趙敬德， 丁義冉， 張春紅

(1. 東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 暖通空調(diào)研究所， 上海 201620)

隨著全球變暖日益嚴(yán)峻，高溫天氣頻現(xiàn)，對(duì)高溫天氣下室外作業(yè)人員的健康與安全構(gòu)成了極大的威脅，如何避免人體受到熱損傷成為亟待解決的問(wèn)題[1]。通風(fēng)服裝可以有效地改善高溫環(huán)境下的人體熱感覺(jué)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)皮膚及服裝的傳熱過(guò)程、通風(fēng)服裝的送風(fēng)方式、送風(fēng)參數(shù)等進(jìn)行了廣泛研究。

在皮膚與服裝傳熱過(guò)程的研究方面，Gagge等[2]提出人體溫度調(diào)節(jié)的二節(jié)點(diǎn)模型并對(duì)舒適的環(huán)境進(jìn)行定義；Fanger[3]提出了人體穩(wěn)態(tài)條件下的能量平衡方程，為模型的建立奠定了基礎(chǔ)。Gibson[4]建立了紡織材料作為吸濕的多孔介質(zhì)的熱濕傳遞模型, 但并沒(méi)有考慮輻射傳熱的影響。張昭華等[5]建立了室內(nèi)環(huán)境下皮膚表面經(jīng)過(guò)衣下空氣層、面料層到外部環(huán)境熱傳遞的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)平板模擬得出衣下空氣層厚度與人體熱傳遞之間的關(guān)系。李珩等[6]建立了高溫艙內(nèi)通風(fēng)條件下的人體-通風(fēng)服裝-環(huán)境的傳熱傳質(zhì)模型，驗(yàn)證了風(fēng)量較大且溫度較低時(shí)，能明顯降低人體熱應(yīng)激。但是也沒(méi)有考慮到日曬輻射的影響。Emel等[7]利用圓通軀干裝置建立了在垂直方向非均勻的衣下空氣層形態(tài)，研究了服裝與皮膚之間接觸面積對(duì)于服裝熱阻的影響。Ghazy等[8]建立了服裝層-空氣層的熱傳遞模型，研究了衣下空氣層厚度較小時(shí)振幅與頻率對(duì)傳熱性能的影響，但模型僅考慮輻射與傳導(dǎo)2種傳熱方式，忽略了對(duì)流傳熱。Neves[9]研究了不同人體熱量及汗液釋放時(shí)衣服和纖維性能對(duì)熱量和質(zhì)量傳輸?shù)挠绊?，并建議服裝親水性較差的織物層應(yīng)面向皮膚，親水性較強(qiáng)的織物層應(yīng)面向周圍環(huán)境。Jia等[10]提出了一種將熱輻射整合到三維熱濕模型中的多孔服裝三維服裝熱濕傳遞模型。Udayraj等[11]建立了一個(gè)考慮織物中傳導(dǎo)-輻射耦合的三維傳熱模型，用于分析熱防護(hù)服在火焰和輻射熱暴露下的傳熱。在上述人體-服裝-環(huán)境之間的傳熱模型的研究中，均未考慮室外高溫日曬輻射下的傳熱模型。

在通風(fēng)服裝的研究方面，Crockford等[12]于1972年首次提出服裝通風(fēng)(clothing ventilation)的概念；曾彥彰等[13]研究發(fā)現(xiàn)在皮膚表面引入微型風(fēng)扇陣列時(shí)能夠強(qiáng)化散熱并顯著降低體表的溫度；Hadid等[14]將通風(fēng)系統(tǒng)用于防彈背心，研究了帶有通風(fēng)的個(gè)人冷卻系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)或休息時(shí)的不同作用。Witzki等[15]探討了除濕空氣注入絕緣防護(hù)服中對(duì)人體熱應(yīng)激及耐受時(shí)間的影響。高黎穎[16]研究了氣冷服對(duì)人體生理參數(shù)的影響，并指出氣冷服可以有效地降低衣下微環(huán)境的溫度，提高人體舒適感。

相較于室內(nèi)人體-服裝-環(huán)境的傳熱模型，室外高溫日曬環(huán)境下人體-服裝-環(huán)境過(guò)程中具體的傳熱方式以及模型的深入探索鮮有研究，而室外環(huán)境下傳熱方式的分析與模型的建立是評(píng)判降溫方式優(yōu)劣的關(guān)鍵。因此，本文將建立室外高溫天氣下的傳熱模型并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，得出各傳熱方式在得熱或散熱中所占的比重，針對(duì)汗液蒸發(fā)這一主要散熱途徑采取衣下通風(fēng)的方式進(jìn)行研究。研究結(jié)果將為室外高溫環(huán)境中通風(fēng)服裝的發(fā)展以及室外作業(yè)人員的安全防護(hù)問(wèn)題提供重要的理論指導(dǎo)。

