人体着装热平衡方程.pdf

收稿日期 1998209207 修订日期 1999201209 文章编号 100026893 1999 增20S57203 人体着装热平衡方程 邱义芬 袁修干 庞 诚 北京航空航天大学 人机与环境工程研究所 北京 100083 HEAT BALANCE EQUATI ON FOR THE CLOTHINGOF HUMAN BODY Q I U Yi2fen YUAN Xiu2gan PAN G Cheng InstituteM an2M achine2Enviro system Engin Beijing U niv of A ero and A stro Beijing 100083 China 摘 要 给出了人体代谢量及人体与环境换热量的计算方法 并重点讨论了人体着装与环境的对流换热 辐 射换热 皮肤蒸发换热 该法简单易行 可用于评价环境及一些服装的舒适性 关键词 热平衡 人体换热 服装 中图分类号 V 244 3 V 245 3 文献标识码 A Abstract Themetabolic rate and heat exchange between a human body and environment are esti mated Con2 vection radiation and skin evaporation are emphasized between the human body w ith clothing and environ2 ment This method is easy and feasible which can be used to assess the thermal comfort of environment or some clothing Key words heat balance heat exchange of the human body clothing 人的正常体温恒定在37 左右 也就是说 人体与环境处于热平衡状态 人体从环境得热量 加体内产热量应与人体散热量平衡 在这一平衡 过程中 体内的温度及人体与环境间的传热途径 都有可能改变 人体与环境处于动态平衡 人体热 平衡方程有各种形式 归纳起来 各方程包括以下 3种能量形式 人体产热 人体与环境间的热交 换及体内热积蓄 代谢产热与人体散热的差值即 为热积S 热积为零 S 0 人体处于热平衡 热 积为正 S 0 则人体产热大于热损失 体温将 升高 热积为负 S 0 则人体产热小于热损失 体温将降低 在许多工作中 需要进行人体热平衡计算 比 如环境的热舒适评价 特种服装的设计等 裸体人 的热平衡计算相对简单 只需考虑人体代谢 活动 及与环境的热交换情况 人体着装后 还需考虑服 装的因素 人体与环境的传热过程将发生变化 这 里就人体着装后的热平衡情况进行讨论 1 人体热平衡一般方程 人体热平衡一般方程为 M W E R C K S 式中 M为代谢量 W为人体对外所做的功 E 为蒸发散热 R为辐射换热 C为对流换热 K 为热传导 S为热积 E R C及K为人体热损 失 当人体向外散热时 各项为正 反之各项为负 人体与环境间的热传导可以不考虑 一般情况下 人体对外做功很小 这里不予讨论 A SHRA E 1989年 给出以下热平衡方程 M W C R Esk Cres Eres 式中 C为皮肤的对流散热量 R为皮肤的辐射 散热量 Esk为皮肤的总蒸发散热量 Cres为呼吸 干散热量 Eres为呼吸湿散热量 2 人体代谢产热M 在消脂 吸收活动基本完成且不对外作功的 状态下 维持人体生命活动所必需的代谢量称为 基础代谢产热 人体的基础代谢产热随着年龄 性 别 身高和体重的不同有所差异 这里采用下式计 算基础代谢产热 1 Qmb 78 5965AsY 0 153865 式中 Qmb为基础代谢产热 As为中国人人体表面 积 Y为年龄 测定代谢量常规的方法是呼吸性热量测定 法 首先对人体吸入及呼出气体进行分析 测出肺 通气量V 呼出气体中氧气所占的百分比Oe 代 谢量即可用下式给出 M 20600V 0 2093 Oe AD 式中 AD 1 为Dubois 人体表面积 第20卷 增刊 1999年 6月 航 空 学 报 ACTA A ERONAU T ICA ET A STRONAU T ICA SI N