風(fēng)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(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安 710048；

2.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西西安 710055；

3.西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，陜西西安 710055）

風(fēng)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(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安 710048；

2.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西西安 710055；

3.西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，陜西西安 710055）

針對人體散熱對空調(diào)負荷計算的重要性以及穩(wěn)態(tài)風(fēng)速對人體散熱特性的影響，設(shè)置0.06，0.30和0.70m／s 3種風(fēng)速，在不同的操作溫度（28℃和33℃）下測試并計算分析每種風(fēng)速對人體的顯汗蒸發(fā)、對流散熱、輻射、呼吸、導(dǎo)熱和皮膚散熱的影響.研究結(jié)果表明，在不同操作溫度下，顯汗蒸發(fā)和對流散熱的影響不同；輻射、呼吸、導(dǎo)熱和皮膚擴散隨風(fēng)速的增大幾乎不變.采用最小二乘法將離散的實驗數(shù)據(jù)擬合成光滑的曲線，能確切體現(xiàn)實驗規(guī)律.

人體散熱；風(fēng)速；熱舒適

0 引 言

人體不斷產(chǎn)生熱量，也在不斷向外界環(huán)境散熱.人體必須與周圍環(huán)境處于相對穩(wěn)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(huán)境參數(shù)控制在合適的范圍內(nèi).因此，關(guān)于環(huán)境參數(shù)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(huán)境參數(shù)和失重狀態(tài)對人體散熱量的影響.李緒泉［4］研究了低氣壓環(huán)境下人體散熱特性，并推導(dǎo)出該環(huán)境下人體對流換熱與皮膚蒸發(fā)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(fā)散熱約占25%～30%［5］.在空調(diào)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(fēng)、站立條件下，人體輻射散熱比例為43%，傳導(dǎo)和對流散熱比例為30%，水分蒸發(fā)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(fēng)速下，人體散熱量和散熱比例變化特性，為探究人體在熱環(huán)境中的反應(yīng)提供參考.

1 實 驗

選取西安建筑科技大學(xué)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(fēng)速由空調(diào)（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(guī)律中，來流風(fēng)速是單向的.本次實驗設(shè)計3種迎面風(fēng)速.分別測試人體周圍風(fēng)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(biāo)［8］.為了研究不同溫度下，風(fēng)速對人體各散熱方式的影響，在每一風(fēng)速下，選擇28℃和33℃兩種操作溫度.已有研究表明，當(dāng)環(huán)境溫度變化小于10℃時，人體皮膚溫度和熱感覺會在40min內(nèi)達到穩(wěn)定［9－12］.因此，為了實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)條件，每一工況都控制在40min以上.工況設(shè)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(xí)慣、服裝等因素影響實驗結(jié)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(shù)量男女各8名.

采用自記式溫濕度計RT－72ui測試室內(nèi)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(jù)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(tǒng)計數(shù)據(jù)，P＜0.05.

2 方 法

人體各散熱量和散熱比例計算公式根據(jù)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(qū)域系數(shù)，即著裝有效輻射區(qū)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(fā)射率，取0.97［16］；σ為斯蒂芬－玻爾茲曼常數(shù)，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(shù)（W／（m2·℃）），采用文獻［17］研究結(jié)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(fā)散熱量Esw為

其中：Esw為顯汗蒸發(fā)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(fā)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(huán)境空氣的水蒸汽分壓力（kPa），根據(jù)環(huán)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(dǎo)熱散熱量D為

其中：D為導(dǎo)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(shù)（W／（m2·℃）），取決于材料的厚度和導(dǎo)熱系數(shù).

人體導(dǎo)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(shù)，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(jié)果與討論

人體散熱量和散熱比例與風(fēng)速的關(guān)系及其擬合曲線分別見圖1，2，其中離散點為實驗數(shù)據(jù).為了更確切反映實驗規(guī)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(fēng)速關(guān)系

圖1（a）和（b）分別給出人體輻射、對流和顯汗蒸發(fā)，以及導(dǎo)熱、呼吸和皮膚擴散散熱量與風(fēng)速的關(guān)系.操作溫度為28℃時，隨著風(fēng)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(fā)散熱量降低了25.5W.風(fēng)速為0.06m／s時，輻射散熱量最大，顯汗蒸發(fā)散熱量次之，然后依次是對流、呼吸和擴散，導(dǎo)熱散熱量最小.風(fēng)速為0.30m／s時，對流散熱量大于顯汗蒸發(fā)散熱量，但仍然小于輻射散熱量.風(fēng)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(fā)散熱量降低，小于呼吸散熱量.

操作溫度為33℃時，顯汗蒸發(fā)是人體主要散熱方式.隨著風(fēng)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(fā)散熱量降低了16.4W.風(fēng)速為0.06m／s時，顯汗蒸發(fā)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(dǎo)熱散熱量最小.風(fēng)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(fā)散熱量.

圖1 散熱量與風(fēng)速關(guān)系Fig.1 The relationship between heat dissipation capacity and air speed

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

在相同的風(fēng)速下，隨著操作溫度從28℃升高到33℃，輻射、對流、呼吸、擴散和導(dǎo)熱散熱量減小，而顯汗蒸發(fā)散熱量增加；顯汗蒸發(fā)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(dǎo)熱散熱變化量最小.

關(guān)于風(fēng)速對人體散熱量的影響，劉國丹［18］曾給出在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下人體散熱量隨風(fēng)速變化的實驗數(shù)據(jù).他的實驗數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)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(jié)論與本研究結(jié)果一致.但是他的顯汗蒸發(fā)散熱量隨風(fēng)速增加而增加，與本研究結(jié)論相反.因為當(dāng)人體正在排汗或汗液沒有蒸干的情況下，較大的風(fēng)速能增加人體的顯汗蒸發(fā)散熱量；然而，在汗液蒸干的情況下，加大風(fēng)速不會增加顯汗蒸發(fā)散熱量.

3.2 人體散熱比例與風(fēng)速關(guān)系

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

圖2 散熱比例與風(fēng)速關(guān)系Fig.2The relationship between heat dissipation rate and air speed

操作溫度為33℃時，顯汗蒸發(fā)是人體主要散熱方式.隨著風(fēng)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(fā)散熱比例降低了0.181.風(fēng)速為0.06m／s時，顯汗蒸發(fā)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(dǎo)熱散熱比例最小.風(fēng)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(fā).

在相同的風(fēng)速下，隨著操作溫度從28℃升高到33℃，輻射、對流、呼吸、擴散和導(dǎo)熱的散熱比例減小，而顯汗蒸發(fā)散熱比例增加；顯汗蒸發(fā)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(dǎo)熱散熱比例最小.

人體對流、輻射、顯汗蒸發(fā)、導(dǎo)熱、呼吸以及擴散散熱量和散熱比例是用相同的測試數(shù)據(jù)處理成兩種不同的表現(xiàn)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(diào)負荷計算，散熱比例便于比較各種散熱方式的重要性.

4 結(jié) 論

本文在28℃和33℃2種操作溫度，0.06，0.30和0.70m／s 3種風(fēng)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(fā)隨風(fēng)速變化最大.其余散熱方式隨風(fēng)速變化較小.其中對流散熱隨風(fēng)速升高而升高；顯汗蒸發(fā)隨風(fēng)速的升高而降低.

（2）在同種風(fēng)速不同操作溫度下，溫度升高，顯汗蒸發(fā)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(yīng)減小.

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

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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(xué)基金資助項目（51378411）；西安工程大學(xué)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(xué)講師，研究方向為建筑環(huán)境與節(jié)能.E－mail：wanglijuan＠xpu.com.cn