太阳辐射作用下不同活动水平的室内人体传热特性及热舒适研究

刘国丹 乔美杰 纪铱行 胡松涛 梁树维 赵一舟 王甫来 丁肇翔

(1 青岛理工大学环境与市政工程学院 青岛 266520;2 青岛国际机场集团有限公司 青岛 266317)

在带有玻璃幕墙、落地窗等透明围护结构的建筑中,太阳辐射对室内人体热感觉与热舒适影响显著。直射人体的太阳辐射,会改变人体皮肤温度,影响人体热平衡。非直射人体的太阳辐射会使室内平均辐射温度升高,影响人体与周围环境的传热,同时也会导致人体热生理参数和热感觉的变化。

S. G. Hodder等[1]对不同太阳辐射强度对人体热舒适影响的研究发现,太阳辐射强度增加200 W/m2,静坐人体热感觉会增加一个热感觉标尺,在太阳辐射对人体热舒适的影响中,平均皮肤温度起主导作用。F. Thellier等[2]建立了室内的太阳辐射分布及其在人体各部位的详细分布模型,用于计算入射至室内的太阳辐射通量以及太阳辐射对人体皮肤温度、热感觉等的影响。陈晓伟[3]通过冬季现场实测发现,合理利用太阳辐射可以使人体局部变暖,达到热中性,且不会引起人体热不舒适。Liu Guodan等[4]进行了静坐状态下人体不同照射面积的实验研究,发现随着照射面积增加,对流和蒸发传热占比增加,辐射传热量占比减少,总热损失降低,人体的热感觉逐渐升高,太阳辐射可显著改变人体的热感觉。王志欣[5]利用太阳辐射装置模拟太阳直射静坐人体,发现太阳辐射影响下平均皮肤温度升高0.39 ℃,热感觉平均升高0.64,太阳辐射能显著降低环境的热中性操作温度。袁宸章等[6]通过实验平台实测数据计算了太阳辐射作用下的不对称辐射温度ΔTpr,发现太阳辐射在距南外窗1 m处造成了显著的辐射不对称环境。太阳辐射作用将导致人体短波辐射不对称[7],且在太阳辐射作用下室内围护结构温度变化导致人体长波辐射不对称[8]。太阳辐射对人体热反应的影响引发诸多学者关注。

在实际情况中,人们的活动状态并不局限于静坐状态,活动水平的变化也将引起人体传热特性与热舒适变化。当活动水平增加时,人体的代谢率与产热量增加,体温调节系统进行相应调节,热感觉和各项生理参数会产生变化。

A. P. Gagge等[9]研究了不同环境温度下运动人体的热感觉、热舒适与部分生理参数之间的关系,发现热不舒适主要与皮肤出汗有关,皮肤电导率增量与不适感增量密切相关。在运动开始后代谢增加引起的瞬变过程中,热感觉及舒适感与平均皮肤温度的升高有关。王海英[10]研究了中等活动水平的人体热舒适,分析了活动水平对生理参数的影响,认为平均皮肤温度可作为中等活动水平下评价热舒适性的生理指标。N. Gerrett等[11]对人体处于中高度活动水平下局部热舒适度的研究中发现,皮肤湿润度和皮肤电导率均可预测热不舒适。Gao Siru等[12-13]研究了人员站立和在跑步机上运动时对环境温度需求的变化,发现由于活动水平的提高,人体需求环境温度下降,以维持自身舒适感。Zhai Yongchao等[14]对处于中度活动水平(3～4.5 met)的人员在有无空气流动时的偏好温度的研究中发现,在运动中,人们更喜欢温暖的感觉;运动时的热舒适状态与静坐时不同,运动中处于热舒适状态的人体皮肤温度比静坐时更低。

太阳辐射得热,加之活动水平提高引起的代谢产热增加,均会影响人体热负荷。本文实测研究了太阳辐射与活动水平综合作用于人体时,太阳辐射引起的人体与周围环境间传热特性的变化,分析活动人体处于太阳辐射条件下的标准有效温度和热舒适区变化,为具有太阳辐射影响下的建筑或空间热舒适标准制订提供参考。

1 人体热状态评价指标

为便于判断人体的热状态,综合考虑不同的服装热阻和活动水平两个因素,A. Gagge等[15]提出标准有效温度SET(standard effective temperature),可以很好地预测人体排汗时的不舒适感,也可以描述各种衣着条件、活动强度和环境变量的情况。本文关注不同活动强度的热感觉变化,因此采用标准有效温度SET为指标,分析太阳辐射与活动水平对人体热状态的影响。

