风速对人体散热特性影响的实验研究

王丽娟，刘艳峰，刘加平

（1.西安工程大学环境与化学工程学院，陕西西安 710048；

2.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安 710055；

3.西安建筑科技大学建筑学院，陕西西安 710055）

风速对人体散热特性影响的实验研究

王丽娟1，刘艳峰2，刘加平3

（1.西安工程大学环境与化学工程学院，陕西西安 710048；

2.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安 710055；

3.西安建筑科技大学建筑学院，陕西西安 710055）

针对人体散热对空调负荷计算的重要性以及稳态风速对人体散热特性的影响，设置0.06，0.30和0.70m／s 3种风速，在不同的操作温度（28℃和33℃）下测试并计算分析每种风速对人体的显汗蒸发、对流散热、辐射、呼吸、导热和皮肤散热的影响.研究结果表明，在不同操作温度下，显汗蒸发和对流散热的影响不同；辐射、呼吸、导热和皮肤扩散随风速的增大几乎不变.采用最小二乘法将离散的实验数据拟合成光滑的曲线，能确切体现实验规律.

人体散热；风速；热舒适

0 引 言

人体不断产生热量，也在不断向外界环境散热.人体必须与周围环境处于相对稳定的热平衡，才能从事各种正常生理活动.为了维持这种热平衡，需要将热环境参数控制在合适的范围内.因此，关于环境参数对人体散热影响的研究较多.文献［1－3］以航天员为研究对象，分别研究环境参数和失重状态对人体散热量的影响.李绪泉［4］研究了低气压环境下人体散热特性，并推导出该环境下人体对流换热与皮肤蒸发换热的方程式.在正常情况下，人体对流换热占总散热量的25%～30%，辐射散热约占45%～50%，呼吸和无感觉蒸发散热约占25%～30%［5］.在空调负荷计算中，人体辐射、对流和潜热散热比例分别取40%，20%和40%［6］.史晓昆［7］对服装的仿真研究表明，成人在中等温度、无风、站立条件下，人体辐射散热比例为43%，传导和对流散热比例为30%，水分蒸发散热比例为21%，呼吸散热比例占3%，排泄占1%，其他散热比例占2%.本文研究不同风速下，人体散热量和散热比例变化特性，为探究人体在热环境中的反应提供参考.

1 实 验

选取西安建筑科技大学绿色建筑研究中心为实验室.平面尺寸为4.2m×2.6m，高度为3.3m.空气温度、风速由空调（型号为KFR－26GW（26556）FNDc－3）控制.壁面温度由电热膜（型号为US65P250M220V）控制.

在自然规律中，来流风速是单向的.本次实验设计3种迎面风速.分别测试人体周围风速，对其取平均值得到0.06，0.30和0.70m／s 3种工况.在整个实验过程中，辐射温度与空气温度相差不大，且不随时间变化，相对湿度约为38%，人体静坐.操作温度是反映空气温度和辐射温度的综合指标［8］.为了研究不同温度下，风速对人体各散热方式的影响，在每一风速下，选择28℃和33℃两种操作温度.已有研究表明，当环境温度变化小于10℃时，人体皮肤温度和热感觉会在40min内达到稳定［9－12］.因此，为了实现稳态条件，每一工况都控制在40min以上.工况设置见表1.

表1 实验工况Table 1 Experimental case

为了避免人的形体、年龄、生活习惯、服装等因素影响实验结果，选择受试者条件如下：（1）男女年龄22～25岁，身体健康，不抽烟.（2）男身高170～178cm，体重55～75kg；女身高160～168cm，体重45～60kg.（3）男女服装均为0.52clo.样本数量男女各8名.

采用自记式温湿度计RT－72ui测试室内温度和湿度，采用热流巡回检测仪HS－100测试辐射温度，采用热成像仪TH9100MV／WV测试人体服装表面温度，采用Pt1000热电偶，依据人体不同部位，在表皮选取32个测点进行皮肤温度测试［13－14］.此外，人体体温、几何尺寸和体重分别采用水银体温计、米尺和电子秤测量.采用SPSS－8.0统计数据，P＜0.05.