1 傳熱模型

在傳統(tǒng)的皮膚-服裝-環(huán)境傳熱模型中，皮膚與服裝之間的熱濕交換十分復(fù)雜，既有皮膚與服裝接觸時(shí)的導(dǎo)熱、衣下空氣流動(dòng)形成的對(duì)流傳熱，還有皮膚與服裝之間的輻射傳熱與汗液蒸發(fā)的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，但是對(duì)于研究室外高溫環(huán)境下的熱平衡來(lái)說(shuō)，可以將人體與服裝視作一個(gè)開(kāi)口系統(tǒng)。由于服裝外表面溫度測(cè)量方便，所以可忽略對(duì)衣下傳熱過(guò)程的分析，僅考慮汗液蒸發(fā)、呼吸帶走的熱量，從而將理論模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化。傳熱模型如圖1所示。

圖1 傳熱模型Fig.1 Heat transfer model

系統(tǒng)與環(huán)境的熱量交換主要包括2個(gè)部分：第一部分是系統(tǒng)得熱，主要有人體自身的產(chǎn)熱、太陽(yáng)輻射得熱、地面輻射得熱；第二部分是系統(tǒng)與天空、周圍環(huán)境的輻射、系統(tǒng)表面的對(duì)流、汗液蒸發(fā)呼吸散熱等熱量的散失，總得熱量與總散熱量應(yīng)該是相等的。因此系統(tǒng)的熱平衡又可用下式表示：

Φme+Φrs+Φrg-Φsky-Φre-Φc-Φe=0

式中：Φme為自身產(chǎn)熱部分，W；Φrs為太陽(yáng)輻射得熱，W；Φrg為地面輻射得熱，W；Φsky為系統(tǒng)對(duì)天空的輻射換熱，W；Φre為系統(tǒng)表面與周圍環(huán)境中物體的輻射換熱，W；Φc為流體掠過(guò)圓柱形人體模型的對(duì)流換熱量，W；Φe為汗液蒸發(fā)、呼吸散濕帶走的熱量，W。式中變量前“+”為得熱，“-”為散熱。

1.1 系統(tǒng)得熱部分

Φme=21(0.23RQ+0.77)Vo2

式中：RQ為呼吸商，單位時(shí)間內(nèi)呼出二氧化碳與吸入氧氣的摩爾數(shù)比；Vo2為單位時(shí)間內(nèi)消耗氧氣的體積，mL/s。

Φrs=S×A×f×cosθ×α×feff

式中：S為地面接收到的單位面積的太陽(yáng)輻射能，W/m2;A為模型外表面積，m2；f為日地距離修正系數(shù)，一般取值0.97～1.03；θ為太陽(yáng)輻射與地面法線方向的夾角；α為衣服表面吸收率；feff為有效輻射面積系數(shù)。

Φrg=hr×A×(tg-tcl)

式中：hr為系統(tǒng)表面輻射傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；tcl為服裝外表面溫度，K；tg為地面溫度，K。

1.2 系統(tǒng)散熱部分

Фsky=ε×A×X2,1×Fb×(Eb-Esky)

式中：ε為服裝表面發(fā)射率；X2,1為服裝對(duì)天空的角系數(shù)；Fb為黑體輻射函數(shù)；Eb為服裝溫度下的黑體輻射力，W/m2；Esky為天空溫度下的黑體輻射力，W/m2。

Фre=hr×A×(tcl-ts)

式中，ts為周圍環(huán)境物體表面溫度，℃。

Фc=h×A×(tcl-tair)

式中：tair為環(huán)境空氣溫度，℃；λ為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；l為特征長(zhǎng)度，m；u為空氣流速，m/s；v為空氣運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；Re為慣性力與黏性力之比的一種度量；Pr是動(dòng)量擴(kuò)散能力與熱量擴(kuò)散能力的一種量度，Nu為努塞爾數(shù)。

式中：r為蒸發(fā)的汽化潛熱，kJ/kg；t為在高熱濕環(huán)境下暴露的時(shí)長(zhǎng)，s；m為在t時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)因呼吸、汗液蒸發(fā)產(chǎn)生的總失重，kg。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)基本情況

