熱舒適方程

關(guān)于著裝人體熱舒適方程的計算與分析

人體正常體溫維持在37℃左右，而正常體溫的維持實(shí)際是人體產(chǎn)生和散發(fā)熱量動態(tài)平衡的結(jié)果。人體的各種生理活動，都必須在體內(nèi)溫度相對穩(wěn)定的情況下進(jìn)行，即人體必須同周圍環(huán)境之間處于相對穩(wěn)定的熱平衡，人才能進(jìn)行正常的生理行為活動。周圍環(huán)境的溫、濕度，對人體的皮膚溫度和核心溫度會產(chǎn)生較大的影響，因此，為了保證人體正常的生理活動和良好的人機(jī)工效，人體在進(jìn)行自身的生理調(diào)節(jié)之外，要維持人體熱平衡必須控制周圍溫度環(huán)境，保證人體產(chǎn)生的熱量能夠及時散發(fā)到周圍環(huán)境中，從而達(dá)到維持人體熱平衡的目的。為此，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換與守恒定律，主要對人體產(chǎn)熱的機(jī)理、散熱的機(jī)制以及影響散熱的因素進(jìn)行了全面分析，討論了維持人體熱平衡的主要影響因素和計算方法。該研究對環(huán)境的熱舒適評價及特種服裝的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

人體熱舒適方程

式中，S為人體蓄熱率，W/m2；M為人體代謝量，W/m2；W為人體對外做功，W/m2；

由于人體表面的對流散熱包含對流和傳導(dǎo)，因此，一般不考慮傳導(dǎo)散熱，可認(rèn)為

式中，K為通過人體表面導(dǎo)熱形成的顯熱損失，它包括服裝表面的對流與輻射散熱。由于式（2）為人體著裝熱舒適方程，式中的每一項都受物理法則的支配，可依據(jù)自然界中物體散熱的定律來計算。

人體著裝熱舒適方程中各物理項的計算

人體與環(huán)境對流交換熱

著裝人體表面的對流換熱量為

式中，

式中，v為環(huán)境中的風(fēng)速，m/s。

人體的表面與環(huán)境輻射換熱量

人體表面與環(huán)境輻射換熱量為

式中，

人體的蒸發(fā)散熱

蒸發(fā)散熱是人體向環(huán)境散熱的一個重要途徑。環(huán)境溫度愈接近體表溫度，由輻射和對流散失的熱量愈少，當(dāng)環(huán)境溫度高于體表溫度時，身體還會從環(huán)境得熱，這時連同體內(nèi)產(chǎn)生的熱量一起，只有靠蒸發(fā)才能散失，蒸發(fā)熱交換為

式中，

人體皮膚表面汗液蒸發(fā)熱損失

人體汗液蒸發(fā)熱損失取決于出汗量，而出汗量與活動量、服裝環(huán)境溫度有關(guān)，難以直接計算。1970年，F(xiàn)anger對美國大學(xué)年齡的青年男女進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，對數(shù)據(jù)點(diǎn)回歸后得

人體呼吸的潛熱損失

人體在呼吸過程中，由于呼吸道水分的蒸發(fā)，使呼入空氣與呼出空氣的含濕量不同，因此，形成呼吸潛熱損失，如果將呼吸量歸納為新陳代謝率的線性函數(shù)，而將含濕量差歸納為人體周圍空氣中的水蒸汽分壓力和人體周圍空氣溫度的函數(shù)，假設(shè)人體周圍空氣溫度

人體呼吸造成的熱損失

呼吸熱損失是指由于人體肺部吸入的空氣與呼出的氣體溫度存在差異而產(chǎn)生的換熱。若近似取呼出的空氣溫度為33℃，則得呼吸熱損失為

人體表面導(dǎo)熱形成的顯熱損失

人體的對流和輻射熱損失部分是通過服裝傳導(dǎo)至服裝外表面后，再散發(fā)到外界環(huán)境中。根據(jù)傅立葉熱傳導(dǎo)定律，人體表面導(dǎo)熱形成的顯熱損失為

式中，

由式（12）可以看出，人體著裝熱舒適方程中包含著與人體、服裝和環(huán)境有關(guān)的3個變量，當(dāng)人處在一定的環(huán)境中時，其熱舒適感覺受人本身、服裝和環(huán)境的影響，是三者綜合作用的結(jié)果。

結(jié)束語

根據(jù)能量守恒和能量轉(zhuǎn)化原理，分析了人體產(chǎn)熱的機(jī)理、散熱的機(jī)制以及影響散熱的因素，得到了人體著裝熱舒適方程；同時，根據(jù)自然界中物體散熱的定律，給出了熱舒適方程中各物理項的數(shù)學(xué)表達(dá)式。分析及計算結(jié)果表明，要維持人體正常的生命活動以及必要的工作效率，就必須維持人體的相對熱平衡；當(dāng)人處在一定的環(huán)境中時，其熱舒適感覺受其本身、服裝和環(huán)境的影響，是三者綜合作用的結(jié)果。該方法簡單易行，對人體熱平衡計算、環(huán)境的熱舒適評價及特種服裝的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。 2100433B

Bedford在1936年提出熱舒適的7級評價指標(biāo)。熱舒適的指標(biāo)分別為：冷、涼、舒適的涼爽、舒適并不冷不熱、舒適的溫暖、暖、熱。

熱舒適是人對周圍熱環(huán)境所做的主觀滿意度評價（ISO 7730）。分析某一熱環(huán)境是否舒適有三個方面：

①物理方面：根據(jù)人體活動所產(chǎn)生的熱量與外界環(huán)境作用下穿衣人體的失熱量之間的熱平衡關(guān)系，分析環(huán)境對人體舒適的影響及滿足人體舒適的條件。

②生理方面：研究人體對冷熱應(yīng)力的生理反應(yīng)如皮膚溫度、皮膚濕度、排汗率、血壓、體溫等并利用生理反應(yīng)區(qū)分環(huán)境的舒適程度。

③心理方面：分析人在熱環(huán)境中的主觀感覺，用心理學(xué)方法區(qū)分環(huán)境的冷熱與舒適程度。由于影響人體熱舒適的因素與條件十分復(fù)雜，從20年代起經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究，綜合不同因素的相互作用，已陸續(xù)提出若干評價熱舒適的指標(biāo)與熱舒適范圍。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)根據(jù)丹麥工業(yè)大學(xué)PO Fanger教授的研究成果制定了ISO 7730標(biāo)準(zhǔn)，《適中的熱環(huán)境——PMV與PPD指標(biāo)的確定及熱舒適條件的確定》。在ISO7730標(biāo)準(zhǔn)中以PMV-PPD指標(biāo)來描述和評價熱環(huán)境。該指標(biāo)綜合考慮了人體活動程度、衣服熱阻(衣著情況)、空氣溫度、空氣濕度、平均輻射溫度、空氣流動速度等6個因素，以滿足人體熱平衡方程為條件，通過主觀感覺試驗(yàn)確定出的絕大多數(shù)人的冷暖感覺等級。上述研究成果及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)形成了以后舒適性熱環(huán)境設(shè)計的依據(jù)。