風速對人體散熱特性影響的實驗研究

王麗娟，劉艷峰，劉加平

（1.西安工程大學環境與化學工程學院，陜西西安 710048；

2.西安建筑科技大學環境與市政工程學院，陜西西安 710055；

3.西安建筑科技大學建筑學院，陜西西安 710055）

風速對人體散熱特性影響的實驗研究

王麗娟1，劉艷峰2，劉加平3

（1.西安工程大學環境與化學工程學院，陜西西安 710048；

2.西安建筑科技大學環境與市政工程學院，陜西西安 710055；

3.西安建筑科技大學建筑學院，陜西西安 710055）

針對人體散熱對空調負荷計算的重要性以及穩態風速對人體散熱特性的影響，設置0.06，0.30和0.70m／s 3種風速，在不同的操作溫度（28℃和33℃）下測試并計算分析每種風速對人體的顯汗蒸發、對流散熱、輻射、呼吸、導熱和皮膚散熱的影響.研究結果表明，在不同操作溫度下，顯汗蒸發和對流散熱的影響不同；輻射、呼吸、導熱和皮膚擴散隨風速的增大幾乎不變.采用最小二乘法將離散的實驗數據擬合成光滑的曲線，能確切體現實驗規律.

人體散熱；風速；熱舒適

0 引 言

人體不斷產生熱量，也在不斷向外界環境散熱.人體必須與周圍環境處于相對穩定的熱平衡，才能從事各種正常生理活動.為了維持這種熱平衡，需要將熱環境參數控制在合適的范圍內.因此，關于環境參數對人體散熱影響的研究較多.文獻［1－3］以航天員為研究對象，分別研究環境參數和失重狀態對人體散熱量的影響.李緒泉［4］研究了低氣壓環境下人體散熱特性，并推導出該環境下人體對流換熱與皮膚蒸發換熱的方程式.在正常情況下，人體對流換熱占總散熱量的25%～30%，輻射散熱約占45%～50%，呼吸和無感覺蒸發散熱約占25%～30%［5］.在空調負荷計算中，人體輻射、對流和潛熱散熱比例分別取40%，20%和40%［6］.史曉昆［7］對服裝的仿真研究表明，成人在中等溫度、無風、站立條件下，人體輻射散熱比例為43%，傳導和對流散熱比例為30%，水分蒸發散熱比例為21%，呼吸散熱比例占3%，排泄占1%，其他散熱比例占2%.本文研究不同風速下，人體散熱量和散熱比例變化特性，為探究人體在熱環境中的反應提供參考.

1 實 驗

選取西安建筑科技大學綠色建筑研究中心為實驗室.平面尺寸為4.2m×2.6m，高度為3.3m.空氣溫度、風速由空調（型號為KFR－26GW（26556）FNDc－3）控制.壁面溫度由電熱膜（型號為US65P250M220V）控制.

在自然規律中，來流風速是單向的.本次實驗設計3種迎面風速.分別測試人體周圍風速，對其取平均值得到0.06，0.30和0.70m／s 3種工況.在整個實驗過程中，輻射溫度與空氣溫度相差不大，且不隨時間變化，相對濕度約為38%，人體靜坐.操作溫度是反映空氣溫度和輻射溫度的綜合指標［8］.為了研究不同溫度下，風速對人體各散熱方式的影響，在每一風速下，選擇28℃和33℃兩種操作溫度.已有研究表明，當環境溫度變化小于10℃時，人體皮膚溫度和熱感覺會在40min內達到穩定［9－12］.因此，為了實現穩態條件，每一工況都控制在40min以上.工況設置見表1.

表1 實驗工況Table 1 Experimental case

為了避免人的形體、年齡、生活習慣、服裝等因素影響實驗結果，選擇受試者條件如下：（1）男女年齡22～25歲，身體健康，不抽煙.（2）男身高170～178cm，體重55～75kg；女身高160～168cm，體重45～60kg.（3）男女服裝均為0.52clo.樣本數量男女各8名.

采用自記式溫濕度計RT－72ui測試室內溫度和濕度，采用熱流巡回檢測儀HS－100測試輻射溫度，采用熱成像儀TH9100MV／WV測試人體服裝表面溫度，采用Pt1000熱電偶，依據人體不同部位，在表皮選取32個測點進行皮膚溫度測試［13－14］.此外，人體體溫、幾何尺寸和體重分別采用水銀體溫計、米尺和電子秤測量.采用SPSS－8.0統計數據，P＜0.05.

