，通过步伐换算和心率换算代谢产热的计步器和心率仪属于可穿戴设备，已用于实时记录人体活动水平，但是该类设备存在准确性不高的问题；而利用同位素示踪双标水法和通过人体消耗和产生的化学成分换算代谢产热能量代谢舱虽然准确性和可靠性良好，但是却存在仪器昂贵、实验成本极高、实验时间长等问题，并且根据鹿琦等人的文献综述，截至2012年我国境内尚未建成人体能量代谢舱，仍旧存在技术垄断的问题。与上述方法和设备不同的是，近年来基于通过o2消耗量、co2生成量换算代谢产热间接测热法的人体代谢率测量技术发展迅速，如vmaxencore代谢测量仪和cosmedk5便携式气体分析仪，此类设备在准确性和便捷性方面有很大的改善，然而，令人遗憾的是，此类便携式人体代谢测量仪，其核心技术全部被国外公司垄断，国内几乎找不到相应的产品，导致此类设备价格十分昂贵，售价高达50～100万rmb；现有的另外一种便携式人体代谢测量仪douglas气体分析袋的基本原理相似，并且在测量技术上避免了一些难点，价格也相对便宜，但是该方法无法测量分钟时间尺度上的代谢产热变化规律。

鉴于已有的人体代谢产热测量设备，存在准确性低、便捷性差、价格昂贵或技术垄断等问题，自主研发新的代谢产热测量装置，准确描述人体代谢产热的特征规律，成为热舒适研究领域亟需突破的重点和难点。例如，中国专利申请号为cn201310296899.1的“一种基于血糖无创检测的代谢测量方法”，该装置的原理是：通过温度传感器、湿度传感器、辐射传感器分别测得人体局部体表与环境之间通过对流、蒸发、辐射三种传热方式所散发的热量；利用热力学第一定律出发建立的人体热平衡方程，选择相关参数并建立数学模型，求得人体局部组织代谢率。该发明的特点是通过人体散热数值模型直接计算人体散热量，然而，由于人体形态多样、着装复杂、与环境直接的热量交换极其复杂，几乎无法准确测量对流、蒸发和辐射三种形式的散热量。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了提供一种基于密闭空间二氧化碳浓度变化的人体代谢产热测量装置及方法，以实现对人体代谢产热准确测量，并降低测量难度等。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案之一提供了一种基于密闭空间二氧化碳浓度变化的人体代谢产热测量装置，包括：

密闭的结构空间模块；

意外风险预防模块：其与结构空间模块相连接，并用于预防结构空间模块内的意外风险与安全问题；

运动调节模块：其布置在结构空间模块内，并用于调节被测对象的运动状态；

具有温度和湿度调节功能的环境控制模块；

代谢产物检测模块：其布置在结构空间模块内，并用于实时检测结构空间模块内的co2浓度。

进一步的，所述的结构空间模块为密闭小舱或密闭小室，其尺寸为(1.5～3.5)×(1.5～3.5)×(1.5～3.5)m³。优选的，其尺寸为2.5×2.5×2.5m³。

进一步的，所述的意外风险预防模块包括布置在结构空间模块上的密闭安全门和观察窗，其中，所述密闭安全门可双向打开，且当密闭安全门打开后，结构空间模块的内部空间与外部空间连通。密闭安全门采用本领域常规的可双向打开(即具有向内和向外开启功能)的门结构，是防止高密闭性结构空间内出现窒息的第一重保障；而观察窗则可以采用一面透明可破碎的玻璃窗构成，其透明性可用于观察高密闭性结构空间内部的人员实验状况，当高密闭性结构空间内出现窒息风险时，可以将玻璃窗破碎，保障受试人员安全。

进一步的，所述的运动调节模块包括独立设置的便携式运动楼梯、跑步机和人体工学椅等，以上运动设备均可以采用本领域常规市售产品型号即可。

进一步的，所述的环境控制模块包括温湿度调节器，可选的，所述的环境控制模块为无氟变频空调(非新风)。该装置能够实时监测并调节高密闭性结构空间之内的温度与湿度，其中温度控制精度为±1℃；相对湿度控制精度为±5％。

进一步的，所述的代谢产物检测模块包括若干co2浓度传感器，其由斜拉索均匀布置在结构空间模块的对角线位置。

进一步的，该测量装置还包括安装在结构空间模块内的空气混合模块。更进一步的，所述的空气混合模块为风扇。

该测量装置还包括连接所述代谢产物检测模块的数值分析模块，工作时，数值分析模块接收代谢产物检测模块所反馈的co2浓度信息，经处理得到被测对象的代谢产热。该数值分析模块可以由数据存储器、数据读取器、数据换算器和数据显示器等构成，也可以采用本领域常规的电脑，其用于执行以下功能：即将代谢产物检测模块所反馈的co2浓度信息转换成人体代谢产热量，具体转换公式如下：

式中，m为所测代谢产热(w/m²)，rq为呼吸商，即生成co2与消耗o2的摩尔比率；qco2为生成co2体积流量(ml/s)；ad为人体表面积(m2)，可以利用dubois公式通过身高和体重计算获得。

