棉紡織車間的熱舒適性研究

楊瑞梁，周義德，徐子龍

(1.天津工業(yè)大學機械工程學院，天津 300387;2.中原工學院能源與環(huán)境學院，河南鄭州 450007)

隨著近年紡織用工荒現(xiàn)象的日趨明顯和擴大，棉紡織車間溫度偏高致使操作人員熱舒適性較差的問題越來越受到紡織企業(yè)和相關研究人員的重視。按GB 50481—2009《棉紡織工廠設計規(guī)范》的規(guī)定，棉紡織車間溫度要在30℃以上。例如細紗車間的夏季溫度規(guī)定為30～32℃。按照GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》，人員長期逗留的室內(nèi)舒適溫度為26～28℃。GB 50189—2005《公共建筑節(jié)能設計標準》指出:室內(nèi)計算溫度每升高1℃，能耗可減少8% ～10%。因此，相對于民用建筑所要求的室內(nèi)設計參數(shù)，紡織車間即使達到國家標準的設計要求，可以節(jié)約16% ～20%的能耗，但會導致車間溫度升高，勞動條件惡化，能否兼顧工人的熱舒適需要，應該進行進一步的研究。目前涉及到紡織車間溫濕度參數(shù)的文獻主要是研究空調(diào)節(jié)能，文獻［1］提出在保障工藝生產(chǎn)的情況下，夏季可采用更高的溫度，以減少紡織車間的送風量。文獻［2］也提出適當放寬紡織車間的溫濕度標準，降低紡織車間的需冷量，同時適當增加操作部位的吹風量以保障車間工人的感覺。目前尚未見到國內(nèi)外文獻對棉紡織車間內(nèi)熱舒適展開詳細研究。本文結合其他領域熱舒適研究的文獻，深入研究棉紡織車間的熱舒適，并提出相關的棉紡織車間熱舒適要求，不僅有利于保障現(xiàn)有棉紡織企業(yè)的工人人權，維持工廠正常運轉，還可以為棉紡織廠相關標準的制定提供理論依據(jù)。

1 熱舒適

熱舒適為人體對熱環(huán)境表示滿意的意識狀態(tài)［3］。關于熱舒適方法的研究分為2類:熱平衡方法和熱適應方法。熱平衡方法是基于丹麥科學家Fanger在實驗室內(nèi)對1296名年輕的歐美人做出的測試資料、運用能量守恒推導而來的方法。目前國際上應用最為廣泛的熱平衡方法是PMV-PPD(PMV指預測平均熱感覺指數(shù)，PPD指預計不滿意者的百分比)指標體系［4］。除 PMV-PPD指標體系外，熱平衡方法還包括兩點模型法［5］、多節(jié)點模型法［6］等。然而，對于不同于實驗室的環(huán)境，熱平衡方法適用性受到很大限制［3－4，7］，因此必須結合具體環(huán)境，進行針對性研究，才能得出優(yōu)于熱平衡方法、更符合現(xiàn)實環(huán)境的熱舒適結論，并指導工程實踐［3－4］。熱適應方法就是針對實際環(huán)境進行研究的熱舒適方法。目前熱適應方法研究多集中于民居［8］、車廂［9］、教室［10］、辦公室［11］等小空間區(qū)域。而棉紡織車間的面積動輒上千平方米，明顯與小空間區(qū)域不同，無法套用上述文獻的研究成果。

GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》在原有國標的基礎上增加了熱舒適要求，熱舒適較高的區(qū)域為Ⅰ級，要求 －0.5≤PMV值≤0.5，熱舒適度一般的區(qū)域為Ⅱ級，要求－1≤PMV值＜－0.5或0.5＜PMV值≤1。對于棉紡織空調(diào)，室內(nèi)空氣設計參數(shù)則應根據(jù)工藝需要及健康要求來確定。GB 50481—2009《棉紡織工廠設計規(guī)范》指出車間空氣溫濕度的計算應根據(jù)生產(chǎn)工藝要求來確定，但沒有提及熱舒適方面的要求。

可見，對具有較大空間的棉紡織企業(yè)的熱舒適問題進行深入研究很有必要。鑒于目前尚未見到國內(nèi)外文獻對紡織車間熱舒適性展開研究，本文將以國際通用的PMV-PPD指標體系為基礎，探討紡織車間的熱舒適問題。

