太陽輻射作用下不同活動水平的室內人體傳熱特性及熱舒適研究

劉國丹 喬美杰 紀銥行 胡松濤 梁樹維 趙一舟 王甫來 丁肇翔

(1 青島理工大學環境與市政工程學院 青島 266520;2 青島國際機場集團有限公司 青島 266317)

在帶有玻璃幕墻、落地窗等透明圍護結構的建筑中,太陽輻射對室內人體熱感覺與熱舒適影響顯著。直射人體的太陽輻射,會改變人體皮膚溫度,影響人體熱平衡。非直射人體的太陽輻射會使室內平均輻射溫度升高,影響人體與周圍環境的傳熱,同時也會導致人體熱生理參數和熱感覺的變化。

S. G. Hodder等[1]對不同太陽輻射強度對人體熱舒適影響的研究發現,太陽輻射強度增加200 W/m2,靜坐人體熱感覺會增加一個熱感覺標尺,在太陽輻射對人體熱舒適的影響中,平均皮膚溫度起主導作用。F. Thellier等[2]建立了室內的太陽輻射分布及其在人體各部位的詳細分布模型,用于計算入射至室內的太陽輻射通量以及太陽輻射對人體皮膚溫度、熱感覺等的影響。陳曉偉[3]通過冬季現場實測發現,合理利用太陽輻射可以使人體局部變暖,達到熱中性,且不會引起人體熱不舒適。Liu Guodan等[4]進行了靜坐狀態下人體不同照射面積的實驗研究,發現隨著照射面積增加,對流和蒸發傳熱占比增加,輻射傳熱量占比減少,總熱損失降低,人體的熱感覺逐漸升高,太陽輻射可顯著改變人體的熱感覺。王志欣[5]利用太陽輻射裝置模擬太陽直射靜坐人體,發現太陽輻射影響下平均皮膚溫度升高0.39 ℃,熱感覺平均升高0.64,太陽輻射能顯著降低環境的熱中性操作溫度。袁宸章等[6]通過實驗平臺實測數據計算了太陽輻射作用下的不對稱輻射溫度ΔTpr,發現太陽輻射在距南外窗1 m處造成了顯著的輻射不對稱環境。太陽輻射作用將導致人體短波輻射不對稱[7],且在太陽輻射作用下室內圍護結構溫度變化導致人體長波輻射不對稱[8]。太陽輻射對人體熱反應的影響引發諸多學者關注。

在實際情況中,人們的活動狀態并不局限于靜坐狀態,活動水平的變化也將引起人體傳熱特性與熱舒適變化。當活動水平增加時,人體的代謝率與產熱量增加,體溫調節系統進行相應調節,熱感覺和各項生理參數會產生變化。

A. P. Gagge等[9]研究了不同環境溫度下運動人體的熱感覺、熱舒適與部分生理參數之間的關系,發現熱不舒適主要與皮膚出汗有關,皮膚電導率增量與不適感增量密切相關。在運動開始后代謝增加引起的瞬變過程中,熱感覺及舒適感與平均皮膚溫度的升高有關。王海英[10]研究了中等活動水平的人體熱舒適,分析了活動水平對生理參數的影響,認為平均皮膚溫度可作為中等活動水平下評價熱舒適性的生理指標。N. Gerrett等[11]對人體處于中高度活動水平下局部熱舒適度的研究中發現,皮膚濕潤度和皮膚電導率均可預測熱不舒適。Gao Siru等[12-13]研究了人員站立和在跑步機上運動時對環境溫度需求的變化,發現由于活動水平的提高,人體需求環境溫度下降,以維持自身舒適感。Zhai Yongchao等[14]對處于中度活動水平(3～4.5 met)的人員在有無空氣流動時的偏好溫度的研究中發現,在運動中,人們更喜歡溫暖的感覺;運動時的熱舒適狀態與靜坐時不同,運動中處于熱舒適狀態的人體皮膚溫度比靜坐時更低。

