趙敬德 鄒雅倩

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

高溫下作業(yè)易引發(fā)中暑、熱射病、熱痙攣等問題。戶外作業(yè)難以實(shí)現(xiàn)工作環(huán)境整體降溫，在極端熱環(huán)境下減輕工作者的熱應(yīng)力問題亟待解決[1]。

柯瑩[2]介紹了服裝通風(fēng)測(cè)量方法和服裝通風(fēng)與熱舒適性的關(guān)系。Chinevere T D 等[3]，Barwood 等[4]及A.Hadid 等[5]研究通風(fēng)服裝在軍事環(huán)境下用蒸發(fā)冷卻的方式改善人體熱舒適。李珩[6]及劉蔚巍[7]建立基于熱生理參數(shù)的室內(nèi)外環(huán)境人體熱舒適評(píng)價(jià)模型。Ahmed Osama Mahgoub 等[8]用WBGT 作為熱應(yīng)力指標(biāo)，評(píng)價(jià)室外環(huán)境的熱舒適。

本研究使用一種新型輻射制冷服裝并采用WBGT 評(píng)價(jià)模型研究室外熱環(huán)境舒適度。輻射制冷主要利用了大氣層在8～13 μm 的“大氣窗口”波段具有高透射率的特性，將自身熱量以輻射的形式通過大氣窗口散發(fā)到外太空的一種被動(dòng)式制冷。圖1 為該輻射制冷材料的發(fā)射率隨波長(zhǎng)的變化[9]。

圖1 該輻射材料的發(fā)射率隨波長(zhǎng)的變化

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)環(huán)境

本文中的采用普通工裝、輻射制冷服裝、帶有通風(fēng)裝置的輻射制冷服裝。如圖2，輻射制冷服是由輻射制冷材料及網(wǎng)狀布料做成。通風(fēng)系統(tǒng)是由兩個(gè)2 個(gè)USB 型風(fēng)扇、電源、電源連接線組成。

圖2 帶有通風(fēng)裝置的輻射制冷服裝

該試驗(yàn)在上海市東華大學(xué)松江校區(qū)空曠的噴泉平臺(tái)上進(jìn)行。在三種不同太陽(yáng)照度、濕黑球溫度WBGT 下對(duì)14 名身體健康的大學(xué)生，平均年齡23±1歲、身高1.71±0.09 m、體重56±2.3 kg，進(jìn)行舒適度主觀問卷調(diào)查。熱感覺PMV 值采用ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)的7 點(diǎn)模型法[10]，熱舒適投票采用5 級(jí)分度分別為舒適（0）、稍不舒適（1）、不舒適（2）、很不舒適（3）、不可忍受（4）。

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)開始時(shí)測(cè)量環(huán)境溫濕度、太陽(yáng)輻射照度、風(fēng)速、黑球溫度、天空云量。試驗(yàn)時(shí)，受試者被要求在室外樹蔭下休息10 分鐘后著裝試驗(yàn)服裝站于空曠地帶的陽(yáng)光下，將熱電偶置于人體胸部、背部，并詢問受試者的主觀熱感覺、熱舒適、皮膚濕潤(rùn)感、服裝接觸感。試驗(yàn)過程中用數(shù)據(jù)采集儀測(cè)人體胸部溫度、背部溫度，之后每間隔5 分鐘重復(fù)記錄上述數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)所用儀器如表1。

表1 試驗(yàn)儀器型號(hào)及精度

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

在試驗(yàn)中，濕黑球溫度WBGT 適用于室外炎熱環(huán)境，考慮了室外炎熱條件下太陽(yáng)輻射的影響，目前在評(píng)價(jià)戶外作業(yè)時(shí)應(yīng)用廣泛，受周圍環(huán)境的干球溫度twb、濕球溫度tg、黑球溫度ta的影響，可采用如下計(jì)算公式：

使用Origin Lab 軟件對(duì)試驗(yàn)過程中穿著3 種服裝時(shí)，使用數(shù)據(jù)采集儀測(cè)得的皮膚表面各測(cè)點(diǎn)溫度、服裝內(nèi)外表面溫度、主觀熱舒適調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同WBGT 下通風(fēng)降溫和輻射制冷對(duì)人體舒適度影響

夏季高溫室外環(huán)境下作業(yè)人員出汗量顯著增加，超出常人出汗量的5～7 倍[11]，使用被動(dòng)式通風(fēng)降溫的方式可增加皮膚表面與衣下空間內(nèi)空氣的對(duì)流換熱，同時(shí)促使汗液蒸發(fā)增加潛熱散熱。具體如圖3，本文調(diào)查了室外環(huán)境的WBGT=30 ℃、32 ℃、34 ℃下人體的舒適度。

