吳國珊，劉何清，吳世先，游 波，宋小鵬

(1.湖南科技大學 資源環(huán)境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201；2.桂林航天工業(yè)學院 能源與建筑環(huán)境學院，廣西 桂林 541004)

當長時間處于高溫環(huán)境時，人體持續(xù)承受著過度的熱負荷，容易導致頭痛、惡心甚至中暑等熱病癥[1]。此時，人體僅靠自身生理調節(jié)無法維持相對穩(wěn)定體溫和高效工作，必須采取行為性調節(jié)手段，如通風空調、穿著冷卻服等。

冷卻服是高溫環(huán)境中有效的個體降溫措施，已被證明是最有前景的技術之一[2]。目前應用較多的主要有液體冷卻服[2-3]、氣體冷卻服[4-5]、相變冷卻服[6-7]和混合冷卻服[8-9]。氣體冷卻服是利用有壓氣源或風機等驅動裝置給服裝供給空氣，通過改善衣內環(huán)境來強化人體散熱，從而實現(xiàn)對人體降溫[10]。與其他類型的冷卻服相比，氣冷服質量較輕，人體負重小。通風服屬于氣冷服的一種，它主要通過強化對流和汗液蒸發(fā)2種方式提高人體散熱[11]。在生產(chǎn)生活中，采用微型風扇通風散熱的個體通風服近年得到了發(fā)展[12]。一些學者通過暖體假人實驗、人體著裝實驗和數(shù)值模擬等方法對通風服進行了研究[13]。然而，在非常炎熱的環(huán)境中，風扇驅動的氣流對人體的冷卻效果逐漸接近極限[14]。當環(huán)境濕度較高時，外界空氣與衣內空氣的濕度差很小，環(huán)境通風服對人體散熱的輔助作用下降。Xu等[15]的研究表明，環(huán)境空氣溫度越高，相對濕度越大，通風服的降溫能力越小。在這種情況下，人體表面汗液蒸發(fā)受到抑制，皮膚表面與空氣熱量傳遞方向也可能改變，通風服的制冷量可能變?yōu)樨撝?。此時，通風服不但不能給人體散熱降溫，反而會將外部熱量傳遞給人體；而用干燥的空氣進行衣內通風，可提高重度勞動人體的蒸發(fā)散熱效果[16]。因此，通風服的使用具有一定的局限性。然而，在不同熱環(huán)境、不同新陳代謝率時，通風服制冷量及影響因素還不明確。本文通過理論計算，得到了在2種不同新陳代謝率下通風服制冷量，分析了環(huán)境溫度、濕度、通氣量對制冷量的影響。

1 通風服制冷量的計算方法

環(huán)境通風服通常由空氣分配服裝和通風裝置組成。通風裝置使外部環(huán)境的空氣進入衣內空間，經(jīng)過分配裝置流向人體皮膚表面。當外部空氣的溫度低于皮膚溫度時，氣流將增強人體皮膚表面的對流散熱。當氣流的相對濕度低于皮膚表面相對濕度時，氣流將增強皮膚表面的蒸發(fā)散熱，從而使人體皮膚溫度下降，甚至使得核心溫度下降，或體內蓄熱量降低。為方便研究，將衣內空間看成為一個開口的熱力系統(tǒng)。對于大多數(shù)服裝來說，布料的導熱系數(shù)比較小，在此認為通過服裝布料為絕熱，同時忽略通過服裝材料向外部環(huán)境滲透的氣體。將衣內空間的氣流作為研究對象，通風服可簡化成圖1所示模型。環(huán)境空氣進入衣內空間與皮膚表面進行熱質交換，即氣流吸收或放出熱量，同時皮膚表面蒸發(fā)的汗液變成水蒸氣與氣流混合，隨后從服裝出口流出。氣流在通風服內相當于是被加熱(或被冷卻)及得濕(或去濕)的過程。

圖1 個體通風服降溫原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of personal ventilation system

根據(jù)Xu等[15]建立的模型，通風服的制冷量可用下式計算：

Q=Q2-Q1

(1)

