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(diào)研究所

近年來，眾多城市和地區(qū)夏季頻繁的出現(xiàn)熱島效應(yīng)、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(yīng)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(xiàn)場真人實驗的方式，將降溫處理后的空氣沿服裝內(nèi)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(jié)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(dǎo)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(nèi)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(shè)計，例如前胸、后背、腋下等，純棉短袖內(nèi)側(cè)縫有固定條，用于固定衣服內(nèi)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(jīng)數(shù)據(jù)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(nèi)部示意圖

表2 實驗儀器型號及精度

2 實驗結(jié)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(quán)重系數(shù)0.3、0.3、0.2、0.2 進行加權(quán)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(diào)節(jié)作用，在10 分鐘左右逐漸恢復(fù)到初始狀態(tài)，本實驗將重點研究實驗開始15 分鐘內(nèi)各實驗參數(shù)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(guān)。本文采取美國供熱制冷空調(diào)工程師協(xié)會 ASHRAE 采用的七級熱感覺標度，數(shù)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(jié)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(shè)計，將室外空氣進行處理后沿服裝內(nèi)部通風管路通入衣下空間。并進行了衣下通風的現(xiàn)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(jié)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(diào)節(jié)作用，在10 分鐘左右逐漸恢復(fù)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(jīng)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(yīng)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。