人體呼吸道熱濕耦合傳遞過程分析

方 悅 余 濤 孫亮亮

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

0 引言

當人體暴露于低濕、低壓的環(huán)境中時易出現(xiàn)呼吸粘膜受損、鼻腔出血等癥狀，其原因是呼吸道內(nèi)表面分布的分泌液纖毛會通過加熱、加濕將吸入的空氣調(diào)節(jié)到接近肺泡的狀態(tài)[4,5]，加熱加濕的過程導致了呼吸道的熱量和水分的流失。相關研究[1-3]表明呼吸道疾病頻發(fā)與環(huán)境低壓低氧、寒冷干燥等因素有密切關系。

有關人體呼吸道熱濕的研究主要集中于探究呼吸道對空氣的加熱加濕能力[6-9]以及從病理角度研究氣象參數(shù)對呼吸功能的影響[10-12]。在已有研究中缺少對不同居住環(huán)境中人體呼吸道熱濕傳遞量的關注。本研究從傳熱傳濕理論出發(fā)探究呼吸道熱濕耦合傳遞過程的影響因素，研究環(huán)境參數(shù)對呼吸道熱濕傳遞的影響規(guī)律，分析不同海拔地區(qū)人體呼吸道熱濕傳遞的差異，為維持與平原地區(qū)同等呼吸道熱濕傳遞量下的高原地區(qū)室內(nèi)參數(shù)控制提供參考。

1 人體呼吸道熱濕傳遞過程

空氣經(jīng)過呼吸道濕潤壁面時，只要氣流與濕潤壁面之間存在溫差和水蒸氣濃度差，空氣與濕潤壁面之間將發(fā)生熱量和濕的傳遞。傳熱傳濕理論通常假設[13]濕潤壁面存在飽和空氣層，濕潤壁面與氣流間的濕交換和潛熱交換是通過飽和空氣層來完成的。在空調(diào)環(huán)境下呼吸時，呼吸道壁面溫度和濕度都高于吸入氣流，在溫差的驅(qū)動下熱量由壁面?zhèn)鹘o氣流，而在水蒸氣濃度差的驅(qū)動下濕潤壁面的飽和水吸收壁面的熱量向氣流中蒸發(fā)并放出汽化潛熱；當氣流到達肺部時溫度會上升至37℃和相對濕度上升至100%；所以在呼氣時由肺部呼出的氣體溫濕度均高于呼吸道壁面，在溫差的驅(qū)動下熱量由氣流傳給壁面，在水蒸氣濃度差的驅(qū)動下氣流中的水分向壁面蒸發(fā)，此時壁面將回收一部分汽化潛熱。

如圖1所示，人體通過口鼻吸入空氣，鼻咽道是空氣熱濕交換的主要場所，在這里空氣溫度可達到32℃以上[14-16]，當空氣經(jīng)支氣管進入肺泡時溫濕度持續(xù)上升。在呼氣過程中，被冷卻的呼吸道會從呼出氣體中回收部分熱量和水分，最終鼻腔口的呼出氣體溫濕度將會穩(wěn)定在一個范圍內(nèi)。

圖1 人體呼吸道熱濕傳遞過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the heat and moisture transfer process in the human respiratory tract

2 呼吸道熱濕傳遞量的計算

如圖2所示，將呼吸道空氣流動簡化，一個呼吸循環(huán)主要包括兩個過程和三個狀態(tài)點，兩個過程分別為吸氣過程和呼氣過程，狀態(tài)1 為吸入空氣狀態(tài)，狀態(tài)點2 為肺部空氣狀態(tài)，此時空氣溫度接近37℃且為濕飽和狀態(tài)，狀態(tài)點3 為呼出空氣狀態(tài)。通過計算兩個階段中的熱濕傳遞量，可得到一個呼吸循環(huán)中呼吸道與空氣的熱濕傳遞量。

圖2 呼吸道空氣流動簡化示意圖Fig.2 Simplified schematic diagram of air flow in the respiratory tract

本研究做出以下假設：（1）鼻腔出口氣體溫濕度為定值，溫度為30.5℃，相對濕度為91%[17]；（2）呼吸過程中通氣量恒定，無周期性變化；（3）呼吸道內(nèi)氣壓與所處環(huán)境氣壓一致。

2.1 傳熱傳濕理論分析

對于呼吸道與氣流間的熱濕傳遞來說，無論呼吸道幾何結構如何，熱濕傳遞量只與初末狀態(tài)量有關，而與氣流流過的路徑以及過程無關。吸氣過程中空氣由鼻腔流進肺部，這個過程的呼吸道壁面與單位質(zhì)量空氣傳熱量、傳濕量分別由式（1）、式（2）計算。

