影響氣體冷卻服熱舒適性因素的實驗

劉何清，高黎穎，游 波，吳世先，米立華，陳 芬，朱凱穎

(湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

0 引 言

長時間暴露于高溫高濕環(huán)境中，勞動者的皮膚溫度顯著上升，出汗量增加，容易出現(xiàn)脫水癥狀[1]。當(dāng)皮膚溫度與環(huán)境溫度接近時，人體主要依靠蒸發(fā)散熱，散熱能力大大降低，嚴重威脅著勞動人員的生命安全[2]。由于冷卻服價格低廉、使用方便，已成為高溫環(huán)境中改善人體熱舒適性的最佳選擇。

冷卻服可分為全身型和局部型2種，全身型主要應(yīng)用于航空航天、消防等特殊行業(yè)，局部型主要應(yīng)用于礦山、醫(yī)療等民用行業(yè)[3]。局部型氣體冷卻服在礦山行業(yè)使用范圍較廣，主要通過改善衣內(nèi)微空間環(huán)境來強化人體散熱，改善人體熱舒適性。

關(guān)于人體熱舒適性已有大量研究，代表性成果是Fanger提出的熱舒適方程及熱舒適評價模型PMV[4-7]：闡明了影響人體熱舒適性的主要因素有4個環(huán)境因素(溫度、濕度、風(fēng)速、平均輻射溫度)和2個人的因素(新陳代謝率、著裝熱阻)，將服裝作為人體的組成部分，討論服裝以外空間環(huán)境參數(shù)對人體熱舒適性的影響。而筆者討論穿著氣體冷卻服的人體體表與冷卻服內(nèi)表面之間的內(nèi)部微空間環(huán)境參數(shù)對人體熱舒適性的影響。因此，主要影響因素為除服裝熱阻以外的其它5個因素。目前，關(guān)于衣內(nèi)微空間環(huán)境參數(shù)對人體熱舒適性報導(dǎo)較少，如氣冷服內(nèi)通氣溫度、濕度、風(fēng)量均會影響人體散熱[8]。通入空氣溫度過高將影響體表對流換熱量，使得潛熱散熱比例增大；通入空氣濕度較高將影響體表水分蒸發(fā)及蒸發(fā)散熱量。理論上，增加通入空氣量，將加大衣內(nèi)微空間氣流速度，強化對流換熱、換濕，提高體表散熱強度[9-11]。但是實際使用過程中，風(fēng)量過大容易導(dǎo)致降溫效率降低，人體的表面可能產(chǎn)生刺痛感，因此需要選擇合適的供風(fēng)溫濕度和流量[12-13]。勞動強度和環(huán)境溫度也對人體散熱和舒適性有較大影響[14-17]。