ICA Vol 20 Sup June1999 3 呼吸换热量 人体通过呼吸与外界环境的换热由2部分组 成 2 干换热Cres与湿换热Eres 干换热指由于人 体肺部吸入的空气与呼出的气体温度存在差异而 产生的换热 湿换热指由于吸入空气与呼出气体 的湿度不同而引起的换热 Cres V Cp air te ta As 式中 Cp air为空气定压比热 te为由肺部呼出气体 的温度 ta为环境空气温度 Eres V He de da As 式中 He为水的汽化潜热 de为肺部呼出气体的 含湿量 呼出气体可认为是饱和湿空气 因此de 等于温度为te的饱和空气含湿量 da为环境空气 的含湿量 4 皮肤与环境间的换热 皮肤与环境间的换热包括 对流换热C 辐射 换热R及皮肤蒸发换热Esk 这里讨论的人 服 装 环境模型如图1所示 图中 tcore为人体核心 温度 tsk为平均皮肤温度 tcl为服装表面平均温 度 ta为环境空气温度 Pa为环境空气蒸汽分 压 tr为环境辐射温度 v为环境风速 Iecl为服 装蒸发热阻 水汽 汗液 在皮肤表面蒸发 然后透 过服装传向环境 水汽由皮肤表面向环境的蒸发 过程取决于各种因素 如皮肤表面出汗面积 皮肤 表面饱和蒸汽压与环境蒸汽分压之差 服装的透 气性等 水汽到达服装表面再扩散到环境中 又和 服装与环境间的对流换热情况有关 图1 着装人体传热示意图 服装外表面与环境空气间的对流热损失为 C fclhc tcl ta 式中 fcl人穿衣服与裸体时总表面积之比 hc为 对流换热系数 计算见文献 3 人体与环境间的辐射热损失为 R fclhr tcl tr 式中 hr为辐射换热系数 hr 4 Ar AD 273 2 tcl tr 2 3 式中 为穿服装时的表面辐射率 为辐射常数 Ar AD为有效辐射面积比 由热平衡过程及C R表达式得 R C tsk to 1 fclh Iecl 式中 h hc hr to hrtr hcta h 皮肤蒸发散热Esk分为有感蒸发Edif和无感 蒸发Ersw两部分 有感蒸发指汗液在皮肤表面由 液态向环境的扩散过程 无感蒸发指水份透过皮 肤以蒸汽形式直接进入环境 Edif HeMsweat 式中 Msweat为皮肤单位表面积上出汗率 Ersw 54640 Psk s Pa 式中 Psk s为平均皮肤温度下的湿空气饱和蒸汽 压 A SHRA E 1989年 给出以下皮肤蒸发换热 计算 4 Esk Edif Ersw w Psk s Pa Iecl 1 fclhe 式中 w为皮肤湿润面积比 he为服装表面对流 蒸发换热系数 he hcL R 式中 L R 4 为L ew is 数 服装蒸发热阻取决于着 装人体蒸发散热指数 即W oodcock指数im 4 im Icl L R Iecl 那么服装蒸发热阻Iecl Icl L R im 当皮肤表面全部为汗液时 出汗率最大 w 1 皮肤表面实际蒸发换热量应为 Esk Edif Ersw Emax E dif Ersw Emax Edif Ersw Emax 5 结 果 在以上讨论中 由环境 人体及服装参数可得 出人体着装时与环境间的各项换热量 再根据热 平衡方程式可求出热积 W及K均为零 S M R C Esk Cres Eres 综上所述 人体在环境中的产热及换热过程 已得到了估算 这种方法简单易行 可用于许多场 合下环境或服装热舒适性的初步评价 参 考 文 献 1 沙斌 非均匀热环境中人体温度分布的数值计算及实验研 究 D 北京 北京航空航天大学 1991 85S航 空 学 报第20卷 2 操作 冷热宽温度范围人体热调节系统的数学模拟及其应 用 D 北京 北京航空航天大学 1996 3 魏润柏 徐文华 人 环境 服装 M 上海 同济大学出 版社 1988 4 Parsons P C Human thermal environments M New York Taylor 坚持学术民主 鼓励百家争鸣 尊重他 人劳动成果 反对伪科学和迷信活动 21 严格执行审稿制度 不循私情 公正廉洁 31 科技期刊应尊重投稿人的权益 一般应在规定的期限内对是否采用来稿答复投稿人 41 科技期刊应要求投稿人签字声明 署名无争议 引用他人著述已注明出处 在规定的期限内无一 稿多投 51 对弄虚作假 抄袭剽窃者 一经查实 各科技期刊应视其情节轻重给予书面警告 拒绝