不同環(huán)境下個體通風(fēng)服的制冷量

吳國珊，劉何清，吳世先，游 波，宋小鵬

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院 能源與建筑環(huán)境學(xué)院，廣西 桂林 541004)

當(dāng)長時間處于高溫環(huán)境時，人體持續(xù)承受著過度的熱負(fù)荷，容易導(dǎo)致頭痛、惡心甚至中暑等熱病癥[1]。此時，人體僅靠自身生理調(diào)節(jié)無法維持相對穩(wěn)定體溫和高效工作，必須采取行為性調(diào)節(jié)手段，如通風(fēng)空調(diào)、穿著冷卻服等。

冷卻服是高溫環(huán)境中有效的個體降溫措施，已被證明是最有前景的技術(shù)之一[2]。目前應(yīng)用較多的主要有液體冷卻服[2-3]、氣體冷卻服[4-5]、相變冷卻服[6-7]和混合冷卻服[8-9]。氣體冷卻服是利用有壓氣源或風(fēng)機(jī)等驅(qū)動裝置給服裝供給空氣，通過改善衣內(nèi)環(huán)境來強(qiáng)化人體散熱，從而實現(xiàn)對人體降溫[10]。與其他類型的冷卻服相比，氣冷服質(zhì)量較輕，人體負(fù)重小。通風(fēng)服屬于氣冷服的一種，它主要通過強(qiáng)化對流和汗液蒸發(fā)2種方式提高人體散熱[11]。在生產(chǎn)生活中，采用微型風(fēng)扇通風(fēng)散熱的個體通風(fēng)服近年得到了發(fā)展[12]。一些學(xué)者通過暖體假人實驗、人體著裝實驗和數(shù)值模擬等方法對通風(fēng)服進(jìn)行了研究[13]。然而，在非常炎熱的環(huán)境中，風(fēng)扇驅(qū)動的氣流對人體的冷卻效果逐漸接近極限[14]。當(dāng)環(huán)境濕度較高時，外界空氣與衣內(nèi)空氣的濕度差很小，環(huán)境通風(fēng)服對人體散熱的輔助作用下降。Xu等[15]的研究表明，環(huán)境空氣溫度越高，相對濕度越大，通風(fēng)服的降溫能力越小。在這種情況下，人體表面汗液蒸發(fā)受到抑制，皮膚表面與空氣熱量傳遞方向也可能改變，通風(fēng)服的制冷量可能變?yōu)樨?fù)值。此時，通風(fēng)服不但不能給人體散熱降溫，反而會將外部熱量傳遞給人體；而用干燥的空氣進(jìn)行衣內(nèi)通風(fēng)，可提高重度勞動人體的蒸發(fā)散熱效果[16]。因此，通風(fēng)服的使用具有一定的局限性。然而，在不同熱環(huán)境、不同新陳代謝率時，通風(fēng)服制冷量及影響因素還不明確。本文通過理論計算，得到了在2種不同新陳代謝率下通風(fēng)服制冷量，分析了環(huán)境溫度、濕度、通氣量對制冷量的影響。

1 通風(fēng)服制冷量的計算方法

環(huán)境通風(fēng)服通常由空氣分配服裝和通風(fēng)裝置組成。通風(fēng)裝置使外部環(huán)境的空氣進(jìn)入衣內(nèi)空間，經(jīng)過分配裝置流向人體皮膚表面。當(dāng)外部空氣的溫度低于皮膚溫度時，氣流將增強(qiáng)人體皮膚表面的對流散熱。當(dāng)氣流的相對濕度低于皮膚表面相對濕度時，氣流將增強(qiáng)皮膚表面的蒸發(fā)散熱，從而使人體皮膚溫度下降，甚至使得核心溫度下降，或體內(nèi)蓄熱量降低。為方便研究，將衣內(nèi)空間看成為一個開口的熱力系統(tǒng)。對于大多數(shù)服裝來說，布料的導(dǎo)熱系數(shù)比較小，在此認(rèn)為通過服裝布料為絕熱，同時忽略通過服裝材料向外部環(huán)境滲透的氣體。將衣內(nèi)空間的氣流作為研究對象，通風(fēng)服可簡化成圖1所示模型。環(huán)境空氣進(jìn)入衣內(nèi)空間與皮膚表面進(jìn)行熱質(zhì)交換，即氣流吸收或放出熱量，同時皮膚表面蒸發(fā)的汗液變成水蒸氣與氣流混合，隨后從服裝出口流出。氣流在通風(fēng)服內(nèi)相當(dāng)于是被加熱(或被冷卻)及得濕(或去濕)的過程。

圖1 個體通風(fēng)服降溫原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of personal ventilation system