太陽輻射得熱,加之活動水平提高引起的代謝產熱增加,均會影響人體熱負荷。本文實測研究了太陽輻射與活動水平綜合作用于人體時,太陽輻射引起的人體與周圍環境間傳熱特性的變化,分析活動人體處于太陽輻射條件下的標準有效溫度和熱舒適區變化,為具有太陽輻射影響下的建筑或空間熱舒適標準制訂提供參考。

1 人體熱狀態評價指標

為便于判斷人體的熱狀態,綜合考慮不同的服裝熱阻和活動水平兩個因素,A. Gagge等[15]提出標準有效溫度SET(standard effective temperature),可以很好地預測人體排汗時的不舒適感,也可以描述各種衣著條件、活動強度和環境變量的情況。本文關注不同活動強度的熱感覺變化,因此采用標準有效溫度SET為指標,分析太陽輻射與活動水平對人體熱狀態的影響。

在SET的計算過程中,參考P. O. Fanger[16]的研究,汗液蒸發散熱量Ersw的計算式如下:

Ersw=0.42(M-W-58.2)

(1)

式中:Ersw為汗液蒸發散熱量,W/m2;M為代謝率,W/m2;W為人體所做機械功,W/m2。

但式(1)僅適用于較低活動水平,受試者基本不出汗或出汗量很少的情況。根據Wang Haiying等[17]的研究,存在一定活動強度時,式(1)計算的汗液蒸發散熱量偏小,使計算結果引起誤差,因此汗液蒸發散熱量Ersw采用下式計算更為準確:

(2)

rev=1-ω2/2

(3)

(4)

(5)

2 太陽輻射影響下人體傳熱量的理論計算

2.1 人體的熱平衡

正常條件下,人體處于一個產熱和散熱平衡的狀態。機體通過新陳代謝產生熱量,一方面用于對外做功消耗,另一方面用于同周圍環境之間進行熱交換,包括對流傳熱、輻射傳熱及蒸發傳熱。

人體的熱平衡方程:

M-W=C+R+E+S

(6)

式中:C為人體同環境之間的對流傳熱量,W/m2;R為人體同環境的輻射散熱量,W/m2;E為人體蒸發散熱量,W/m2;S為人體蓄熱率,W/m2。

2.2 太陽輻射下人體與環境之間的熱交換理論計算

1)太陽輻射下著裝人體外表面的平均溫度

在P. O. Fanger[16]提出的PMV方程中,著裝人體外表面的平均溫度是根據人體熱平衡關系式得出的,即在穩態條件下,皮膚表面與服裝表面的傳熱量等于服裝外表面與環境之間的對流及輻射傳熱量之和。

圖1 太陽輻射對服裝外表面傳熱的影響

當環境中不存在太陽輻射時,服裝表面的溫度可根據式(7)計算:

tcl=35.7-0.027 5(M-W)-Icl(R+C)

(7)

式中:tcl為服裝外表面溫度,℃;Icl為服裝熱阻,clo。

但當環境中存在太陽輻射時,則需要對輻射項R進行修正,考慮太陽輻射(短波輻射)的影響。根據楊睿喬[18]的研究,R考慮壁面長波輻射項R1和太陽輻射項R2兩部分,此時著裝人體外表面的平均溫度可由式(8)計算,其中,R1由式(9)計算,R2由式(10)計算。

tcl=tsk-Icl(R1-R2+C)

(8)

(9)

R2=αfclfefffPI

(10)

整理可得:

(11)

2)對流傳熱量

C主要取決于人體外表面與環境之間的溫差,計算如下:

C=fclhc(tcl-ta)

(12)

3)輻射傳熱量

人體同環境的輻射散熱量R,P. O. Fanger[16]以式(9)進行計算,該式主要考慮了人體與周圍環境壁面間的長波輻射。當人體所處環境存在短波輻射時,尤其太陽輻射,便需要對R項的計算式進行修正。

首先分析輻射傳熱特性,當存在太陽輻射時,輻射傳熱分為兩部分:(1)太陽輻射對人體的短波輻射;(2)人體與周圍表面的長波輻射傳熱。把修正后的R記作R′,由于太陽輻射使人體得熱,故R′的計算式如下:

