用于列車室內環境測試的模擬人體顯熱散熱裝置研究

王海英，邊春曉，徐曼殊，詹佳倫，劉 璐(青島理工大學 環境與市政工程學院，青島 266033)

在列車試驗中，車室熱環境試驗不僅可以確定列車空調負荷，還可以分析人員散熱對車室熱環境的影響[1].試驗中如果招募人員進行試驗，需要的受試人員眾多，在某些極端條件下的測試還有可能引發安全性等問題，因而實際試驗一般采用模擬人體散熱裝置進行測試.人體向環境散發顯熱和潛熱[2]，因而在試驗時需要模擬兩類散熱.加濕器等可作為模擬人體潛熱散熱的裝置，電熱毯、電加熱器以及以人體形態出現的暖體假人等可作為模擬人體顯熱散熱的裝置.在列車試驗測試中，人體顯熱散熱量對列車室內環境的影響較大，應用模擬人體顯熱散熱裝置，可以節省時間、降低成本、提高試驗準確性[3]，故列車試驗用顯熱模擬裝置為本文主要研究對象.

在模擬人體顯熱散熱的常見裝置中，電加熱器體積小、占地空間小，應用較多，但也存在表面溫度較高與人體顯熱散熱特性不完全一致等缺點，且有些電加熱器為了提高散熱效率，會增加風扇等輔助手段，產生的氣流會干擾車室內環境，也會對測試產生一定影響.電熱毯也可用來模擬人體顯熱散熱，如在測試模擬階段中，Velaro RUS列車通過將面熱源加熱毯依靠在座椅或平放于座椅上來模擬人體靜坐狀態的顯熱散熱量[4].這種面熱源加熱毯相比電加熱器效果更好，但在形態上相比實際人體存在一定的局限性.在暖體假人研究方面，由于應用領域的不同在功能上相差很大.如丹麥科學家研發了一種可以模擬人體呼吸和出汗功能的女性暖體假人；芬蘭的高精度模擬人體散熱散濕的 “Coppelius”假人；瑞士的出汗暖體假人“SAM”；中國香港范金土研發的暖體假人“Walter”可行走織物暖體假人等[5].這些暖體假人雖然功能完善、在模擬人體散熱方面精度高，但單個造價極其昂貴且主要用于精密科學研究，大規模用于列車試驗是不現實的.在研究飛機座艙環境下人體顯熱散熱時，何衛兵制作了一個在表面布置發熱線的多段體假人作為模擬人體顯熱散熱的裝置[6].從列車試驗中使用的數量上考慮，這種暖體假人占用空間大，試驗后不便于存放，試驗中的搬動也不方便，此外發熱線裸露在假人表面不利于安全.鑒于當前用于列車室內試驗時還沒有一種能完全滿足現有的需求，從列車試驗需求出發，研制了一種成本低、便捷、更接近人體顯熱散熱特性的裝置.

1 裝置設計

本裝置在設計時首先考慮需要模擬的人體顯熱散熱量大小.具有標準體重和身高的成年男子在靜坐時的總散熱量大概為108 W左右，其中顯熱約占45%～80%.在常溫環境下顯熱散熱量在60～90 W.隨著環境溫度的升高顯熱散熱量減小，潛熱散熱量增加.

所設計的模擬裝置應能夠滿足以上人體顯熱散熱量需求，同時考慮一定的散熱余量，每套按照最大150 W功率設計.形態上應盡可能接近人體散熱特性，此外考慮制造成本要低、便于存放等要求.由于控制方便，各類模擬人體散熱裝置均采用電加熱元件.本裝置在設計時考慮散熱均勻性及具備一定的柔性等，采用電加熱絲模擬顯熱散熱.

由于采用220 V的交流電壓，從安全性進行考慮，熱源選用帶有絕緣套的發熱線.由于人體軀干部位散熱占比較大，裝置外觀設計成類似于人體可穿戴的馬甲款式，測試使用時可套在椅背上，相比于電熱毯可實現雙面立體散熱.裝置的尺寸為衣寬53 cm，衣長85 cm.為便于使用在裝置兩側分別設置2組粘扣便于拆裝.具體設計樣式及電熱絲的纏繞方式如圖1所示.

圖1 裝置設計樣式及加熱絲纏繞方式

在選擇裝置的面料時，綜合考慮了各類常用面料的導熱特性，如棉、羊毛、蠶絲、各類化學纖維等.從成本、耐久性及散熱特性等方面考慮選用了棉綸織物，棉綸的導熱系數在0.244～0.337 W/m·K.為使加熱絲散熱量能夠均勻分布于整個裝置表面，采用散熱性能好、價格低廉的鋁箔布作為內襯材料[7].從接近人體表面溫度及散熱安全性考慮，選用模糊控制與PID結合的控制形式對其表面溫度進行控制[8].