式中：Q包含了氣流在通風服中的對流換熱引起的顯熱變化量和皮膚表面汗液蒸發(fā)引起的潛熱變化量2個部分，kW；Q2表示出口氣流的熱量，kW；Q1表示通風服入口氣流的熱量，kW。通風服出口、入口空氣的熱量[16]可分別用它們的焓值進行計算。

Q1=m1h1

(2)

Q2=m2h2

(3)

式中：m1、m2分別表示入口和出口處空氣的質量流量，kg/s，在此認為進出口氣流流量相等；h1、h2分別表示入口和出口處氣流的焓，kJ/kg?？諝獾馁|量流量可用下式計算：

m=ρL

(4)

式中：ρ為空氣密度，取1.12 kg/m3；L為空氣體積流量，m3/s。

送入通風服的氣流，主要包括干空氣和水蒸氣2部分。進出口氣流的焓值均可用如下方法[16]進行計算：

h=1.006ta+d(2501.4+1.86ta)

(5)

式中：ta為空氣的溫度，℃；d為空氣的濕度，%。

空氣的含濕量可用以下方法[16]計算：

(6)

式中：Pa為空氣壓力，Pa；Ps為空氣的飽和壓力，Pa；φ為空氣的相對濕度，%。

空氣的飽和蒸汽壓力可用下式[16]計算：

(7)

當通風服的出口氣流溫度等于人體皮膚表面溫度且達到飽和狀態(tài)時，通風服的制冷量將達到最大值Qmax。此時，出口氣流焓值應根據(jù)皮膚溫度及其對應的飽和蒸汽壓力來計算。

人體皮膚表面溫度可根據(jù)人體的新陳代謝率、環(huán)境溫度、相對濕度、氣壓等計算得到[17]，具體如下：

tsk=12.17+0.020ta+0.044tr-0.253va+

0.194Pa+0.005 346M+0.005 512 74tre

(8)

式中：tsk為皮膚表面溫度，℃；tr為輻射溫度，℃，在此認為等于ta；va為環(huán)境風速，m/s；Pa為水蒸汽分壓力，Pa；tre為人體的直腸溫度，在此認為tre等于人體核心溫度tcr；M為人體的新陳代謝率，W/m2。根據(jù)ISO 7933—2004《熱環(huán)境的人類工效學·通過計算預測的熱應變對熱應力分析測定和說明》中對于中等強度勞動和重度勞動的劃分，在計算中M分別取145和210 W/m2。

人體的核心溫度可用下式[18]計算：

tcr=36.8+0.003 6(M-55)

(9)

因此，皮膚溫度計算式可以變?yōu)?/p>

(10)

通風服的最大制冷量為

Qmax=Q2-Q1=Qsk,s-Q1

(11)

式中，Qsk,s為出口氣流溫度等于皮膚表面溫度、濕度達到飽和時的熱量。

Qmax=m1(hsk,s-h1)

(12)

式中，hsk,s為出口氣流溫度等于皮膚表面溫度、濕度達到飽和時的焓。

實際上在使用通風服時，氣流進入和流出服裝的時間間隔很小，其與皮膚表面的熱濕交換過程倉促，在流出通風服時是很難達到皮膚溫度下的飽和狀態(tài)的，即通風服對人體的冷卻過程實際效率小于1，因此，在本文計算中，通風服的實際制冷量[15]為

Q=ηQmax

(13)

式中，η為通風服的實際冷卻效率。

通風服的實際制冷量計算式可為

(14)

根據(jù)Xu等[15]利用暖體假人的通風服實驗研究，當皮膚溫度為35 ℃且布滿汗液時，環(huán)境溫度為25～40 ℃，濕度為25%～75%，通風量為4.7 L/s 時，通風服的實際冷卻效率η在0.27～0.34之間。本文計算中，通風服的實際冷卻效率取0.3。

由此可見，通風服制冷量不僅與環(huán)境參數(shù)有關，還與人體新陳代謝率、通氣量和冷卻效率有關。聯(lián)合式(8)、(9)和(14)可計算不同環(huán)境溫度、濕度，不同新陳代謝率和空氣流量時通風服的實際制冷量。

