不同环境下个体通风服的制冷量

吴国珊，刘何清，吴世先，游 波，宋小鹏

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201；2.桂林航天工业学院 能源与建筑环境学院，广西 桂林 541004)

当长时间处于高温环境时，人体持续承受着过度的热负荷，容易导致头痛、恶心甚至中暑等热病症[1]。此时，人体仅靠自身生理调节无法维持相对稳定体温和高效工作，必须采取行为性调节手段，如通风空调、穿着冷却服等。

冷却服是高温环境中有效的个体降温措施，已被证明是最有前景的技术之一[2]。目前应用较多的主要有液体冷却服[2-3]、气体冷却服[4-5]、相变冷却服[6-7]和混合冷却服[8-9]。气体冷却服是利用有压气源或风机等驱动装置给服装供给空气，通过改善衣内环境来强化人体散热，从而实现对人体降温[10]。与其他类型的冷却服相比，气冷服质量较轻，人体负重小。通风服属于气冷服的一种，它主要通过强化对流和汗液蒸发2种方式提高人体散热[11]。在生产生活中，采用微型风扇通风散热的个体通风服近年得到了发展[12]。一些学者通过暖体假人实验、人体着装实验和数值模拟等方法对通风服进行了研究[13]。然而，在非常炎热的环境中，风扇驱动的气流对人体的冷却效果逐渐接近极限[14]。当环境湿度较高时，外界空气与衣内空气的湿度差很小，环境通风服对人体散热的辅助作用下降。Xu等[15]的研究表明，环境空气温度越高，相对湿度越大，通风服的降温能力越小。在这种情况下，人体表面汗液蒸发受到抑制，皮肤表面与空气热量传递方向也可能改变，通风服的制冷量可能变为负值。此时，通风服不但不能给人体散热降温，反而会将外部热量传递给人体；而用干燥的空气进行衣内通风，可提高重度劳动人体的蒸发散热效果[16]。因此，通风服的使用具有一定的局限性。然而，在不同热环境、不同新陈代谢率时，通风服制冷量及影响因素还不明确。本文通过理论计算，得到了在2种不同新陈代谢率下通风服制冷量，分析了环境温度、湿度、通气量对制冷量的影响。

1 通风服制冷量的计算方法

环境通风服通常由空气分配服装和通风装置组成。通风装置使外部环境的空气进入衣内空间，经过分配装置流向人体皮肤表面。当外部空气的温度低于皮肤温度时，气流将增强人体皮肤表面的对流散热。当气流的相对湿度低于皮肤表面相对湿度时，气流将增强皮肤表面的蒸发散热，从而使人体皮肤温度下降，甚至使得核心温度下降，或体内蓄热量降低。为方便研究，将衣内空间看成为一个开口的热力系统。对于大多数服装来说，布料的导热系数比较小，在此认为通过服装布料为绝热，同时忽略通过服装材料向外部环境渗透的气体。将衣内空间的气流作为研究对象，通风服可简化成图1所示模型。环境空气进入衣内空间与皮肤表面进行热质交换，即气流吸收或放出热量，同时皮肤表面蒸发的汗液变成水蒸气与气流混合，随后从服装出口流出。气流在通风服内相当于是被加热(或被冷却)及得湿(或去湿)的过程。

图1 个体通风服降温原理示意图Fig.1 Schematic diagram of personal ventilation system

根据Xu等[15]建立的模型，通风服的制冷量可用下式计算：

Q=Q2-Q1

(1)

式中：Q包含了气流在通风服中的对流换热引起的显热变化量和皮肤表面汗液蒸发引起的潜热变化量2个部分，kW；Q2表示出口气流的热量，kW；Q1表示通风服入口气流的热量，kW。通风服出口、入口空气的热量[16]可分别用它们的焓值进行计算。

Q1=m1h1

(2)

Q2=m2h2

(3)

式中：m1、m2分别表示入口和出口处空气的质量流量，kg/s，在此认为进出口气流流量相等；h1、h2分别表示入口和出口处气流的焓，kJ/kg。空气的质量流量可用下式计算：

m=ρL

(4)

式中：ρ为空气密度，取1.12 kg/m3；L为空气体积流量，m3/s。

送入通风服的气流，主要包括干空气和水蒸气2部分。进出口气流的焓值均可用如下方法[16]进行计算：

h=1.006ta+d(2501.4+1.86ta)

(5)

式中：ta为空气的温度，℃；d为空气的湿度，%。

空气的含湿量可用以下方法[16]计算：

(6)

式中：Pa为空气压力，Pa；Ps为空气的饱和压力，Pa；φ为空气的相对湿度，%。

空气的饱和蒸汽压力可用下式[16]计算：

(7)