從發熱線的經濟性及試驗可靠性角度考慮，采用康銅發熱絲作為內熱源均勻布置于織物內側，其為一種電阻合金，以銅和鎳為主要成分[9]，使用溫度范圍廣泛，電阻溫度系數較低，且具有耐腐蝕、機械加工性能良好和易釬焊等優點.設計中選用的康銅發熱線參數為15.5 Ω/m，按照發熱量通過純電阻電路的電壓-功率公式，每套150 W散熱量，需使用21 m康銅發熱線，公式為

(1)

式中：P為加熱功率，W；U為加熱電壓，V；R為發熱絲的電阻，Ω.

2 試驗方法及步驟

模擬散熱裝置制作完畢后，需通過試驗對其散熱特性進行測試和比較.試驗包括裝置試驗和人體試驗兩部分.裝置試驗和人體試驗均在相同的溫度工況下進行，裝置試驗分別測試表面溫度分布，并計算散熱量；人體試驗主要用于和模擬裝置進行對比，受試人員靜坐狀態下進行皮膚表面溫度測試并計算顯熱散熱量.

試驗中環境溫度的設定參考《客車車廂的通風、供暖和空調》(UIC 553—2004)標準，確定20 ，23 及26 ℃3種溫度工況，并且選擇在23 ℃下對裝置及人體周圍溫度場分布進行測試，對比裝置與人體對周圍溫度場的影響.

在裝置測試時，將裝置等面積劃分為16個區域.測試時在每個區域中心位置布置溫度測點(T型熱電偶)，共16個，采用Agilent 34970A數據采集儀采集(數據采集間隔60 s).測點采用壓敏膠帶粘貼固定.區域劃分及實際測點布置如圖2所示.每個區域測點溫度進行平均值計算，得到裝置的表面平均溫度.

圖2 裝置區域劃分及測點布置

當裝置表面溫度恒定時，不同環境溫度下，由于換熱溫差的不同會導致散熱量的差異.為保證在3種溫度工況下散熱量變化與實際人體變化規律一致，對裝置提前進行了預試驗，以確定不同環境溫度下PID溫度控制器的恒溫設定值.通過預試驗，環境溫度為20，23和26 ℃時，確定裝置的表面溫度設定值分別為32，34及36 ℃.

進行人體試驗時，參與試驗的受試者共10人(其中男生6人，女生4人)，身體健康狀況良好.受試者具體信息如下：男生，年齡(24.7±2.3)歲，體重(74.5±3.5)kg，身高(177.5±4.3)cm；女生，年齡(24.3±1.9)歲，體重(53.5±2.5)kg，身高(164.3±3.5)cm.試驗時受試者著統一夏季工裝，服裝總熱阻為0.5 clo.并使用iButton DS1923紐扣式溫濕度記錄儀進行皮膚溫度測試，按照五點法對各測點皮膚溫度進行面積加權計算平均皮膚溫度，計算公式如下：

t=0.06t額頭+0.34t前胸+0.33t后背+0.14t上臂+0.13t大腿

(2)

人體處于靜坐時自然對流條件下會在人體周圍形成一定的熱羽流溫度場，在23 ℃的工況條件下，需對裝置和人體散熱進行測試，用于對比裝置和人體熱羽流溫度場的相似性.試驗時在放置裝置/人體靜坐的椅子周圍布置9個熱電偶溫度測點，同樣采用Agilent 34970A采集儀讀取數據[10].試驗時座椅位置固定不變，1—9號測點布置如圖3所示.

圖3 溫度場測點布置

首先，圖3中的直角坐標系以座椅中心到地面的投影點為原點建立.其中，X軸正方向為垂直試驗艙長邊的正東方向，Y軸正方向為垂直試驗艙短邊的正北方向，Z軸正方向為垂直試驗艙地面的向上方向.然后，以人體中心點為原點做圓，圓半徑定為單位1，自下向上分為3個區域，每個區域距離以z表示，設置在人體頭頂位置測點編號即為(0,1,3z).各測點具體位置見表1.

表1 溫度場測點編號

試驗步驟：進行裝置試驗時，首先設置環境溫度，并且將裝置套在椅背上，開啟PID溫度控制器，將參數調節到所需的恒定值，待設定的環境溫度穩定后開始試驗，采集裝置表面溫度及測試其周圍溫度場分布.進行人體試驗時，首先設置相同環境溫度，布置好人體皮膚溫度測點，待環境溫度穩定后開始試驗.試驗采取單人試驗，受試者坐于座椅上，同時測量人體周圍的溫度場.完成1組溫度工況測試后，再重復進行下1組溫度工況試驗.

3 試驗結果及分析

在三種試驗設定的溫度工況下，裝置測試和人體靜坐測試的實測環境參數見表2.由表2可知在裝置測試和人體靜坐測試時環境參數基本保持一致.

表2 環境參數統計結果

3.1 表面溫度對比

裝置達到穩定時的平均表面溫度和實測人體穩定(30 min)時的平均皮膚溫度對比如圖4所示.

由圖4可知，隨著外界環境溫度的增高，人體在靜坐時表面皮膚溫度都是呈現上升趨勢且增長率均勻.20 ℃時人體平均皮膚溫度較裝置表面溫度高1.3 ℃，在23和26 ℃時，人體表面溫度低于裝置表面溫度，最大相差1.5 ℃.由于試驗儀器的恒溫調節功能，故裝置實際達到穩定時的溫度與設定值之間有一定差值.

