王海英，邊春曉，徐曼殊，詹佳倫，劉 璐(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，青島 266033)

在列車試驗(yàn)中，車室熱環(huán)境試驗(yàn)不僅可以確定列車空調(diào)負(fù)荷，還可以分析人員散熱對(duì)車室熱環(huán)境的影響[1].試驗(yàn)中如果招募人員進(jìn)行試驗(yàn)，需要的受試人員眾多，在某些極端條件下的測(cè)試還有可能引發(fā)安全性等問題，因而實(shí)際試驗(yàn)一般采用模擬人體散熱裝置進(jìn)行測(cè)試.人體向環(huán)境散發(fā)顯熱和潛熱[2]，因而在試驗(yàn)時(shí)需要模擬兩類散熱.加濕器等可作為模擬人體潛熱散熱的裝置，電熱毯、電加熱器以及以人體形態(tài)出現(xiàn)的暖體假人等可作為模擬人體顯熱散熱的裝置.在列車試驗(yàn)測(cè)試中，人體顯熱散熱量對(duì)列車室內(nèi)環(huán)境的影響較大，應(yīng)用模擬人體顯熱散熱裝置，可以節(jié)省時(shí)間、降低成本、提高試驗(yàn)準(zhǔn)確性[3]，故列車試驗(yàn)用顯熱模擬裝置為本文主要研究對(duì)象.

在模擬人體顯熱散熱的常見裝置中，電加熱器體積小、占地空間小，應(yīng)用較多，但也存在表面溫度較高與人體顯熱散熱特性不完全一致等缺點(diǎn)，且有些電加熱器為了提高散熱效率，會(huì)增加風(fēng)扇等輔助手段，產(chǎn)生的氣流會(huì)干擾車室內(nèi)環(huán)境，也會(huì)對(duì)測(cè)試產(chǎn)生一定影響.電熱毯也可用來模擬人體顯熱散熱，如在測(cè)試模擬階段中，Velaro RUS列車通過將面熱源加熱毯依靠在座椅或平放于座椅上來模擬人體靜坐狀態(tài)的顯熱散熱量[4].這種面熱源加熱毯相比電加熱器效果更好，但在形態(tài)上相比實(shí)際人體存在一定的局限性.在暖體假人研究方面，由于應(yīng)用領(lǐng)域的不同在功能上相差很大.如丹麥科學(xué)家研發(fā)了一種可以模擬人體呼吸和出汗功能的女性暖體假人；芬蘭的高精度模擬人體散熱散濕的 “Coppelius”假人；瑞士的出汗暖體假人“SAM”；中國(guó)香港范金土研發(fā)的暖體假人“Walter”可行走織物暖體假人等[5].這些暖體假人雖然功能完善、在模擬人體散熱方面精度高，但單個(gè)造價(jià)極其昂貴且主要用于精密科學(xué)研究，大規(guī)模用于列車試驗(yàn)是不現(xiàn)實(shí)的.在研究飛機(jī)座艙環(huán)境下人體顯熱散熱時(shí)，何衛(wèi)兵制作了一個(gè)在表面布置發(fā)熱線的多段體假人作為模擬人體顯熱散熱的裝置[6].從列車試驗(yàn)中使用的數(shù)量上考慮，這種暖體假人占用空間大，試驗(yàn)后不便于存放，試驗(yàn)中的搬動(dòng)也不方便，此外發(fā)熱線裸露在假人表面不利于安全.鑒于當(dāng)前用于列車室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)還沒有一種能完全滿足現(xiàn)有的需求，從列車試驗(yàn)需求出發(fā)，研制了一種成本低、便捷、更接近人體顯熱散熱特性的裝置.

1 裝置設(shè)計(jì)

本裝置在設(shè)計(jì)時(shí)首先考慮需要模擬的人體顯熱散熱量大小.具有標(biāo)準(zhǔn)體重和身高的成年男子在靜坐時(shí)的總散熱量大概為108 W左右，其中顯熱約占45%～80%.在常溫環(huán)境下顯熱散熱量在60～90 W.隨著環(huán)境溫度的升高顯熱散熱量減小，潛熱散熱量增加.