R′=Rlw-Rsw

(13)

式中:Rlw為長波輻射傳熱量,可由式(9)計算,W/m2;Rsw為短波輻射傳熱量,可由式(10)計算,W/m2。

4)總蒸發散熱量

人體的總蒸發散熱量E可以分為4部分:汗液蒸發散熱量Ersw、皮膚濕擴散散熱量Edif、呼吸時的顯熱散熱量Cres、呼吸時的潛熱散熱量Eres。其中,Ersw與Edif之和為通過皮膚的蒸發散熱量Esk。

(1)根據人體皮膚的蒸發散熱量Esk的定義,可得Esk計算式:

Esk=ωEmax=ωh′imLR(psk-pa)

(14)

式中:Esk為皮膚表面實際蒸發散熱量,W/m2;ω為皮膚濕潤度;Emax為皮膚表面最大潛熱傳熱量,W/m2;h′為總顯熱傳熱系數,W/(m2·K);im總蒸汽滲透效率;LR為劉易斯系數;psk為皮膚表面的飽和水蒸氣分壓力,kPa;pa為環境水蒸氣分壓力,kPa。

(2)呼吸時的顯熱散熱量Cres通過式(15)計算,呼吸時的潛熱散熱量Eres通過式(16)計算。

Cres=0.001 4M(34-ta)

(15)

Eres=0.017 3M(5.867-pa)

(16)

式中:Cres為呼吸時的顯熱損失,W/m2;Eres為呼吸時的潛熱損失,W/m2。

3 實驗概況

實驗在青島理工大學人工氣候室內進行,氣候室示意圖如圖2所示,太陽輻射燈可透過房間A和房間B的透明玻璃窗戶照射受試者。

圖2 氣候室示意圖

實驗共招募16名受試者(8男8女),均為在校大學生。實驗中,模擬冬季室內辦公情況,受試者穿著冬季典型室內服裝,搭配主要為:秋衣、秋褲、工裝外套、工裝褲。通過對單件服裝求和[19],求得套裝熱阻為1.11 clo,當受試者處于坐姿時,考慮椅子的附加熱阻,套裝熱阻為1.21 clo。

實驗中需要測量的實驗參數有:氣候室圍護結構壁面溫度、室內空氣溫度及濕度、室內空氣流速、太陽輻射強度及受試者皮膚溫度。此外還需采用調查問卷的形式收集受試者在實驗過程中的熱感覺、熱舒適、熱可接受度投票、熱期望等投票。

3.1 實驗工況

實驗模擬冬季室內條件,實驗過程中氣候室溫度控制為18 ℃,相對濕度為40%,共設置9個工況?？刂谱兞糠謩e為活動水平和太陽輻射強度。其中,活動水平分別為1、2、3 met,按照標準ASHRAE Standard 55[20],1 met為靜坐狀態,2 met和3 met分別對應步速為3.2 km/h和5 km/h的活動水平;太陽輻射強度按照到達人體處的大小分別為0、200、400 W/m2。各工況簡稱如表1所示。

表1 各工況簡稱

3.2 實驗流程

實驗過程中每個工況時長為70 min,分為20 min的“靜坐”階段(不開太陽輻射燈,為適應階段)、40 min的“照射+運動”階段(為實驗階段),10 min的關燈靜坐恢復階段。其中,20 min的“靜坐”階段是為了排除外界環境對于受試者的干擾,使所有受試者基本處于相同的測試起點。兩次“靜坐”階段結束后以及“照射+運動”階段中每隔10 min進行問卷調查熱感覺,實驗全過程持續測量皮膚溫度及環境參數。

4 人體傳熱特性分析

當受試者處于運動狀態時,服裝實際熱阻會降低,在計算運動狀態下的傳熱量時需要對服裝熱阻值進行修正。降低值可根據下式進行計算[19]:

ΔIcl=0.504Icl+0.002 81v-0.24

(17)