本发明的技术方案之二提供了一种基于密闭空间co2浓度变化的人体代谢产热测量方法，其采用如上所述的测试装置实现，该测量方法包括以下步骤：

(1)启动环境控制模块，调整结构空间模块内的温度和湿度至设定值；

(2)确认结构空间模块内密闭完好后，被测对象进入结构空间模块内，并通过运动调节模块调节所处活动水平；

(3)采用代谢产物检测模块实时测量不同活动水平下的co2浓度变化量，并转换得到对应活动水平下的代谢产热情况。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)基于间接测热原理，利用人体代谢产物换算人体代谢产热，其测量结果准确，能够满足建筑环境人体热舒适研究的精度要求，特别适合较短时间(如半个小时至一个小时左右)的人体运动代谢产热的测量；

2)利用高密闭性结构空间和空气混合模块，避免了现有测量设备中逐时人体呼气气流流量和代谢产物浓度变化的技术难点，大大降低了测量难度，进而降低了测量成本；

3)该装置具有较大的可塑性、应用范围广，通过调整高密闭性结构空间的体积大小，可以发展成密闭小室和储气小舱两种代谢产热测量装置，前者强调准确性，适用于实验室研究，后者强调便捷性，适用于现场调查研究。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中标记说明：

1-结构空间模块，2-意外风险预防模块，21-观察窗，22-密闭安全门，3-运动调节模块，31-人体工学椅，32-跑步机，33-便携式运动楼梯，4-环境控制模块，5-代谢产物检测模块，6-空气混合模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下各实施例中，如无特别说明的功能部件或模块结构，则表明其均为本领域为实现对应功能而采用的常规部件或模块结构。

实施例1：

如图1所示，本发明基于密闭小舱co2浓度变化测量人体代谢产热的装置包括：一高密闭性的结构空间模块1、一意外风险监控模块、一运动调节模块3、一环境控制模块4、一代谢产物检测模块5(即co2浓度检测模块)、一空气混合模块6。

高密闭性的结构空间模块1分别与意外风险监控模块以及部分环境控制模块4相连，运动调节模块3位于高密闭性结构空间模块1内部，空气混合模块6位于高密闭性结构空间模块1的顶部，代谢产物检测模块5则位于该小室的对角线上。高密闭性结构空间模块1为一个2.5×2.5×2.5m³的小舱，主要由现场浇注式钢筋混凝土和钢筋构成，外部墙体涂刷防火防水材料，保证密闭小舱具有良好的密闭性能。

意外风险预防模块2与高密闭性结构空间模块1相连接，可以做到实时监控密闭舱内的人员动态，实验情况，并可以有效的预防意外风险和实验安全问题的发生。意外风险监控模块采用一张密闭安全门22和一面由高性能玻璃制成的观察窗21。密闭安全门22具有双面开门的特性，保证了从内外两侧都可以开门的条件，使得实验人员的安全得到了保障。而由高性能玻璃制成的门窗(观察窗21)，在具有良好坚固性能的同时还可以比较方便的观察小舱内部的人员实验情况，可以较为轻易的打碎，而破碎的玻璃碎渣相对较钝，对人员的危害比较小。

运动调节模块3可以由便携式运动楼梯33、高性能多模式的跑步机32、及人体工学椅31组成。该运动调节模块3可以使受试者处于不同的运动状态，其中，便携式楼梯可以模拟受试者爬楼梯的运动状态；高性能多模式的跑步机32，利用其速度、坡度调节功能和跑步带维稳功能来调节受试人员的活动水平；人体工学椅31能够调节静坐、卧躺等运动状态。

环境调节模块，由一个变频温湿度调节器和空气加湿器组成，该装置能够实时监测并调节高密闭性结构空间之内的温度与湿度，并能将密闭空间内的温度控制在15-35℃的任意温度，并且其温度控制精度为±1℃；相对湿度控制精度为±10％。

代谢产物检测模块5由两根拉索以及六个co2浓度探测器构成，其中co2浓度探测器(采用常规的co2浓度传感器即可)的测量误差在2％左右，根据误差传递原理，该精度水平可以保证代谢产热测量误差在5％以内，进而确保根据实验代谢率计算出来的pmv预测值精度在0.3个标尺以内。

空气混合模块6，由一个空气动力学装置(可以为吊扇或落地扇等风扇)构成，通过调节其转速和方向，可以1分钟内均匀混合高密闭性结构空间之内空气成分，使得不同位置测量所得co2浓度差异在20ppm以内。

自主数值分析模块，可以由数据存储器、数据读取器、数据换算器和数据显示器构成，也可以替换为电脑，其可以将代谢产物检测模块5的测量结果转换成人体代谢产热量，并实时展示，具体转换公式为：

式中，m为所测代谢产热(w/m²)，rq为呼吸商，即生成co2与消耗o2的摩尔比率；qco2为生成co2体积流量(ml/s)；ad为人体表面积(m2)，可以利用dubois公式通过身高和体重计算获得。

上述基于密闭小舱co2浓度变化测量人体代谢产热的装置包括以下步骤：

1)关闭密闭小室门，检测密闭小室的气密性是否达到标准值；

2)启动环境控制模块4，调整密闭小室内的温湿度达到合适的范围；

3)打开密闭小室门，受实验者进入密闭小室后关闭密闭门，进行称重、测量身高，然后利用dubois或许文生氏公式通过身高和体重计算受实验者的人体表面积；

4)启动空气混合模块6，使密闭小室内的空气混合均匀；

5)利用运动调节模块3，调整受试者的运动状态；

6)启动代谢产物检测模块5，实时测量受试者在静坐、跑步、以及上下楼梯时的co2浓度变化和o2浓度变化曲线；

7)利用公式(1)计算得出受实验者在不同运动状态下的代谢率；

8)将最终结果绘制成图表形式进行展现。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。