所設(shè)計(jì)的模擬裝置應(yīng)能夠滿足以上人體顯熱散熱量需求，同時(shí)考慮一定的散熱余量，每套按照最大150 W功率設(shè)計(jì).形態(tài)上應(yīng)盡可能接近人體散熱特性，此外考慮制造成本要低、便于存放等要求.由于控制方便，各類模擬人體散熱裝置均采用電加熱元件.本裝置在設(shè)計(jì)時(shí)考慮散熱均勻性及具備一定的柔性等，采用電加熱絲模擬顯熱散熱.

由于采用220 V的交流電壓，從安全性進(jìn)行考慮，熱源選用帶有絕緣套的發(fā)熱線.由于人體軀干部位散熱占比較大，裝置外觀設(shè)計(jì)成類似于人體可穿戴的馬甲款式，測(cè)試使用時(shí)可套在椅背上，相比于電熱毯可實(shí)現(xiàn)雙面立體散熱.裝置的尺寸為衣寬53 cm，衣長(zhǎng)85 cm.為便于使用在裝置兩側(cè)分別設(shè)置2組粘扣便于拆裝.具體設(shè)計(jì)樣式及電熱絲的纏繞方式如圖1所示.

圖1 裝置設(shè)計(jì)樣式及加熱絲纏繞方式

在選擇裝置的面料時(shí)，綜合考慮了各類常用面料的導(dǎo)熱特性，如棉、羊毛、蠶絲、各類化學(xué)纖維等.從成本、耐久性及散熱特性等方面考慮選用了棉綸織物，棉綸的導(dǎo)熱系數(shù)在0.244～0.337 W/m·K.為使加熱絲散熱量能夠均勻分布于整個(gè)裝置表面，采用散熱性能好、價(jià)格低廉的鋁箔布作為內(nèi)襯材料[7].從接近人體表面溫度及散熱安全性考慮，選用模糊控制與PID結(jié)合的控制形式對(duì)其表面溫度進(jìn)行控制[8].

從發(fā)熱線的經(jīng)濟(jì)性及試驗(yàn)可靠性角度考慮，采用康銅發(fā)熱絲作為內(nèi)熱源均勻布置于織物內(nèi)側(cè)，其為一種電阻合金，以銅和鎳為主要成分[9]，使用溫度范圍廣泛，電阻溫度系數(shù)較低，且具有耐腐蝕、機(jī)械加工性能良好和易釬焊等優(yōu)點(diǎn).設(shè)計(jì)中選用的康銅發(fā)熱線參數(shù)為15.5 Ω/m，按照發(fā)熱量通過純電阻電路的電壓-功率公式，每套150 W散熱量，需使用21 m康銅發(fā)熱線，公式為

(1)

式中：P為加熱功率，W；U為加熱電壓，V；R為發(fā)熱絲的電阻，Ω.

2 試驗(yàn)方法及步驟

模擬散熱裝置制作完畢后，需通過試驗(yàn)對(duì)其散熱特性進(jìn)行測(cè)試和比較.試驗(yàn)包括裝置試驗(yàn)和人體試驗(yàn)兩部分.裝置試驗(yàn)和人體試驗(yàn)均在相同的溫度工況下進(jìn)行，裝置試驗(yàn)分別測(cè)試表面溫度分布，并計(jì)算散熱量；人體試驗(yàn)主要用于和模擬裝置進(jìn)行對(duì)比，受試人員靜坐狀態(tài)下進(jìn)行皮膚表面溫度測(cè)試并計(jì)算顯熱散熱量.

試驗(yàn)中環(huán)境溫度的設(shè)定參考《客車車廂的通風(fēng)、供暖和空調(diào)》(UIC 553—2004)標(biāo)準(zhǔn)，確定20 ，23 及26 ℃3種溫度工況，并且選擇在23 ℃下對(duì)裝置及人體周圍溫度場(chǎng)分布進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比裝置與人體對(duì)周圍溫度場(chǎng)的影響.