2 不同環(huán)境條件下制冷量的變化情況

基于Xu和Gonzalez建立的通風服制冷量計算模型，結合人體皮膚溫度與新陳代謝率、直腸溫度以及環(huán)境參數(shù)之間的關系，計算了在不同溫度濕度環(huán)境、不同通氣量、不同新陳代謝率時通風服的制冷量。圖2～3分別示出環(huán)境溫度為30～40 ℃、相對濕度為0～100%、新陳代謝率分別為145、210 W/m2時的通風服制冷量。圖中標注的點如A(0.8,34.8)，0.8為橫坐標，對應的濕度為80%，34.8為縱坐標，對應溫度為34.8 ℃。

圖2 新陳代謝率為145 W/m2時通風服制冷量隨環(huán)境溫度、濕度變化情況Fig.2 Cooling capacity changes of PVS in different ambient temperature and humidity when body′s metabolic rate was 145 W/m2

2.1 制冷量隨環(huán)境溫度變化情況

從圖2和圖3可看出，在絕大部分濕度范圍內，當濕度一定時，通風服的制冷量隨著溫度的升高而變小。例如，在新陳代謝率為145 W/m2，通氣量為20 m3/h時，當相對濕度維持80%不變，環(huán)境溫度從34.8 ℃升高到39.6 ℃時，如圖2(b)中所示的A點變?yōu)锽點，制冷量從40.0 W減小為0 W。當環(huán)境溫度超過39.6 ℃(圖中B點)時制冷量變?yōu)樨撝?。這是因為環(huán)境溫度的升高使得通風服入口的空氣焓值增大了，而出口空氣焓值主要受到皮膚溫度的影響，在此情況下變化很小。根據(jù)式(1)～(3)可知，隨著環(huán)境溫度的升高，通風服制冷量下降了。在相對濕度很小，空氣接近于絕對干燥時，環(huán)境溫度升高時通風服的制冷量變化非常小。

圖3 新陳代謝率為210 W/m2時通風服制冷量隨環(huán)境溫度、濕度變化情況Fig.3 Cooling capacity changes of PVS in different ambient temperature and humidity when the body′s metabolic rate was 210 W/m2

2.2 制冷量隨環(huán)境濕度變化情況

在一定的新陳代謝率和通氣量下，環(huán)境溫度保持不變時，通風服的制冷量隨濕度的增大而下降。例如，新陳代謝率為145 W/m2、通氣量為20 m3/h時，在環(huán)境溫度為34.8 ℃，濕度從34%增加為80%時，如圖2(b)中所示的C點變?yōu)锳點，通風服的制冷量從120 W下降為40 W。這是因為環(huán)境濕度的升高使得通風服入口的空氣焓值增大了，而出口空氣焓主要受到皮膚溫度的影響，在此時變化很小。對比不同環(huán)境溫度的情況可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度越高，制冷量隨濕度增大而下降的幅度越大。

2.3 不同新陳代謝率時的制冷量

在環(huán)境溫度、濕度和通氣量一定時，人體新陳代謝率越高，通風服的制冷量越大。例如，在環(huán)境溫度為34.8 ℃、環(huán)境濕度為80%、通氣量為20 m3/h時，當新陳代謝率從145 W/m2增大到210 W/m2，如圖2(b)中所示的A點變?yōu)閳D3(b)中所示的E點，通風服的制冷量從40 W增加到46.9 W。這是因為新陳代謝率的增加使得皮膚溫度略有升高，使出口空氣焓值增大了，而環(huán)境溫度和濕度不變則意味著入口空氣焓不變；因此通風服制冷量增加了。