關(guān)于人體皮膚溫度的研究較多。日本文部省科學(xué)研究院對20～34名男子進行了一年4個季節(jié)皮膚溫度測量[18-19]，結(jié)果表明，夏季上身軀干與四肢的平均皮膚溫度沒有明顯區(qū)別，維持在34 ℃左右，隨著氣溫降低，皮膚溫度也有所下降；對女子的皮膚溫度研究表明，氣溫與皮膚溫度的關(guān)系與性別無關(guān)，且女子的平均皮膚溫度低于男子，女子的平均皮膚溫度一年之內(nèi)的變化幅度為5 ℃；當(dāng)外界環(huán)境為12.5～26.6 ℃時，人體感覺最為舒適，此時的平均皮膚溫度為30.9～34.3 ℃.Fanger在熱舒適研究中對受試者的皮膚溫度與出汗量研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人體處于舒適狀況時，靜坐時的出汗量基本為零，此時的平均皮膚溫度為33～34 ℃；隨著勞動強度的增大，出汗量顯著增加，平均皮膚溫度會有所下降[4]。Mairiaux等根據(jù)實驗研究了環(huán)境因素(風(fēng)速、溫度、濕度)、新陳代謝率、著衣量與皮膚溫度之間的關(guān)系，并得出了這些因素與平均皮膚溫度的數(shù)學(xué)公式[20]。Berger等研究了高溫環(huán)境條件下，不同溫濕度、氣壓條件下的平均皮膚溫度，并給出了相應(yīng)的表達式[21]。Mehnert等采用了9所研究機構(gòu)提供的1 399次實驗數(shù)據(jù)，得出了人體在裸體與穿著服裝2種狀態(tài)下環(huán)境溫度、風(fēng)速、水蒸氣分壓力、平均輻射溫度、新陳代謝率、著衣量等參數(shù)與皮膚溫度的函數(shù)關(guān)系，并得出人體感覺最為舒適時的平均皮膚溫度為33～34 ℃，平均皮膚溫度為31.5 ℃時是人體舒適的下限，靜止?fàn)顟B(tài)的人體的出汗臨界皮膚溫度為34.5～35.5 ℃[22-23].龐誠采用快速皮膚溫度計研究了24名19～22歲男女青年在安靜、無熱輻射的條件下，溫度、空氣流速、濕度等因素對皮膚溫度的影響規(guī)律，結(jié)果表明，這3種環(huán)境因素與皮膚溫度均存在較高的相關(guān)性[24]。楊廷欣利用實驗研究了人體在低溫環(huán)境中，穿著不同厚度服裝時的人體皮膚溫度，探討了人體在低溫時皮膚溫度與時間的相關(guān)性及變化規(guī)律，并根據(jù)測得的皮膚溫度和相關(guān)公式建立了該條件下的人體熱平衡函數(shù)計算方程，對于研究服裝的保暖功能具有實際意義[25]。

上述關(guān)于皮膚溫度的研究，多數(shù)討論的是大氣或建筑環(huán)境內(nèi)、著日常服裝時人體皮膚溫度受環(huán)境參數(shù)的影響規(guī)律。而筆者討論的是著特殊服裝——氣體冷卻服、在高溫高濕環(huán)境從事中重度勞動、通入不同壓縮空氣量時人體皮膚溫度的變化。

基于上述分析及筆者要討論的問題，筆者采用自行研制的以壓縮空氣為冷源的局部冷卻服，通過真人實驗的方法研究不同環(huán)境溫度、勞動強度、通氣量下衣內(nèi)微環(huán)境參數(shù)及人體軀干平均皮膚溫度的變化。并根據(jù)實驗研究結(jié)論論證該款氣冷服的適用性和后續(xù)改進意見。

1 實驗部分

1.1 實驗工藝

受試者上半身穿著氣冷服，下半身穿著長褲，實驗氣冷服采用壓縮空氣為冷源，壓縮氣體通過均勻布置于服裝內(nèi)表面管道上的微孔輸送到衣內(nèi)微空間，利用壓縮空氣膨脹吸熱、蒸發(fā)吸熱和對流散熱等方式實現(xiàn)對人體軀干降溫。