在裝置測(cè)試時(shí)，將裝置等面積劃分為16個(gè)區(qū)域.測(cè)試時(shí)在每個(gè)區(qū)域中心位置布置溫度測(cè)點(diǎn)(T型熱電偶)，共16個(gè)，采用Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀采集(數(shù)據(jù)采集間隔60 s).測(cè)點(diǎn)采用壓敏膠帶粘貼固定.區(qū)域劃分及實(shí)際測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示.每個(gè)區(qū)域測(cè)點(diǎn)溫度進(jìn)行平均值計(jì)算，得到裝置的表面平均溫度.

圖2 裝置區(qū)域劃分及測(cè)點(diǎn)布置

當(dāng)裝置表面溫度恒定時(shí)，不同環(huán)境溫度下，由于換熱溫差的不同會(huì)導(dǎo)致散熱量的差異.為保證在3種溫度工況下散熱量變化與實(shí)際人體變化規(guī)律一致，對(duì)裝置提前進(jìn)行了預(yù)試驗(yàn)，以確定不同環(huán)境溫度下PID溫度控制器的恒溫設(shè)定值.通過預(yù)試驗(yàn)，環(huán)境溫度為20，23和26 ℃時(shí)，確定裝置的表面溫度設(shè)定值分別為32，34及36 ℃.

進(jìn)行人體試驗(yàn)時(shí)，參與試驗(yàn)的受試者共10人(其中男生6人，女生4人)，身體健康狀況良好.受試者具體信息如下：男生，年齡(24.7±2.3)歲，體重(74.5±3.5)kg，身高(177.5±4.3)cm；女生，年齡(24.3±1.9)歲，體重(53.5±2.5)kg，身高(164.3±3.5)cm.試驗(yàn)時(shí)受試者著統(tǒng)一夏季工裝，服裝總熱阻為0.5 clo.并使用iButton DS1923紐扣式溫濕度記錄儀進(jìn)行皮膚溫度測(cè)試，按照五點(diǎn)法對(duì)各測(cè)點(diǎn)皮膚溫度進(jìn)行面積加權(quán)計(jì)算平均皮膚溫度，計(jì)算公式如下：

t=0.06t額頭+0.34t前胸+0.33t后背+0.14t上臂+0.13t大腿

(2)

人體處于靜坐時(shí)自然對(duì)流條件下會(huì)在人體周圍形成一定的熱羽流溫度場(chǎng)，在23 ℃的工況條件下，需對(duì)裝置和人體散熱進(jìn)行測(cè)試，用于對(duì)比裝置和人體熱羽流溫度場(chǎng)的相似性.試驗(yàn)時(shí)在放置裝置/人體靜坐的椅子周圍布置9個(gè)熱電偶溫度測(cè)點(diǎn)，同樣采用Agilent 34970A采集儀讀取數(shù)據(jù)[10].試驗(yàn)時(shí)座椅位置固定不變，1—9號(hào)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示.

圖3 溫度場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置

首先，圖3中的直角坐標(biāo)系以座椅中心到地面的投影點(diǎn)為原點(diǎn)建立.其中，X軸正方向?yàn)榇怪痹囼?yàn)艙長(zhǎng)邊的正東方向，Y軸正方向?yàn)榇怪痹囼?yàn)艙短邊的正北方向，Z軸正方向?yàn)榇怪痹囼?yàn)艙地面的向上方向.然后，以人體中心點(diǎn)為原點(diǎn)做圓，圓半徑定為單位1，自下向上分為3個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域距離以z表示，設(shè)置在人體頭頂位置測(cè)點(diǎn)編號(hào)即為(0,1,3z).各測(cè)點(diǎn)具體位置見表1.

