王麗娟，劉艷峰，劉加平

（ 1. 西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2. 西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055；3. 西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，陜西 西安 710055 ）

人體必需與周圍環(huán)境處于相對穩(wěn)定的熱平衡，才能從事各種正常生命活動．環(huán)境參數(shù)對人體散熱有重要影響．吳清才[1]分析了影響人體散熱的多種因素發(fā)現(xiàn)：環(huán)境溫度、濕度和風(fēng)速是影響人體散熱穩(wěn)定度的主要因素．考慮這些因素對航天員的影響，他又利用能量守恒建立人與環(huán)境熱交換方程[2]．另外，袁修干教授及其團隊[3]，他們模擬了失重時人體體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的改變對人體非蒸發(fā)散熱的影響，發(fā)現(xiàn)各部位散熱所占全身散熱比例中，軀干增加了近6%，頭部增加約2%，上肢散熱減少3%，下肢減少約5%．李緒泉副教授[4]研究了低氣壓環(huán)境下人體散熱特性，并推導(dǎo)出該環(huán)境下人體對流換熱與皮膚蒸發(fā)換熱的方程式．劉艷峰教授及其學(xué)生[5]研究了多種溫度和風(fēng)速設(shè)置下，人體散熱量和散熱比例變化特性，為探究人體在熱環(huán)境中的反應(yīng)提供參考．

在諸多環(huán)境參數(shù)中，溫度是影響人體散熱的主要因素．在以往熱環(huán)境研究中，平均輻射溫度和空氣溫度相差不大，通常采用操作溫度作為這兩個溫度的綜合指標(biāo)[6]．本文所研究的溫度與以往不同，平均輻射溫度和空氣溫度差別較大，且平均輻射溫度隨時間變化．研究結(jié)果為非均勻非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下，人體各種散熱特性提供參考．

1 實驗方案

實驗室平面尺寸為4.2×2.6 m，高度為3.3 m．空調(diào)(型號為KFR-26GW(26556)FNDc-3)控制空氣溫度和風(fēng)速．電熱膜(型號為US65P250M220V)控制壁面溫度，進而控制平均輻射溫度．為了實現(xiàn)非均勻非穩(wěn)態(tài)溫度，平均輻射溫度先從24.2 ℃升到34.7 ℃，然后從34.7 ℃降至23.8 ℃．整個升降過程中，人體周圍空氣溫度恒為24 ℃，風(fēng)速恒為0.06 m/s，相對濕度約為40%．實驗工況設(shè)置詳見表1．

表1 實驗工況(空氣溫度恒為24 ℃)Tab.1 Experimental condition (air temperature is 24 ℃)

為了避免人員形體、年齡、生活習(xí)慣、服裝等因素影響實驗結(jié)果，對受試者提出以下要求：1) 男女年齡22～25歲，身體健康，不抽煙；2) 男身高1.70～1.78 m、體重55～75 kg，女身高1.60～1.68 m、體重45～60 kg；3) 男女服裝均為0.52 clo；4) 樣本數(shù)量男女各8名；5) 被測期間保持靜坐姿勢．每名受試者的測試周期為80 min，分別經(jīng)歷升溫和降溫過程．

圖1 測試現(xiàn)場圖Fig.1 Experiment site

據(jù)ASHRAE 41規(guī)定，非穩(wěn)態(tài)測試采樣點與溫度變化率有關(guān)：當(dāng)≥0.5 ℃/s，最大間隔是 5 s；在0.25～0.50 ℃/s，最大間隔是 10 s；當(dāng)≤0.25 ℃/s，最大間隔是20 s[7]．因此，本次實驗采樣點間隔取10 s．室內(nèi)溫濕度采用自記式溫濕度計RT-72ui測試，該儀器溫度測量范圍為–10～60 ℃，精度平均±0.3 ℃(0～50 ℃)；濕度測量范圍 10%～95% RH，精度±5% RH(25 ℃, 50% RH)．壁面溫度采用熱流巡回檢測儀XSL/R70B測試，其測量范圍為–100～100 ℃，精度為±0.1 ℃．根據(jù)已測得壁面溫度，采用面積平均法算出平均輻射溫度．服裝表面溫度采用熱成像儀TH9100WV測試，測量范圍–40～120 ℃，精度為讀數(shù)的±2%．皮膚溫度采用Pt1000熱電偶測試，測量范圍在–100.00～100 ℃之間，精度為±0.1 ℃．腋溫采用玻璃管水銀計測試．測試現(xiàn)場詳見圖1．為了確保數(shù)據(jù)的可靠性，首先剔除樣本中異常數(shù)據(jù)．采用軟件SPSS-8.0進行方差分析，計算平均值，并對多組實驗數(shù)據(jù)的差異進行顯著性檢驗，結(jié)果顯示P＜0.05．根據(jù)實驗測試出所需參數(shù)，然后采用相關(guān)公式計算人體各種散熱量和散熱比例[5,8]，結(jié)果詳見圖2～3．

