夏季常規(guī)溫度對人體局部散熱熱流及溫度的影響

田宇飛,狄育慧,王麗娟

(西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

在炎熱的夏季,衣服的厚薄、材料，環(huán)境的溫度等都會對人體的熱舒適情況產(chǎn)生較大的影響．文獻(xiàn)[1]指出人體的頭部區(qū)域局部熱舒適程度取決于人體局部皮膚的溫度和熱損失．余娟[2-3]指出當(dāng)人處于室內(nèi)時,室內(nèi)熱經(jīng)歷比室外熱經(jīng)歷影響更顯著,且皮膚溫度、出汗率、心率變異率和熱應(yīng)激蛋白可以作為室內(nèi)偏熱環(huán)境時的生理測試指標(biāo).田國華等[4]研究表明皮膚溫度和皮膚熱流可以作為檢驗(yàn)?zāi)秃c不耐寒體質(zhì)的敏感生理參數(shù),熱感覺和熱舒適主觀評價可以作為檢驗(yàn)?zāi)秃头悄秃w質(zhì)的心理指標(biāo)．劉蔚巍[5]團(tuán)隊(duì)的研究表明體溫調(diào)節(jié)活動引起的生理參數(shù)變化可以反映人體的熱舒適程度,平均皮膚溫度可以做為一個有效的客觀指標(biāo)來評價人體熱舒適程度．王麗娟等[6]研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)速對人體散熱特性的影響會隨著環(huán)境的溫度變化而變化,研究風(fēng)速對人體散熱時需要具體說明環(huán)境溫度．以上研究是關(guān)于人體熱舒適,但是對于人體局部的熱舒適相關(guān)研究則相對較少．也有研究表明,人體皮膚溫度[7-8]和人體皮膚熱流是與人體熱舒適相關(guān)的生理參數(shù)．故本文結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)論,及生理測試與問卷調(diào)查,選擇皮膚溫度與皮膚熱流為生理參數(shù)指標(biāo)，研究夏季環(huán)境溫度下，人體皮膚溫度和散熱情況.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

因?yàn)橹评湓O(shè)備對于熱體舒適度也有所影響[9],因此本實(shí)驗(yàn)以西安工程大學(xué)焓差實(shí)驗(yàn)室作為室內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)境,實(shí)驗(yàn)室分為控制室和人工氣候室,機(jī)組能夠精確地控制干球溫度、相對濕度以及風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)．其中,干球溫度的控制范圍為0～40 ℃,精度為±0.3 ℃;相對濕度控制范圍為15%～85%,精度為±4%; 風(fēng)速控制范圍為0.1 m·s-1～2 m·s-1,精度為0.3 m·s-1．受試者為在校身體健康的本科生或研究生，共計(jì)12人,其中男女各6人，其信息如表1所示．

表 1 受試者基本信息

為了盡可能提高受試者的局部測試準(zhǔn)確性,本實(shí)驗(yàn)對于受試者服裝要求:棉質(zhì)短袖T恤,棉質(zhì)短褲和涼拖鞋,整套服裝熱阻值約為0.5 clo[10];根據(jù) ASHARE55—2013舒適區(qū)指標(biāo)以及我國 熱舒適標(biāo)準(zhǔn)[11]，選取夏季溫度指標(biāo)為25 ℃,27 ℃,29 ℃,31 ℃,相對濕度為50%～60%,實(shí)驗(yàn)由低溫向高溫進(jìn)行控制,受試者保持靜坐姿勢．待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,記錄環(huán)境參數(shù)、生理參數(shù)．同時進(jìn)行相關(guān)的問卷調(diào)查．

圖 1 選取點(diǎn)Fig.1 Selected point

1.2測試方法

人工氣候室內(nèi)空氣溫度、黑球溫度、相對濕度和風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)采用了上海精密儀器儀表有限公司的熱舒適儀(型號: M16401pmv) 進(jìn)行監(jiān)測．該儀器的空氣溫度的控制范圍為-20 ℃～60 ℃,精度為±0.2 ℃; 黑球溫度的控制范圍為-20 ℃～60 ℃,精度為±0.1 ℃; 相對濕度的控制范圍為0～100%,精度為±3%; 風(fēng)速的控制范圍為0.05 m·s-1～9.99 m·s-1,精度為±0.05 m·s-1．在進(jìn)行測試時,熱舒適儀放置于受試者附近約60 cm,儀器每2 min記錄1次數(shù)據(jù)．皮膚溫度和皮膚熱流則采用日本精度電子(KEM)生產(chǎn)的多通道熱流計(jì)(型號:HFM-215N) 和KM1低熱流感探頭進(jìn)行測試．其中,熱流計(jì)溫度控制范圍為-40 ℃～75 ℃,精度為0.1 ℃; 熱流控制范圍為-100 W·m-2～100 W·m-2,精度為0.1 W·m-2．