2 方 法

人體各散熱量和散熱比例計算公式根據文獻［15－16］確定.人體輻射散熱量R為

其中：R為輻射散熱量（W）；ADu為DuBois面積（m2），取決于人體身高和體重；feff為有效輻射區域系數，即著裝有效輻射區域與著裝表面積之比，坐姿取0.696［16］；fcl為著裝體表面積與裸體表面積比值；ε為服裝外表面發射率，取0.97［16］；σ為斯蒂芬－玻爾茲曼常數，5.67×10－8W／（m2·K4）；tcl為服裝表面溫度（℃），采用熱成像儀測試；tmrt為平均輻射溫度（℃），采用熱流巡回檢測儀測算.

人體輻射散熱比例rR為

其中：M為人體代謝率，取決于活動水平，靜坐取58.2W／m2.人體對流散熱量C為

其中：C為對流散熱量（W）；hc為對流換熱系數（W／（m2·℃）），采用文獻［17］研究結論；ta為空氣溫度（℃），采用自記式溫濕度計測試.

人體對流散熱比例rC為

人體顯汗蒸發散熱量Esw為

其中：Esw為顯汗蒸發散熱量（W）；tb為人體平均溫度（℃），通過皮膚溫度和體溫計算；ts為皮膚平均溫度（℃），采用熱電偶測試局部皮膚溫度后算出平均值.

人體顯汗蒸發散熱比例rE為

人體呼吸散熱量B為

其中：B為呼吸散熱量（W）；Pa為環境空氣的水蒸汽分壓力（kPa），根據環境溫度和相對濕度查取.

人體呼吸散熱比例rB為

人體與座椅的導熱散熱量D為

其中：D為導熱散熱量（W）；Ato為人體與座椅的接觸面積（m2）；K為椅子傳熱系數（W／（m2·℃）），取決于材料的厚度和導熱系數.

人體導熱散熱比例rD為

人體皮膚擴散散熱量Edif為

其中：Edif為皮膚擴散散熱量（W）；γ為水的汽化潛熱（J／kg）；χ為皮膚滲透系數，取6.1×10－4kg／（h·m2·mmHg）［16］；Ps為皮膚溫度時的飽和蒸汽壓（kPa）.

人體皮膚擴散散熱比例rdif為

3 結果與討論

人體散熱量和散熱比例與風速的關系及其擬合曲線分別見圖1，2，其中離散點為實驗數據.為了更確切反映實驗規律，采用最小二乘法將這些點擬合成光滑的曲線.

3.1 人體散熱量與風速關系

圖1（a）和（b）分別給出人體輻射、對流和顯汗蒸發，以及導熱、呼吸和皮膚擴散散熱量與風速的關系.操作溫度為28℃時，隨著風速從0.06m／s增加到0.79m／s，對流散熱量增加了25.7W；顯汗蒸發散熱量降低了25.5W.風速為0.06m／s時，輻射散熱量最大，顯汗蒸發散熱量次之，然后依次是對流、呼吸和擴散，導熱散熱量最小.風速為0.30m／s時，對流散熱量大于顯汗蒸發散熱量，但仍然小于輻射散熱量.風速為0.70m／s時，對流散熱量最大，成為人體主要散熱方式；而顯汗蒸發散熱量降低，小于呼吸散熱量.

操作溫度為33℃時，顯汗蒸發是人體主要散熱方式.隨著風速從0.06m／s增加到0.70m／s，對流散熱量增加了14.6W；顯汗蒸發散熱量降低了16.4W.風速為0.06m／s時，顯汗蒸發散熱量最大，呼吸散熱量次之，然后依次是輻射、對流和擴散，導熱散熱量最小.風速為0.30m／s和0.70m／s時，對流散熱量大于輻射散熱量，但仍然小于顯汗蒸發散熱量.

圖1 散熱量與風速關系Fig.1 The relationship between heat dissipation capacity and air speed

當操作溫度為28℃時，對流散熱量隨風速的增大線性遞增；皮膚擴散散熱量隨風速的增大略有升高，呼吸散熱量隨風速的增大略有降低，但這兩種散熱變化很小；輻射和導熱散熱量基本不變；而顯汗蒸發散熱量隨風速的增大線性遞減.當操作溫度為33℃時，對流散熱量隨風速的增大呈二次函數遞增；呼吸散熱隨風速增大略有降低；輻射、導熱和皮膚擴散散熱量基本不變；而顯汗蒸發散熱量隨風速的增大呈二次函數遞減.可見，風速對人體散熱量的影響，在某種程度上受到環境溫度的限制.

