室外高溫環境下通風服裝的傳熱模型與實驗研究

趙敬德， 丁義冉， 張春紅

(1. 東華大學 環境科學與工程學院， 上海 201620； 2. 東華大學 暖通空調研究所， 上海 201620)

隨著全球變暖日益嚴峻，高溫天氣頻現，對高溫天氣下室外作業人員的健康與安全構成了極大的威脅，如何避免人體受到熱損傷成為亟待解決的問題[1]。通風服裝可以有效地改善高溫環境下的人體熱感覺，國內外學者對皮膚及服裝的傳熱過程、通風服裝的送風方式、送風參數等進行了廣泛研究。

在皮膚與服裝傳熱過程的研究方面，Gagge等[2]提出人體溫度調節的二節點模型并對舒適的環境進行定義；Fanger[3]提出了人體穩態條件下的能量平衡方程，為模型的建立奠定了基礎。Gibson[4]建立了紡織材料作為吸濕的多孔介質的熱濕傳遞模型, 但并沒有考慮輻射傳熱的影響。張昭華等[5]建立了室內環境下皮膚表面經過衣下空氣層、面料層到外部環境熱傳遞的數學模型，并通過平板模擬得出衣下空氣層厚度與人體熱傳遞之間的關系。李珩等[6]建立了高溫艙內通風條件下的人體-通風服裝-環境的傳熱傳質模型，驗證了風量較大且溫度較低時，能明顯降低人體熱應激。但是也沒有考慮到日曬輻射的影響。Emel等[7]利用圓通軀干裝置建立了在垂直方向非均勻的衣下空氣層形態，研究了服裝與皮膚之間接觸面積對于服裝熱阻的影響。Ghazy等[8]建立了服裝層-空氣層的熱傳遞模型，研究了衣下空氣層厚度較小時振幅與頻率對傳熱性能的影響，但模型僅考慮輻射與傳導2種傳熱方式，忽略了對流傳熱。Neves[9]研究了不同人體熱量及汗液釋放時衣服和纖維性能對熱量和質量傳輸的影響，并建議服裝親水性較差的織物層應面向皮膚，親水性較強的織物層應面向周圍環境。Jia等[10]提出了一種將熱輻射整合到三維熱濕模型中的多孔服裝三維服裝熱濕傳遞模型。Udayraj等[11]建立了一個考慮織物中傳導-輻射耦合的三維傳熱模型，用于分析熱防護服在火焰和輻射熱暴露下的傳熱。在上述人體-服裝-環境之間的傳熱模型的研究中，均未考慮室外高溫日曬輻射下的傳熱模型。

在通風服裝的研究方面，Crockford等[12]于1972年首次提出服裝通風(clothing ventilation)的概念；曾彥彰等[13]研究發現在皮膚表面引入微型風扇陣列時能夠強化散熱并顯著降低體表的溫度；Hadid等[14]將通風系統用于防彈背心，研究了帶有通風的個人冷卻系統對運動或休息時的不同作用。Witzki等[15]探討了除濕空氣注入絕緣防護服中對人體熱應激及耐受時間的影響。高黎穎[16]研究了氣冷服對人體生理參數的影響，并指出氣冷服可以有效地降低衣下微環境的溫度，提高人體舒適感。

相較于室內人體-服裝-環境的傳熱模型，室外高溫日曬環境下人體-服裝-環境過程中具體的傳熱方式以及模型的深入探索鮮有研究，而室外環境下傳熱方式的分析與模型的建立是評判降溫方式優劣的關鍵。因此，本文將建立室外高溫天氣下的傳熱模型并通過實驗對模型進行驗證，得出各傳熱方式在得熱或散熱中所占的比重，針對汗液蒸發這一主要散熱途徑采取衣下通風的方式進行研究。研究結果將為室外高溫環境中通風服裝的發展以及室外作業人員的安全防護問題提供重要的理論指導。

1 傳熱模型

在傳統的皮膚-服裝-環境傳熱模型中，皮膚與服裝之間的熱濕交換十分復雜，既有皮膚與服裝接觸時的導熱、衣下空氣流動形成的對流傳熱，還有皮膚與服裝之間的輻射傳熱與汗液蒸發的傳熱傳質過程，但是對于研究室外高溫環境下的熱平衡來說，可以將人體與服裝視作一個開口系統。由于服裝外表面溫度測量方便，所以可忽略對衣下傳熱過程的分析，僅考慮汗液蒸發、呼吸帶走的熱量，從而將理論模型進一步簡化。傳熱模型如圖1所示。