2 熱舒適實驗

2.1 實驗基本情況

實驗在鄭州某大型棉紡織企業(yè)的一個紡織車間進行，該車間擁有5萬紗錠。實驗時間為2013年7月到8月間的2個工作日。實驗對象為該車間41名一線工人，其中細紗車間26人，絡筒車間、清花車間、梳棉車間、氣流紡車間、粗紗車間各3人。男工人18名，女工人23名，工齡從2年到35年，其中工齡在10年以上34名。實驗測試數(shù)據(jù)分別為溫度、相對濕度、風速和黑球溫度。實驗詢問數(shù)據(jù)包括個人信息、熱感覺投票(TSV)以及熱滿意度投票(TS)。

實驗儀器:Testo 608-H1溫濕度測量儀(溫度精度為±0.5℃;相對濕度精度為±3%);EY3-2A型電子微風儀(測量風速，最大允許誤差為±2%);AZ8778型黑球溫度計(測量黑球溫度，±1℃)。測試時工人站立在工作區(qū)域接受測試和問詢，測試按照ASHRAE 55—2013《人類居住熱環(huán)境條件》進行，測量測試者在0.1、1.1、1.7 m處、距測試者20 cm處的溫度、相對濕度、風速和黑球溫度。測量結果取3 min的平均值。

熱感覺投票(TSV)采用ASHRAE七級標度為熱(+3)、暖(+2)、稍暖(+1)、中性(0)、稍涼(－1)、涼(－2)、冷(－3)。熱滿意度投票(TS)采用2級標度:熱滿意(0)、熱不滿意(－1)。

2.2 預測平均熱感覺指數(shù)計算

根據(jù)GB 50736—2012的定義，預測平均熱感覺指數(shù)(PMV)是指以人體熱平衡基本方程式、心理、生理學的主觀熱感覺為出發(fā)點，考慮了人體熱舒適感等諸多相關因素的全面評價指標。PMV值是一個客觀值，可通過溫度、相對濕度、風速、平均輻射溫度、代謝率和服裝熱阻6個主要因素計算提到。6個主要因子中，溫度、相對濕度、風速可直接測量得到，平均輻射溫度可根據(jù)BS EN ISO 7726—2001《熱環(huán)境的人類工效學·物理量測量儀器》由溫度、黑球溫度和風速計算出來，黑球溫度可通過黑球溫度計測量得到。受試者周圍空氣相關參數(shù)如表1所示。

表1 受試者周圍空氣相關參數(shù)Tab.1 Measured parameters around participants

實驗過程中，工人著褲子及長短袖襯衫，服裝熱阻按 ASHRAE 55—2013《人類居住熱環(huán)境條件》分別取為0.61 col和0.57 col。室內(nèi)人員在平靜站立狀態(tài)接受問詢和測試，時間為10 min，2種活動代謝率分別為1.2 met和2.2 met，則測量詢問時的權重代謝率按 ASHRAE 55—2013取為2.03 met。GB/T 18049—2000《中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測定及熱舒適條件的規(guī)定》提供了PMV-PPD的計算程序，該程序是用BASIC語言編寫。本文將其稍加改編，變?yōu)镸atLab函數(shù)，在主程序計算時，輸入溫度、相對濕度、風速、平均輻射溫度、代謝率和服裝熱阻6個主要因子就可以計算得到相應的PMV值和PPD值。

2.3 PMV與TSV指數(shù)對比

實際熱感覺常用TSV投票結果顯示，即要求受試者在ASHRAE七級標度中選擇其中一項作為實際熱感覺。本文對比工人的PMV值與TSV值。計算的PMV最小、最大和平均值分別為1.52、3.22、2.38。而調(diào)查的TSV最小、最大和平均值分別為0、3.00、1.78。圖1示出隨著 PMV值的增加，工人TSV值的變化情況。圖中虛線為TSV值=PMV值，理想情況下，二者應該相等，但多數(shù)情況下，圖中點均落在虛線之下。對點進行了一次線性擬合(見圖中實線)，可以看出，雖然點分布與線并不是一一對應，但總體來說，隨著PMV值的增加，TSV值也在增加。可采用(TSV-PMV)來描述TSV相對于PMV的偏離程度，圖2示出男女工人TSV-PMV值隨工人序號的變化。其中男、女工人的平均TSV-PMV值分別為－0.53和 －0.66。理想情況下 TSV值應等于PMV值，但實際上大多數(shù)TSV值均低于PMV值，這表明，通常情況下對紡織車間來說，PMV值高估了TSV值，高估值約在0.5～0.7，其中男女工人差不多。

2.4 PPD指數(shù)與TS指數(shù)

圖1 工人TSV值隨PMV值的變化Fig.1 TSV value versus PMV value of workers

圖2 男女工人TSV-PMV值的變化Fig.2 PMV value versus TSV value of male workers and female workers