2 結(jié)果分析

2.1 人體散熱量與平均輻射溫度關(guān)系

圖2 人體各散熱量與平均輻射溫度關(guān)系Fig.2 Body heat dissipating capacity changes with radiation temperature

圖2(a)和(b)表明，輻射和顯汗蒸發(fā)散熱量隨平均輻射溫度變化最大，蓄熱量次之，然后依次是對流和擴散，而呼吸和導(dǎo)熱散熱量基本不變．平均輻射溫度從24.2 ～34.7 ℃的升溫過程，輻射、蓄熱和擴散散熱量分別降低了69.6、18.5和1.2 W；而顯汗蒸發(fā)和對流分別增加了82.6和6.6 W．從34.7～23.8 ℃的降溫過程，輻射和擴散散熱量分別增加了70.3和0.7 W；而顯汗蒸發(fā)和對流分別降低了68.2和3.7 W．平均輻射溫度低于25 ℃(升溫)或26 ℃(降溫)時，輻射散熱是人體主要散熱方式；大于該溫度時，顯汗蒸發(fā)散熱是人體主要散熱方式．

人體各散熱量隨平均輻射溫度基本呈線性變化．隨著平均輻射溫度的升高，輻射和擴散散熱量降低，而顯汗蒸發(fā)散熱量升高．由于空氣溫度基本不變，受其影響的導(dǎo)熱和呼吸散熱量基本不變．平均輻射溫度升高，人體表面溫度與空氣溫度的差值也隨之增大，相應(yīng)的對流換熱系數(shù)也稍微增大．因此，對流散熱量隨平均輻射溫度升高而略有升高．升溫初期人體蓄熱量最大，然后隨時間逐漸減小，最后近似為零；即使后來環(huán)境溫度降低，人體蓄熱量仍然在零左右．因為平均輻射溫度突然升高，人體體溫會略微升高，從而產(chǎn)生蓄熱；由于人體自身體溫調(diào)節(jié)能力和適應(yīng)性，當(dāng)平均輻射溫度進一步升高時，人體體溫變化極小，此刻體溫變化率近似為零，從而導(dǎo)致蓄熱量幾乎為零．由于人體自身的熱惰性，當(dāng)平均輻射溫度降低時，體溫仍然幾乎不變，蓄熱量仍接近零．

2.2 人體散熱比例與平均輻射溫度關(guān)系

圖3 人體散熱比例與平均輻射溫度關(guān)系Fig.3 Body heat dissipating rate changes with radiation temperature

圖 3(a)和(b)給出非均勻穩(wěn)態(tài)環(huán)境下人體輻射、對流、顯汗蒸發(fā)、蓄熱、導(dǎo)熱、呼吸和皮膚擴散散熱比例與平均輻射溫度的關(guān)系．散熱比例隨平均輻射溫度的增減趨勢和曲線特性與散熱量(圖2)一致，而在數(shù)值上有所差別．平均輻射溫度從24.2 ～34.7 ℃的升溫過程，輻射、蓄熱和擴散散熱比例分別降低了0.725、0.192和0.012；而顯汗蒸發(fā)和對流分別增加了0.861和0.069．從34.7 ～23.8 ℃的降溫過程，輻射和擴散散熱比例分別增加了0.732和0.007；而顯汗蒸發(fā)和對流分別降低0.710和0.039．輻射和顯汗蒸發(fā)散熱比例隨輻射溫度變化最大．