在相同的風速下，隨著操作溫度從28℃升高到33℃，輻射、對流、呼吸、擴散和導熱散熱量減小，而顯汗蒸發散熱量增加；顯汗蒸發散熱變化量最大，輻射散熱變化量次之，然后依次是對流、呼吸和擴散，導熱散熱變化量最小.

關于風速對人體散熱量的影響，劉國丹［18］曾給出在標準大氣壓下人體散熱量隨風速變化的實驗數據.他的實驗數據顯示，風速從小于0.10m／s，0.17m／s升到0.23m／s，對流散熱量逐漸增加，該結論與本研究結果一致.但是他的顯汗蒸發散熱量隨風速增加而增加，與本研究結論相反.因為當人體正在排汗或汗液沒有蒸干的情況下，較大的風速能增加人體的顯汗蒸發散熱量；然而，在汗液蒸干的情況下，加大風速不會增加顯汗蒸發散熱量.

3.2 人體散熱比例與風速關系

圖2（a）和（b）給出人體輻射、對流、顯汗蒸發、導熱、呼吸和皮膚擴散散熱比例與風速的關系.圖2表明，當操作溫度為28℃時，對流散熱比例隨風速的增大線性遞增；輻射、呼吸、導熱和皮膚擴散散熱比例基本不變；而顯汗蒸發散熱比例隨風速的增大線性遞減.當操作溫度為33℃時，對流散熱比例隨風速的增大呈二次函數遞增；輻射、呼吸、導熱和皮膚擴散散熱比例基本不變；而顯汗蒸發散熱比例隨風速的增大呈二次函數遞減.操作溫度為28℃時，隨著風速從0.06m／s增加到0.70m／s，對流散熱比例增加了0.284；顯汗蒸發散熱比例降低了0.282W.風速為0.06m／s時，輻射散熱比例最大，顯汗蒸發散熱比例次之，然后依次是對流、呼吸和擴散，導熱散熱比例最小.風速為0.30m／s時，對流散熱比例大于顯汗蒸發，但仍然小于輻射.風速為0.70m／s時，對流散熱比例最大.

圖2 散熱比例與風速關系Fig.2The relationship between heat dissipation rate and air speed

操作溫度為33℃時，顯汗蒸發是人體主要散熱方式.隨著風速從0.06m／s增加到0.70m／s，對流散熱比例增加了0.162；顯汗蒸發散熱比例降低了0.181.風速為0.06m／s時，顯汗蒸發散熱比例最大，呼吸散熱比例次之，然后依次是輻射和對流，擴散和導熱散熱比例最小.風速為0.30m／s和0.70m／s時，對流散熱比例大于輻射，但仍然小于顯汗蒸發.

在相同的風速下，隨著操作溫度從28℃升高到33℃，輻射、對流、呼吸、擴散和導熱的散熱比例減小，而顯汗蒸發散熱比例增加；顯汗蒸發散熱比例變化最大，輻射散熱比例次之，然后依次是對流、呼吸和擴散，導熱散熱比例最小.

人體對流、輻射、顯汗蒸發、導熱、呼吸以及擴散散熱量和散熱比例是用相同的測試數據處理成兩種不同的表現形式，它們所反映定性的問題類似，定量的問題存在差異.人體散熱量便于空調負荷計算，散熱比例便于比較各種散熱方式的重要性.

4 結 論

本文在28℃和33℃2種操作溫度，0.06，0.30和0.70m／s 3種風速下測試分析了人體散熱量和散熱比例的變化特性，得出：

（1）在人體各種散熱方式下，對流和顯汗蒸發隨風速變化最大.其余散熱方式隨風速變化較小.其中對流散熱隨風速升高而升高；顯汗蒸發隨風速的升高而降低.

（2）在同種風速不同操作溫度下，溫度升高，顯汗蒸發散熱量和散熱比例顯著增加，輻射、對流散熱量和散熱比例明顯減小，其余散熱量和散熱比例也相應減小.

（3）風速對人體散熱特性的影響，隨環境溫度的變化而不同.因此，研究風速對人體散熱影響時，需要具體說明環境溫度.

［1］ 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散熱的影響［J］.航天醫學與醫學工程，2002，15（2）：93－97.

QIU Man，WU Jianmin，GU Dingliang，et al.Effects of head－down bedrest on surface temperature distribution and nonevaporative heat dissipation［J］.Space Medicine ＆Medical Engineering，2002，15（2）：93－97.

［2］ 袁修干.人體熱調節系統的數學模型［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

YUAN Xiugan.Mathematical models of human thermal regulation system［M］.Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2005.