表1 溫度場(chǎng)測(cè)點(diǎn)編號(hào)

試驗(yàn)步驟：進(jìn)行裝置試驗(yàn)時(shí)，首先設(shè)置環(huán)境溫度，并且將裝置套在椅背上，開啟PID溫度控制器，將參數(shù)調(diào)節(jié)到所需的恒定值，待設(shè)定的環(huán)境溫度穩(wěn)定后開始試驗(yàn)，采集裝置表面溫度及測(cè)試其周圍溫度場(chǎng)分布.進(jìn)行人體試驗(yàn)時(shí)，首先設(shè)置相同環(huán)境溫度，布置好人體皮膚溫度測(cè)點(diǎn)，待環(huán)境溫度穩(wěn)定后開始試驗(yàn).試驗(yàn)采取單人試驗(yàn)，受試者坐于座椅上，同時(shí)測(cè)量人體周圍的溫度場(chǎng).完成1組溫度工況測(cè)試后，再重復(fù)進(jìn)行下1組溫度工況試驗(yàn).

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在三種試驗(yàn)設(shè)定的溫度工況下，裝置測(cè)試和人體靜坐測(cè)試的實(shí)測(cè)環(huán)境參數(shù)見表2.由表2可知在裝置測(cè)試和人體靜坐測(cè)試時(shí)環(huán)境參數(shù)基本保持一致.

表2 環(huán)境參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.1 表面溫度對(duì)比

裝置達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的平均表面溫度和實(shí)測(cè)人體穩(wěn)定(30 min)時(shí)的平均皮膚溫度對(duì)比如圖4所示.

由圖4可知，隨著外界環(huán)境溫度的增高，人體在靜坐時(shí)表面皮膚溫度都是呈現(xiàn)上升趨勢(shì)且增長(zhǎng)率均勻.20 ℃時(shí)人體平均皮膚溫度較裝置表面溫度高1.3 ℃，在23和26 ℃時(shí)，人體表面溫度低于裝置表面溫度，最大相差1.5 ℃.由于試驗(yàn)儀器的恒溫調(diào)節(jié)功能，故裝置實(shí)際達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的溫度與設(shè)定值之間有一定差值.

對(duì)3種溫度工況下裝置表面溫度分別進(jìn)行測(cè)試，其隨時(shí)間的變化如圖5—7所示.

由圖5—7可知，在3種溫度工況下，模擬裝置表面溫度達(dá)到基本穩(wěn)定的時(shí)間大約是1000 s即17 min.在表面溫度穩(wěn)定后各測(cè)點(diǎn)值波動(dòng)較小，可見PID溫度控制系統(tǒng)對(duì)裝置表面溫度控制效果良好.裝置的表面溫度隨環(huán)境溫度的升高而增加，當(dāng)環(huán)境溫度從20 ℃升高到23 ℃時(shí)，裝置表面溫度的增長(zhǎng)率較大；而當(dāng)環(huán)境溫度從23 ℃升高到26 ℃時(shí)，裝置表面溫度的增長(zhǎng)率則比較緩慢.對(duì)不同溫度工況下裝置每部分的表面平均溫度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)裝置的表面溫度與人體溫度分布相似，均為自下而上逐漸升高.因此，單純從溫度分布情況進(jìn)行考慮，本裝置能夠準(zhǔn)確地模擬一般人體在靜坐狀態(tài)下的皮膚溫度.

圖5 環(huán)境溫度20 ℃時(shí)裝置表面溫度測(cè)試

圖6 環(huán)境溫度23 ℃時(shí)裝置表面溫度測(cè)試

圖7 環(huán)境溫度26 ℃時(shí)裝置表面溫度測(cè)試

3.2 散熱量計(jì)算與對(duì)比

3.2.1 裝置散熱量計(jì)算

3.2.1.1 裝置對(duì)流散熱量

與人體自由流動(dòng)換熱相同，裝置周圍空氣的流動(dòng)狀態(tài)、對(duì)流換熱系數(shù)以及與環(huán)境的溫度差值均影響裝置與周圍環(huán)境的對(duì)流換熱量，可以近似認(rèn)為對(duì)流換熱系數(shù)相同，因此裝置的對(duì)流散熱量計(jì)算可仿照人體的散熱量計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算.

3.2.1.2 裝置輻射散熱量

裝置對(duì)外界環(huán)境的輻射散熱量與該裝置的表面積、表面溫度、環(huán)境溫度有著密切聯(lián)系.在計(jì)算裝置的輻射散熱量時(shí)，tcl采用的是裝置表面的實(shí)測(cè)溫度，其余的可仿照人體輻射散熱量的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算.