對3種溫度工況下裝置表面溫度分別進行測試，其隨時間的變化如圖5—7所示.

由圖5—7可知，在3種溫度工況下，模擬裝置表面溫度達到基本穩定的時間大約是1000 s即17 min.在表面溫度穩定后各測點值波動較小，可見PID溫度控制系統對裝置表面溫度控制效果良好.裝置的表面溫度隨環境溫度的升高而增加，當環境溫度從20 ℃升高到23 ℃時，裝置表面溫度的增長率較大；而當環境溫度從23 ℃升高到26 ℃時，裝置表面溫度的增長率則比較緩慢.對不同溫度工況下裝置每部分的表面平均溫度進行分析，發現裝置的表面溫度與人體溫度分布相似，均為自下而上逐漸升高.因此，單純從溫度分布情況進行考慮，本裝置能夠準確地模擬一般人體在靜坐狀態下的皮膚溫度.

圖5 環境溫度20 ℃時裝置表面溫度測試

圖6 環境溫度23 ℃時裝置表面溫度測試

圖7 環境溫度26 ℃時裝置表面溫度測試

3.2 散熱量計算與對比

3.2.1 裝置散熱量計算

3.2.1.1 裝置對流散熱量

與人體自由流動換熱相同，裝置周圍空氣的流動狀態、對流換熱系數以及與環境的溫度差值均影響裝置與周圍環境的對流換熱量，可以近似認為對流換熱系數相同，因此裝置的對流散熱量計算可仿照人體的散熱量計算公式進行計算.

3.2.1.2 裝置輻射散熱量

裝置對外界環境的輻射散熱量與該裝置的表面積、表面溫度、環境溫度有著密切聯系.在計算裝置的輻射散熱量時，tcl采用的是裝置表面的實測溫度，其余的可仿照人體輻射散熱量的計算公式進行計算.

3.2.2 人體散熱量計算

3.2.2.1 人體對流散熱量

人體周圍環境的空氣流動狀態、人體與環境之間的溫度差值以及對流換熱系數影響著人體對外界環境的對流換熱量.公式如下：

C=fclhc(tcl-ta)

(3)

式中：C為對流換熱量， W/m2；fcl為著衣體表與裸體表面之比；hc為人體的對流換熱系數， W/(m2·K)；tcl為體表溫度，℃；ta為環境溫度，℃.

3.2.2.2 人體的輻射散熱量

環境溫度、人體著衣體表面積及體表溫度均對外部環境與人體之間的輻射散熱量產生影響.公式如下[11]：

R=3.96×10-8fcl×[(tcl+273)4-(tr+273)4]

(4)

(5)

式中：fcl為著衣體表與裸體表面之比；tcl為體表溫度， ℃；tr為平均輻射溫度， ℃；Icl為衣服的熱阻， (m2·K)/W，本試驗取0.5 clo即0.0755 (m2·K)/W.

公式(5)為fcl經驗計算公式.

3.2.3 裝置與人體散熱量對比

三種環境溫度下，裝置散熱量與人體靜坐時的計算散熱量對比如圖8所示

由圖8可以看出，20 ℃時裝置散熱量低于人體散熱量，主要由于環境溫度控制存在一定偏差，裝置表面溫度比實際人體表面溫度低.而在23，26 ℃時裝置與人體靜坐時的對流散熱量與輻射散熱量相差很小，更接近人體靜坐狀態下的散熱量.

3.3 23 ℃時溫度場對比

23 ℃時，人體(受試者平均值)和裝置周圍9個測點溫度對比如圖9所示.

人體周圍測點溫度從下部至頭部呈穩定上升趨勢，具有明顯的規律[12].裝置周圍測點溫度和人體對應測點溫度的變化規律基本一致.最大偏差為頭部測點，相差0.8 ℃.

由于裝置形態和實際人體有一定差距，其散熱特性很難保證和實際人體完全一致.根據試驗結果的對比，本裝置在散熱量和表面溫度分布上和實際人體不完全一致，但相差不大；另外裝置散熱對周圍溫度場的影響特性也非常相似.從列車試驗的需求角度看，模擬人體顯熱散熱主要用于夏季空調工況試驗(空調負荷、溫度場等)，本裝置在23和26 ℃2種工況時在總散熱量方面與實際人體相差很小，能夠滿足其要求.

4 結束語

本文以列車試驗中對人體模擬顯熱散熱裝置的需求出發，設計了一種馬甲形式的電加熱顯熱散熱裝置.通過與實際人體試驗對比發現，裝置總散熱量與人體顯熱散熱量接近，在23和26 ℃溫度工況下最大相差3%；裝置表面溫度與人體表面平均皮膚溫度也較為接近，最大相差1.5 ℃；在周圍溫度場的對比測試中，裝置周圍溫度測點和人體周圍溫度測點溫度變化規律一致，平均相差0.2 ℃.從列車試驗對模擬顯熱散熱裝置的需求角度，該裝置可以滿足列車試驗中顯熱散熱模擬的要求；在使用的靈活性、成本、存放等方面均比現有的其他模擬設施具有優勢.