呼氣過程中空氣由肺部流出至鼻腔，該過程呼吸道壁面與空氣傳熱量、傳濕量分別由式（3）、式（4）計算。

因此，一個呼吸循環(huán)過程呼吸道與外界熱濕交換量由式（5）、式（6）計算。

式中：ΔQ1、ΔQ2、ΔQ分別為吸氣、呼氣及一個呼吸循環(huán)過程中空氣與呼吸道壁面熱傳遞量，kJ/kg；ΔW1、ΔW2、ΔW分別為吸氣、呼氣及一個呼吸循環(huán)過程空氣與呼吸道壁面濕傳遞，kg/kg；h為空氣焓值，kJ/kg；d為空氣含濕量，g/kg干空氣。

健康成年人正常呼吸24 小時空氣總質(zhì)量由式（7）計算，24 小時內(nèi)呼吸道與空氣的傳熱量、傳濕量計算由式（8）和式（9）計算。

式中：m為呼吸道一天中吸入空氣總質(zhì)量流量，kg/d；ρH為海拔高度為H下的空氣密度，kg/m3；υ為潮氣量，mL/次；f為呼吸頻率，次/min；Q為一天中空氣與呼吸道總熱傳遞，kcal/d；W為一天中空氣與呼吸道總濕傳遞，mL/d；ρ水為水的密度，kg/m3。

2.2 計算參數(shù)確定

計算需要確定的參數(shù)有吸氣溫度、濕度及空氣質(zhì)量流量。根據(jù)規(guī)范《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》（GB/T18883-2002）[20]規(guī)定，夏季空調(diào)時：室內(nèi)溫度為22℃～28℃、相對濕度為40%～80%；冬季采暖時：室內(nèi)溫度為16℃～24℃、相對濕度為30%～60%。為此本研究室內(nèi)溫度工況設定為16℃～28℃，相對濕度工況設定為30%～80%。人體呼吸頻率和潮氣量隨個體、地理因素而異，參考文獻[18]、文獻[19]將不同海拔地區(qū)呼吸頻率和潮氣量參考值設定如表1所示。

表1 不同海拔高度肺功能參數(shù)參考值Table 1 Reference values of lung function parameters at different altitudes

2.3 計算方法驗證

Daviskas 等[17]通過模擬和實驗方法在吸氣溫度26.7℃、水蒸氣濃度8.8mg/L 條件下，計算通氣量分別750mL/次和2600mL/次時呼吸道呼吸一次消耗的熱量和水，本研究與文獻[17]中工況一致并按照2.1 節(jié)公式計算數(shù)據(jù)結果如表2所示，計算誤差均小于10%，誤差范圍可以接受，即該計算方法合理。

表2 計算方法驗證Table 2 Verification of calculation method

3 結果分析

影響人體呼吸散熱散濕的因素有很多，首先是個體差異（性別、年齡、身體狀況）的影響，其次是空氣溫度、濕度、風速、大氣壓等這些環(huán)境因素的影響。本研究針對環(huán)境側因素探討在標準大氣壓中空氣溫度、空氣濕度對人體呼吸道24 小時熱濕傳遞量的影響規(guī)律，另外再比較海拔0～6000m 范圍內(nèi)不同地區(qū)人體呼吸道24 小時熱濕傳遞量的差異。

3.1 環(huán)境參數(shù)對呼吸道熱濕傳遞影響分析

（1）空氣溫度

空氣溫度變化會影響呼吸道壁面與空氣氣流的對流換熱和蒸發(fā)散熱量。圖5 是在不同室內(nèi)溫度下的呼吸道熱濕傳遞，從圖中可以看出，隨著環(huán)境溫度升高，人體呼吸道的熱濕傳遞量降低。空氣溫度與熱濕傳遞量成線性關系，當相對濕度增大時，呼吸道熱濕傳遞量下降率增大。

圖5 不同室內(nèi)溫度下的呼吸道熱濕傳遞Fig.5 Respiratory heat and moisture transfer at different indoor temperatures

（2）空氣相對濕度

空氣相對濕度大小影響著空氣中水分的蒸發(fā)，室內(nèi)溫度不變情況下相對濕度越小，呼吸道內(nèi)空氣氣流與呼吸道壁面飽和空氣層的水蒸汽濃度差越大，使得從呼吸道流失到氣流中的水分和汽化潛熱越多。圖6 是在不同室內(nèi)相對濕度下呼吸道熱濕傳遞量，從圖中可以看出，呼吸道熱濕傳遞量與相對濕度呈線性關系。室內(nèi)溫度較高時相對濕度的變化對熱濕傳遞量的影響增強，這是因為當空氣溫度升高，呼吸道與空氣氣流的對流換熱減弱，呼吸道的熱濕交換更依賴于水分的蒸發(fā)。

圖6 不同室內(nèi)相對濕度下的呼吸道熱濕傳遞Fig.6 Respiratory tract heat and moisture transfer at different indoor relative humidity

