人体温冷感および快適性の評価と可視化

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温冷感と快適性の評価指標

心の状態を正確的、定量的に評価するために、様々な温冷感と快適性の評価指標が導入されました。ここでは、下図のように、バークレーの9ポイント指標をご紹介いたします。いずれも心の状態を9つの階段状に分けています。

温冷感は両端に”とても熱い”の状態が4点が付く、”とても寒い”の状態が-4点が付く、真ん中”熱くもない寒くもないバランスしている状態”が0点が付きます。

この指標を我々の生活経験を基にすこし考えてみよう。夏場、無風、日差しが強いある昼に露天駐車場に歩いていく時に、”今日暑いなあ” と温冷感が3点、汗もすげえかいて、不快適で快適性が-2点を体験したことがあるでしょうね、ドアを開けて、車に入ると、”やっべえ、耐えれない熱さだ”と温冷感がさらに4点、一瞬で不快適さが爆発、快適性は-4点。慌ててエアコンをフルコールドにして、吹き出し口からガンガン冷気が出されて、体全体はまだ熱いが、顔や手足に冷たい風が当たる瞬間、”気持ちいいなあ”快適性はいきなり3か4か感じちゃい、温冷感も2点程度に落ちます。徐々に室内の気温が下がって、体も徐々に慣れていたら、温冷感は0付近に、快適性は2付近に落ち着く経験ですよね。

人間の体は温冷感と快適性に対して、非常に不連続的、躍動的な状態変化が起きていることが分かると思います。温冷感と快適性は階段状で、9ポイント指標化されている理由だと思っております。実は、これはバークレー大学のCBE実験室で、もっと厳密的な人間試験結果に基づいて、科学的な分析結果です。詳細について興味がある方は、下記リンクにアクセスして文献をご参考ください。

https://cbe.berkeley.edu/research/advanced-human-comfort-model/

温熱環境の評価指標

続いて、温熱環境に対して、どういう評価指標があるかを紹介したいと思っております。ANSHARE標準によると、6つの指標があり、下記の通りに、明確になっています。

  • 空気温度
  • 湿度
  • 周囲平均放射温度
  • 気流速度
  • 着衣量
  • 人体活動量

人間は恒温動物であり、身体にはサーマルレギュレーションのメカニズムを備えている、身体深層の温度(37℃)を一定に保っています。運動しているときはもちろんですが、動いていないときも、体内の基礎生理化学反応によって、人体は自己発熱(成人男性は約100W)しています。ほとんどの時に、人体は環境に熱を逃げています。そのうち、エヴァポレーション(発汗、呼吸など)による放熱は25%ぐらいで、皮膚を通しての熱伝導、輻射、対流は75%ぐらいを占めています。熱伝導による放熱はわずかで(10%未満)、輻射と対流による放熱は同じぐらいです。

皮膚面積

人体の皮膚面積は広いです。広いほど輻射と対流による熱交換が大きいです。身長1.75m、体重75kgの成人では、皮膚面積は1.9m2ぐらいです。デュボイス氏は1915ごろ米国人を対象に、初めて皮膚面積が身長と体重との関係式を見つかりました。そのうち、Wは体重[単位:kg]、Hは身長[単位:m]です。

アジア人に対しても、デュボイスの式の定数がさほど変わらないです。

周囲平均放射温度

周囲平均放射温度は周囲環境におかれるすべてのものから人体への輻射熱を平均化した代表温度です。

冬季温かい部屋に入った人を例とすると、パネルヒーター、テレビ、壁面などから輻射熱を受けています。空調が付かなくて、温かいと感じますね。その部屋を完全に囲まれるボックスを仮想して、そのボックスの各面は同じ温度です、その人が仮想ボックスから受ける輻射熱が、実際の部屋にいる時に受けた輻射熱と同じであれば、そのボックス表面温度は即ち平均放射温度になります。

ステファンボルツマン式から、平均放射温度は下記式で導出することが可能です。そのうち、Tnは各面の表面温度です、φは各面から皮膚表面の形態係数です。

着衣量

人間は服を着ています。服は皮膚表面を覆い、断熱効果があります。そのために、温熱環境の評価には、衣服の影響を無視できないです。定量的に、衣服の断熱効果を評価するには、着衣量の指標を使っています。

着衣量は着衣の熱抵抗で定義されています、単位はcloです、1 clo = 0.155 K··W⁻¹ です。直感的には、気温21℃、相対湿度50%、気流0.1 m/sの室内で着席安静の状態にしている人が快適と感じれば、その人が着ている服の熱抵抗は1cloです。ざっくりでは、半袖+ズボンは0.5cloで、スーツセットは1cloのイメージですね。

人体活動量

人体活動量は身体のエネルギー消費率を現しています、単位はMETです。1METは約58W/m2です。

  • 0.8 met – 基礎代謝量
  • 1.0 met – 着席安静の状態
  • 2.0 – 4.0 met – 小強度な活動(ドライブ、会議など)
  • 4.0 – 7.0 met – 中強度な活動(散歩、ジョギング)
  • 8.0 – 12.0 met – 大強度な活動(マラソン、テニス、バスケなどの競技)

可視化

TAIThermの人体熱解析専用モジュールには先進な人体熱モデル及びバークレー快適モデルを搭載しております。人体と環境の相互作用をTAIThermモデルの中に再現されて、温冷感及び快適性を人体部位ごとに可視化することができます。お客様は直感的に”この部位は不快適だ”という問題点をピンポイントして、素早く改善策を導くことができると思っております。

今回の内容は以上です、これまでご覧いただきありがとうございます。

人体快適性並びにTAIThermに関しては、下記までお気軽にお問い合わせください。ご連絡をお待ちしています。
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EThermo株式会社

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E-mail: info@ethermo.co.jp

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