選取如圖1所示人體胸部、 上臂、 腹部、 大腿、 小腿、 背部、 腰部7個常被衣物所覆蓋的部位作為局部皮膚溫度和熱流的測點(diǎn). 用醫(yī)用透氣膠帶將儀器探頭固定于皮膚上．熱流計(jì)每2 min記錄1次皮膚溫度和熱流．

人體主觀感受采用了熱感覺以及熱舒適的問卷調(diào)查,熱感覺采用了ASHRAE的7個級別標(biāo)度[12],即熱、暖、微暖、適中、微涼、涼、冷；熱舒適采用了5個標(biāo)度,即不可忍受、很不舒服、不舒服、稍不舒服、舒適.受試者每10 min填寫一次問卷,精度0.1,每個溫度環(huán)境完成5次填寫．

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境溫度對皮膚的影響

男性受試者平均皮膚溫度和女性受試者平均皮膚溫度分別如圖2，3所示.可以看出，在任意的溫度下,男性受試者整體的平均溫度及女性受試者平均溫度均處于遞增狀態(tài),與文獻(xiàn)[2]研究結(jié)果相似．在對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果及調(diào)查問卷結(jié)果后發(fā)現(xiàn),人體皮膚溫度的變化情況及問卷結(jié)果與文獻(xiàn)[13]的結(jié)論相同．即人體活動量較小時,人體的皮膚溫度與熱感覺結(jié)果出現(xiàn)了一定的偏離．從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上看，在不同工況溫度下,在男性受試者身體局部各個測試部位中平均溫度影響最大的部位為小腿>大腿>上臂>背部>腹部>胸部>腰部．而女性受試者下半身變化最大的是小腿,平均溫度差2.9 ℃,上半身平均溫差最大的是腰部,平均溫度差為2.7 ℃．與男性受試者身體相關(guān)部位有較大差異,這應(yīng)與性別[14]及人體熱平衡[15]有關(guān)．在對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)方差分析后發(fā)現(xiàn),因素(溫度)對于實(shí)驗(yàn)指標(biāo)(平均皮膚溫度)有顯著影響．

圖 2 男性受試者平均皮膚溫度 圖 3 女性受試者平均皮膚溫度 Fig.2 Average skin temperature in male subjects Fig.3 Average skin temperature in female subjects

2.2 環(huán)境溫度對皮膚熱流的影響

男性受試者與女性受試者平均皮膚熱流分別如圖4,5所示.可以看出,在任意的溫度下,男性受試者平均皮膚熱流處于遞減狀態(tài).在不同工況溫度下,男性受試者身體各個部位的影響順序?yàn)樾⊥?背部>上臂>大腿>腰部>胸部>腹部．女性受試者平均皮膚熱流變化同男性受試者趨勢相同,但其上半身平均熱流差最大的是背部,與男性受試者不同.從而可知皮膚熱流與皮膚溫度處于不同趨勢,在測試的溫度范圍內(nèi)平均皮膚溫度越高,平均皮膚熱流越低．比較認(rèn)為應(yīng)該與所穿衣物材質(zhì)造成的熱量散失[16]有關(guān),在對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)方差分析后得知,因素(溫度)同樣對于實(shí)驗(yàn)指標(biāo)(平均皮膚熱流)具有顯著影響．

圖 4 男性受試者平均皮膚熱流 圖 5 女性受試者平均皮膚熱流 Fig.4 Average skin heat flux in male subjects Fig.5 Average skin heat flux in female subjects

3 結(jié) 論

(1) 在夏季常規(guī)溫度范圍下,男性受試者與女性受試者皮膚平均溫度均處于遞增狀態(tài),受到性別、體質(zhì)以及人體熱平衡影響,男女雙方除小腿外的部位有所差異．男性受試者與女性受試者身體部位的平均皮膚熱流均呈現(xiàn)遞減狀態(tài),這應(yīng)與衣物材質(zhì)所造成的不同熱量散失有關(guān),其他原因則有待于進(jìn)一步研究．

(2) 在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下人體局部平均皮膚溫度上升時,平均皮膚熱流下降,其原因與人體自身溫度調(diào)節(jié)機(jī)制及周圍環(huán)境溫度有關(guān)．同時,在實(shí)驗(yàn)工況下,人的主觀因素及體質(zhì)等對于實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果有所影響,因素(溫度)對于兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)均有顯著影響．至于更高溫度、濕度等環(huán)境下的變化規(guī)律是否與此相同則有待于進(jìn)一步驗(yàn)證．