（3）海拔高度

首先隨著大氣壓力降低呼吸道壁面與空氣氣流的對流換熱系數(shù)會減小，此時依賴水分蒸發(fā)的傳熱傳質(zhì)比例更大；其次隨著海拔高度升高人體的肺通氣量也會增大。圖7（a）、7（b）分別為不同海拔地區(qū)冬季18℃、50%和夏季26℃、50%時呼吸道熱濕傳遞量，對比兩圖發(fā)現(xiàn)冬、夏季兩季不同海拔下熱濕傳遞的變化規(guī)律相似，隨著海拔升高人體呼吸道熱濕傳遞逐漸增大，濕傳遞增加幅度大于熱傳遞。海拔1000m 以下的上海、武漢、成都三個平原地區(qū)熱濕傳遞都比較接近，而在海拔1500m 的蘭州地區(qū)有較明顯的增幅，隨海拔上升至3000m以上的高原地區(qū)時熱、濕傳遞量的差異更大。

圖7 不同海拔高度下呼吸道熱濕傳遞差異Fig.7 Differences in heat and moisture transfer in the respiratory tract at different altitudes

3.2 不同海拔高度下影響呼吸道熱濕傳遞量的環(huán)境參數(shù)對比

當冬季室溫為18℃、相對濕度為45%時，拉薩地區(qū)呼吸道一天熱傳遞為363kcal、濕傳遞為488mL，而成都地區(qū)只有296kcal 和377mL，盡管兩地室內(nèi)溫濕度相同，但在海拔高度較高的拉薩地區(qū)呼吸道散熱散濕會加重。在3.1 節(jié)中得知海拔1000m 以下的三個平原城市呼吸道熱濕傳遞差異不大，因此本節(jié)選取成都地區(qū)為參考，若使拉薩地區(qū)呼吸道熱濕傳遞量降低至與成都地區(qū)同一水平，應對拉薩地區(qū)室內(nèi)溫濕度適當調(diào)控。

以冬季室內(nèi)溫濕度18℃、45%為例，將以成都地區(qū)在該環(huán)境溫濕度下的熱、濕傳遞值為參考值，在拉薩、成都地區(qū)的鼻腔出口空氣溫濕度相同條件下，通過式（5）～式（9）可以推導出拉薩地區(qū)鼻腔進口空氣的溫濕度，即是拉薩地區(qū)與成都地區(qū)維持相同呼吸道熱濕傳遞的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，經(jīng)計算拉薩室內(nèi)空氣溫度應為17.6℃，相對濕度應為81.2%。如果要使拉薩與成都呼吸道濕傳遞量一致，提高拉薩室內(nèi)溫度同時室內(nèi)相對濕度值相應降低，呼吸道熱傳遞量會減小，在這樣情況下不但有利于呼吸道熱濕平衡還增加了室內(nèi)熱舒適。如表3所示將拉薩室內(nèi)溫度提高為20℃時相對濕度可為69.7%、當溫度提高為22℃時相對濕度為61.6%、當溫度提高為24℃時相對濕度為54.6%。在夏季，成都室溫26℃，相對濕度為60%時拉薩室內(nèi)溫濕度參數(shù)控制見表4。綜上，維持同等呼吸道熱濕傳遞量下拉薩地區(qū)室內(nèi)溫濕度都需要適當提高，與文獻[21]中提到的低壓環(huán)境下人體熱中性溫度值會升高的結論相符。

表3 冬季室內(nèi)18℃、45%RH 下拉薩、成都呼吸道熱濕傳遞量對比Table 3 Comparison of indoor heat and moisture transfer in the respiratory tract at 18℃,45%RH in LaSa and Chengdu in winter

表4 夏季室內(nèi)26℃、60%RH 下拉薩、成都呼吸道熱濕傳遞量對比Table 4 Comparison of indoor heat and moisture transfer in the respiratory tract at 26℃,60%RH in LaSa and Chengdu in summer

4 結論

本研究對人體呼吸道與呼吸氣流的熱濕傳遞過程進行分析，比較吸氣溫度、濕度、海拔高度對人體呼吸道熱濕傳遞的影響規(guī)律，并對比分析了不同海拔地區(qū)呼吸道熱濕傳遞差異。

（1）通過理論分析推導出人體呼吸道熱濕傳遞與吸入空氣溫度、濕度、大氣壓力以及肺通量有關。

（2）人體呼吸道熱濕傳遞隨吸入空氣溫濕度升高而減小，在空氣溫濕度較高情況下，溫度和相對濕度的變化對熱濕傳遞的影響都會增大。海拔越高呼吸道熱濕傳遞量越大，尤其在海拔3000m 以上地區(qū)，熱濕傳遞增加幅度更明顯，由于大氣壓力降低引起的濕傳遞波動比熱損失波動更大。在相同室內(nèi)溫濕度下，拉薩地區(qū)呼吸道24 小時的熱濕傳遞量高出成都地區(qū)約20%～30%。

（3）為了減小拉薩地區(qū)人體呼吸道過量的熱濕傳遞，需要對拉薩室內(nèi)溫濕度參數(shù)進行適當提高，以使得與平原地區(qū)的呼吸道熱濕傳遞量相當。