室外高温环境下通风服装的传热模型与实验研究

2021-06-30赵敬德丁义冉张春红

纺织学报 2021年6期

赵敬德，丁义冉，张春红

(1. 东华大学环境科学与工程学院，上海 201620； 2. 东华大学暖通空调研究所，上海 201620)

随着全球变暖日益严峻，高温天气频现，对高温天气下室外作业人员的健康与安全构成了极大的威胁，如何避免人体受到热损伤成为亟待解决的问题[1]。通风服装可以有效地改善高温环境下的人体热感觉，国内外学者对皮肤及服装的传热过程、通风服装的送风方式、送风参数等进行了广泛研究。

在皮肤与服装传热过程的研究方面，Gagge等[2]提出人体温度调节的二节点模型并对舒适的环境进行定义；Fanger[3]提出了人体稳态条件下的能量平衡方程，为模型的建立奠定了基础。Gibson[4]建立了纺织材料作为吸湿的多孔介质的热湿传递模型, 但并没有考虑辐射传热的影响。张昭华等[5]建立了室内环境下皮肤表面经过衣下空气层、面料层到外部环境热传递的数学模型，并通过平板模拟得出衣下空气层厚度与人体热传递之间的关系。李珩等[6]建立了高温舱内通风条件下的人体-通风服装-环境的传热传质模型，验证了风量较大且温度较低时，能明显降低人体热应激。但是也没有考虑到日晒辐射的影响。Emel等[7]利用圆通躯干装置建立了在垂直方向非均匀的衣下空气层形态，研究了服装与皮肤之间接触面积对于服装热阻的影响。Ghazy等[8]建立了服装层-空气层的热传递模型，研究了衣下空气层厚度较小时振幅与频率对传热性能的影响，但模型仅考虑辐射与传导2种传热方式，忽略了对流传热。Neves[9]研究了不同人体热量及汗液释放时衣服和纤维性能对热量和质量传输的影响，并建议服装亲水性较差的织物层应面向皮肤，亲水性较强的织物层应面向周围环境。Jia等[10]提出了一种将热辐射整合到三维热湿模型中的多孔服装三维服装热湿传递模型。Udayraj等[11]建立了一个考虑织物中传导-辐射耦合的三维传热模型，用于分析热防护服在火焰和辐射热暴露下的传热。在上述人体-服装-环境之间的传热模型的研究中，均未考虑室外高温日晒辐射下的传热模型。

在通风服装的研究方面，Crockford等[12]于1972年首次提出服装通风(clothing ventilation)的概念；曾彦彰等[13]研究发现在皮肤表面引入微型风扇阵列时能够强化散热并显著降低体表的温度；Hadid等[14]将通风系统用于防弹背心，研究了带有通风的个人冷却系统对运动或休息时的不同作用。Witzki等[15]探讨了除湿空气注入绝缘防护服中对人体热应激及耐受时间的影响。高黎颖[16]研究了气冷服对人体生理参数的影响，并指出气冷服可以有效地降低衣下微环境的温度，提高人体舒适感。

相较于室内人体-服装-环境的传热模型，室外高温日晒环境下人体-服装-环境过程中具体的传热方式以及模型的深入探索鲜有研究，而室外环境下传热方式的分析与模型的建立是评判降温方式优劣的关键。因此，本文将建立室外高温天气下的传热模型并通过实验对模型进行验证，得出各传热方式在得热或散热中所占的比重，针对汗液蒸发这一主要散热途径采取衣下通风的方式进行研究。研究结果将为室外高温环境中通风服装的发展以及室外作业人员的安全防护问题提供重要的理论指导。

1 传热模型

在传统的皮肤-服装-环境传热模型中，皮肤与服装之间的热湿交换十分复杂，既有皮肤与服装接触时的导热、衣下空气流动形成的对流传热，还有皮肤与服装之间的辐射传热与汗液蒸发的传热传质过程，但是对于研究室外高温环境下的热平衡来说，可以将人体与服装视作一个开口系统。由于服装外表面温度测量方便，所以可忽略对衣下传热过程的分析，仅考虑汗液蒸发、呼吸带走的热量，从而将理论模型进一步简化。传热模型如图1所示。

图1 传热模型Fig.1 Heat transfer model

系统与环境的热量交换主要包括2个部分：第一部分是系统得热，主要有人体自身的产热、太阳辐射得热、地面辐射得热；第二部分是系统与天空、周围环境的辐射、系统表面的对流、汗液蒸发呼吸散热等热量的散失，总得热量与总散热量应该是相等的。因此系统的热平衡又可用下式表示：