1.2 受試者及實驗設(shè)備

實驗聘請15名研究生作為受試者，男性，平均年齡24歲；身高171±3.6 cm；體重62.4±6.4 kg；受試者身體健康，無不良嗜好。

實驗環(huán)境氣候模擬在湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院人工環(huán)境氣候艙內(nèi)完成，內(nèi)部尺寸為3 m×2.5 m×2.2 m，艙內(nèi)溫度控制范圍-15～50 ℃，濕度控制范圍30%～95%，輻射表面溫度控制范圍10～40 ℃；艙內(nèi)溫度均勻度：工作區(qū)域≤±1 ℃，溫度波動度≤±0.5 ℃；濕度均勻度±3%，濕度波動度±2%.實驗時，利用一等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(最小分度值：0.05 ℃)對實驗過程中的環(huán)境溫度進行校準(zhǔn)。皮膚溫度測量采用DS1922L型熱電偶溫度傳感器(美國MAXIM公司，精度：±0.5 ℃)。根據(jù)測量點位分布的對稱性以及布點規(guī)律，選擇人體上肢軀干10個部位采用透氣醫(yī)用膠布黏貼溫度傳感器。測點分布如下：正面，左胸、右胸、中部、左腹、右腹；后背，左肩胛骨、右肩胛骨、后背中部、左腰、右腰。衣內(nèi)微氣候(風(fēng)速、溫濕度)采用意大利Delta公司生產(chǎn)的HD29型傳感器測量(風(fēng)速：0～1 m/s，精度：≤±(0.06 m/s+2%測量值))；溫度：-10～+60 ℃，精度：≤±0.3 ℃；相對濕度：量程：5%～98%RH，精度：≤±2%(5%～90%RH)，≤±2.5%remaining range)，實驗時，分別固定于氣冷服內(nèi)表面的前、后、左、右4個部位，測量數(shù)據(jù)自動傳輸?shù)桨步輦悢?shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)存儲與讀取。衣內(nèi)壓縮空氣由空壓機(最大供氣量50.4 m3/h)提供，壓縮空氣供氣管上設(shè)置德國CS公司生產(chǎn)的VA420流量傳感器(精度：±(2%測量值+0.3%滿量程))，用于測量供氣流量。勞動強度通過跑步機模擬實現(xiàn)。

1.3 實驗工況

實驗環(huán)境艙內(nèi)風(fēng)速小于0.05 m/s，通入衣內(nèi)的壓縮空氣壓力為0.8 MPa，溫度為29～31 ℃.

實驗工況設(shè)置如下：環(huán)境相對濕度90%；環(huán)境溫度24，26，28，30，32，34 ℃；勞動強度為中度勞動(5 km/h，276 W)和重度勞動(7.5 km/h，505 W)[13-14]，通風(fēng)量10，14 m3/h.

受試者在環(huán)境艙內(nèi)停留總時間為45 min，前5 min為熱適應(yīng)時間，40 min為按預(yù)設(shè)勞動強度實際跑步時間。

1.4 數(shù)據(jù)分析

皮膚溫度、衣內(nèi)風(fēng)速、溫濕度數(shù)據(jù)均以平均值和方差表示。平均皮膚溫度為人體軀干10個部位皮膚溫度的平均值。利用SPSS軟件對相關(guān)數(shù)據(jù)進行相關(guān)性和t檢驗分析。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 衣內(nèi)微空間氣候參數(shù)

2.1.1 衣內(nèi)微空間風(fēng)速

不同環(huán)境溫度、勞動強度和風(fēng)量下衣內(nèi)微空間風(fēng)速，如圖1所示。圖1中所示數(shù)值為運動過程中測量的風(fēng)速。為了探討由運動強度帶來的風(fēng)速誤差，測量了跑步姿態(tài)(上體處于前傾姿態(tài))下靜態(tài)(不跑步)時的衣內(nèi)微空間風(fēng)速，見表1.

表1 運動狀態(tài)與靜態(tài)時的衣內(nèi)微空間風(fēng)速均值及其差值Table 1 Mean value and difference of wind speed in the clothing space under the state of motion and static

注：均值表示在24～34 ℃時各部位對應(yīng)條件下風(fēng)速的平均值。

1)跑步姿態(tài)(靜態(tài))下衣內(nèi)平均風(fēng)速均表現(xiàn)為：后背和右側(cè)風(fēng)速較大；送風(fēng)量增大，各部位風(fēng)速均有微小增加；而運動狀態(tài)下衣內(nèi)平均風(fēng)速卻表現(xiàn)為后背風(fēng)速最小。

2)比較靜態(tài)與運動狀態(tài)的后背衣內(nèi)風(fēng)速發(fā)現(xiàn)，平均風(fēng)速大小比較接近，而其它部位卻相差較大。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因。

