趙敬德 張春紅

1 東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2 東華大學(xué)暖通空調(diào)研究所

近年來(lái)，眾多城市和地區(qū)夏季頻繁的出現(xiàn)熱島效應(yīng)、極端高溫等天氣事件，作業(yè)人員在高溫環(huán)境下的邏輯思維，刺激反應(yīng)及識(shí)別判斷能力會(huì)顯著降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)安全事故[1]。夏季高溫日曬環(huán)境下如何改善人體熱舒適的研究成為了目前探討的重要方向。本文將采用現(xiàn)場(chǎng)真人實(shí)驗(yàn)的方式，將降溫處理后的空氣沿服裝內(nèi)部通風(fēng)管路送入衣下微環(huán)境，并獲得人體平均皮膚溫度的變化以及主觀熱感覺(jué)、熱舒適投票，從而對(duì)不同通風(fēng)溫度進(jìn)行研究以獲得最佳的通風(fēng)量及通風(fēng)溫濕度。研究結(jié)果將為室外高溫日曬環(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)意義。

1 實(shí)驗(yàn)情況及過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)基本情況

本實(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。本實(shí)驗(yàn)將采用恒溫水浴及換熱器對(duì)室外空氣進(jìn)行降溫處理。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 為受試者的年齡、身高、體重等基本信息。

表1 人員基本信息表

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 至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 m/s 到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1015 W/m2，最低為602 W/m2，平均輻射強(qiáng)度為808.8 W/m2。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)將在濕黑球溫度（WBGT）[2]為36～39℃下且定風(fēng)量的三種通風(fēng)溫度下進(jìn)行，分別是對(duì)普通純棉短袖工裝以5L/S 鼓入26℃、28℃、30℃的冷風(fēng)，相對(duì)濕度均為40%±5 %，本文針對(duì)人體上半部分出汗集中部位進(jìn)行通風(fēng)管路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如前胸、后背、腋下等，純棉短袖內(nèi)側(cè)縫有固定條，用于固定衣服內(nèi)表面通風(fēng)管道，通風(fēng)背心如圖1 所示。首先，穿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 分鐘。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1 秒鐘記錄一次，在同樣條件下進(jìn)行通風(fēng)實(shí)驗(yàn)，分別將室外空氣處理到26℃、28℃、30℃后鼓入衣下空間，每5 分鐘進(jìn)行一次主觀熱舒適、熱感覺(jué)投票，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。

圖1 通風(fēng)背心內(nèi)部示意圖

表2 實(shí)驗(yàn)儀器型號(hào)及精度

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 通風(fēng)對(duì)平均皮膚溫度的影響

平均皮膚溫度[3-4]是通過(guò)測(cè)試人體胸部、上臂、大腿及小腿的皮膚溫度，按照權(quán)重系數(shù)0.3、0.3、0.2、0.2 進(jìn)行加權(quán)平均得出[5]。由圖2 可以得出，在未通風(fēng)時(shí)，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，由于人體自身的調(diào)節(jié)作用，在10 分鐘左右逐漸恢復(fù)到初始狀態(tài)，本實(shí)驗(yàn)將重點(diǎn)研究實(shí)驗(yàn)開(kāi)始15 分鐘內(nèi)各實(shí)驗(yàn)參數(shù)的變化情況。在通風(fēng)的狀態(tài)下，在12 分鐘左右人體平均皮膚溫度達(dá)到較為穩(wěn)定狀態(tài)，相較于未通風(fēng)情況，通28℃風(fēng)后人體皮膚溫度要明顯降低，15 分鐘約降低0.7℃。