Φme+Φrs+Φrg-Φsky-Φre-Φc-Φe=0

式中：Φme为自身产热部分，W；Φrs为太阳辐射得热，W；Φrg为地面辐射得热，W；Φsky为系统对天空的辐射换热，W；Φre为系统表面与周围环境中物体的辐射换热，W；Φc为流体掠过圆柱形人体模型的对流换热量，W；Φe为汗液蒸发、呼吸散湿带走的热量，W。式中变量前“+”为得热，“-”为散热。

1.1 系统得热部分

Φme=21(0.23RQ+0.77)Vo2

式中：RQ为呼吸商，单位时间内呼出二氧化碳与吸入氧气的摩尔数比；Vo2为单位时间内消耗氧气的体积，mL/s。

Φrs=S×A×f×cosθ×α×feff

式中：S为地面接收到的单位面积的太阳辐射能，W/m2;A为模型外表面积，m2；f为日地距离修正系数，一般取值0.97～1.03；θ为太阳辐射与地面法线方向的夹角；α为衣服表面吸收率；feff为有效辐射面积系数。

Φrg=hr×A×(tg-tcl)

式中：hr为系统表面辐射传热系数，W/(m2·K)；tcl为服装外表面温度，K；tg为地面温度，K。

1.2 系统散热部分

Фsky=ε×A×X2,1×Fb×(Eb-Esky)

式中：ε为服装表面发射率；X2,1为服装对天空的角系数；Fb为黑体辐射函数；Eb为服装温度下的黑体辐射力，W/m2；Esky为天空温度下的黑体辐射力，W/m2。

Фre=hr×A×(tcl-ts)

式中，ts为周围环境物体表面温度，℃。

Фc=h×A×(tcl-tair)

式中：tair为环境空气温度，℃；λ为空气的导热系数，W/(m·K)；l为特征长度，m；u为空气流速，m/s；v为空气运动黏度，m2/s；Re为惯性力与黏性力之比的一种度量；Pr是动量扩散能力与热量扩散能力的一种量度，Nu为努塞尔数。

式中：r为蒸发的汽化潜热，kJ/kg；t为在高热湿环境下暴露的时长，s；m为在t时间内系统因呼吸、汗液蒸发产生的总失重，kg。

2 实验研究

2.1 实验基本情况

本文实验选择在上海市夏季7、8月份温度高于35 ℃的晴朗天气下进行，实验区域空旷无遮挡。在本次实验中共有14名青年学生作为受试志愿者，男女各7名，表1示出受试者的年龄、身高、体重等基本信息。

表1人员基本信息表Tab.1 Basic information of personnel

测试期间室外空气温度最高41.2 ℃，最低35.1 ℃，平均温度为38.45 ℃。在上海夏季室外下午14∶00～16∶30期间，室外相对湿度较低，平均相对湿度为44%，最高相对湿度为53.4%，最低为33.2%。室外空气流速与室内相比，波动范围较大，介于1～3 m/s之间，平均风速为1.95 m/s。上海市夏季太阳辐射强度较高，实验期间最高辐射强度为1 015 W/m2，最低为602 W/m2，平均辐射强度为808.8 W/m2。

2.2 实验过程

实验分为2种工况:一种是普通纯棉短袖工装;另一种是通风服装。14名实验者在28 ℃、相对湿度55%的室内静坐10 min后进入室外实验地点，首先进行第1种工况的实验：着普通纯棉短袖工装的受试者在室外高温日晒下静止站立15 min；实验期间人体皮肤温度和服装外表面温度由热敏电阻经数据采集仪每隔1 s记录1次；其他受试者各项生理参数及主观反映，主要包括室外温湿度、风速、腋下温度、衣下温湿度、整体热感觉、皮肤湿润感等每3 min记录1次；实验开始与结束时测量受试者体重，用于确定汗液蒸发和呼吸引起的总失重m。实验过程中所使用的部分仪器型号及精度见表2。

表2 实验仪器型号及精度Tab.2 Model and precision of experimental instrument

2.3 数据处理

图2示出传热模型中得热量和散热量各组成部分的百分比分布情况。

图2 不同传热途径百分比(得热为正，散热为负)Fig.2 Percentage of different heat transfer pathways(Heat gain is positive, heat dissipation is negative)

从图中可以看出，在得热部分的3种途径中太阳辐射占比最大，在散热过程中汗液蒸发带走的热量最多，在天气以及衣服材质不改变的情况下，促进汗液蒸发能够有效提高热量散失速率。在该模型下，总得热量与总散热量应该是相等的，但实验测量结果存在误差。14名受试者的总得热量与总散热量误差平均为9.1%，实验结果与模型的预测有较好的吻合度，该模型可适用于夏季室外高温天气下的人体-服装-环境热传递的研究。得热量与散热量之间误差的可能原因主要是受试者的新陈代谢水平不一样，环境风速和日照强度略有波动。