在SET的计算过程中,参考P. O. Fanger[16]的研究,汗液蒸发散热量Ersw的计算式如下:

Ersw=0.42(M-W-58.2)

(1)

式中:Ersw为汗液蒸发散热量,W/m2;M为代谢率,W/m2;W为人体所做机械功,W/m2。

但式(1)仅适用于较低活动水平,受试者基本不出汗或出汗量很少的情况。根据Wang Haiying等[17]的研究,存在一定活动强度时,式(1)计算的汗液蒸发散热量偏小,使计算结果引起误差,因此汗液蒸发散热量Ersw采用下式计算更为准确:

(2)

rev=1-ω2/2

(3)

(4)

(5)

2 太阳辐射影响下人体传热量的理论计算

2.1 人体的热平衡

正常条件下,人体处于一个产热和散热平衡的状态。机体通过新陈代谢产生热量,一方面用于对外做功消耗,另一方面用于同周围环境之间进行热交换,包括对流传热、辐射传热及蒸发传热。

人体的热平衡方程:

M-W=C+R+E+S

(6)

式中:C为人体同环境之间的对流传热量,W/m2;R为人体同环境的辐射散热量,W/m2;E为人体蒸发散热量,W/m2;S为人体蓄热率,W/m2。

2.2 太阳辐射下人体与环境之间的热交换理论计算

1)太阳辐射下着装人体外表面的平均温度

在P. O. Fanger[16]提出的PMV方程中,着装人体外表面的平均温度是根据人体热平衡关系式得出的,即在稳态条件下,皮肤表面与服装表面的传热量等于服装外表面与环境之间的对流及辐射传热量之和。

图1 太阳辐射对服装外表面传热的影响

当环境中不存在太阳辐射时,服装表面的温度可根据式(7)计算:

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

(7)

式中:tcl为服装外表面温度,℃;Icl为服装热阻,clo。

但当环境中存在太阳辐射时,则需要对辐射项R进行修正,考虑太阳辐射(短波辐射)的影响。根据杨睿乔[18]的研究,R考虑壁面长波辐射项R1和太阳辐射项R2两部分,此时着装人体外表面的平均温度可由式(8)计算,其中,R1由式(9)计算,R2由式(10)计算。

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

(8)

(9)

R2=αfclfefffPI

(10)

整理可得:

(11)

2)对流传热量

C主要取决于人体外表面与环境之间的温差,计算如下:

C=fclhc(tcl-ta)

(12)

3)辐射传热量

人体同环境的辐射散热量R,P. O. Fanger[16]以式(9)进行计算,该式主要考虑了人体与周围环境壁面间的长波辐射。当人体所处环境存在短波辐射时,尤其太阳辐射,便需要对R项的计算式进行修正。

首先分析辐射传热特性,当存在太阳辐射时,辐射传热分为两部分:(1)太阳辐射对人体的短波辐射;(2)人体与周围表面的长波辐射传热。把修正后的R记作R′,由于太阳辐射使人体得热,故R′的计算式如下:

R′=Rlw-Rsw

(13)

式中:Rlw为长波辐射传热量,可由式(9)计算,W/m2;Rsw为短波辐射传热量,可由式(10)计算,W/m2。

4)总蒸发散热量

人体的总蒸发散热量E可以分为4部分:汗液蒸发散热量Ersw、皮肤湿扩散散热量Edif、呼吸时的显热散热量Cres、呼吸时的潜热散热量Eres。其中,Ersw与Edif之和为通过皮肤的蒸发散热量Esk。

(1)根据人体皮肤的蒸发散热量Esk的定义,可得Esk计算式:

Esk=ωEmax=ωh′imLR(psk-pa)

(14)

式中:Esk为皮肤表面实际蒸发散热量,W/m2;ω为皮肤湿润度;Emax为皮肤表面最大潜热传热量,W/m2;h′为总显热传热系数,W/(m2·K);im总蒸汽渗透效率;LR为刘易斯系数;psk为皮肤表面的饱和水蒸气分压力,kPa;pa为环境水蒸气分压力,kPa。

(2)呼吸时的显热散热量Cres通过式(15)计算,呼吸时的潜热散热量Eres通过式(16)计算。

Cres=0.001 4M(34-ta)

(15)

Eres=0.017 3M(5.867-pa)

(16)

