夏季常规温度对人体局部散热热流及温度的影响

田宇飞,狄育慧,王丽娟

(西安工程大学 城市规划与市政工程学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

在炎热的夏季,衣服的厚薄、材料，环境的温度等都会对人体的热舒适情况产生较大的影响．文献[1]指出人体的头部区域局部热舒适程度取决于人体局部皮肤的温度和热损失．余娟[2-3]指出当人处于室内时,室内热经历比室外热经历影响更显著,且皮肤温度、出汗率、心率变异率和热应激蛋白可以作为室内偏热环境时的生理测试指标.田国华等[4]研究表明皮肤温度和皮肤热流可以作为检验耐寒与不耐寒体质的敏感生理参数,热感觉和热舒适主观评价可以作为检验耐寒和非耐寒体质的心理指标．刘蔚巍[5]团队的研究表明体温调节活动引起的生理参数变化可以反映人体的热舒适程度,平均皮肤温度可以做为一个有效的客观指标来评价人体热舒适程度．王丽娟等[6]研究发现风速对人体散热特性的影响会随着环境的温度变化而变化,研究风速对人体散热时需要具体说明环境温度．以上研究是关于人体热舒适,但是对于人体局部的热舒适相关研究则相对较少．也有研究表明,人体皮肤温度[7-8]和人体皮肤热流是与人体热舒适相关的生理参数．故本文结合相关文献结论,及生理测试与问卷调查,选择皮肤温度与皮肤热流为生理参数指标，研究夏季环境温度下，人体皮肤温度和散热情况.

1 实 验

1.1 实验准备

因为制冷设备对于热体舒适度也有所影响[9],因此本实验以西安工程大学焓差实验室作为室内实验环境,实验室分为控制室和人工气候室,机组能够精确地控制干球温度、相对湿度以及风速等环境参数．其中,干球温度的控制范围为0～40 ℃,精度为±0.3 ℃;相对湿度控制范围为15%～85%,精度为±4%; 风速控制范围为0.1 m·s-1～2 m·s-1,精度为0.3 m·s-1．受试者为在校身体健康的本科生或研究生，共计12人,其中男女各6人，其信息如表1所示．

表 1 受试者基本信息

为了尽可能提高受试者的局部测试准确性,本实验对于受试者服装要求:棉质短袖T恤,棉质短裤和凉拖鞋,整套服装热阻值约为0.5 clo[10];根据 ASHARE55—2013舒适区指标以及我国 热舒适标准[11]，选取夏季温度指标为25 ℃,27 ℃,29 ℃,31 ℃,相对湿度为50%～60%,实验由低温向高温进行控制,受试者保持静坐姿势．待数据稳定后,记录环境参数、生理参数．同时进行相关的问卷调查．

图 1 选取点Fig.1 Selected point

1.2测试方法

人工气候室内空气温度、黑球温度、相对湿度和风速等环境参数采用了上海精密仪器仪表有限公司的热舒适仪(型号: M16401pmv) 进行监测．该仪器的空气温度的控制范围为-20 ℃～60 ℃,精度为±0.2 ℃; 黑球温度的控制范围为-20 ℃～60 ℃,精度为±0.1 ℃; 相对湿度的控制范围为0～100%,精度为±3%; 风速的控制范围为0.05 m·s-1～9.99 m·s-1,精度为±0.05 m·s-1．在进行测试时,热舒适仪放置于受试者附近约60 cm,仪器每2 min记录1次数据．皮肤温度和皮肤热流则采用日本精度电子(KEM)生产的多通道热流计(型号:HFM-215N) 和KM1低热流感探头进行测试．其中,热流计温度控制范围为-40 ℃～75 ℃,精度为0.1 ℃; 热流控制范围为-100 W·m-2～100 W·m-2,精度为0.1 W·m-2．

选取如图1所示人体胸部、 上臂、 腹部、 大腿、 小腿、 背部、 腰部7个常被衣物所覆盖的部位作为局部皮肤温度和热流的测点. 用医用透气胶带将仪器探头固定于皮肤上．热流计每2 min记录1次皮肤温度和热流．

人体主观感受采用了热感觉以及热舒适的问卷调查,热感觉采用了ASHRAE的7个级别标度[12],即热、暖、微暖、适中、微凉、凉、冷；热舒适采用了5个标度,即不可忍受、很不舒服、不舒服、稍不舒服、舒适.受试者每10 min填写一次问卷,精度0.1,每个温度环境完成5次填写．

2 结果与分析

2.1 环境温度对皮肤的影响

男性受试者平均皮肤温度和女性受试者平均皮肤温度分别如图2，3所示.可以看出，在任意的温度下,男性受试者整体的平均温度及女性受试者平均温度均处于递增状态,与文献[2]研究结果相似．在对比实验结果及调查问卷结果后发现,人体皮肤温度的变化情况及问卷结果与文献[13]的结论相同．即人体活动量较小时,人体的皮肤温度与热感觉结果出现了一定的偏离．从实验数据上看，在不同工况温度下,在男性受试者身体局部各个测试部位中平均温度影响最大的部位为小腿>大腿>上臂>背部>腹部>胸部>腰部．而女性受试者下半身变化最大的是小腿,平均温度差2.9 ℃,上半身平均温差最大的是腰部,平均温度差为2.7 ℃．与男性受试者身体相关部位有较大差异,这应与性别[14]及人体热平衡[15]有关．在对数据进行单因素实验方差分析后发现,因素(温度)对于实验指标(平均皮肤温度)有显著影响．

图 2 男性受试者平均皮肤温度 图 3 女性受试者平均皮肤温度 Fig.2 Average skin temperature in male subjects Fig.3 Average skin temperature in female subjects

2.2 环境温度对皮肤热流的影响

男性受试者与女性受试者平均皮肤热流分别如图4,5所示.可以看出,在任意的温度下,男性受试者平均皮肤热流处于递减状态.在不同工况温度下,男性受试者身体各个部位的影响顺序为小腿>背部>上臂>大腿>腰部>胸部>腹部．女性受试者平均皮肤热流变化同男性受试者趋势相同,但其上半身平均热流差最大的是背部,与男性受试者不同.从而可知皮肤热流与皮肤温度处于不同趋势,在测试的温度范围内平均皮肤温度越高,平均皮肤热流越低．比较认为应该与所穿衣物材质造成的热量散失[16]有关,在对以上数据进行单因素实验方差分析后得知,因素(温度)同样对于实验指标(平均皮肤热流)具有显著影响．

图 4 男性受试者平均皮肤热流 图 5 女性受试者平均皮肤热流 Fig.4 Average skin heat flux in male subjects Fig.5 Average skin heat flux in female subjects

3 结 论

(1) 在夏季常规温度范围下,男性受试者与女性受试者皮肤平均温度均处于递增状态,受到性别、体质以及人体热平衡影响,男女双方除小腿外的部位有所差异．男性受试者与女性受试者身体部位的平均皮肤热流均呈现递减状态,这应与衣物材质所造成的不同热量散失有关,其他原因则有待于进一步研究．

(2) 在实验环境下人体局部平均皮肤温度上升时,平均皮肤热流下降,其原因与人体自身温度调节机制及周围环境温度有关．同时,在实验工况下,人的主观因素及体质等对于实验研究结果有所影响,因素(温度)对于两项实验指标均有显著影响．至于更高温度、湿度等环境下的变化规律是否与此相同则有待于进一步验证．