图3示出皮肤平均温度随时间的变化规律。可以看出，当进入室外高温环境后，人体平均皮肤温度会逐渐上升，由于人体自身的出汗等调节作用，在10 min左右下降并逐渐趋于稳定，因而本文实验将重点研究实验开始15 min内各实验参数的变化情况。

图3 人体平均皮肤温度随时间的变化Fig.3 Changes of average human skin temperature over time

因为汗液蒸发是室外高温日晒环境下人体的主要散热方式，通过衣下送风促进汗液蒸发，有利于人体的散热和热舒适性。因此本文第2种工况的实验在相同的天气下进行通风服装的实验，送风温度为(28±0.5) ℃，相对湿度(40±3)%，风量(5±0.1) L/s，同时将所有受试者所处的环境按湿黑球温度(TWBG)分为34～36 ℃、36～38 ℃以及38 ℃以上3种条件，同样每3 min记录受试者知觉反应、生理参数，实验进行15 min。其中湿黑球温度(TWBG)是与所有影响人体热应力因素都有关的函数，本文中采用的TWBG的表达式如下：

13.829 7φ-8.728 4v-0.055 1

3 分析与讨论

3.1 衣下微环境参数变化

人体感受外界温度的变化是由于人体皮肤层中存在着温度感受器，衣下微环境的空气直接接触人体皮肤，因而人体的冷热感觉首先受制于衣下微环境中空气的温湿度。

图4、5分别显示了在15 min内3种TWBG区间的服装微气候温度和相对湿度，其中，0 min为受试者在28 ℃、相对湿度55%的室内静坐时衣下不通风的预置环境的数据。从图4中可以看出，TWBG为34～36 ℃时的衣下温度在37.5 ℃左右，TWBG在36 ℃以上的衣下温度均在39～40 ℃；通风后TWBG为34～36 ℃时的衣下温度在34.5 ℃左右，TWBG在36 ℃以上的衣下温度介于36～38 ℃之间。在3种情况下，通风后的衣下空间空气温度均比未通风时低2 ℃左右。

图4 不同情况下的衣下空间内空气温度Fig.4 Air temperature under clothes space at different conditions. (a) Without ventilation;(b) With ventilation

在图5中通风后的衣下微环境相对湿度要明显低于未通风时的，通风10 min后相对湿度到达较为稳定的状态。在未通风的情况下，受试者进入室外高温环境后，室外高温天气下皮肤大量出汗，衣下空间空气的相对湿度存在上升趋势。但在通风情况下，衣下送入空气的相对湿度低于室内相对湿度，在进入室外的10 min内，衣下空间空气的相对湿度逐渐趋近于送入空气的相对湿度。达到稳定状态后，通风服装的衣下空间空气的相对湿度要比未通风时低15%左右。

图5 不同情况下的衣下空间内空气相对湿度Fig.5 Relative humidity of air under clothes space at different conditions. (a) Without ventilation;(b) With ventilation

3.2 主观反映

热感觉(TSV)是人对周围环境是“冷”还是“热”的主观描述，热感觉不仅仅是由冷热刺激的存在所造成的，还有刺激的延续时间以及人体的热状态都有关。本文采取美国供热制冷空调工程师协会ASHRAE采用的七级热感觉标度，数值范围从-3(很冷)、-2(冷)、-1(有点冷)、0(中性)、+1(有点热)、+2(热)到+3(很热)。皮肤湿润感(WSs)采用连续的5分制量表，范围为0(中性)、+1(微湿)、+2(湿)、 +3(非常湿)到+4(极度潮湿)。图6示出通风时不同实验状态下男性和女性的热感觉，图7、8示出知觉反应的变化过程。

图6 通风时热感觉的性别差异Fig.6 Gender differences in heat perception during ventilation

图7 不同情况下的热感觉投票Fig.7 Heat sensation vote in different situations. (a) Without ventilation;(b) With ventilation

在图6中可以看出，3种情况下受试者以性别为比较对象的热感觉投票相差并不明显，因此本实验将综合男女的主观反映在不同实验工况下以热感觉、皮肤湿润感作为主要比较对象。从图7中可以看出,人体热感觉投票随着实验时间不断增加，TWBG越高，人体热感觉越明显。在未通风的情况下，当TWBG在38 ℃以上时，TSV为+2.4(即“热”和“很热”之间)。但从图7(b)可以明显地看出，通风持续10 min 后人体的热感觉投票趋于稳定，TWBG为38 ℃以上时TSV为+1.8(即“有点热”和“热”之间)，通风可以有效降低人体热感觉。

在图8中，未通风时人体皮肤湿润感随着实验时间逐渐增加，TWBG越大，皮肤越湿润，原因是TWBG越大，人体出汗越明显；但在通风状态下，人体皮肤湿润感变化并不显著，而且在10 min后基本趋于稳定，相较于同TWBG的未通风状态，通风后的皮肤湿润感投票均低0.5左右。