［3］ 吳清才，王憲民.人體散熱穩定度影響因素的理論分析［J］.航天醫學與醫學工程，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.

［4］ 李緒泉，生曉燕，辛岳芝，等.低氣壓環境對人體散熱特性影響的研究［J］.青島理工大學學報，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］ 劉加平.建筑物理［M］.北京：中國建筑工業出版社，2009：2－3.

LIU Jiaping.Architectural physics［M］.Beijing：China Building Industry Press，2009：2－3.

［6］ 朱穎心.建筑環境學［M］.北京：中國建筑工業出版社，2005：17－18.

ZHU Yingxin.Building environment［M］.Beijing：China Building Industry Press，2005：17－18.

［7］ 史曉昆.服裝對人體熱舒適影響的計算機仿真研究Ⅲ［D］.上海：東華大學，2003.

SHI Xiaokun.Numerical simulation of the influence of clothing on human thermal comfort［D］.Shanghai：Donghua University，2003.

［8］ ANSI／ASHRAE Standard 55－2010.Thermal environmental conditions for human occupancy［S］.American Society of Heating，Refrigeration and Air－Conditioning Engineers，Atlanta，USA，2010.

［9］ HUIZENGA C，ZHANG H，ARENS E，et al.Skin and core temperature response to partial－and whole－body heating and cooling［J］.J Therm Biol，2004，29：549－558.

［10］ LIU W，LIAN Z，DENG Q，et al.Evaluation of calculation methods of mean skin temperature for use in thermal comfort study［J］.Build Environ，2011，46：478－488.

［11］ De DEAR R J，RING J W，FANGER P O.Thermal sensations resulting from sudden ambient temperature changes［J］.Indoor Air，1993（3）：181－192.

［12］ ZHAO R.Investigation of transient thermal environments［J］.Build Environ，2007，42：3926－3932.

［13］ LIU Y F，WANG L J，LIU J P，et al.A study of human skin and surface temperatures in stable and unstable thermal environments［J］.Journal of Thermal Biology，2013，38（7）：440－448.

［14］ LIU Y F，WANG L J，DI Y H，et al.The effects of clothing thermal resistance and operative temperature on human skin temperature［J］.Journal of Thermal Biology，2013，38（5）：233－239.

［15］ 王麗娟.人體散熱方式與室內熱環境參數關系研究［D］.西安：西安建筑科技大學，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.

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

［17］ KURAZMI Y，TSUCHIKAWA T，ISHII J，et al.Radiative and convective heat transfer coefficients of the human body in natural convection［J］.Building and Environment，2008，43：2142－2153.

［18］ 劉國丹.無癥狀高原反應域低氣壓環境下人體熱舒適研究［D］.西安：西安建筑科技大學，2008：77－78.

LIU Guodan.Study on human thermal comfort within lower－pressure environment of asymptomatic altitude reaction［D］.Xi′an：Xi′an University of Architecture and Technology，2008：77－78.

編輯、校對：武 暉

Experimental research into the effect of air speed on body heat dissipation

WANG Lijuan1，LIU Yanfeng2，LIU Jiaping3

（1.School of Environmental and Chemical Engineering，Xi′an Polytechnic University，Xi′an 710048，China；
2.College of Environment and Municipal Engineering，Xi′an University of Architecture and Technology，Xi′an 710055，China；
3.College of Architecture，Xi′an University of Architecture and Technology，Xi′an 710055，China）

Due to the importance of body heat dissipation to air conditioning load calculation，and the effect of air speed on body heat dissipation，air speed is set as 0.06，0.30，0.70m／s，sweat evappration，convection，radiation，breathing，thermal conductivity and skin diffusion are tested and calculated for each wind speed under the different operating temperature（28℃and 33℃）.The results show that under the different operating temperature，the influence of the sweat evaporation and convection is different.Radiation，breathing，thermal conductivity and skin diffu－sion along with the inerease of wind velocity are almost the same.The least square method was used to fit the discrdte experimental data to smooth curve，which can clearly reflect the experiment rule.

body heat dissipation；air speed；thermal comfort

TU 111.193

A

1674－649X（2015）05－0567－06

10.13338／j.issn.1674－649x.2015.05.009

2015－03－18

國家自然科學基金資助項目（51378411）；西安工程大學博士科研啟動基金資助項目（B51311）

王麗娟（1984—），女，河南省濮陽市人，西安工程大學講師，研究方向為建筑環境與節能.E－mail：wanglijuan＠xpu.com.cn