式中:Cres为呼吸时的显热损失,W/m2;Eres为呼吸时的潜热损失,W/m2。

3 实验概况

实验在青岛理工大学人工气候室内进行,气候室示意图如图2所示,太阳辐射灯可透过房间A和房间B的透明玻璃窗户照射受试者。

图2 气候室示意图

实验共招募16名受试者(8男8女),均为在校大学生。实验中,模拟冬季室内办公情况,受试者穿着冬季典型室内服装,搭配主要为:秋衣、秋裤、工装外套、工装裤。通过对单件服装求和[19],求得套装热阻为1.11 clo,当受试者处于坐姿时,考虑椅子的附加热阻,套装热阻为1.21 clo。

实验中需要测量的实验参数有:气候室围护结构壁面温度、室内空气温度及湿度、室内空气流速、太阳辐射强度及受试者皮肤温度。此外还需采用调查问卷的形式收集受试者在实验过程中的热感觉、热舒适、热可接受度投票、热期望等投票。

3.1 实验工况

实验模拟冬季室内条件,实验过程中气候室温度控制为18 ℃,相对湿度为40%,共设置9个工况。控制变量分别为活动水平和太阳辐射强度。其中,活动水平分别为1、2、3 met,按照标准ASHRAE Standard 55[20],1 met为静坐状态,2 met和3 met分别对应步速为3.2 km/h和5 km/h的活动水平;太阳辐射强度按照到达人体处的大小分别为0、200、400 W/m2。各工况简称如表1所示。

表1 各工况简称

3.2 实验流程

实验过程中每个工况时长为70 min,分为20 min的“静坐”阶段(不开太阳辐射灯,为适应阶段)、40 min的“照射+运动”阶段(为实验阶段),10 min的关灯静坐恢复阶段。其中,20 min的“静坐”阶段是为了排除外界环境对于受试者的干扰,使所有受试者基本处于相同的测试起点。两次“静坐”阶段结束后以及“照射+运动”阶段中每隔10 min进行问卷调查热感觉,实验全过程持续测量皮肤温度及环境参数。

4 人体传热特性分析

当受试者处于运动状态时,服装实际热阻会降低,在计算运动状态下的传热量时需要对服装热阻值进行修正。降低值可根据下式进行计算[19]:

ΔIcl=0.504Icl+0.002 81v-0.24

(17)

式中:v为步速,步/min。所以本研究中两种活动水平(3.2 km/h与5 km/h)修正后的服装热阻分别为0.57 clo和0.45 clo。

4.1 各工况辐射传热量对比

利用式(9)和式(13)计算各工况下的辐射传热量,如图3、图4所示。

图3 各工况下长波辐射传热量和辐射传热量变化

图4 各工况下对流传热量变化

由图3(a)可知,当人体未受到太阳辐射时,随着活动水平的增加,人与周围环境之间的长波辐射传热量逐渐增加,这是因为运动会增加人体产热,皮肤温度升高,传热温差增加,导致传热量增加。

当人体受到200 W/m2的太阳辐射时,随着活动水平的增加,长波辐射传热量也逐渐增加。与此同时,太阳辐射使环境的平均辐射温度显著上升,虽然平均皮肤温度和着装人体外表面的平均温度也有所上升,但平均辐射温度上升幅度更大,因此相对于未受到太阳辐射的情况,长波辐射传热量的数值显著降低。

当人体受到400 W/m2的太阳辐射时,人体与周围环境之间的长波辐射传热方向发生了变化,由于周围环境平均辐射温度高于着装人体外表面的平均温度与平均皮肤温度。与站姿运动相比,人体处于坐姿时的有效辐射面积系数与投影面积系数的乘积fefffP更大,服装表面吸收的太阳辐射热量也更高,导致受试者在工况400 W/m2-1 met时的着装人体外表面的平均温度明显更高,因此工况400 W/m2-1 met时的长波辐射传热量的绝对值比工况400 W/m2-2 met和400 W/m2-3 met对应的绝对值更大。在工况400 W/m2-1 met下,人体平均皮肤温度低于着装人体外表面的平均温度,而在工况400 W/m2-2 met和400 W/m2-3 met下,人体平均皮肤温度则高于着装人体外表面的平均温度,这是由于人体运动产生的热量使人体平均皮肤温度升高。当人体平均皮肤温度高于着装人体外表面的平均温度时,皮肤会向服装传递热量,使着装人体外表面的平均温度升高,由于工况400 W/m2-2 met与400 W/m2-3 met的平均辐射温度相同,因此工况400 W/m2-3 met下着装人体外表面的平均温度更高,这导致周围环境通过长波辐射向人体传递的热量比工况400 W/m2-2 met小。