1)實驗以跑步運動模擬不同勞動強度，跑步過程中HD29型傳感器會不同程度出現(xiàn)擺動現(xiàn)象；傳感器的擺動，造成運動狀態(tài)下實測衣內(nèi)微空間風(fēng)速失真，但不同部位失真誤差不同；

圖1 不同部位衣內(nèi)微空間風(fēng)速Fig.1 Wind speed in different parts of the garment

2)由于跑步時人體姿態(tài)為前傾姿態(tài)，造成后背氣冷服基本緊貼體表，衣內(nèi)空間主要由供氣管支撐形成空間，空間較小，傳感器擺動受限，因此，背風(fēng)衣內(nèi)空間風(fēng)速測量值失真較??；

3)由于跑步時人體姿態(tài)為前傾姿態(tài)，造成前側(cè)、左右側(cè)氣冷服遠離體表，衣內(nèi)空間較大，傳感器懸吊在衣內(nèi)空間內(nèi)，傳感器擺動自由度較大。因此，前側(cè)、左右側(cè)衣內(nèi)空間風(fēng)速測量值失真較大，且表現(xiàn)為跑步速度越快、擺動頻率越大，致使前側(cè)與左右兩側(cè)衣內(nèi)空間風(fēng)速測量值失真越大。

基于上述原因，說明跑步期間實測衣內(nèi)空間風(fēng)速不能代表空間真實風(fēng)速。文中后續(xù)分析基于靜態(tài)測量值進行。

2.1.2 衣內(nèi)濕度分析

不同環(huán)境溫度、勞動強度和風(fēng)量下，衣內(nèi)空間空氣相對濕度變化如圖2所示。

1)隨著環(huán)境溫度上升，后背衣內(nèi)空間空氣相對濕度僅在中度狀態(tài)(10 m3/h)未達到飽和狀態(tài)，約在65%～80%(但依然高于其它部位)，其它工況均達到飽和狀態(tài)；

2)左右兩側(cè)衣內(nèi)空間空氣相對濕度基本不隨環(huán)境溫度變化而變化，中度勞動變化在50%～65%，重度勞動約變化在65%～75%；胸前衣內(nèi)空間空氣相對濕度在較高環(huán)境溫度下(≥30 ℃)才表現(xiàn)出較明顯上升，但實驗環(huán)境溫度范圍內(nèi)，沒能達到飽和狀態(tài)。

基于實測衣內(nèi)空間空氣溫度、相對濕度大小，計算得出各部位衣內(nèi)空氣含濕量變化如圖3所示。

由圖2，圖3可發(fā)現(xiàn)

1)各部位衣內(nèi)空間空氣含濕量總體表現(xiàn)為隨環(huán)境溫度的升高而增大的現(xiàn)象。說明隨環(huán)境溫度升高，衣內(nèi)空間空氣溫度升高，皮膚溫度升高，汗液蒸發(fā)量增加；

2)相同條件下，后背衣內(nèi)空間空氣的含濕量最大，其它部位基本接近。說明單位壓縮空氣進入衣內(nèi)空間后，后背部位壓縮空氣吸收水蒸氣量最大，若各開孔出氣量相近，則表明后背皮膚蒸發(fā)量最大；

3)相同通氣量情況下，重度勞動時衣內(nèi)各部位空間空氣相對濕度較中度勞動有顯著增加；各部位衣內(nèi)空間空氣含濕量也基本表現(xiàn)為重度勞動強度大于中度勞動強度。說明勞動強度大，出汗量越大，蒸發(fā)量也相應(yīng)有所增加；

圖2 不同勞動強度、通風(fēng)量和環(huán)境溫度下的各部位衣內(nèi)濕度Fig.2 Humidity of various parts under different labor intensity，ventilation and ambient temperature

圖3 各部位含濕量隨環(huán)境溫度變化對比圖Fig.3 Comparison of moisture content of each part with ambient temperature