2.3 人體散熱比例與散熱量擬合公式

為了便于引用和定量比較，表2分別給出人體各種散熱量、散熱比例與平均輻射溫度的擬合公式．由于人體各種散熱比例是由各散熱量除以總散熱量得到，故它們所采用的擬合函數(shù)相同，判定系數(shù)也相同，只是系數(shù)和常數(shù)不同．判定系數(shù)基本都在0.95以上．在擬合公式中，可以根據(jù)斜率大小判別各散熱量/比例隨平均輻射溫度變化的快慢．斜率的絕對值越大，散熱量/比例變化越快．表2顯示：顯汗蒸發(fā)和輻射斜率的絕對值最大，對流散熱量的斜率次之，然后是擴散，而呼吸和導(dǎo)熱散熱量的斜率幾乎為零．該結(jié)論與圖2和圖2所反映結(jié)果一致．

表2 人體散熱量和散熱比例擬合公式Tab.2 The fitting formulas of body heat dissipating capacity and rate

3 結(jié)論

通過控制平均輻射溫度隨時間變化，其余環(huán)境參數(shù)不變，來達到非均勻非穩(wěn)態(tài)溫度條件，并研究人體散熱量和散熱比例特性，得出以下結(jié)論：

(1) 輻射散熱和顯汗蒸發(fā)散熱隨平均輻射溫度變化較大，其余散熱隨平均輻射溫度變化較??；升溫和降溫過程，各種散熱略有變化，但基本都呈線性變化．

(2) 斯蒂芬-波爾茨曼定律表明：輻射熱量與熱力學(xué)溫度的4次方成比例．而實驗表明：在空氣溫度不變（24 ℃），平均輻射溫度隨時間變化的條件下，人體輻射換熱量與輻射攝氏溫度可近似為1次方比例．

(3) 有研究表明，人體的正常散熱比例為：對流25%～30%，輻射45%～50%，呼吸和無感覺蒸發(fā)25%～30%[9]．但是，當(dāng)熱環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時，各散熱比例會超出這個范圍．

References

[1]吳清才,王憲民.人體散熱穩(wěn)定度影響因素的理論分析[J].航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程,1998, 11(3): 194-195.WU Qingcai, WANG Xianmin. Theoretical analysis of factors affecting heat exchange stability of human body with environment[J]. Space Medicine & Medical Engineering, 1998, 11(3): 194-195.

[2]吳清才,金星國.人體熱平衡的生物物理分析[J].中華航空航天醫(yī)學(xué)雜志,1999, 10(1): 58-61.WU Qingcai, JIN Xingguo. Biological and physical analysis of heat balance in human body[J]. Chinese Journal of Aerospace Medicine, 1999, 10(1): 58-61.

[3]邱曼,武建民,顧鼎良,等.模擬失重對人體皮膚溫度分布和不同部位非蒸發(fā)散熱的影響[J].航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程,2002, 15(2): 93-97.QIU Man, WU Jianmin, GU Dingliang, et al. Effects of head-down bedrest on surface temperature distribution and non-evaporative heat dissipation [J]. Space Medicine& Medical Engineering, 2002, 15(2): 93-97.

[4]李緒泉,生曉燕,辛岳芝,等.低氣壓環(huán)境對人體散熱特性影響的研究[J].青島理工大學(xué)學(xué)報,2009, 30(5): 8-13.LI Xuquan, SHENG Xiaoyan, XIN Yuezhi, et al. A primary study on human heat release characteristics under low-pressure environment[J]. Journal of Qingdao Technological University, 2009, 30(5): 8-13.

[5]王麗娟. 人體散熱方式與室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)關(guān)系研究[D].西安,西安建筑科技大學(xué),2012.WANG Lijuan. Relationship study between human body heat dissipation and indoor thermal environment parameters[D]. Xi'an: Xi'an University of Architecture and Technology, 2012.

[6]Thermal environmental conditions for human occupancy:ANSI/ASHRAE Standard 55-2010[S]. Atlanta, USA:ASHRAE, 2010.

[7]Standard method for temperature measurement: ANSI/ASHRAE Standard 41.1-2006[S]. Atlanta, USA: ASHRAE,2006.

[8]FANGER P O. Thermal comfort: analysis and application in environmental engineering[M]. New York: McGraw-Hill, 1982.

[9]劉加平.建筑物理[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009:2-3.LIU Jiaping. Architectural physics[M]. Beijing: China Building Industry Press, 2009:2-3.