根據(jù)Xu等[15]建立的模型，通風(fēng)服的制冷量可用下式計算：

Q=Q2-Q1

(1)

式中：Q包含了氣流在通風(fēng)服中的對流換熱引起的顯熱變化量和皮膚表面汗液蒸發(fā)引起的潛熱變化量2個部分，kW；Q2表示出口氣流的熱量，kW；Q1表示通風(fēng)服入口氣流的熱量，kW。通風(fēng)服出口、入口空氣的熱量[16]可分別用它們的焓值進(jìn)行計算。

Q1=m1h1

(2)

Q2=m2h2

(3)

式中：m1、m2分別表示入口和出口處空氣的質(zhì)量流量，kg/s，在此認(rèn)為進(jìn)出口氣流流量相等；h1、h2分別表示入口和出口處氣流的焓，kJ/kg。空氣的質(zhì)量流量可用下式計算：

m=ρL

(4)

式中：ρ為空氣密度，取1.12 kg/m3；L為空氣體積流量，m3/s。

送入通風(fēng)服的氣流，主要包括干空氣和水蒸氣2部分。進(jìn)出口氣流的焓值均可用如下方法[16]進(jìn)行計算：

h=1.006ta+d(2501.4+1.86ta)

(5)

式中：ta為空氣的溫度，℃；d為空氣的濕度，%。

空氣的含濕量可用以下方法[16]計算：

(6)

式中：Pa為空氣壓力，Pa；Ps為空氣的飽和壓力，Pa；φ為空氣的相對濕度，%。

空氣的飽和蒸汽壓力可用下式[16]計算：

(7)

當(dāng)通風(fēng)服的出口氣流溫度等于人體皮膚表面溫度且達(dá)到飽和狀態(tài)時，通風(fēng)服的制冷量將達(dá)到最大值Qmax。此時，出口氣流焓值應(yīng)根據(jù)皮膚溫度及其對應(yīng)的飽和蒸汽壓力來計算。

人體皮膚表面溫度可根據(jù)人體的新陳代謝率、環(huán)境溫度、相對濕度、氣壓等計算得到[17]，具體如下：

tsk=12.17+0.020ta+0.044tr-0.253va+

0.194Pa+0.005 346M+0.005 512 74tre

(8)

式中：tsk為皮膚表面溫度，℃；tr為輻射溫度，℃，在此認(rèn)為等于ta；va為環(huán)境風(fēng)速，m/s；Pa為水蒸汽分壓力，Pa；tre為人體的直腸溫度，在此認(rèn)為tre等于人體核心溫度tcr；M為人體的新陳代謝率，W/m2。根據(jù)ISO 7933—2004《熱環(huán)境的人類工效學(xué)·通過計算預(yù)測的熱應(yīng)變對熱應(yīng)力分析測定和說明》中對于中等強(qiáng)度勞動和重度勞動的劃分，在計算中M分別取145和210 W/m2。

人體的核心溫度可用下式[18]計算：

tcr=36.8+0.003 6(M-55)

(9)

因此，皮膚溫度計算式可以變?yōu)?/p>

(10)

通風(fēng)服的最大制冷量為

Qmax=Q2-Q1=Qsk,s-Q1

(11)

式中，Qsk,s為出口氣流溫度等于皮膚表面溫度、濕度達(dá)到飽和時的熱量。

Qmax=m1(hsk,s-h1)

(12)

式中，hsk,s為出口氣流溫度等于皮膚表面溫度、濕度達(dá)到飽和時的焓。

實際上在使用通風(fēng)服時，氣流進(jìn)入和流出服裝的時間間隔很小，其與皮膚表面的熱濕交換過程倉促，在流出通風(fēng)服時是很難達(dá)到皮膚溫度下的飽和狀態(tài)的，即通風(fēng)服對人體的冷卻過程實際效率小于1，因此，在本文計算中，通風(fēng)服的實際制冷量[15]為

Q=ηQmax

(13)

式中，η為通風(fēng)服的實際冷卻效率。

通風(fēng)服的實際制冷量計算式可為

(14)

根據(jù)Xu等[15]利用暖體假人的通風(fēng)服實驗研究，當(dāng)皮膚溫度為35 ℃且布滿汗液時，環(huán)境溫度為25～40 ℃，濕度為25%～75%，通風(fēng)量為4.7 L/s 時，通風(fēng)服的實際冷卻效率η在0.27～0.34之間。本文計算中，通風(fēng)服的實際冷卻效率取0.3。

由此可見，通風(fēng)服制冷量不僅與環(huán)境參數(shù)有關(guān)，還與人體新陳代謝率、通氣量和冷卻效率有關(guān)。聯(lián)合式(8)、(9)和(14)可計算不同環(huán)境溫度、濕度，不同新陳代謝率和空氣流量時通風(fēng)服的實際制冷量。

