田宇飛,狄育慧,王麗娟

(西安工程大學 城市規(guī)劃與市政工程學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

在炎熱的夏季,衣服的厚薄、材料，環(huán)境的溫度等都會對人體的熱舒適情況產生較大的影響．文獻[1]指出人體的頭部區(qū)域局部熱舒適程度取決于人體局部皮膚的溫度和熱損失．余娟[2-3]指出當人處于室內時,室內熱經歷比室外熱經歷影響更顯著,且皮膚溫度、出汗率、心率變異率和熱應激蛋白可以作為室內偏熱環(huán)境時的生理測試指標.田國華等[4]研究表明皮膚溫度和皮膚熱流可以作為檢驗耐寒與不耐寒體質的敏感生理參數,熱感覺和熱舒適主觀評價可以作為檢驗耐寒和非耐寒體質的心理指標．劉蔚巍[5]團隊的研究表明體溫調節(jié)活動引起的生理參數變化可以反映人體的熱舒適程度,平均皮膚溫度可以做為一個有效的客觀指標來評價人體熱舒適程度．王麗娟等[6]研究發(fā)現風速對人體散熱特性的影響會隨著環(huán)境的溫度變化而變化,研究風速對人體散熱時需要具體說明環(huán)境溫度．以上研究是關于人體熱舒適,但是對于人體局部的熱舒適相關研究則相對較少．也有研究表明,人體皮膚溫度[7-8]和人體皮膚熱流是與人體熱舒適相關的生理參數．故本文結合相關文獻結論,及生理測試與問卷調查,選擇皮膚溫度與皮膚熱流為生理參數指標，研究夏季環(huán)境溫度下，人體皮膚溫度和散熱情況.

1 實 驗

1.1 實驗準備

因為制冷設備對于熱體舒適度也有所影響[9],因此本實驗以西安工程大學焓差實驗室作為室內實驗環(huán)境,實驗室分為控制室和人工氣候室,機組能夠精確地控制干球溫度、相對濕度以及風速等環(huán)境參數．其中,干球溫度的控制范圍為0～40 ℃,精度為±0.3 ℃;相對濕度控制范圍為15%～85%,精度為±4%; 風速控制范圍為0.1 m·s-1～2 m·s-1,精度為0.3 m·s-1．受試者為在校身體健康的本科生或研究生，共計12人,其中男女各6人，其信息如表1所示．

表 1 受試者基本信息

為了盡可能提高受試者的局部測試準確性,本實驗對于受試者服裝要求:棉質短袖T恤,棉質短褲和涼拖鞋,整套服裝熱阻值約為0.5 clo[10];根據 ASHARE55—2013舒適區(qū)指標以及我國 熱舒適標準[11]，選取夏季溫度指標為25 ℃,27 ℃,29 ℃,31 ℃,相對濕度為50%～60%,實驗由低溫向高溫進行控制,受試者保持靜坐姿勢．待數據穩(wěn)定后,記錄環(huán)境參數、生理參數．同時進行相關的問卷調查．

圖 1 選取點Fig.1 Selected point

1.2測試方法

人工氣候室內空氣溫度、黑球溫度、相對濕度和風速等環(huán)境參數采用了上海精密儀器儀表有限公司的熱舒適儀(型號: M16401pmv) 進行監(jiān)測．該儀器的空氣溫度的控制范圍為-20 ℃～60 ℃,精度為±0.2 ℃; 黑球溫度的控制范圍為-20 ℃～60 ℃,精度為±0.1 ℃; 相對濕度的控制范圍為0～100%,精度為±3%; 風速的控制范圍為0.05 m·s-1～9.99 m·s-1,精度為±0.05 m·s-1．在進行測試時,熱舒適儀放置于受試者附近約60 cm,儀器每2 min記錄1次數據．皮膚溫度和皮膚熱流則采用日本精度電子(KEM)生產的多通道熱流計(型號:HFM-215N) 和KM1低熱流感探頭進行測試．其中,熱流計溫度控制范圍為-40 ℃～75 ℃,精度為0.1 ℃; 熱流控制范圍為-100 W·m-2～100 W·m-2,精度為0.1 W·m-2．