图3(b)所示为人体与环境之间的辐射传热量R′的变化,该图是通过式(13)计算得出的,考虑了短波辐射对人体传热量的直接影响。由图3(b)可知,当周围环境太阳辐射达到200 W/m2及以上时,人体与环境之间的辐射传热将是人体得热。然而随着人体活动水平的增加,辐射得热量逐渐降低,这是因为人体为了维持在高产热与高得热状态下的热平衡,需散出更多的热量。

4.2 各工况对流传热量对比

利用式(12)计算各工况下对流传热量,如图4所示。

由图4可知,当人体未受到太阳辐射时,随着活动水平的增加,人体对流传热量逐渐增加,这是由于运动增加了人体产热,皮肤温度升高,进而使着装人体外表面的平均温度升高。本研究环境温度保持不变,因此,对流传热量与着装人体外表面的平均温度成正相关。

当人体受到200 W/m2的太阳辐射时,随着活动水平的增加,对流传热量逐渐增加,但增幅比无太阳辐射时小,这是因为太阳辐射相比于活动水平,对着装人体外表面的平均温度影响更显著,能直接与服装表面进行辐射传热。而人体活动时,受试者皮肤温度升高,然后通过热传递,使着装人体外表面的平均温度升高,但相比于太阳得热导致的服装温度的升高而言,幅度较小,所以对流传热量的增幅也较小。

当人体受到400 W/m2的太阳辐射时,环境平均辐射温度高于着装人体外表面的平均温度和平均皮肤温度,环境通过长波辐射向人体传热。在工况400 W/m2-1 met下,人体受到的辐射热量最高,着装人体外表面的平均温度相比于其他工况也最高,所以工况400 W/m2-1 met下的对流传热量最高。而从工况400 W/m2-2 met至工况400 W/m2-3 met,随着着装人体外表面的平均温度升高,对流传热量呈上升趋势。

当人体活动水平一定时,太阳辐射对于着装人体外表面的平均温度的影响更直接更显著。随着太阳辐射强度的增加,着装人体外表面的平均温度相应增加,导致人体与环境的对流传热量逐渐增加。

4.3 各工况总蒸发散热量对比

图5所示为各工况下总蒸发散热量的变化,由式(2)～式(5)、式(14)～式(16)计算得到。

图5 各工况下总蒸发散热量变化

由图5可知,当人体受到的太阳辐射强度一定时,随着活动水平的增加,总蒸发散热量显著增加。这是由于活动水平的增加导致人体代谢率和皮肤湿润度的增加。当人体活动水平一定时,随着太阳辐射强度的增加,一方面太阳辐射会小幅度提高人体代谢率,另一方面会提高人体的平均皮肤温度,因此总蒸发散热量也会随之增加。

4.4 不同形式传热量占比分析

图6所示为各工况下的辐射传热量、对流传热量及蒸发散热量的占比。

图6 各工况下辐射传热量、对流传热量以及总蒸发散热量的占比

由图6可知,当人体受到的太阳辐射强度不变时,随着人体活动水平的增加,蒸发散热量占比会逐渐上升,对流传热量占比与辐射传热量占比均会下降,这也表明蒸发散热量与活动强度呈正相关。

当人体的活动水平不变时,若受到的太阳辐射强度从200 W/m2增至400 W/m2,辐射传热量占比约增加20%,此时是人体是辐射得热,说明太阳辐射对人体热感觉的影响显著。

5 热感觉与热负荷关联性分析

5.1 热感觉投票

图7所示为各工况下的热感觉投票TSV (thermal sensation vote)情况绘制成的3D散点图。

图7 各工况下的热感觉投票情况

由图7可知,随着辐射强度和活动水平增加,受试者的热感觉投票逐渐增大,代表受试者在相应环境下热意更明显。当受试者不接受太阳辐射时,在18 ℃的环境温度下,静坐状态的受试者热感觉投票在-1～-0.5之间,说明受试者感觉偏冷,假如此时受试者进行一定强度的活动或接受一定强度的太阳辐射,受试者的热感觉有较大提升,活动水平为2 met时,热感觉变化ΔTSV为1.53,太阳辐射强度为200 W/m2时,热感觉变化ΔTSV为2。

