辐射制冷服装对户外热舒适性的改善研究

赵敬德 邹雅倩

东华大学环境科学与工程学院

0 引言

高温下作业易引发中暑、热射病、热痉挛等问题。户外作业难以实现工作环境整体降温，在极端热环境下减轻工作者的热应力问题亟待解决[1]。

柯莹[2]介绍了服装通风测量方法和服装通风与热舒适性的关系。Chinevere T D 等[3]，Barwood 等[4]及A.Hadid 等[5]研究通风服装在军事环境下用蒸发冷却的方式改善人体热舒适。李珩[6]及刘蔚巍[7]建立基于热生理参数的室内外环境人体热舒适评价模型。Ahmed Osama Mahgoub 等[8]用WBGT 作为热应力指标，评价室外环境的热舒适。

本研究使用一种新型辐射制冷服装并采用WBGT 评价模型研究室外热环境舒适度。辐射制冷主要利用了大气层在8～13 μm 的“大气窗口”波段具有高透射率的特性，将自身热量以辐射的形式通过大气窗口散发到外太空的一种被动式制冷。图1 为该辐射制冷材料的发射率随波长的变化[9]。

图1 该辐射材料的发射率随波长的变化

1 试验研究

1.1 试验装置及试验环境

本文中的采用普通工装、辐射制冷服装、带有通风装置的辐射制冷服装。如图2，辐射制冷服是由辐射制冷材料及网状布料做成。通风系统是由两个2 个USB 型风扇、电源、电源连接线组成。

图2 带有通风装置的辐射制冷服装

该试验在上海市东华大学松江校区空旷的喷泉平台上进行。在三种不同太阳照度、湿黑球温度WBGT 下对14 名身体健康的大学生，平均年龄23±1岁、身高1.71±0.09 m、体重56±2.3 kg，进行舒适度主观问卷调查。热感觉PMV 值采用ASHRAE 标准的7 点模型法[10]，热舒适投票采用5 级分度分别为舒适（0）、稍不舒适（1）、不舒适（2）、很不舒适（3）、不可忍受（4）。

1.2 试验过程

试验开始时测量环境温湿度、太阳辐射照度、风速、黑球温度、天空云量。试验时，受试者被要求在室外树荫下休息10 分钟后着装试验服装站于空旷地带的阳光下，将热电偶置于人体胸部、背部，并询问受试者的主观热感觉、热舒适、皮肤湿润感、服装接触感。试验过程中用数据采集仪测人体胸部温度、背部温度，之后每间隔5 分钟重复记录上述数据。实验所用仪器如表1。

表1 试验仪器型号及精度

1.3 试验数据处理

在试验中，湿黑球温度WBGT 适用于室外炎热环境，考虑了室外炎热条件下太阳辐射的影响，目前在评价户外作业时应用广泛，受周围环境的干球温度twb、湿球温度tg、黑球温度ta的影响，可采用如下计算公式：

使用Origin Lab 软件对试验过程中穿着3 种服装时，使用数据采集仪测得的皮肤表面各测点温度、服装内外表面温度、主观热舒适调查数据进行处理。

2 试验结果分析

2.1 不同WBGT 下通风降温和辐射制冷对人体舒适度影响

夏季高温室外环境下作业人员出汗量显著增加，超出常人出汗量的5～7 倍[11]，使用被动式通风降温的方式可增加皮肤表面与衣下空间内空气的对流换热，同时促使汗液蒸发增加潜热散热。具体如图3，本文调查了室外环境的WBGT=30 ℃、32 ℃、34 ℃下人体的舒适度。

图3 热感觉投票（TSV）与热舒适投票(TCV）对比

在三种湿黑球温度WBGT 下，未通风的普通工装与未通风的辐射材料的平均热舒适投票TCV 无显著差异，均在2（不舒适）和3（很不舒适）之间。而使用通风装置的服装显著地改善了人员的热舒适，对于使用便携式通风装置的普通工装，在15 分钟后使TCV 值降低了1.1，人员处于1（稍不舒适）和2（不舒适）之间。对于使用便携式通风装置的辐射材料服装，试验人员的热舒适在15 分钟后显著降低，处于0（中性）和1（稍不舒适）之间，且低于通风的普通工装。

在WBGT=32 ℃、34 ℃时，未通风的辐射材料服装与普通工装的平均热感觉投票TSV 无显著差异，均在2（热）和3（很热）之间。但是，当WBGT=30 ℃时，15 分钟后穿着未通风的辐射材料服装的TSV 是2（热），对于普通工装的TSV 是1（有点热）。两种服装在通风后TSV 显著降低，在WBGT=30 ℃时，15 分钟后热感觉处于0（中性）和1（有点热）之间，且两种服装无显著差异。在WBGT=32 ℃、34 ℃时，15 分钟后穿着普通工装的热感觉降低到1（有点热）和2（热）之间，而穿着辐射材料服装的热感觉降低到了0（中性）和1（有点热）之间。这是由于辐射材料服装的低透气性恶化了人员的舒适度，但使用便携式通风装置后增加了一下空间空气流动，人员舒适度提高。

2.2 生理反应

图4 显示了三种湿黑球温度下试验人员着装带有便携式通风装置的辐射材料服装，在通风装置开启和关闭两种工况下，15 分钟内的平均后背温度和平均前胸温度。在整个试验过程中，通风装置未开启时后背温度、前胸温度波动较小，分别在36.2±0.2 ℃、34.2±0.2 ℃范围内。当开启通风装置后，试验人员的后背温度和前胸温度均显著降低，在15 分钟后通风的后背温度为35.4 ℃，较未通风的降低了0.8 ℃。同时通风的前胸温度为33.3 ℃，较未通风的降低了1 ℃。一般来说，皮肤温度在33～34 ℃时，人体休息时处于热中性状态。在35～37 ℃时，人体开始有热得感觉[10]。本实验中辐射材料服装在使用通风方式后，能使人体皮肤温度接近热舒适的状态。

图4 使用通风装置与未使用通风装置的背部、胸部温度对比

3 结论

本文利用了辐射材料的降温特性，并通过热舒适性实验研究了夏季室外高温环境中WBGT=30 ℃、32 ℃、34 ℃三种工况时人体穿着普通工装和辐射材料服装，在使用便携式通风装置前后的热舒适性，得出以下结论：

1）着装未通风的服装时，在WBGT≥30 ℃下热环境处于“很差”等级，人体的热舒适投票TCV 及热感觉投票TSV 处于2（不舒适/热）和3（很不舒适/很热）之间，这表明使用WBGT 指数可作为室外高温热环境的评价指标。

2）使用便携式通风方式在消耗很少电能时可显著降低高温环境下人体的热舒适TCV 和热感觉TSV，普通工装的热感觉降低到1（有点热）和2（热）之间，而穿着辐射材料服装的热感觉降低到了0（中性）和1（有点热）之间,这表明穿着通风的辐射材料服装对改善热舒适的效果比通风的普通工装更明显，辐射材料服装适用于夏季高温作业人员。

3）穿着带通风装置的辐射材料服装可使人体皮肤表面温度下降0.8～1.1 ℃，使皮肤温度接近热舒适的状态，这表明该服装能改善夏季室外高温环境下衣下空间的热环境，可作为一种预防中暑的方式。