2 方 法

人体各散热量和散热比例计算公式根据文献［15－16］确定.人体辐射散热量R为

其中：R为辐射散热量（W）；ADu为DuBois面积（m2），取决于人体身高和体重；feff为有效辐射区域系数，即着装有效辐射区域与着装表面积之比，坐姿取0.696［16］；fcl为着装体表面积与裸体表面积比值；ε为服装外表面发射率，取0.97［16］；σ为斯蒂芬－玻尔兹曼常数，5.67×10－8W／（m2·K4）；tcl为服装表面温度（℃），采用热成像仪测试；tmrt为平均辐射温度（℃），采用热流巡回检测仪测算.

人体辐射散热比例rR为

其中：M为人体代谢率，取决于活动水平，静坐取58.2W／m2.人体对流散热量C为

其中：C为对流散热量（W）；hc为对流换热系数（W／（m2·℃）），采用文献［17］研究结论；ta为空气温度（℃），采用自记式温湿度计测试.

人体对流散热比例rC为

人体显汗蒸发散热量Esw为

其中：Esw为显汗蒸发散热量（W）；tb为人体平均温度（℃），通过皮肤温度和体温计算；ts为皮肤平均温度（℃），采用热电偶测试局部皮肤温度后算出平均值.

人体显汗蒸发散热比例rE为

人体呼吸散热量B为

其中：B为呼吸散热量（W）；Pa为环境空气的水蒸汽分压力（kPa），根据环境温度和相对湿度查取.

人体呼吸散热比例rB为

人体与座椅的导热散热量D为

其中：D为导热散热量（W）；Ato为人体与座椅的接触面积（m2）；K为椅子传热系数（W／（m2·℃）），取决于材料的厚度和导热系数.

人体导热散热比例rD为

人体皮肤扩散散热量Edif为

其中：Edif为皮肤扩散散热量（W）；γ为水的汽化潜热（J／kg）；χ为皮肤渗透系数，取6.1×10－4kg／（h·m2·mmHg）［16］；Ps为皮肤温度时的饱和蒸汽压（kPa）.

人体皮肤扩散散热比例rdif为

3 结果与讨论

人体散热量和散热比例与风速的关系及其拟合曲线分别见图1，2，其中离散点为实验数据.为了更确切反映实验规律，采用最小二乘法将这些点拟合成光滑的曲线.

3.1 人体散热量与风速关系

图1（a）和（b）分别给出人体辐射、对流和显汗蒸发，以及导热、呼吸和皮肤扩散散热量与风速的关系.操作温度为28℃时，随着风速从0.06m／s增加到0.79m／s，对流散热量增加了25.7W；显汗蒸发散热量降低了25.5W.风速为0.06m／s时，辐射散热量最大，显汗蒸发散热量次之，然后依次是对流、呼吸和扩散，导热散热量最小.风速为0.30m／s时，对流散热量大于显汗蒸发散热量，但仍然小于辐射散热量.风速为0.70m／s时，对流散热量最大，成为人体主要散热方式；而显汗蒸发散热量降低，小于呼吸散热量.

操作温度为33℃时，显汗蒸发是人体主要散热方式.随着风速从0.06m／s增加到0.70m／s，对流散热量增加了14.6W；显汗蒸发散热量降低了16.4W.风速为0.06m／s时，显汗蒸发散热量最大，呼吸散热量次之，然后依次是辐射、对流和扩散，导热散热量最小.风速为0.30m／s和0.70m／s时，对流散热量大于辐射散热量，但仍然小于显汗蒸发散热量.

图1 散热量与风速关系Fig.1 The relationship between heat dissipation capacity and air speed

当操作温度为28℃时，对流散热量随风速的增大线性递增；皮肤扩散散热量随风速的增大略有升高，呼吸散热量随风速的增大略有降低，但这两种散热变化很小；辐射和导热散热量基本不变；而显汗蒸发散热量随风速的增大线性递减.当操作温度为33℃时，对流散热量随风速的增大呈二次函数递增；呼吸散热随风速增大略有降低；辐射、导热和皮肤扩散散热量基本不变；而显汗蒸发散热量随风速的增大呈二次函数递减.可见，风速对人体散热量的影响，在某种程度上受到环境温度的限制.