圖1 傳熱模型Fig.1 Heat transfer model

系統與環境的熱量交換主要包括2個部分：第一部分是系統得熱，主要有人體自身的產熱、太陽輻射得熱、地面輻射得熱；第二部分是系統與天空、周圍環境的輻射、系統表面的對流、汗液蒸發呼吸散熱等熱量的散失，總得熱量與總散熱量應該是相等的。因此系統的熱平衡又可用下式表示：

Φme+Φrs+Φrg-Φsky-Φre-Φc-Φe=0

式中：Φme為自身產熱部分，W；Φrs為太陽輻射得熱，W；Φrg為地面輻射得熱，W；Φsky為系統對天空的輻射換熱，W；Φre為系統表面與周圍環境中物體的輻射換熱，W；Φc為流體掠過圓柱形人體模型的對流換熱量，W；Φe為汗液蒸發、呼吸散濕帶走的熱量，W。式中變量前“+”為得熱，“-”為散熱。

1.1 系統得熱部分

Φme=21(0.23RQ+0.77)Vo2

式中：RQ為呼吸商，單位時間內呼出二氧化碳與吸入氧氣的摩爾數比；Vo2為單位時間內消耗氧氣的體積，mL/s。

Φrs=S×A×f×cosθ×α×feff

式中：S為地面接收到的單位面積的太陽輻射能，W/m2;A為模型外表面積，m2；f為日地距離修正系數，一般取值0.97～1.03；θ為太陽輻射與地面法線方向的夾角；α為衣服表面吸收率；feff為有效輻射面積系數。

Φrg=hr×A×(tg-tcl)

式中：hr為系統表面輻射傳熱系數，W/(m2·K)；tcl為服裝外表面溫度，K；tg為地面溫度，K。

1.2 系統散熱部分

Фsky=ε×A×X2,1×Fb×(Eb-Esky)

式中：ε為服裝表面發射率；X2,1為服裝對天空的角系數；Fb為黑體輻射函數；Eb為服裝溫度下的黑體輻射力，W/m2；Esky為天空溫度下的黑體輻射力，W/m2。

Фre=hr×A×(tcl-ts)

式中，ts為周圍環境物體表面溫度，℃。

Фc=h×A×(tcl-tair)

式中：tair為環境空氣溫度，℃；λ為空氣的導熱系數，W/(m·K)；l為特征長度，m；u為空氣流速，m/s；v為空氣運動黏度，m2/s；Re為慣性力與黏性力之比的一種度量；Pr是動量擴散能力與熱量擴散能力的一種量度，Nu為努塞爾數。

式中：r為蒸發的汽化潛熱，kJ/kg；t為在高熱濕環境下暴露的時長，s；m為在t時間內系統因呼吸、汗液蒸發產生的總失重，kg。

2 實驗研究

2.1 實驗基本情況

本文實驗選擇在上海市夏季7、8月份溫度高于35 ℃的晴朗天氣下進行，實驗區域空曠無遮擋。在本次實驗中共有14名青年學生作為受試志愿者，男女各7名，表1示出受試者的年齡、身高、體重等基本信息。

表1人員基本信息表Tab.1 Basic information of personnel

測試期間室外空氣溫度最高41.2 ℃，最低35.1 ℃，平均溫度為38.45 ℃。在上海夏季室外下午14∶00～16∶30期間，室外相對濕度較低，平均相對濕度為44%，最高相對濕度為53.4%，最低為33.2%。室外空氣流速與室內相比，波動范圍較大，介于1～3 m/s之間，平均風速為1.95 m/s。上海市夏季太陽輻射強度較高，實驗期間最高輻射強度為1 015 W/m2，最低為602 W/m2，平均輻射強度為808.8 W/m2。

2.2 實驗過程

實驗分為2種工況:一種是普通純棉短袖工裝;另一種是通風服裝。14名實驗者在28 ℃、相對濕度55%的室內靜坐10 min后進入室外實驗地點，首先進行第1種工況的實驗：著普通純棉短袖工裝的受試者在室外高溫日曬下靜止站立15 min；實驗期間人體皮膚溫度和服裝外表面溫度由熱敏電阻經數據采集儀每隔1 s記錄1次；其他受試者各項生理參數及主觀反映，主要包括室外溫濕度、風速、腋下溫度、衣下溫濕度、整體熱感覺、皮膚濕潤感等每3 min記錄1次；實驗開始與結束時測量受試者體重，用于確定汗液蒸發和呼吸引起的總失重m。實驗過程中所使用的部分儀器型號及精度見表2。