圖3 熱感覺投票（TSV）與熱舒適投票(TCV）對(duì)比

在三種濕黑球溫度WBGT 下，未通風(fēng)的普通工裝與未通風(fēng)的輻射材料的平均熱舒適投票TCV 無顯著差異，均在2（不舒適）和3（很不舒適）之間。而使用通風(fēng)裝置的服裝顯著地改善了人員的熱舒適，對(duì)于使用便攜式通風(fēng)裝置的普通工裝，在15 分鐘后使TCV 值降低了1.1，人員處于1（稍不舒適）和2（不舒適）之間。對(duì)于使用便攜式通風(fēng)裝置的輻射材料服裝，試驗(yàn)人員的熱舒適在15 分鐘后顯著降低，處于0（中性）和1（稍不舒適）之間，且低于通風(fēng)的普通工裝。

在WBGT=32 ℃、34 ℃時(shí)，未通風(fēng)的輻射材料服裝與普通工裝的平均熱感覺投票TSV 無顯著差異，均在2（熱）和3（很熱）之間。但是，當(dāng)WBGT=30 ℃時(shí)，15 分鐘后穿著未通風(fēng)的輻射材料服裝的TSV 是2（熱），對(duì)于普通工裝的TSV 是1（有點(diǎn)熱）。兩種服裝在通風(fēng)后TSV 顯著降低，在WBGT=30 ℃時(shí)，15 分鐘后熱感覺處于0（中性）和1（有點(diǎn)熱）之間，且兩種服裝無顯著差異。在WBGT=32 ℃、34 ℃時(shí)，15 分鐘后穿著普通工裝的熱感覺降低到1（有點(diǎn)熱）和2（熱）之間，而穿著輻射材料服裝的熱感覺降低到了0（中性）和1（有點(diǎn)熱）之間。這是由于輻射材料服裝的低透氣性惡化了人員的舒適度，但使用便攜式通風(fēng)裝置后增加了一下空間空氣流動(dòng)，人員舒適度提高。

2.2 生理反應(yīng)

圖4 顯示了三種濕黑球溫度下試驗(yàn)人員著裝帶有便攜式通風(fēng)裝置的輻射材料服裝，在通風(fēng)裝置開啟和關(guān)閉兩種工況下，15 分鐘內(nèi)的平均后背溫度和平均前胸溫度。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，通風(fēng)裝置未開啟時(shí)后背溫度、前胸溫度波動(dòng)較小，分別在36.2±0.2 ℃、34.2±0.2 ℃范圍內(nèi)。當(dāng)開啟通風(fēng)裝置后，試驗(yàn)人員的后背溫度和前胸溫度均顯著降低，在15 分鐘后通風(fēng)的后背溫度為35.4 ℃，較未通風(fēng)的降低了0.8 ℃。同時(shí)通風(fēng)的前胸溫度為33.3 ℃，較未通風(fēng)的降低了1 ℃。一般來說，皮膚溫度在33～34 ℃時(shí)，人體休息時(shí)處于熱中性狀態(tài)。在35～37 ℃時(shí)，人體開始有熱得感覺[10]。本實(shí)驗(yàn)中輻射材料服裝在使用通風(fēng)方式后，能使人體皮膚溫度接近熱舒適的狀態(tài)。

圖4 使用通風(fēng)裝置與未使用通風(fēng)裝置的背部、胸部溫度對(duì)比

3 結(jié)論

本文利用了輻射材料的降溫特性，并通過熱舒適性實(shí)驗(yàn)研究了夏季室外高溫環(huán)境中WBGT=30 ℃、32 ℃、34 ℃三種工況時(shí)人體穿著普通工裝和輻射材料服裝，在使用便攜式通風(fēng)裝置前后的熱舒適性，得出以下結(jié)論：

1）著裝未通風(fēng)的服裝時(shí)，在WBGT≥30 ℃下熱環(huán)境處于“很差”等級(jí)，人體的熱舒適投票TCV 及熱感覺投票TSV 處于2（不舒適/熱）和3（很不舒適/很熱）之間，這表明使用WBGT 指數(shù)可作為室外高溫?zé)岘h(huán)境的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2）使用便攜式通風(fēng)方式在消耗很少電能時(shí)可顯著降低高溫環(huán)境下人體的熱舒適TCV 和熱感覺TSV，普通工裝的熱感覺降低到1（有點(diǎn)熱）和2（熱）之間，而穿著輻射材料服裝的熱感覺降低到了0（中性）和1（有點(diǎn)熱）之間,這表明穿著通風(fēng)的輻射材料服裝對(duì)改善熱舒適的效果比通風(fēng)的普通工裝更明顯，輻射材料服裝適用于夏季高溫作業(yè)人員。

3）穿著帶通風(fēng)裝置的輻射材料服裝可使人體皮膚表面溫度下降0.8～1.1 ℃，使皮膚溫度接近熱舒適的狀態(tài)，這表明該服裝能改善夏季室外高溫環(huán)境下衣下空間的熱環(huán)境，可作為一種預(yù)防中暑的方式。