3.2.2 人體散熱量計(jì)算

3.2.2.1 人體對(duì)流散熱量

人體周圍環(huán)境的空氣流動(dòng)狀態(tài)、人體與環(huán)境之間的溫度差值以及對(duì)流換熱系數(shù)影響著人體對(duì)外界環(huán)境的對(duì)流換熱量.公式如下：

C=fclhc(tcl-ta)

(3)

式中：C為對(duì)流換熱量， W/m2；fcl為著衣體表與裸體表面之比；hc為人體的對(duì)流換熱系數(shù)， W/(m2·K)；tcl為體表溫度，℃；ta為環(huán)境溫度，℃.

3.2.2.2 人體的輻射散熱量

環(huán)境溫度、人體著衣體表面積及體表溫度均對(duì)外部環(huán)境與人體之間的輻射散熱量產(chǎn)生影響.公式如下[11]：

R=3.96×10-8fcl×[(tcl+273)4-(tr+273)4]

(4)

(5)

式中：fcl為著衣體表與裸體表面之比；tcl為體表溫度， ℃；tr為平均輻射溫度， ℃；Icl為衣服的熱阻， (m2·K)/W，本試驗(yàn)取0.5 clo即0.0755 (m2·K)/W.

公式(5)為fcl經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式.

3.2.3 裝置與人體散熱量對(duì)比

三種環(huán)境溫度下，裝置散熱量與人體靜坐時(shí)的計(jì)算散熱量對(duì)比如圖8所示

由圖8可以看出，20 ℃時(shí)裝置散熱量低于人體散熱量，主要由于環(huán)境溫度控制存在一定偏差，裝置表面溫度比實(shí)際人體表面溫度低.而在23，26 ℃時(shí)裝置與人體靜坐時(shí)的對(duì)流散熱量與輻射散熱量相差很小，更接近人體靜坐狀態(tài)下的散熱量.

3.3 23 ℃時(shí)溫度場(chǎng)對(duì)比

23 ℃時(shí)，人體(受試者平均值)和裝置周圍9個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度對(duì)比如圖9所示.

人體周圍測(cè)點(diǎn)溫度從下部至頭部呈穩(wěn)定上升趨勢(shì)，具有明顯的規(guī)律[12].裝置周圍測(cè)點(diǎn)溫度和人體對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)溫度的變化規(guī)律基本一致.最大偏差為頭部測(cè)點(diǎn)，相差0.8 ℃.

由于裝置形態(tài)和實(shí)際人體有一定差距，其散熱特性很難保證和實(shí)際人體完全一致.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，本裝置在散熱量和表面溫度分布上和實(shí)際人體不完全一致，但相差不大；另外裝置散熱對(duì)周圍溫度場(chǎng)的影響特性也非常相似.從列車試驗(yàn)的需求角度看，模擬人體顯熱散熱主要用于夏季空調(diào)工況試驗(yàn)(空調(diào)負(fù)荷、溫度場(chǎng)等)，本裝置在23和26 ℃2種工況時(shí)在總散熱量方面與實(shí)際人體相差很小，能夠滿足其要求.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以列車試驗(yàn)中對(duì)人體模擬顯熱散熱裝置的需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種馬甲形式的電加熱顯熱散熱裝置.通過與實(shí)際人體試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，裝置總散熱量與人體顯熱散熱量接近，在23和26 ℃溫度工況下最大相差3%；裝置表面溫度與人體表面平均皮膚溫度也較為接近，最大相差1.5 ℃；在周圍溫度場(chǎng)的對(duì)比測(cè)試中，裝置周圍溫度測(cè)點(diǎn)和人體周圍溫度測(cè)點(diǎn)溫度變化規(guī)律一致，平均相差0.2 ℃.從列車試驗(yàn)對(duì)模擬顯熱散熱裝置的需求角度，該裝置可以滿足列車試驗(yàn)中顯熱散熱模擬的要求；在使用的靈活性、成本、存放等方面均比現(xiàn)有的其他模擬設(shè)施具有優(yōu)勢(shì).