2.4 通氣量對制冷量的影響

從計算模型可知，通氣量對制冷量的正負沒有影響，只影響制冷量的絕對值。由圖2～3可知，在一定的新陳代謝率和環(huán)境條件下，隨通氣量增加，制冷量的絕對值逐漸增大。例如新陳代謝率為145 W/m2、環(huán)境溫度為34.8 ℃、相對濕度為80%時，通氣量從20 m3/h增大到40 m3/h時，如圖2(b)中所示的A點變?yōu)閳D2(b)中所示的D點，制冷量從40 W增大至80 W。對比圖2(a)～(d)，盡管通氣量不一樣，但使制冷量為0環(huán)境溫度和濕度是相同的。在新陳代謝率為145 W/m2的情況下，當環(huán)境濕度小于78.2%時，只要溫度小于40 ℃，如圖2(a)中所示過F點的等濕線的左側范圍，通風服的制冷量都大于0 W；當環(huán)境溫度小于35.2 ℃時，無論濕度怎么變化，如圖2(a)中所示過G點的等溫線的下側范圍，通風服制冷量都大于0。環(huán)境溫度處于35.2～40 ℃的范圍內，如果環(huán)境狀態(tài)點處于圖2中Q=0曲線的左下方，則通風服的制冷量仍然是大于0 W的。從圖3中可發(fā)現(xiàn)類似的情況。由此可知，在新陳代謝率一定時，使通風服制冷量為0 W的環(huán)境溫度、濕度參數(shù)是一定的，不受通氣量變化的影響。

2.5 冷卻效率的取值及其對制冷量的影響

關于通風服的冷卻效率，也有一些研究人員測得不同的數(shù)值。如安瑞平[18]用暖體假人測量了自行設計的通風服。在環(huán)境溫度為30 ℃，濕度分別為40%、50%、60%的環(huán)境下，在通風量為5～9 L/s時測得通風服的冷卻效率在0.09～0.12之間。但是該人實驗中所用通風服的氣流是非均勻分布，這與本文的研究不一樣。Xu等[15]的通風服實驗研究中，環(huán)境溫度為25～40 ℃，濕度為25%～75%，通風量為4.7 L/s，當暖體假人皮膚溫度為35 ℃且布滿汗液時，通風服的實際冷卻效率在0.27～0.34之間。該實驗選用常規(guī)的通風服和實驗條件，與本文比較接近，因此計算中通風服實際冷卻效率參考文獻[15] 實驗結果，取0.3。在實際的生活和勞動中，不管人體新陳代謝率多大，人體皮膚濕潤度很少超過0.8，持續(xù)活動時皮膚濕潤度的實際上限被認為是0.5。而Xu等的實驗是在暖體假人皮膚表面布滿汗液的情況下得到的，因此本文參考該實驗而確定的通風服冷卻效率可能比實際情況偏大，計算得到制冷量應該比實際制冷量大一些，但從計算模型可以看出，冷卻效率η對制冷量的正負并沒有產(chǎn)生影響，當通風服制冷量Q為0 W時的環(huán)境溫、濕度參數(shù)與實際情況是一致的。

3 結 論

本文計算了通風服在不同環(huán)境溫濕度、通風量和2種新陳代謝率(145和210 W/m2)時的制冷量，繪制了不同環(huán)境條件下通風服制冷量的等值線圖，并對制冷量的變化情況進行了分析，結論如下。

環(huán)境溫度越高，相對濕度越大，通風服的制冷量越小。在高溫高濕環(huán)境下，制冷量可能會變成0 W甚至為負值。通氣量只影響著通風服制冷量的絕對值，對其正負沒有影響。制冷量隨著人體的新陳代謝率的增加而有所提高。

當人體新陳代謝率為145 W/m2時，若環(huán)境溫度小于35.2 ℃，無論環(huán)境濕度怎么變化，通風服的制冷量都大于0 W。當新陳代謝率為210 W/m2時，環(huán)境溫度小于35.8 ℃，即使空氣濕度達到飽和，通風服的制冷量仍大于0 W。

在使用通風服過程中，由于人體散熱得到增強，隨著時間推移人體皮膚表面的濕潤度將下降，皮膚溫度也可能降低。這將導致通風服微環(huán)境中人體的蒸發(fā)散熱和對流散熱減小，通風服制冷量下降。研究中皮膚溫度是根據(jù)穿通風服時人體初始狀態(tài)計算得到的。因此，文中的計算結果可能比實際穿著通風服時的制冷量大一些，文中數(shù)值應看作為通風服制冷量的上限值。通風服制冷量隨時間的動態(tài)變化情況是將來需要重點研究的一個方向。