PPD指數(shù)為處于熱環(huán)境中群體對于熱環(huán)境不滿意的投票平均值，該指數(shù)可根據(jù)PMV值計算得到。根據(jù)計算的PMV值，可計算出PPD的平均值為85.49%。而根據(jù)熱環(huán)境滿意度投票(TS)，基本接受的工人為39人，僅有2名工人對車間熱環(huán)境不滿意，其比例為4.9%。并且TSV投票中，投熱(+3)、暖(+2)的人數(shù)為 25人，所占比例為61.0%。

可見，TS中的熱環(huán)境不接受比例和TSV中感覺過暖(熱(+3)、暖(+2))的人數(shù)比例均低于PPD計算值。即便在PPD計算值為85.49%的情況下，多數(shù)工人對車間熱環(huán)境勉強接受，僅有少數(shù)工人明確表示對車間熱環(huán)境不滿意。

3 PMV-PPD在棉紡織車間的適用性

由于棉紡織車間溫度一直較高，細紗車間冬季溫度可達30℃左右，一直處于偏熱狀態(tài)，本文測試時，車間溫度也在30℃以上。通過對41名工人周圍環(huán)境參數(shù)進行測試及計算表明:計算的PMV和調(diào)查的TSV平均值分別為2.38和1.78。GB 50736—2012規(guī)定對熱舒適度一般的區(qū)域為II級，要求－1≤PMV＜－0.5或0.5＜PMV≤1;ISO 7730—2005《熱環(huán)境的人類工效學通過計算PMV和PPD指數(shù)及局部熱舒適度標準對熱舒適度作分析性預測和解釋》中對熱環(huán)境要求較低區(qū)域(C類)也規(guī)定為－0.7＜PMV值＜0.7;ASHRAE 55—2013對一般熱環(huán)境要求為－0.5＜PMV值＜0.5。棉紡織車間測量的PMV值以及調(diào)查的TSV值均遠遠高于上述標準的要求范圍，可見，完全套用國家標準或國際標準熱舒適條文設計棉紡織車間的熱環(huán)境，是不太合適的。

考慮到國內(nèi)紡織車間的實際情況，目前紡織車間的溫度、相對濕度、風速、黑球溫度以及勞動強度在短期內(nèi)不可能有大幅度的改善。如果必須使用PMV指標體系來描述棉紡織車間的熱環(huán)境，則應適當調(diào)寬PMV的設計范圍。結合本文計算的PMV值和調(diào)查的TSV值，建議棉紡織車間的PMV應滿足－0.5＜PMV值 ＜2。這個范圍的下限與ASHRAE 55—2013熱舒適要求下限一致，上限則明顯高出ASHRAE 55—2013熱舒適要求的上限。原因有2個:1)雖然此時對應的PPD范圍為PPD值＜76.8%，即理論上有76.8%的人對熱環(huán)境不是很滿意。該PPD值低于在棉紡織車間的PPD計算值，但遠高于TS中熱環(huán)境不接受比例和TSV中感覺過暖的人數(shù)比例。根據(jù)TS調(diào)查，在實際的紡織車間之中，與該值相對應的實際熱環(huán)境不接受比例很低;2)該值略低于調(diào)查的棉紡織車間PMV值，但相差不多，紡織企業(yè)經(jīng)過努力可以讓車間熱環(huán)境低于該上限，這比較符合國內(nèi)紡織車間實際情況，因此對紡織車間來說該PMV范圍比較合適。

4 結語

對棉紡織車間來說，計算的PMV值以及調(diào)查的TSV值均遠遠高于國家標準和國際標準要求的熱舒適范圍，且PMV值高估了TSV值，高估值在0.5～0.7之間，其中男女工人差不多。完全套用國家標準或國際標準的熱舒適要求設計棉紡織車間的熱環(huán)境，是不太合適的。考慮到國內(nèi)紡織車間的實際情況，若必須使用PMV指標體系來描述棉紡織車間的熱環(huán)境，應適當調(diào)寬PMV的設計范圍，建議棉紡織車間的PMV應滿足－0.5＜PMV值＜2。該范圍適當調(diào)寬了ASHRAE 55—2013的熱舒適要求范圍，更符合國內(nèi)紡織車間的實際情況，紡織企業(yè)經(jīng)過努力可以達到該值。若將來國內(nèi)紡織車間熱環(huán)境普遍有所改善，該范圍可以適當縮小。

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