式中:v為步速,步/min。所以本研究中兩種活動水平(3.2 km/h與5 km/h)修正后的服裝熱阻分別為0.57 clo和0.45 clo。

4.1 各工況輻射傳熱量對比

利用式(9)和式(13)計算各工況下的輻射傳熱量,如圖3、圖4所示。

圖3 各工況下長波輻射傳熱量和輻射傳熱量變化

圖4 各工況下對流傳熱量變化

由圖3(a)可知,當人體未受到太陽輻射時,隨著活動水平的增加,人與周圍環境之間的長波輻射傳熱量逐漸增加,這是因為運動會增加人體產熱,皮膚溫度升高,傳熱溫差增加,導致傳熱量增加。

當人體受到200 W/m2的太陽輻射時,隨著活動水平的增加,長波輻射傳熱量也逐漸增加。與此同時,太陽輻射使環境的平均輻射溫度顯著上升,雖然平均皮膚溫度和著裝人體外表面的平均溫度也有所上升,但平均輻射溫度上升幅度更大,因此相對于未受到太陽輻射的情況,長波輻射傳熱量的數值顯著降低。

當人體受到400 W/m2的太陽輻射時,人體與周圍環境之間的長波輻射傳熱方向發生了變化,由于周圍環境平均輻射溫度高于著裝人體外表面的平均溫度與平均皮膚溫度。與站姿運動相比,人體處于坐姿時的有效輻射面積系數與投影面積系數的乘積fefffP更大,服裝表面吸收的太陽輻射熱量也更高,導致受試者在工況400 W/m2-1 met時的著裝人體外表面的平均溫度明顯更高,因此工況400 W/m2-1 met時的長波輻射傳熱量的絕對值比工況400 W/m2-2 met和400 W/m2-3 met對應的絕對值更大。在工況400 W/m2-1 met下,人體平均皮膚溫度低于著裝人體外表面的平均溫度,而在工況400 W/m2-2 met和400 W/m2-3 met下,人體平均皮膚溫度則高于著裝人體外表面的平均溫度,這是由于人體運動產生的熱量使人體平均皮膚溫度升高。當人體平均皮膚溫度高于著裝人體外表面的平均溫度時,皮膚會向服裝傳遞熱量,使著裝人體外表面的平均溫度升高,由于工況400 W/m2-2 met與400 W/m2-3 met的平均輻射溫度相同,因此工況400 W/m2-3 met下著裝人體外表面的平均溫度更高,這導致周圍環境通過長波輻射向人體傳遞的熱量比工況400 W/m2-2 met小。

圖3(b)所示為人體與環境之間的輻射傳熱量R′的變化,該圖是通過式(13)計算得出的,考慮了短波輻射對人體傳熱量的直接影響。由圖3(b)可知,當周圍環境太陽輻射達到200 W/m2及以上時,人體與環境之間的輻射傳熱將是人體得熱。然而隨著人體活動水平的增加,輻射得熱量逐漸降低,這是因為人體為了維持在高產熱與高得熱狀態下的熱平衡,需散出更多的熱量。

4.2 各工況對流傳熱量對比

利用式(12)計算各工況下對流傳熱量,如圖4所示。

由圖4可知,當人體未受到太陽輻射時,隨著活動水平的增加,人體對流傳熱量逐漸增加,這是由于運動增加了人體產熱,皮膚溫度升高,進而使著裝人體外表面的平均溫度升高。本研究環境溫度保持不變,因此,對流傳熱量與著裝人體外表面的平均溫度成正相關。

當人體受到200 W/m2的太陽輻射時,隨著活動水平的增加,對流傳熱量逐漸增加,但增幅比無太陽輻射時小,這是因為太陽輻射相比于活動水平,對著裝人體外表面的平均溫度影響更顯著,能直接與服裝表面進行輻射傳熱。而人體活動時,受試者皮膚溫度升高,然后通過熱傳遞,使著裝人體外表面的平均溫度升高,但相比于太陽得熱導致的服裝溫度的升高而言,幅度較小,所以對流傳熱量的增幅也較小。