選取如圖1所示人體胸部、 上臂、 腹部、 大腿、 小腿、 背部、 腰部7個常被衣物所覆蓋的部位作為局部皮膚溫度和熱流的測點. 用醫(yī)用透氣膠帶將儀器探頭固定于皮膚上．熱流計每2 min記錄1次皮膚溫度和熱流．

人體主觀感受采用了熱感覺以及熱舒適的問卷調查,熱感覺采用了ASHRAE的7個級別標度[12],即熱、暖、微暖、適中、微涼、涼、冷；熱舒適采用了5個標度,即不可忍受、很不舒服、不舒服、稍不舒服、舒適.受試者每10 min填寫一次問卷,精度0.1,每個溫度環(huán)境完成5次填寫．

2 結果與分析

2.1 環(huán)境溫度對皮膚的影響

男性受試者平均皮膚溫度和女性受試者平均皮膚溫度分別如圖2，3所示.可以看出，在任意的溫度下,男性受試者整體的平均溫度及女性受試者平均溫度均處于遞增狀態(tài),與文獻[2]研究結果相似．在對比實驗結果及調查問卷結果后發(fā)現,人體皮膚溫度的變化情況及問卷結果與文獻[13]的結論相同．即人體活動量較小時,人體的皮膚溫度與熱感覺結果出現了一定的偏離．從實驗數據上看，在不同工況溫度下,在男性受試者身體局部各個測試部位中平均溫度影響最大的部位為小腿>大腿>上臂>背部>腹部>胸部>腰部．而女性受試者下半身變化最大的是小腿,平均溫度差2.9 ℃,上半身平均溫差最大的是腰部,平均溫度差為2.7 ℃．與男性受試者身體相關部位有較大差異,這應與性別[14]及人體熱平衡[15]有關．在對數據進行單因素實驗方差分析后發(fā)現,因素(溫度)對于實驗指標(平均皮膚溫度)有顯著影響．

圖 2 男性受試者平均皮膚溫度 圖 3 女性受試者平均皮膚溫度 Fig.2 Average skin temperature in male subjects Fig.3 Average skin temperature in female subjects

2.2 環(huán)境溫度對皮膚熱流的影響

男性受試者與女性受試者平均皮膚熱流分別如圖4,5所示.可以看出,在任意的溫度下,男性受試者平均皮膚熱流處于遞減狀態(tài).在不同工況溫度下,男性受試者身體各個部位的影響順序為小腿>背部>上臂>大腿>腰部>胸部>腹部．女性受試者平均皮膚熱流變化同男性受試者趨勢相同,但其上半身平均熱流差最大的是背部,與男性受試者不同.從而可知皮膚熱流與皮膚溫度處于不同趨勢,在測試的溫度范圍內平均皮膚溫度越高,平均皮膚熱流越低．比較認為應該與所穿衣物材質造成的熱量散失[16]有關,在對以上數據進行單因素實驗方差分析后得知,因素(溫度)同樣對于實驗指標(平均皮膚熱流)具有顯著影響．

圖 4 男性受試者平均皮膚熱流 圖 5 女性受試者平均皮膚熱流 Fig.4 Average skin heat flux in male subjects Fig.5 Average skin heat flux in female subjects

3 結 論

(1) 在夏季常規(guī)溫度范圍下,男性受試者與女性受試者皮膚平均溫度均處于遞增狀態(tài),受到性別、體質以及人體熱平衡影響,男女雙方除小腿外的部位有所差異．男性受試者與女性受試者身體部位的平均皮膚熱流均呈現遞減狀態(tài),這應與衣物材質所造成的不同熱量散失有關,其他原因則有待于進一步研究．

(2) 在實驗環(huán)境下人體局部平均皮膚溫度上升時,平均皮膚熱流下降,其原因與人體自身溫度調節(jié)機制及周圍環(huán)境溫度有關．同時,在實驗工況下,人的主觀因素及體質等對于實驗研究結果有所影響,因素(溫度)對于兩項實驗指標均有顯著影響．至于更高溫度、濕度等環(huán)境下的變化規(guī)律是否與此相同則有待于進一步驗證．