圖2 兩種情況下的平均皮膚溫度變化情況

2.2 通風(fēng)溫度對(duì)人體熱舒適性的影響

熱舒適（TCV）[6-7]被定義為人體對(duì)熱環(huán)境表示滿意的意識(shí)狀態(tài)，本文將采用ASHRAE 五級(jí)分度指標(biāo)，范圍從0（中性）、1（稍不舒適）、2（不舒適）、3（很不舒適）到4（不可忍受）。從圖3 中可以看出，W BGT 在36～39℃的相同狀態(tài)下，衣下通風(fēng)要比未通風(fēng)時(shí)人體熱舒適投票要低。其中，未通風(fēng)時(shí)，人體熱舒適投票（TCV）會(huì)隨著暴露時(shí)間的增加而越不舒適，在實(shí)驗(yàn)期間的熱舒適投票基本在2～3 之間（即“熱”與“很熱”之間），通風(fēng)可以有效提高人體舒適度，降低TCV 投票值。通過(guò)圖（a）、（b）、（c）之間的對(duì)比分析可以得出，衣下通30℃ 風(fēng)的人體熱舒適較差，熱舒適投票均大于1，通28℃ 的風(fēng)時(shí)人體熱舒適最佳，趨近于舒適狀態(tài)。主要原因是通30℃風(fēng)時(shí)受試者大多反映風(fēng)溫較高，皮膚濕潤(rùn)度變化不大，依舊處于稍不舒適與不舒適的狀態(tài)，通26℃風(fēng)時(shí)受試者普遍反映風(fēng)溫較低，人體冷感覺(jué)明顯，同樣是一種稍不舒適的狀態(tài)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，衣下送風(fēng)28℃的情況人體衣下微環(huán)境的舒適度最高，人體主觀熱舒適投票最佳。

圖3 不同通風(fēng)溫度下的熱舒適投票對(duì)比

2.3 通風(fēng)溫度對(duì)人體主觀熱感覺(jué)的影響

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)不僅是由冷熱刺激的存在所造成的，還與刺激的延續(xù)時(shí)間以及人體的熱狀態(tài)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）。在圖4 中，未通風(fēng)時(shí)人體主觀熱感覺(jué)投票在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中逐漸增加，從“有點(diǎn)熱”向“熱”發(fā)展。當(dāng)通風(fēng)溫度為26℃時(shí)，受試者的主觀熱感覺(jué)投票為負(fù)值，均處于偏冷的狀態(tài)，通風(fēng)溫度為30℃時(shí)TSV 依舊是處于有點(diǎn)熱（1 到2）的狀態(tài)，通28℃風(fēng)的熱感覺(jué)投票較好，趨近于中性。因此，從圖4 中可以得知通風(fēng)可以有效改善人體主觀熱感覺(jué)，且相較于26、30℃通風(fēng)溫度，通風(fēng)溫度28℃時(shí)人體主觀熱感覺(jué)最佳。

圖4 不同通風(fēng)溫度下熱感覺(jué)投票對(duì)比

3 結(jié)論

本文針對(duì)人體上半部分出汗集中部位進(jìn)行通風(fēng)管路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，將室外空氣進(jìn)行處理后沿服裝內(nèi)部通風(fēng)管路通入衣下空間。并進(jìn)行了衣下通風(fēng)的現(xiàn)場(chǎng)真人實(shí)驗(yàn)研究，探究了在不通風(fēng)與通風(fēng)兩種狀態(tài)下平均皮膚溫度的變化，得到了通風(fēng)服裝對(duì)衣下空間微環(huán)境及人體主觀熱舒適、熱感覺(jué)改善情況，主要結(jié)論如下：

1）在未通風(fēng)時(shí)，受試志愿者進(jìn)入室外高溫環(huán)境后，人體平均皮膚溫度會(huì)逐漸上升，由于人體自身的調(diào)節(jié)作用，在10 分鐘左右逐漸恢復(fù)到初始狀態(tài)，但在通風(fēng)的狀態(tài)下，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后12 分鐘左右人體平均皮膚溫度達(dá)到較為穩(wěn)定狀態(tài)，相較于未通風(fēng)人體皮膚溫度要明顯降低。

2）室外30℃及以上溫度送風(fēng)對(duì)于熱感覺(jué)的改善效果不明顯。當(dāng)通風(fēng)溫度為26℃時(shí)人體冷感覺(jué)明顯，通風(fēng)溫度28℃時(shí)的人體主觀熱感覺(jué)更趨于中性。

3）在采用不同溫度的通風(fēng)服裝后人體主觀熱舒適得到不同程度的改善，而且經(jīng)真人實(shí)驗(yàn)得出以5L/s 的28℃空氣通入衣下人體熱舒適效果最好。衣下空間通入處理后冷空氣的方法提高了室外高溫環(huán)境下人員熱應(yīng)力，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。