5.2 热感觉与热负荷关联性分析

太阳直射活动人体时热感觉投票TSV与热负荷S之间的关系如图8所示。

图8 TSV与热负荷S之间的关系

由图8可知,当太阳辐射强度一定时,随着人体热负荷的增加,TSV逐渐增加。当考虑太阳辐射与活动水平的综合作用对人体热感觉的影响时,TSV的整体趋势仍随着热负荷的增加而上升。因此热感觉与热负荷关联性显著。

6 标准有效温度及热舒适区的变化规律

研究太阳辐射影响下不均匀热环境的人体热舒适,实验中有高代谢率的运动状态,因此借鉴PMV(predicted mean vote)指标对热环境等级的划分标准,探讨太阳辐射影响下不同热环境标准和活动水平的人体热舒适区变化。

使用MATLAB软件编程,计算得出不同实验工况下的标准有效温度TSET,如表2所示。

表2 实验各工况下的标准有效温度

由表2可知,随着活动强度的增加或太阳辐射强度的增加,标准有效温度均会增加。这是由于人体受到太阳辐射或处于运动状态时,皮肤温度和皮肤湿润度升高,热感觉也会相应增加,对应到标准环境中时,标准环境的空气温度就会增加。

为研究太阳辐射对不同活动水平人体热舒适区的影响,分别计算得到太阳直射活动人体时TSV与TSET之间的拟合关系式如式(18)所示,拟合度为0.755。太阳直射静坐人员时TSV与TSET之间的拟合关系式如式(19)所示,拟合度为0.956。无太阳辐射时TSV与TSET之间的拟合关系式如式(20)所示,拟合度为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)

研究借鉴ISO-7730[21]中对热环境的划分标准,划分了有一定活动水平下不均匀环境人体热感觉的三个等级:TSV∈(-0.2,0.2)为A等级;TSV∈(-0.5,0.5)为B等级;TSV∈(-0.7,0.7)为C等级。基于上述三个等级,再结合式(18)～式(20)即可计算得出不同热感觉等级下的标准有效温度范围,其中TSET1表示太阳直射活动人体时的标准有效温度范围,TSET2表示太阳直射静坐人体时的标准有效温度范围,TSET3表示未受到太阳辐射静坐人体的标准有效温度范围,如表3所示。

表3 不同热感觉等级下TSET的范围

根据绘制舒适区时相对湿度为30%～60%的限定,将TSET1、TSET2、TSET3对应的舒适区绘制于焓湿图中,舒适区的适用条件为服装热阻为1.11 clo,代谢率处于1～3.51 met,如图9所示。

图9 太阳直射活动人员时舒适区的偏移

由图9可知,随着热感觉等级从A等级到C等级,热舒适区的温度范围越来越大,这是由于人体的相对不满意率逐渐增加,舒适环境温度取值范围可以放宽。

与处于太阳辐射/静坐条件下的舒适区相比,处于太阳辐射与活动水平共同作用下人体的舒适区温度下限和上限均更低,舒适区向下偏移。表明当在太阳辐射下,人员处于活动状态时可以接受更低的室内温度。

与处于无太阳辐射/静坐条件下的舒适区相比,处于太阳辐射与活动水平共同作用下的舒适区向下偏移程度更显著。表明在太阳辐射下,人员处于活动状态时,维持舒适所需的室内温度同样会更低。

7 结论

本文在人工气候室利用太阳辐射模拟装置控制太阳辐射强度,使受试者分别进行静坐与两种步速(3.2、5 km/h)活动,研究了不同太阳辐射强度与不同活动水平共同作用下的人体传热特性、标准有效温度及热舒适区变化,得到结论如下:

1)在太阳辐射的影响下,即环境通过辐射方式向人体传热。当太阳辐射强度一定时,随着活动水平增加,人体吸热量减小。在太阳辐射和活动水平的共同作用下,人体总蒸发散热量会显著增加。分析不同形式的传热量占比,太阳辐射强度一定时,随着活动水平的增加,总蒸发散热量占比会增加,对流传热量和辐射传热量占比均会减少。

2)在太阳直射活动人体时,热感觉与各分项传热量均有较好的相关性,热感觉随着对流传热量的增加而增加,随着辐射传热量的降低而升高,随着蒸发传热量的增加而增加,且热感觉会随着人体热负荷的增加而增加。

3)太阳直射活动人体时,与无太阳辐射/静坐条件下的舒适区相比,热舒适区向下偏移,人体维持热舒适所需的室内环境温度会更低。研究成果可为空调房间室内参数的设定提供参考,使空调系统节能性。