表2 實驗儀器型號及精度Tab.2 Model and precision of experimental instrument

2.3 數據處理

圖2示出傳熱模型中得熱量和散熱量各組成部分的百分比分布情況。

圖2 不同傳熱途徑百分比(得熱為正，散熱為負)Fig.2 Percentage of different heat transfer pathways(Heat gain is positive, heat dissipation is negative)

從圖中可以看出，在得熱部分的3種途徑中太陽輻射占比最大，在散熱過程中汗液蒸發帶走的熱量最多，在天氣以及衣服材質不改變的情況下，促進汗液蒸發能夠有效提高熱量散失速率。在該模型下，總得熱量與總散熱量應該是相等的，但實驗測量結果存在誤差。14名受試者的總得熱量與總散熱量誤差平均為9.1%，實驗結果與模型的預測有較好的吻合度，該模型可適用于夏季室外高溫天氣下的人體-服裝-環境熱傳遞的研究。得熱量與散熱量之間誤差的可能原因主要是受試者的新陳代謝水平不一樣，環境風速和日照強度略有波動。

圖3示出皮膚平均溫度隨時間的變化規律。可以看出，當進入室外高溫環境后，人體平均皮膚溫度會逐漸上升，由于人體自身的出汗等調節作用，在10 min左右下降并逐漸趨于穩定，因而本文實驗將重點研究實驗開始15 min內各實驗參數的變化情況。

圖3 人體平均皮膚溫度隨時間的變化Fig.3 Changes of average human skin temperature over time

因為汗液蒸發是室外高溫日曬環境下人體的主要散熱方式，通過衣下送風促進汗液蒸發，有利于人體的散熱和熱舒適性。因此本文第2種工況的實驗在相同的天氣下進行通風服裝的實驗，送風溫度為(28±0.5) ℃，相對濕度(40±3)%，風量(5±0.1) L/s，同時將所有受試者所處的環境按濕黑球溫度(TWBG)分為34～36 ℃、36～38 ℃以及38 ℃以上3種條件，同樣每3 min記錄受試者知覺反應、生理參數，實驗進行15 min。其中濕黑球溫度(TWBG)是與所有影響人體熱應力因素都有關的函數，本文中采用的TWBG的表達式如下：

13.829 7φ-8.728 4v-0.055 1

3 分析與討論

3.1 衣下微環境參數變化

人體感受外界溫度的變化是由于人體皮膚層中存在著溫度感受器，衣下微環境的空氣直接接觸人體皮膚，因而人體的冷熱感覺首先受制于衣下微環境中空氣的溫濕度。

圖4、5分別顯示了在15 min內3種TWBG區間的服裝微氣候溫度和相對濕度，其中，0 min為受試者在28 ℃、相對濕度55%的室內靜坐時衣下不通風的預置環境的數據。從圖4中可以看出，TWBG為34～36 ℃時的衣下溫度在37.5 ℃左右，TWBG在36 ℃以上的衣下溫度均在39～40 ℃；通風后TWBG為34～36 ℃時的衣下溫度在34.5 ℃左右，TWBG在36 ℃以上的衣下溫度介于36～38 ℃之間。在3種情況下，通風后的衣下空間空氣溫度均比未通風時低2 ℃左右。

圖4 不同情況下的衣下空間內空氣溫度Fig.4 Air temperature under clothes space at different conditions. (a) Without ventilation;(b) With ventilation

在圖5中通風后的衣下微環境相對濕度要明顯低于未通風時的，通風10 min后相對濕度到達較為穩定的狀態。在未通風的情況下，受試者進入室外高溫環境后，室外高溫天氣下皮膚大量出汗，衣下空間空氣的相對濕度存在上升趨勢。但在通風情況下，衣下送入空氣的相對濕度低于室內相對濕度，在進入室外的10 min內，衣下空間空氣的相對濕度逐漸趨近于送入空氣的相對濕度。達到穩定狀態后，通風服裝的衣下空間空氣的相對濕度要比未通風時低15%左右。