在相同的风速下，随着操作温度从28℃升高到33℃，辐射、对流、呼吸、扩散和导热散热量减小，而显汗蒸发散热量增加；显汗蒸发散热变化量最大，辐射散热变化量次之，然后依次是对流、呼吸和扩散，导热散热变化量最小.

关于风速对人体散热量的影响，刘国丹［18］曾给出在标准大气压下人体散热量随风速变化的实验数据.他的实验数据显示，风速从小于0.10m／s，0.17m／s升到0.23m／s，对流散热量逐渐增加，该结论与本研究结果一致.但是他的显汗蒸发散热量随风速增加而增加，与本研究结论相反.因为当人体正在排汗或汗液没有蒸干的情况下，较大的风速能增加人体的显汗蒸发散热量；然而，在汗液蒸干的情况下，加大风速不会增加显汗蒸发散热量.

3.2 人体散热比例与风速关系

图2（a）和（b）给出人体辐射、对流、显汗蒸发、导热、呼吸和皮肤扩散散热比例与风速的关系.图2表明，当操作温度为28℃时，对流散热比例随风速的增大线性递增；辐射、呼吸、导热和皮肤扩散散热比例基本不变；而显汗蒸发散热比例随风速的增大线性递减.当操作温度为33℃时，对流散热比例随风速的增大呈二次函数递增；辐射、呼吸、导热和皮肤扩散散热比例基本不变；而显汗蒸发散热比例随风速的增大呈二次函数递减.操作温度为28℃时，随着风速从0.06m／s增加到0.70m／s，对流散热比例增加了0.284；显汗蒸发散热比例降低了0.282W.风速为0.06m／s时，辐射散热比例最大，显汗蒸发散热比例次之，然后依次是对流、呼吸和扩散，导热散热比例最小.风速为0.30m／s时，对流散热比例大于显汗蒸发，但仍然小于辐射.风速为0.70m／s时，对流散热比例最大.

图2 散热比例与风速关系Fig.2The relationship between heat dissipation rate and air speed

操作温度为33℃时，显汗蒸发是人体主要散热方式.随着风速从0.06m／s增加到0.70m／s，对流散热比例增加了0.162；显汗蒸发散热比例降低了0.181.风速为0.06m／s时，显汗蒸发散热比例最大，呼吸散热比例次之，然后依次是辐射和对流，扩散和导热散热比例最小.风速为0.30m／s和0.70m／s时，对流散热比例大于辐射，但仍然小于显汗蒸发.

在相同的风速下，随着操作温度从28℃升高到33℃，辐射、对流、呼吸、扩散和导热的散热比例减小，而显汗蒸发散热比例增加；显汗蒸发散热比例变化最大，辐射散热比例次之，然后依次是对流、呼吸和扩散，导热散热比例最小.

人体对流、辐射、显汗蒸发、导热、呼吸以及扩散散热量和散热比例是用相同的测试数据处理成两种不同的表现形式，它们所反映定性的问题类似，定量的问题存在差异.人体散热量便于空调负荷计算，散热比例便于比较各种散热方式的重要性.

4 结 论

本文在28℃和33℃2种操作温度，0.06，0.30和0.70m／s 3种风速下测试分析了人体散热量和散热比例的变化特性，得出：

（1）在人体各种散热方式下，对流和显汗蒸发随风速变化最大.其余散热方式随风速变化较小.其中对流散热随风速升高而升高；显汗蒸发随风速的升高而降低.

（2）在同种风速不同操作温度下，温度升高，显汗蒸发散热量和散热比例显著增加，辐射、对流散热量和散热比例明显减小，其余散热量和散热比例也相应减小.

（3）风速对人体散热特性的影响，随环境温度的变化而不同.因此，研究风速对人体散热影响时，需要具体说明环境温度.

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编辑、校对：武 晖

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

国家自然科学基金资助项目（51378411）；西安工程大学博士科研启动基金资助项目（B51311）

王丽娟（1984—），女，河南省濮阳市人，西安工程大学讲师，研究方向为建筑环境与节能.E－mail：wanglijuan＠xpu.com.cn