當人體受到400 W/m2的太陽輻射時,環境平均輻射溫度高于著裝人體外表面的平均溫度和平均皮膚溫度,環境通過長波輻射向人體傳熱。在工況400 W/m2-1 met下,人體受到的輻射熱量最高,著裝人體外表面的平均溫度相比于其他工況也最高,所以工況400 W/m2-1 met下的對流傳熱量最高。而從工況400 W/m2-2 met至工況400 W/m2-3 met,隨著著裝人體外表面的平均溫度升高,對流傳熱量呈上升趨勢。

當人體活動水平一定時,太陽輻射對于著裝人體外表面的平均溫度的影響更直接更顯著。隨著太陽輻射強度的增加,著裝人體外表面的平均溫度相應增加,導致人體與環境的對流傳熱量逐漸增加。

4.3 各工況總蒸發散熱量對比

圖5所示為各工況下總蒸發散熱量的變化,由式(2)～式(5)、式(14)～式(16)計算得到。

圖5 各工況下總蒸發散熱量變化

由圖5可知,當人體受到的太陽輻射強度一定時,隨著活動水平的增加,總蒸發散熱量顯著增加。這是由于活動水平的增加導致人體代謝率和皮膚濕潤度的增加。當人體活動水平一定時,隨著太陽輻射強度的增加,一方面太陽輻射會小幅度提高人體代謝率,另一方面會提高人體的平均皮膚溫度,因此總蒸發散熱量也會隨之增加。

4.4 不同形式傳熱量占比分析

圖6所示為各工況下的輻射傳熱量、對流傳熱量及蒸發散熱量的占比。

圖6 各工況下輻射傳熱量、對流傳熱量以及總蒸發散熱量的占比

由圖6可知,當人體受到的太陽輻射強度不變時,隨著人體活動水平的增加,蒸發散熱量占比會逐漸上升,對流傳熱量占比與輻射傳熱量占比均會下降,這也表明蒸發散熱量與活動強度呈正相關。

當人體的活動水平不變時,若受到的太陽輻射強度從200 W/m2增至400 W/m2,輻射傳熱量占比約增加20%,此時是人體是輻射得熱,說明太陽輻射對人體熱感覺的影響顯著。

5 熱感覺與熱負荷關聯性分析

5.1 熱感覺投票

圖7所示為各工況下的熱感覺投票TSV (thermal sensation vote)情況繪制成的3D散點圖。

圖7 各工況下的熱感覺投票情況

由圖7可知,隨著輻射強度和活動水平增加,受試者的熱感覺投票逐漸增大,代表受試者在相應環境下熱意更明顯。當受試者不接受太陽輻射時,在18 ℃的環境溫度下,靜坐狀態的受試者熱感覺投票在-1～-0.5之間,說明受試者感覺偏冷,假如此時受試者進行一定強度的活動或接受一定強度的太陽輻射,受試者的熱感覺有較大提升,活動水平為2 met時,熱感覺變化ΔTSV為1.53,太陽輻射強度為200 W/m2時,熱感覺變化ΔTSV為2。

5.2 熱感覺與熱負荷關聯性分析

太陽直射活動人體時熱感覺投票TSV與熱負荷S之間的關系如圖8所示。

圖8 TSV與熱負荷S之間的關系

由圖8可知,當太陽輻射強度一定時,隨著人體熱負荷的增加,TSV逐漸增加。當考慮太陽輻射與活動水平的綜合作用對人體熱感覺的影響時,TSV的整體趨勢仍隨著熱負荷的增加而上升。因此熱感覺與熱負荷關聯性顯著。

6 標準有效溫度及熱舒適區的變化規律

研究太陽輻射影響下不均勻熱環境的人體熱舒適,實驗中有高代謝率的運動狀態,因此借鑒PMV(predicted mean vote)指標對熱環境等級的劃分標準,探討太陽輻射影響下不同熱環境標準和活動水平的人體熱舒適區變化。