4)相同勞動強度下，通入壓縮空氣量變化對各部位衣內(nèi)空間空氣相對濕度、含濕量均無明顯影響。說明在實驗條件下通入的壓縮空氣量范圍內(nèi)，對體表汗液蒸發(fā)沒有明顯的影響；

5)實驗時，不同環(huán)境溫度下環(huán)境艙內(nèi)相對濕度均維持在90%，均較相同環(huán)境溫度下前胸、左右兩側(cè)相對濕度大，表明跑步運動過程中環(huán)境艙參數(shù)對衣內(nèi)微環(huán)境參數(shù)影響不明顯，表明送入氣冷服衣內(nèi)的壓縮空氣還具有容納水蒸氣的能力，通過合理的組織供氣部位與開孔密度，氣冷服的冷卻能力還有提高的可能。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的可能原因如下

1)后背衣內(nèi)空間小，氣冷服衣內(nèi)供氣管及供氣開孔出流緊貼后背皮膚表面，開孔出流有效提高皮膚表面對流傳質(zhì)傳熱系數(shù)，皮膚表面蒸發(fā)效率高；

2)胸前、左右衣內(nèi)空間較大，衣內(nèi)供氣管及供氣開孔出流遠離皮膚表面，一是通入的壓縮空氣不能直接作用于皮膚表面；二是壓縮空氣進入衣內(nèi)空間，先帶動衣內(nèi)空間空氣流動，產(chǎn)生紊動風(fēng)流，之后對皮膚表面對流傳質(zhì)、傳熱系數(shù)產(chǎn)生影響；因此，造成胸前、左右皮膚表面蒸發(fā)效果較差。

2.1.3 衣內(nèi)溫度分析

不同環(huán)境溫度、勞動強度和通氣量下衣內(nèi)空間溫度如圖4所示。

圖4 不同勞動強度、通風(fēng)量和環(huán)境溫度下各部位衣內(nèi)空間溫度Fig.4 Temperature of the interior of each part under different labor intensity，ventilation and ambient temperature

由圖4可以發(fā)現(xiàn)

1)相同勞動強度和通氣量，各部位衣內(nèi)空間溫度均隨環(huán)境溫度上升而增高；

2)相同通氣量條件下，各部位衣內(nèi)空間溫度基本表現(xiàn)為重度勞動較中度勞動低的現(xiàn)象，且胸前、后背下降幅度較左右兩側(cè)大。說明勞動強度增加，蒸發(fā)吸熱量增加；

3)等勞動強度、不同環(huán)境溫度下，通氣量為14 m3/h時的胸前衣內(nèi)空間溫度均高于10 m3/h時的?？赡艿脑蚴峭ㄈ雺嚎s空氣溫度較高，結(jié)合前胸衣內(nèi)風(fēng)速極小的現(xiàn)象，可推測前胸衣內(nèi)空間汗液蒸發(fā)量較小，蒸發(fā)吸熱量較小，從而造成該現(xiàn)象的發(fā)生；

4)在重度勞動下，除胸前部位外，其它部位衣內(nèi)空間溫度均出現(xiàn)隨通氣量增加而降低現(xiàn)象(在實驗設(shè)置環(huán)境溫度范圍內(nèi))。重度勞動出汗量大，蒸發(fā)量較大；

5)在中度勞動強度時，大多數(shù)環(huán)境溫度下(胸前24～34 ℃，后背30～34 ℃，左側(cè)26～34 ℃，右側(cè)28～34 ℃)衣內(nèi)空間溫度出現(xiàn)隨通氣量增加而升高的現(xiàn)象?？赡艿脑蚴峭ㄈ雺嚎s空氣溫度較高，中度勞動出汗量較小，蒸發(fā)吸熱較??；

6)相同條件下，基本表現(xiàn)出后背衣內(nèi)空間溫度較其它部位稍低。結(jié)合含濕量的分析，后背皮膚蒸發(fā)散熱量較其它部位要大，壓縮空氣冷卻效果優(yōu)于其他部位。