当通风服的出口气流温度等于人体皮肤表面温度且达到饱和状态时，通风服的制冷量将达到最大值Qmax。此时，出口气流焓值应根据皮肤温度及其对应的饱和蒸汽压力来计算。

人体皮肤表面温度可根据人体的新陈代谢率、环境温度、相对湿度、气压等计算得到[17]，具体如下：

tsk=12.17+0.020ta+0.044tr-0.253va+

0.194Pa+0.005 346M+0.005 512 74tre

(8)

式中：tsk为皮肤表面温度，℃；tr为辐射温度，℃，在此认为等于ta；va为环境风速，m/s；Pa为水蒸汽分压力，Pa；tre为人体的直肠温度，在此认为tre等于人体核心温度tcr；M为人体的新陈代谢率，W/m2。根据ISO 7933—2004《热环境的人类工效学·通过计算预测的热应变对热应力分析测定和说明》中对于中等强度劳动和重度劳动的划分，在计算中M分别取145和210 W/m2。

人体的核心温度可用下式[18]计算：

tcr=36.8+0.003 6(M-55)

(9)

因此，皮肤温度计算式可以变为

(10)

通风服的最大制冷量为

Qmax=Q2-Q1=Qsk,s-Q1

(11)

式中，Qsk,s为出口气流温度等于皮肤表面温度、湿度达到饱和时的热量。

Qmax=m1(hsk,s-h1)

(12)

式中，hsk,s为出口气流温度等于皮肤表面温度、湿度达到饱和时的焓。

实际上在使用通风服时，气流进入和流出服装的时间间隔很小，其与皮肤表面的热湿交换过程仓促，在流出通风服时是很难达到皮肤温度下的饱和状态的，即通风服对人体的冷却过程实际效率小于1，因此，在本文计算中，通风服的实际制冷量[15]为

Q=ηQmax

(13)

式中，η为通风服的实际冷却效率。

通风服的实际制冷量计算式可为

(14)

根据Xu等[15]利用暖体假人的通风服实验研究，当皮肤温度为35 ℃且布满汗液时，环境温度为25～40 ℃，湿度为25%～75%，通风量为4.7 L/s 时，通风服的实际冷却效率η在0.27～0.34之间。本文计算中，通风服的实际冷却效率取0.3。

由此可见，通风服制冷量不仅与环境参数有关，还与人体新陈代谢率、通气量和冷却效率有关。联合式(8)、(9)和(14)可计算不同环境温度、湿度，不同新陈代谢率和空气流量时通风服的实际制冷量。

2 不同环境条件下制冷量的变化情况

基于Xu和Gonzalez建立的通风服制冷量计算模型，结合人体皮肤温度与新陈代谢率、直肠温度以及环境参数之间的关系，计算了在不同温度湿度环境、不同通气量、不同新陈代谢率时通风服的制冷量。图2～3分别示出环境温度为30～40 ℃、相对湿度为0～100%、新陈代谢率分别为145、210 W/m2时的通风服制冷量。图中标注的点如A(0.8,34.8)，0.8为横坐标，对应的湿度为80%，34.8为纵坐标，对应温度为34.8 ℃。

图2 新陈代谢率为145 W/m2时通风服制冷量随环境温度、湿度变化情况Fig.2 Cooling capacity changes of PVS in different ambient temperature and humidity when body′s metabolic rate was 145 W/m2

2.1 制冷量随环境温度变化情况

从图2和图3可看出，在绝大部分湿度范围内，当湿度一定时，通风服的制冷量随着温度的升高而变小。例如，在新陈代谢率为145 W/m2，通气量为20 m3/h时，当相对湿度维持80%不变，环境温度从34.8 ℃升高到39.6 ℃时，如图2(b)中所示的A点变为B点，制冷量从40.0 W减小为0 W。当环境温度超过39.6 ℃(图中B点)时制冷量变为负值。这是因为环境温度的升高使得通风服入口的空气焓值增大了，而出口空气焓值主要受到皮肤温度的影响，在此情况下变化很小。根据式(1)～(3)可知，随着环境温度的升高，通风服制冷量下降了。在相对湿度很小，空气接近于绝对干燥时，环境温度升高时通风服的制冷量变化非常小。

图3 新陈代谢率为210 W/m2时通风服制冷量随环境温度、湿度变化情况Fig.3 Cooling capacity changes of PVS in different ambient temperature and humidity when the body′s metabolic rate was 210 W/m2

2.2 制冷量随环境湿度变化情况

在一定的新陈代谢率和通气量下，环境温度保持不变时，通风服的制冷量随湿度的增大而下降。例如，新陈代谢率为145 W/m2、通气量为20 m3/h时，在环境温度为34.8 ℃，湿度从34%增加为80%时，如图2(b)中所示的C点变为A点，通风服的制冷量从120 W下降为40 W。这是因为环境湿度的升高使得通风服入口的空气焓值增大了，而出口空气焓主要受到皮肤温度的影响，在此时变化很小。对比不同环境温度的情况可以发现，环境温度越高，制冷量随湿度增大而下降的幅度越大。