本文實(shí)驗(yàn)選擇在上海市夏季7、8月份溫度高于35 ℃的晴朗天氣下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)區(qū)域空曠無(wú)遮擋。在本次實(shí)驗(yàn)中共有14名青年學(xué)生作為受試志愿者，男女各7名，表1示出受試者的年齡、身高、體重等基本信息。

表1人員基本信息表Tab.1 Basic information of personnel

測(cè)試期間室外空氣溫度最高41.2 ℃，最低35.1 ℃，平均溫度為38.45 ℃。在上海夏季室外下午14∶00～16∶30期間，室外相對(duì)濕度較低，平均相對(duì)濕度為44%，最高相對(duì)濕度為53.4%，最低為33.2%。室外空氣流速與室內(nèi)相比，波動(dòng)范圍較大，介于1～3 m/s之間，平均風(fēng)速為1.95 m/s。上海市夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較高，實(shí)驗(yàn)期間最高輻射強(qiáng)度為1 015 W/m2，最低為602 W/m2，平均輻射強(qiáng)度為808.8 W/m2。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)分為2種工況:一種是普通純棉短袖工裝;另一種是通風(fēng)服裝。14名實(shí)驗(yàn)者在28 ℃、相對(duì)濕度55%的室內(nèi)靜坐10 min后進(jìn)入室外實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，首先進(jìn)行第1種工況的實(shí)驗(yàn)：著普通純棉短袖工裝的受試者在室外高溫日曬下靜止站立15 min；實(shí)驗(yàn)期間人體皮膚溫度和服裝外表面溫度由熱敏電阻經(jīng)數(shù)據(jù)采集儀每隔1 s記錄1次；其他受試者各項(xiàng)生理參數(shù)及主觀反映，主要包括室外溫濕度、風(fēng)速、腋下溫度、衣下溫濕度、整體熱感覺(jué)、皮膚濕潤(rùn)感等每3 min記錄1次；實(shí)驗(yàn)開(kāi)始與結(jié)束時(shí)測(cè)量受試者體重，用于確定汗液蒸發(fā)和呼吸引起的總失重m。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所使用的部分儀器型號(hào)及精度見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器型號(hào)及精度Tab.2 Model and precision of experimental instrument

2.3 數(shù)據(jù)處理

圖2示出傳熱模型中得熱量和散熱量各組成部分的百分比分布情況。

圖2 不同傳熱途徑百分比(得熱為正，散熱為負(fù))Fig.2 Percentage of different heat transfer pathways(Heat gain is positive, heat dissipation is negative)

從圖中可以看出，在得熱部分的3種途徑中太陽(yáng)輻射占比最大，在散熱過(guò)程中汗液蒸發(fā)帶走的熱量最多，在天氣以及衣服材質(zhì)不改變的情況下，促進(jìn)汗液蒸發(fā)能夠有效提高熱量散失速率。在該模型下，總得熱量與總散熱量應(yīng)該是相等的，但實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果存在誤差。14名受試者的總得熱量與總散熱量誤差平均為9.1%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型的預(yù)測(cè)有較好的吻合度，該模型可適用于夏季室外高溫天氣下的人體-服裝-環(huán)境熱傳遞的研究。得熱量與散熱量之間誤差的可能原因主要是受試者的新陳代謝水平不一樣，環(huán)境風(fēng)速和日照強(qiáng)度略有波動(dòng)。

圖3示出皮膚平均溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。可以看出，當(dāng)進(jìn)入室外高溫環(huán)境后，人體平均皮膚溫度會(huì)逐漸上升，由于人體自身的出汗等調(diào)節(jié)作用，在10 min左右下降并逐漸趨于穩(wěn)定，因而本文實(shí)驗(yàn)將重點(diǎn)研究實(shí)驗(yàn)開(kāi)始15 min內(nèi)各實(shí)驗(yàn)參數(shù)的變化情況。