綜合上述現(xiàn)象可推斷，汗液蒸發(fā)吸熱是影響衣內(nèi)空間溫度的重要因素。

2.2 皮膚溫度

不同勞動強度、送風(fēng)量情況下，人體上體軀干平均皮膚溫度見表2.表2中平均皮膚溫度為10個部位傳感器溫度測量值的算術(shù)平均值。

表2 不同環(huán)境溫度、勞動強度和通風(fēng)量下人體軀干平均皮膚溫度Table 2 Average skin temperature of human torso under different ambient temperature，labor intensity and ventilation

注：#表示不同風(fēng)量之間的配對t檢驗(#p<0.05)；*表示不同勞動強度之間的配對t檢驗(**p<0.01，***p<0.001)。

由表2可發(fā)現(xiàn)

1)在相同勞動強度和通風(fēng)量時，利用皮爾遜相關(guān)性分析平均皮膚溫度與環(huán)境溫度之間的相關(guān)性，結(jié)果表明兩者之間存在顯著正相關(guān)(n=15，r>0.9)，環(huán)境溫度對上體軀干皮膚溫度影響顯著；表現(xiàn)為環(huán)境溫度升高，上體軀干皮膚平均溫度升高；

2)在相同環(huán)境溫度和勞動強度，當(dāng)環(huán)境溫度高于26 ℃時，增大通風(fēng)量對皮膚溫度無顯著影響(p>0.05)，僅在24 ℃時具有統(tǒng)計意義(p<0.05)；

3)在相同環(huán)境溫度和通風(fēng)量，當(dāng)環(huán)境溫度達到或者高于30 ℃時，皮膚溫度容易受到勞動強度的影響(p<0.01)，皮膚溫度小幅下降(0.2～1.0 ℃)；

4)當(dāng)人體處于中等和重度勞動時，皮膚溫度處于30～33 ℃時人體感覺舒適[15]。實驗通氣量及環(huán)境溫度范圍內(nèi)，上體皮膚溫度基本處在舒適范圍內(nèi)。

基于上述不同勞動強度、送風(fēng)量情況下，人體上體軀干平均皮膚溫度，等通氣量下、等勞動強度下各部位皮膚溫度隨環(huán)境溫度變化如圖5所示。

圖5 各部位皮膚溫度對比圖Fig.5 Comparison of skin temperature of each part

由圖5可發(fā)現(xiàn)

1)等通氣量下，基本表現(xiàn)出勞動強度越大各部位皮膚溫度越小；

2)等勞動強度下，基本表現(xiàn)出通氣量越大各部位皮膚溫度越小。

上述現(xiàn)象進一步說明，汗液蒸發(fā)吸熱是影響皮膚溫度的主要因素。

3 結(jié) 論

1)環(huán)境溫度、體表及衣內(nèi)空間汗液蒸發(fā)吸熱是影響衣內(nèi)空間空氣溫度、含濕量及皮膚溫度的主要因素；

2)影響體表汗液蒸發(fā)的主要因素是體表氣流速度、勞動強度及通入壓縮空氣水蒸氣分壓力；體表氣流速度影響體表對流傳質(zhì)、傳熱系數(shù)，影響體表汗液蒸發(fā)強度；通入壓縮空氣的水蒸氣分壓力影響衣內(nèi)空間空氣可容納水蒸氣的量，影響衣內(nèi)空間汗液蒸發(fā)吸熱總量，影響氣冷服降溫幅度；

3)影響運動人體衣內(nèi)空間不同部位氣流速度的主要因素是各部位空間大小及通入壓縮空氣量；

4)根據(jù)衣內(nèi)空間空氣相對濕度的表現(xiàn)，前胸、左右兩側(cè)衣內(nèi)空氣還有容納水蒸氣能力，還有待通過改進氣冷服結(jié)構(gòu)、壓縮空氣管及開孔布局，充分利用汗液蒸發(fā)吸熱的作用，提高氣冷服的降溫效果。