2 不同環(huán)境條件下制冷量的變化情況

基于Xu和Gonzalez建立的通風(fēng)服制冷量計算模型，結(jié)合人體皮膚溫度與新陳代謝率、直腸溫度以及環(huán)境參數(shù)之間的關(guān)系，計算了在不同溫度濕度環(huán)境、不同通氣量、不同新陳代謝率時通風(fēng)服的制冷量。圖2～3分別示出環(huán)境溫度為30～40 ℃、相對濕度為0～100%、新陳代謝率分別為145、210 W/m2時的通風(fēng)服制冷量。圖中標(biāo)注的點如A(0.8,34.8)，0.8為橫坐標(biāo)，對應(yīng)的濕度為80%，34.8為縱坐標(biāo)，對應(yīng)溫度為34.8 ℃。

圖2 新陳代謝率為145 W/m2時通風(fēng)服制冷量隨環(huán)境溫度、濕度變化情況Fig.2 Cooling capacity changes of PVS in different ambient temperature and humidity when body′s metabolic rate was 145 W/m2

2.1 制冷量隨環(huán)境溫度變化情況

從圖2和圖3可看出，在絕大部分濕度范圍內(nèi)，當(dāng)濕度一定時，通風(fēng)服的制冷量隨著溫度的升高而變小。例如，在新陳代謝率為145 W/m2，通氣量為20 m3/h時，當(dāng)相對濕度維持80%不變，環(huán)境溫度從34.8 ℃升高到39.6 ℃時，如圖2(b)中所示的A點變?yōu)锽點，制冷量從40.0 W減小為0 W。當(dāng)環(huán)境溫度超過39.6 ℃(圖中B點)時制冷量變?yōu)樨?fù)值。這是因為環(huán)境溫度的升高使得通風(fēng)服入口的空氣焓值增大了，而出口空氣焓值主要受到皮膚溫度的影響，在此情況下變化很小。根據(jù)式(1)～(3)可知，隨著環(huán)境溫度的升高，通風(fēng)服制冷量下降了。在相對濕度很小，空氣接近于絕對干燥時，環(huán)境溫度升高時通風(fēng)服的制冷量變化非常小。

圖3 新陳代謝率為210 W/m2時通風(fēng)服制冷量隨環(huán)境溫度、濕度變化情況Fig.3 Cooling capacity changes of PVS in different ambient temperature and humidity when the body′s metabolic rate was 210 W/m2

2.2 制冷量隨環(huán)境濕度變化情況

在一定的新陳代謝率和通氣量下，環(huán)境溫度保持不變時，通風(fēng)服的制冷量隨濕度的增大而下降。例如，新陳代謝率為145 W/m2、通氣量為20 m3/h時，在環(huán)境溫度為34.8 ℃，濕度從34%增加為80%時，如圖2(b)中所示的C點變?yōu)锳點，通風(fēng)服的制冷量從120 W下降為40 W。這是因為環(huán)境濕度的升高使得通風(fēng)服入口的空氣焓值增大了，而出口空氣焓主要受到皮膚溫度的影響，在此時變化很小。對比不同環(huán)境溫度的情況可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度越高，制冷量隨濕度增大而下降的幅度越大。

2.3 不同新陳代謝率時的制冷量

在環(huán)境溫度、濕度和通氣量一定時，人體新陳代謝率越高，通風(fēng)服的制冷量越大。例如，在環(huán)境溫度為34.8 ℃、環(huán)境濕度為80%、通氣量為20 m3/h時，當(dāng)新陳代謝率從145 W/m2增大到210 W/m2，如圖2(b)中所示的A點變?yōu)閳D3(b)中所示的E點，通風(fēng)服的制冷量從40 W增加到46.9 W。這是因為新陳代謝率的增加使得皮膚溫度略有升高，使出口空氣焓值增大了，而環(huán)境溫度和濕度不變則意味著入口空氣焓不變；因此通風(fēng)服制冷量增加了。