圖3 人體平均皮膚溫度隨時(shí)間的變化Fig.3 Changes of average human skin temperature over time

因?yàn)楹挂赫舭l(fā)是室外高溫日曬環(huán)境下人體的主要散熱方式，通過(guò)衣下送風(fēng)促進(jìn)汗液蒸發(fā)，有利于人體的散熱和熱舒適性。因此本文第2種工況的實(shí)驗(yàn)在相同的天氣下進(jìn)行通風(fēng)服裝的實(shí)驗(yàn)，送風(fēng)溫度為(28±0.5) ℃，相對(duì)濕度(40±3)%，風(fēng)量(5±0.1) L/s，同時(shí)將所有受試者所處的環(huán)境按濕黑球溫度(TWBG)分為34～36 ℃、36～38 ℃以及38 ℃以上3種條件，同樣每3 min記錄受試者知覺(jué)反應(yīng)、生理參數(shù)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行15 min。其中濕黑球溫度(TWBG)是與所有影響人體熱應(yīng)力因素都有關(guān)的函數(shù)，本文中采用的TWBG的表達(dá)式如下：

13.829 7φ-8.728 4v-0.055 1

3 分析與討論

3.1 衣下微環(huán)境參數(shù)變化

人體感受外界溫度的變化是由于人體皮膚層中存在著溫度感受器，衣下微環(huán)境的空氣直接接觸人體皮膚，因而人體的冷熱感覺(jué)首先受制于衣下微環(huán)境中空氣的溫濕度。

圖4、5分別顯示了在15 min內(nèi)3種TWBG區(qū)間的服裝微氣候溫度和相對(duì)濕度，其中，0 min為受試者在28 ℃、相對(duì)濕度55%的室內(nèi)靜坐時(shí)衣下不通風(fēng)的預(yù)置環(huán)境的數(shù)據(jù)。從圖4中可以看出，TWBG為34～36 ℃時(shí)的衣下溫度在37.5 ℃左右，TWBG在36 ℃以上的衣下溫度均在39～40 ℃；通風(fēng)后TWBG為34～36 ℃時(shí)的衣下溫度在34.5 ℃左右，TWBG在36 ℃以上的衣下溫度介于36～38 ℃之間。在3種情況下，通風(fēng)后的衣下空間空氣溫度均比未通風(fēng)時(shí)低2 ℃左右。

圖4 不同情況下的衣下空間內(nèi)空氣溫度Fig.4 Air temperature under clothes space at different conditions. (a) Without ventilation;(b) With ventilation

在圖5中通風(fēng)后的衣下微環(huán)境相對(duì)濕度要明顯低于未通風(fēng)時(shí)的，通風(fēng)10 min后相對(duì)濕度到達(dá)較為穩(wěn)定的狀態(tài)。在未通風(fēng)的情況下，受試者進(jìn)入室外高溫環(huán)境后，室外高溫天氣下皮膚大量出汗，衣下空間空氣的相對(duì)濕度存在上升趨勢(shì)。但在通風(fēng)情況下，衣下送入空氣的相對(duì)濕度低于室內(nèi)相對(duì)濕度，在進(jìn)入室外的10 min內(nèi)，衣下空間空氣的相對(duì)濕度逐漸趨近于送入空氣的相對(duì)濕度。達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，通風(fēng)服裝的衣下空間空氣的相對(duì)濕度要比未通風(fēng)時(shí)低15%左右。

圖5 不同情況下的衣下空間內(nèi)空氣相對(duì)濕度Fig.5 Relative humidity of air under clothes space at different conditions. (a) Without ventilation;(b) With ventilation

3.2 主觀反映

熱感覺(jué)(TSV)是人對(duì)周圍環(huán)境是“冷”還是“熱”的主觀描述，熱感覺(jué)不僅僅是由冷熱刺激的存在所造成的，還有刺激的延續(xù)時(shí)間以及人體的熱狀態(tài)都有關(guān)。本文采取美國(guó)供熱制冷空調(diào)工程師協(xié)會(huì)ASHRAE采用的七級(jí)熱感覺(jué)標(biāo)度，數(shù)值范圍從-3(很冷)、-2(冷)、-1(有點(diǎn)冷)、0(中性)、+1(有點(diǎn)熱)、+2(熱)到+3(很熱)。皮膚濕潤(rùn)感(WSs)采用連續(xù)的5分制量表，范圍為0(中性)、+1(微濕)、+2(濕)、 +3(非常濕)到+4(極度潮濕)。圖6示出通風(fēng)時(shí)不同實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下男性和女性的熱感覺(jué)，圖7、8示出知覺(jué)反應(yīng)的變化過(guò)程。

圖6 通風(fēng)時(shí)熱感覺(jué)的性別差異Fig.6 Gender differences in heat perception during ventilation

圖7 不同情況下的熱感覺(jué)投票Fig.7 Heat sensation vote in different situations. (a) Without ventilation;(b) With ventilation

