改善室外高溫環(huán)境作業(yè)人員熱舒適的實驗研究

趙敬德 張春紅

1 東華大學環(huán)境科學與工程學院

2 東華大學暖通空調研究所

近年來，眾多城市和地區(qū)夏季頻繁的出現熱島效應、極端高溫等天氣事件，作業(yè)人員在高溫環(huán)境下的邏輯思維，刺激反應及識別判斷能力會顯著降低，嚴重時會引發(fā)安全事故[1]。夏季高溫日曬環(huán)境下如何改善人體熱舒適的研究成為了目前探討的重要方向。本文將采用現場真人實驗的方式，將降溫處理后的空氣沿服裝內部通風管路送入衣下微環(huán)境，并獲得人體平均皮膚溫度的變化以及主觀熱感覺、熱舒適投票，從而對不同通風溫度進行研究以獲得最佳的通風量及通風溫濕度。研究結果將為室外高溫日曬環(huán)境中通風服裝的發(fā)展以及室外作業(yè)人員的安全防護問題提供重要的理論指導意義。

1 實驗情況及過程

1.1 實驗基本情況

本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(qū)域空曠無遮擋。本實驗將采用恒溫水浴及換熱器對室外空氣進行降溫處理。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 為受試者的年齡、身高、體重等基本信息。

表1 人員基本信息表

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 至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 m/s 到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1015 W/m2，最低為602 W/m2，平均輻射強度為808.8 W/m2。

1.2 實驗過程

實驗將在濕黑球溫度（WBGT）[2]為36～39℃下且定風量的三種通風溫度下進行，分別是對普通純棉短袖工裝以5L/S 鼓入26℃、28℃、30℃的冷風，相對濕度均為40%±5 %，本文針對人體上半部分出汗集中部位進行通風管路的優(yōu)化設計，例如前胸、后背、腋下等，純棉短袖內側縫有固定條，用于固定衣服內表面通風管道，通風背心如圖1 所示。首先，穿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 分鐘。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1 秒鐘記錄一次，在同樣條件下進行通風實驗，分別將室外空氣處理到26℃、28℃、30℃后鼓入衣下空間，每5 分鐘進行一次主觀熱舒適、熱感覺投票，實驗過程中所使用的部分儀器型號及精度見表2。

圖1 通風背心內部示意圖

表2 實驗儀器型號及精度

2 實驗結果分析

2.1 通風對平均皮膚溫度的影響

平均皮膚溫度[3-4]是通過測試人體胸部、上臂、大腿及小腿的皮膚溫度，按照權重系數0.3、0.3、0.2、0.2 進行加權平均得出[5]。由圖2 可以得出，在未通風時，當進入室外高溫環(huán)境后，人體平均皮膚溫度會逐漸上升，由于人體自身的調節(jié)作用，在10 分鐘左右逐漸恢復到初始狀態(tài)，本實驗將重點研究實驗開始15 分鐘內各實驗參數的變化情況。在通風的狀態(tài)下，在12 分鐘左右人體平均皮膚溫度達到較為穩(wěn)定狀態(tài)，相較于未通風情況，通28℃風后人體皮膚溫度要明顯降低，15 分鐘約降低0.7℃。

圖2 兩種情況下的平均皮膚溫度變化情況

2.2 通風溫度對人體熱舒適性的影響

熱舒適（TCV）[6-7]被定義為人體對熱環(huán)境表示滿意的意識狀態(tài)，本文將采用ASHRAE 五級分度指標，范圍從0（中性）、1（稍不舒適）、2（不舒適）、3（很不舒適）到4（不可忍受）。從圖3 中可以看出，W BGT 在36～39℃的相同狀態(tài)下，衣下通風要比未通風時人體熱舒適投票要低。其中，未通風時，人體熱舒適投票（TCV）會隨著暴露時間的增加而越不舒適，在實驗期間的熱舒適投票基本在2～3 之間（即“熱”與“很熱”之間），通風可以有效提高人體舒適度，降低TCV 投票值。通過圖（a）、（b）、（c）之間的對比分析可以得出，衣下通30℃ 風的人體熱舒適較差，熱舒適投票均大于1，通28℃ 的風時人體熱舒適最佳，趨近于舒適狀態(tài)。主要原因是通30℃風時受試者大多反映風溫較高，皮膚濕潤度變化不大，依舊處于稍不舒適與不舒適的狀態(tài)，通26℃風時受試者普遍反映風溫較低，人體冷感覺明顯，同樣是一種稍不舒適的狀態(tài)。通過實驗表明，衣下送風28℃的情況人體衣下微環(huán)境的舒適度最高，人體主觀熱舒適投票最佳。

圖3 不同通風溫度下的熱舒適投票對比

2.3 通風溫度對人體主觀熱感覺的影響

熱感覺（TSV）是人對周圍環(huán)境是“冷”還是“熱”的主觀描述，熱感覺不僅是由冷熱刺激的存在所造成的，還與刺激的延續(xù)時間以及人體的熱狀態(tài)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）。在圖4 中，未通風時人體主觀熱感覺投票在實驗過程中逐漸增加，從“有點熱”向“熱”發(fā)展。當通風溫度為26℃時，受試者的主觀熱感覺投票為負值，均處于偏冷的狀態(tài)，通風溫度為30℃時TSV 依舊是處于有點熱（1 到2）的狀態(tài)，通28℃風的熱感覺投票較好，趨近于中性。因此，從圖4 中可以得知通風可以有效改善人體主觀熱感覺，且相較于26、30℃通風溫度，通風溫度28℃時人體主觀熱感覺最佳。

圖4 不同通風溫度下熱感覺投票對比

3 結論

本文針對人體上半部分出汗集中部位進行通風管路的優(yōu)化設計，將室外空氣進行處理后沿服裝內部通風管路通入衣下空間。并進行了衣下通風的現場真人實驗研究，探究了在不通風與通風兩種狀態(tài)下平均皮膚溫度的變化，得到了通風服裝對衣下空間微環(huán)境及人體主觀熱舒適、熱感覺改善情況，主要結論如下：

1）在未通風時，受試志愿者進入室外高溫環(huán)境后，人體平均皮膚溫度會逐漸上升，由于人體自身的調節(jié)作用，在10 分鐘左右逐漸恢復到初始狀態(tài)，但在通風的狀態(tài)下，實驗開始后12 分鐘左右人體平均皮膚溫度達到較為穩(wěn)定狀態(tài)，相較于未通風人體皮膚溫度要明顯降低。

2）室外30℃及以上溫度送風對于熱感覺的改善效果不明顯。當通風溫度為26℃時人體冷感覺明顯，通風溫度28℃時的人體主觀熱感覺更趨于中性。

3）在采用不同溫度的通風服裝后人體主觀熱舒適得到不同程度的改善，而且經真人實驗得出以5L/s 的28℃空氣通入衣下人體熱舒適效果最好。衣下空間通入處理后冷空氣的方法提高了室外高溫環(huán)境下人員熱應力，為室外高溫日曬環(huán)境下作業(yè)人員安全防護方式的選擇提供參考。