圖5 不同情況下的衣下空間內空氣相對濕度Fig.5 Relative humidity of air under clothes space at different conditions. (a) Without ventilation;(b) With ventilation

3.2 主觀反映

熱感覺(TSV)是人對周圍環境是“冷”還是“熱”的主觀描述，熱感覺不僅僅是由冷熱刺激的存在所造成的，還有刺激的延續時間以及人體的熱狀態都有關。本文采取美國供熱制冷空調工程師協會ASHRAE采用的七級熱感覺標度，數值范圍從-3(很冷)、-2(冷)、-1(有點冷)、0(中性)、+1(有點熱)、+2(熱)到+3(很熱)。皮膚濕潤感(WSs)采用連續的5分制量表，范圍為0(中性)、+1(微濕)、+2(濕)、 +3(非常濕)到+4(極度潮濕)。圖6示出通風時不同實驗狀態下男性和女性的熱感覺，圖7、8示出知覺反應的變化過程。

圖6 通風時熱感覺的性別差異Fig.6 Gender differences in heat perception during ventilation

圖7 不同情況下的熱感覺投票Fig.7 Heat sensation vote in different situations. (a) Without ventilation;(b) With ventilation

在圖6中可以看出，3種情況下受試者以性別為比較對象的熱感覺投票相差并不明顯，因此本實驗將綜合男女的主觀反映在不同實驗工況下以熱感覺、皮膚濕潤感作為主要比較對象。從圖7中可以看出,人體熱感覺投票隨著實驗時間不斷增加，TWBG越高，人體熱感覺越明顯。在未通風的情況下，當TWBG在38 ℃以上時，TSV為+2.4(即“熱”和“很熱”之間)。但從圖7(b)可以明顯地看出，通風持續10 min 后人體的熱感覺投票趨于穩定，TWBG為38 ℃以上時TSV為+1.8(即“有點熱”和“熱”之間)，通風可以有效降低人體熱感覺。

在圖8中，未通風時人體皮膚濕潤感隨著實驗時間逐漸增加，TWBG越大，皮膚越濕潤，原因是TWBG越大，人體出汗越明顯；但在通風狀態下，人體皮膚濕潤感變化并不顯著，而且在10 min后基本趨于穩定，相較于同TWBG的未通風狀態，通風后的皮膚濕潤感投票均低0.5左右。

圖8 不同情況下的皮膚濕潤感Fig.8 Skin wetness sensations under different conditions. (a) Without ventilation;(b) With ventilation

由圖7(b)、8(b)可以看出，當TWBG在34至36 ℃區間時，送風溫度(28±0.5) ℃，相對濕度(40±3)%，風量(5±0.1) L/s時，受試者能夠達到與預置環境不通風的相近的熱舒適性、熱感覺和皮膚濕潤感。

4 結 論

本文建立了在室外高溫日曬環境下的人體、服裝系統與環境之間的傳熱模型，探究了傳熱模型中的熱量和散熱量各組成部分所占的比重，并進行了衣下通風的現場真人實驗研究，得到了通風服裝對衣下空間微環境及人體主觀反映的改善情況。

1)建立了在室外高溫日曬環境下的人體、服裝系統與環境之間的傳熱模型，該模型中總得熱量與總散熱量誤差平均為9.1%，實驗結果與模型的預測有較好的吻合度，該模型可為夏季室外高溫日曬環境下的人體-服裝-環境熱傳遞的研究以及對室外作業人員的健康與安全的保障與改善提供理論指導；

2)室外高溫日曬環境下的人體、服裝系統得熱的3種方式中，太陽輻射為主要得熱方式，約為55.7%，在系統散熱中，汗液蒸發為主要散熱方式，約為53.5%，在室外高溫作業時應針對2種主要傳熱方式采取通風促進汗液蒸發以及遮陽避免受到太陽直射等防護措施；

3)在采用通風服裝后，衣下空間空氣溫度比未通風時低2 ℃左右，相對濕度降低15%左右，人體主觀熱感覺及皮膚濕潤感得到明顯改善，衣下空間通入處理后冷空氣的方法為室外高溫日曬環境下作業人員安全防護方式的選擇提供參考。

4)當濕黑球溫度在34～36 ℃之間時，送風溫度為(28±0.5) ℃，相對濕度為(40±3)%，風量為(5±0.1) L/s時，受試者的主觀熱感覺、皮膚濕潤感與預置環境相近。