2.3 不同新陈代谢率时的制冷量

在环境温度、湿度和通气量一定时，人体新陈代谢率越高，通风服的制冷量越大。例如，在环境温度为34.8 ℃、环境湿度为80%、通气量为20 m3/h时，当新陈代谢率从145 W/m2增大到210 W/m2，如图2(b)中所示的A点变为图3(b)中所示的E点，通风服的制冷量从40 W增加到46.9 W。这是因为新陈代谢率的增加使得皮肤温度略有升高，使出口空气焓值增大了，而环境温度和湿度不变则意味着入口空气焓不变；因此通风服制冷量增加了。

2.4 通气量对制冷量的影响

从计算模型可知，通气量对制冷量的正负没有影响，只影响制冷量的绝对值。由图2～3可知，在一定的新陈代谢率和环境条件下，随通气量增加，制冷量的绝对值逐渐增大。例如新陈代谢率为145 W/m2、环境温度为34.8 ℃、相对湿度为80%时，通气量从20 m3/h增大到40 m3/h时，如图2(b)中所示的A点变为图2(b)中所示的D点，制冷量从40 W增大至80 W。对比图2(a)～(d)，尽管通气量不一样，但使制冷量为0环境温度和湿度是相同的。在新陈代谢率为145 W/m2的情况下，当环境湿度小于78.2%时，只要温度小于40 ℃，如图2(a)中所示过F点的等湿线的左侧范围，通风服的制冷量都大于0 W；当环境温度小于35.2 ℃时，无论湿度怎么变化，如图2(a)中所示过G点的等温线的下侧范围，通风服制冷量都大于0。环境温度处于35.2～40 ℃的范围内，如果环境状态点处于图2中Q=0曲线的左下方，则通风服的制冷量仍然是大于0 W的。从图3中可发现类似的情况。由此可知，在新陈代谢率一定时，使通风服制冷量为0 W的环境温度、湿度参数是一定的，不受通气量变化的影响。

2.5 冷却效率的取值及其对制冷量的影响

关于通风服的冷却效率，也有一些研究人员测得不同的数值。如安瑞平[18]用暖体假人测量了自行设计的通风服。在环境温度为30 ℃，湿度分别为40%、50%、60%的环境下，在通风量为5～9 L/s时测得通风服的冷却效率在0.09～0.12之间。但是该人实验中所用通风服的气流是非均匀分布，这与本文的研究不一样。Xu等[15]的通风服实验研究中，环境温度为25～40 ℃，湿度为25%～75%，通风量为4.7 L/s，当暖体假人皮肤温度为35 ℃且布满汗液时，通风服的实际冷却效率在0.27～0.34之间。该实验选用常规的通风服和实验条件，与本文比较接近，因此计算中通风服实际冷却效率参考文献[15] 实验结果，取0.3。在实际的生活和劳动中，不管人体新陈代谢率多大，人体皮肤湿润度很少超过0.8，持续活动时皮肤湿润度的实际上限被认为是0.5。而Xu等的实验是在暖体假人皮肤表面布满汗液的情况下得到的，因此本文参考该实验而确定的通风服冷却效率可能比实际情况偏大，计算得到制冷量应该比实际制冷量大一些，但从计算模型可以看出，冷却效率η对制冷量的正负并没有产生影响，当通风服制冷量Q为0 W时的环境温、湿度参数与实际情况是一致的。

3 结 论

本文计算了通风服在不同环境温湿度、通风量和2种新陈代谢率(145和210 W/m2)时的制冷量，绘制了不同环境条件下通风服制冷量的等值线图，并对制冷量的变化情况进行了分析，结论如下。

环境温度越高，相对湿度越大，通风服的制冷量越小。在高温高湿环境下，制冷量可能会变成0 W甚至为负值。通气量只影响着通风服制冷量的绝对值，对其正负没有影响。制冷量随着人体的新陈代谢率的增加而有所提高。

当人体新陈代谢率为145 W/m2时，若环境温度小于35.2 ℃，无论环境湿度怎么变化，通风服的制冷量都大于0 W。当新陈代谢率为210 W/m2时，环境温度小于35.8 ℃，即使空气湿度达到饱和，通风服的制冷量仍大于0 W。

在使用通风服过程中，由于人体散热得到增强，随着时间推移人体皮肤表面的湿润度将下降，皮肤温度也可能降低。这将导致通风服微环境中人体的蒸发散热和对流散热减小，通风服制冷量下降。研究中皮肤温度是根据穿通风服时人体初始状态计算得到的。因此，文中的计算结果可能比实际穿着通风服时的制冷量大一些，文中数值应看作为通风服制冷量的上限值。通风服制冷量随时间的动态变化情况是将来需要重点研究的一个方向。