在圖6中可以看出，3種情況下受試者以性別為比較對(duì)象的熱感覺(jué)投票相差并不明顯，因此本實(shí)驗(yàn)將綜合男女的主觀反映在不同實(shí)驗(yàn)工況下以熱感覺(jué)、皮膚濕潤(rùn)感作為主要比較對(duì)象。從圖7中可以看出,人體熱感覺(jué)投票隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間不斷增加，TWBG越高，人體熱感覺(jué)越明顯。在未通風(fēng)的情況下，當(dāng)TWBG在38 ℃以上時(shí)，TSV為+2.4(即“熱”和“很熱”之間)。但從圖7(b)可以明顯地看出，通風(fēng)持續(xù)10 min 后人體的熱感覺(jué)投票趨于穩(wěn)定，TWBG為38 ℃以上時(shí)TSV為+1.8(即“有點(diǎn)熱”和“熱”之間)，通風(fēng)可以有效降低人體熱感覺(jué)。

在圖8中，未通風(fēng)時(shí)人體皮膚濕潤(rùn)感隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間逐漸增加，TWBG越大，皮膚越濕潤(rùn)，原因是TWBG越大，人體出汗越明顯；但在通風(fēng)狀態(tài)下，人體皮膚濕潤(rùn)感變化并不顯著，而且在10 min后基本趨于穩(wěn)定，相較于同TWBG的未通風(fēng)狀態(tài)，通風(fēng)后的皮膚濕潤(rùn)感投票均低0.5左右。

圖8 不同情況下的皮膚濕潤(rùn)感Fig.8 Skin wetness sensations under different conditions. (a) Without ventilation;(b) With ventilation

由圖7(b)、8(b)可以看出，當(dāng)TWBG在34至36 ℃區(qū)間時(shí)，送風(fēng)溫度(28±0.5) ℃，相對(duì)濕度(40±3)%，風(fēng)量(5±0.1) L/s時(shí)，受試者能夠達(dá)到與預(yù)置環(huán)境不通風(fēng)的相近的熱舒適性、熱感覺(jué)和皮膚濕潤(rùn)感。

4 結(jié) 論

本文建立了在室外高溫日曬環(huán)境下的人體、服裝系統(tǒng)與環(huán)境之間的傳熱模型，探究了傳熱模型中的熱量和散熱量各組成部分所占的比重，并進(jìn)行了衣下通風(fēng)的現(xiàn)場(chǎng)真人實(shí)驗(yàn)研究，得到了通風(fēng)服裝對(duì)衣下空間微環(huán)境及人體主觀反映的改善情況。

1)建立了在室外高溫日曬環(huán)境下的人體、服裝系統(tǒng)與環(huán)境之間的傳熱模型，該模型中總得熱量與總散熱量誤差平均為9.1%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型的預(yù)測(cè)有較好的吻合度，該模型可為夏季室外高溫日曬環(huán)境下的人體-服裝-環(huán)境熱傳遞的研究以及對(duì)室外作業(yè)人員的健康與安全的保障與改善提供理論指導(dǎo)；

2)室外高溫日曬環(huán)境下的人體、服裝系統(tǒng)得熱的3種方式中，太陽(yáng)輻射為主要得熱方式，約為55.7%，在系統(tǒng)散熱中，汗液蒸發(fā)為主要散熱方式，約為53.5%，在室外高溫作業(yè)時(shí)應(yīng)針對(duì)2種主要傳熱方式采取通風(fēng)促進(jìn)汗液蒸發(fā)以及遮陽(yáng)避免受到太陽(yáng)直射等防護(hù)措施；

3)在采用通風(fēng)服裝后，衣下空間空氣溫度比未通風(fēng)時(shí)低2 ℃左右，相對(duì)濕度降低15%左右，人體主觀熱感覺(jué)及皮膚濕潤(rùn)感得到明顯改善，衣下空間通入處理后冷空氣的方法為室外高溫日曬環(huán)境下作業(yè)人員安全防護(hù)方式的選擇提供參考。

4)當(dāng)濕黑球溫度在34～36 ℃之間時(shí)，送風(fēng)溫度為(28±0.5) ℃，相對(duì)濕度為(40±3)%，風(fēng)量為(5±0.1) L/s時(shí)，受試者的主觀熱感覺(jué)、皮膚濕潤(rùn)感與預(yù)置環(huán)境相近。