2.4 通氣量對制冷量的影響

從計算模型可知，通氣量對制冷量的正負(fù)沒有影響，只影響制冷量的絕對值。由圖2～3可知，在一定的新陳代謝率和環(huán)境條件下，隨通氣量增加，制冷量的絕對值逐漸增大。例如新陳代謝率為145 W/m2、環(huán)境溫度為34.8 ℃、相對濕度為80%時，通氣量從20 m3/h增大到40 m3/h時，如圖2(b)中所示的A點變?yōu)閳D2(b)中所示的D點，制冷量從40 W增大至80 W。對比圖2(a)～(d)，盡管通氣量不一樣，但使制冷量為0環(huán)境溫度和濕度是相同的。在新陳代謝率為145 W/m2的情況下，當(dāng)環(huán)境濕度小于78.2%時，只要溫度小于40 ℃，如圖2(a)中所示過F點的等濕線的左側(cè)范圍，通風(fēng)服的制冷量都大于0 W；當(dāng)環(huán)境溫度小于35.2 ℃時，無論濕度怎么變化，如圖2(a)中所示過G點的等溫線的下側(cè)范圍，通風(fēng)服制冷量都大于0。環(huán)境溫度處于35.2～40 ℃的范圍內(nèi)，如果環(huán)境狀態(tài)點處于圖2中Q=0曲線的左下方，則通風(fēng)服的制冷量仍然是大于0 W的。從圖3中可發(fā)現(xiàn)類似的情況。由此可知，在新陳代謝率一定時，使通風(fēng)服制冷量為0 W的環(huán)境溫度、濕度參數(shù)是一定的，不受通氣量變化的影響。

2.5 冷卻效率的取值及其對制冷量的影響

關(guān)于通風(fēng)服的冷卻效率，也有一些研究人員測得不同的數(shù)值。如安瑞平[18]用暖體假人測量了自行設(shè)計的通風(fēng)服。在環(huán)境溫度為30 ℃，濕度分別為40%、50%、60%的環(huán)境下，在通風(fēng)量為5～9 L/s時測得通風(fēng)服的冷卻效率在0.09～0.12之間。但是該人實驗中所用通風(fēng)服的氣流是非均勻分布，這與本文的研究不一樣。Xu等[15]的通風(fēng)服實驗研究中，環(huán)境溫度為25～40 ℃，濕度為25%～75%，通風(fēng)量為4.7 L/s，當(dāng)暖體假人皮膚溫度為35 ℃且布滿汗液時，通風(fēng)服的實際冷卻效率在0.27～0.34之間。該實驗選用常規(guī)的通風(fēng)服和實驗條件，與本文比較接近，因此計算中通風(fēng)服實際冷卻效率參考文獻(xiàn)[15] 實驗結(jié)果，取0.3。在實際的生活和勞動中，不管人體新陳代謝率多大，人體皮膚濕潤度很少超過0.8，持續(xù)活動時皮膚濕潤度的實際上限被認(rèn)為是0.5。而Xu等的實驗是在暖體假人皮膚表面布滿汗液的情況下得到的，因此本文參考該實驗而確定的通風(fēng)服冷卻效率可能比實際情況偏大，計算得到制冷量應(yīng)該比實際制冷量大一些，但從計算模型可以看出，冷卻效率η對制冷量的正負(fù)并沒有產(chǎn)生影響，當(dāng)通風(fēng)服制冷量Q為0 W時的環(huán)境溫、濕度參數(shù)與實際情況是一致的。

3 結(jié) 論

本文計算了通風(fēng)服在不同環(huán)境溫濕度、通風(fēng)量和2種新陳代謝率(145和210 W/m2)時的制冷量，繪制了不同環(huán)境條件下通風(fēng)服制冷量的等值線圖，并對制冷量的變化情況進(jìn)行了分析，結(jié)論如下。

環(huán)境溫度越高，相對濕度越大，通風(fēng)服的制冷量越小。在高溫高濕環(huán)境下，制冷量可能會變成0 W甚至為負(fù)值。通氣量只影響著通風(fēng)服制冷量的絕對值，對其正負(fù)沒有影響。制冷量隨著人體的新陳代謝率的增加而有所提高。

當(dāng)人體新陳代謝率為145 W/m2時，若環(huán)境溫度小于35.2 ℃，無論環(huán)境濕度怎么變化，通風(fēng)服的制冷量都大于0 W。當(dāng)新陳代謝率為210 W/m2時，環(huán)境溫度小于35.8 ℃，即使空氣濕度達(dá)到飽和，通風(fēng)服的制冷量仍大于0 W。

在使用通風(fēng)服過程中，由于人體散熱得到增強(qiáng)，隨著時間推移人體皮膚表面的濕潤度將下降，皮膚溫度也可能降低。這將導(dǎo)致通風(fēng)服微環(huán)境中人體的蒸發(fā)散熱和對流散熱減小，通風(fēng)服制冷量下降。研究中皮膚溫度是根據(jù)穿通風(fēng)服時人體初始狀態(tài)計算得到的。因此，文中的計算結(jié)果可能比實際穿著通風(fēng)服時的制冷量大一些，文中數(shù)值應(yīng)看作為通風(fēng)服制冷量的上限值。通風(fēng)服制冷量隨時間的動態(tài)變化情況是將來需要重點研究的一個方向。