使用MATLAB軟件編程,計算得出不同實驗工況下的標準有效溫度TSET,如表2所示。

表2 實驗各工況下的標準有效溫度

由表2可知,隨著活動強度的增加或太陽輻射強度的增加,標準有效溫度均會增加。這是由于人體受到太陽輻射或處于運動狀態時,皮膚溫度和皮膚濕潤度升高,熱感覺也會相應增加,對應到標準環境中時,標準環境的空氣溫度就會增加。

為研究太陽輻射對不同活動水平人體熱舒適區的影響,分別計算得到太陽直射活動人體時TSV與TSET之間的擬合關系式如式(18)所示,擬合度為0.755。太陽直射靜坐人員時TSV與TSET之間的擬合關系式如式(19)所示,擬合度為0.956。無太陽輻射時TSV與TSET之間的擬合關系式如式(20)所示,擬合度為0.999。

TSV=0.200 7TSET-4.439 4

(18)

TSV=0.404 2TSET-10.068 4

(19)

TSV=0.418 7TSET-10.859 5

(20)

研究借鑒ISO-7730[21]中對熱環境的劃分標準,劃分了有一定活動水平下不均勻環境人體熱感覺的三個等級:TSV∈(-0.2,0.2)為A等級;TSV∈(-0.5,0.5)為B等級;TSV∈(-0.7,0.7)為C等級?；谏鲜鋈齻€等級,再結合式(18)～式(20)即可計算得出不同熱感覺等級下的標準有效溫度范圍,其中TSET1表示太陽直射活動人體時的標準有效溫度范圍,TSET2表示太陽直射靜坐人體時的標準有效溫度范圍,TSET3表示未受到太陽輻射靜坐人體的標準有效溫度范圍,如表3所示。

表3 不同熱感覺等級下TSET的范圍

根據繪制舒適區時相對濕度為30%～60%的限定,將TSET1、TSET2、TSET3對應的舒適區繪制于焓濕圖中,舒適區的適用條件為服裝熱阻為1.11 clo,代謝率處于1～3.51 met,如圖9所示。

圖9 太陽直射活動人員時舒適區的偏移

由圖9可知,隨著熱感覺等級從A等級到C等級,熱舒適區的溫度范圍越來越大,這是由于人體的相對不滿意率逐漸增加,舒適環境溫度取值范圍可以放寬。

與處于太陽輻射/靜坐條件下的舒適區相比,處于太陽輻射與活動水平共同作用下人體的舒適區溫度下限和上限均更低,舒適區向下偏移。表明當在太陽輻射下,人員處于活動狀態時可以接受更低的室內溫度。

與處于無太陽輻射/靜坐條件下的舒適區相比,處于太陽輻射與活動水平共同作用下的舒適區向下偏移程度更顯著。表明在太陽輻射下,人員處于活動狀態時,維持舒適所需的室內溫度同樣會更低。

7 結論

本文在人工氣候室利用太陽輻射模擬裝置控制太陽輻射強度,使受試者分別進行靜坐與兩種步速(3.2、5 km/h)活動,研究了不同太陽輻射強度與不同活動水平共同作用下的人體傳熱特性、標準有效溫度及熱舒適區變化,得到結論如下:

1)在太陽輻射的影響下,即環境通過輻射方式向人體傳熱。當太陽輻射強度一定時,隨著活動水平增加,人體吸熱量減小。在太陽輻射和活動水平的共同作用下,人體總蒸發散熱量會顯著增加。分析不同形式的傳熱量占比,太陽輻射強度一定時,隨著活動水平的增加,總蒸發散熱量占比會增加,對流傳熱量和輻射傳熱量占比均會減少。

2)在太陽直射活動人體時,熱感覺與各分項傳熱量均有較好的相關性,熱感覺隨著對流傳熱量的增加而增加,隨著輻射傳熱量的降低而升高,隨著蒸發傳熱量的增加而增加,且熱感覺會隨著人體熱負荷的增加而增加。

3)太陽直射活動人體時,與無太陽輻射/靜坐條件下的舒適區相比,熱舒適區向下偏移,人體維持熱舒適所需的室內環境溫度會更低。研究成果可為空調房間室內參數的設定提供參考,使空調系統節能性。