田宇飛,狄育慧,王麗娟

(西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

在炎熱的夏季,衣服的厚薄、材料，環(huán)境的溫度等都會(huì)對(duì)人體的熱舒適情況產(chǎn)生較大的影響．文獻(xiàn)[1]指出人體的頭部區(qū)域局部熱舒適程度取決于人體局部皮膚的溫度和熱損失．余娟[2-3]指出當(dāng)人處于室內(nèi)時(shí),室內(nèi)熱經(jīng)歷比室外熱經(jīng)歷影響更顯著,且皮膚溫度、出汗率、心率變異率和熱應(yīng)激蛋白可以作為室內(nèi)偏熱環(huán)境時(shí)的生理測(cè)試指標(biāo).田國(guó)華等[4]研究表明皮膚溫度和皮膚熱流可以作為檢驗(yàn)?zāi)秃c不耐寒體質(zhì)的敏感生理參數(shù),熱感覺(jué)和熱舒適主觀評(píng)價(jià)可以作為檢驗(yàn)?zāi)秃头悄秃w質(zhì)的心理指標(biāo)．劉蔚巍[5]團(tuán)隊(duì)的研究表明體溫調(diào)節(jié)活動(dòng)引起的生理參數(shù)變化可以反映人體的熱舒適程度,平均皮膚溫度可以做為一個(gè)有效的客觀指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)人體熱舒適程度．王麗娟等[6]研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)速對(duì)人體散熱特性的影響會(huì)隨著環(huán)境的溫度變化而變化,研究風(fēng)速對(duì)人體散熱時(shí)需要具體說(shuō)明環(huán)境溫度．以上研究是關(guān)于人體熱舒適,但是對(duì)于人體局部的熱舒適相關(guān)研究則相對(duì)較少．也有研究表明,人體皮膚溫度[7-8]和人體皮膚熱流是與人體熱舒適相關(guān)的生理參數(shù)．故本文結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)論,及生理測(cè)試與問(wèn)卷調(diào)查,選擇皮膚溫度與皮膚熱流為生理參數(shù)指標(biāo)，研究夏季環(huán)境溫度下，人體皮膚溫度和散熱情況.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

因?yàn)橹评湓O(shè)備對(duì)于熱體舒適度也有所影響[9],因此本實(shí)驗(yàn)以西安工程大學(xué)焓差實(shí)驗(yàn)室作為室內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)境,實(shí)驗(yàn)室分為控制室和人工氣候室,機(jī)組能夠精確地控制干球溫度、相對(duì)濕度以及風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)．其中,干球溫度的控制范圍為0～40 ℃,精度為±0.3 ℃;相對(duì)濕度控制范圍為15%～85%,精度為±4%; 風(fēng)速控制范圍為0.1 m·s-1～2 m·s-1,精度為0.3 m·s-1．受試者為在校身體健康的本科生或研究生，共計(jì)12人,其中男女各6人，其信息如表1所示．

表 1 受試者基本信息

為了盡可能提高受試者的局部測(cè)試準(zhǔn)確性,本實(shí)驗(yàn)對(duì)于受試者服裝要求:棉質(zhì)短袖T恤,棉質(zhì)短褲和涼拖鞋,整套服裝熱阻值約為0.5 clo[10];根據(jù) ASHARE55—2013舒適區(qū)指標(biāo)以及我國(guó) 熱舒適標(biāo)準(zhǔn)[11]，選取夏季溫度指標(biāo)為25 ℃,27 ℃,29 ℃,31 ℃,相對(duì)濕度為50%～60%,實(shí)驗(yàn)由低溫向高溫進(jìn)行控制,受試者保持靜坐姿勢(shì)．待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,記錄環(huán)境參數(shù)、生理參數(shù)．同時(shí)進(jìn)行相關(guān)的問(wèn)卷調(diào)查．

圖 1 選取點(diǎn)Fig.1 Selected point

1.2測(cè)試方法

人工氣候室內(nèi)空氣溫度、黑球溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)采用了上海精密儀器儀表有限公司的熱舒適儀(型號(hào): M16401pmv) 進(jìn)行監(jiān)測(cè)．該儀器的空氣溫度的控制范圍為-20 ℃～60 ℃,精度為±0.2 ℃; 黑球溫度的控制范圍為-20 ℃～60 ℃,精度為±0.1 ℃; 相對(duì)濕度的控制范圍為0～100%,精度為±3%; 風(fēng)速的控制范圍為0.05 m·s-1～9.99 m·s-1,精度為±0.05 m·s-1．在進(jìn)行測(cè)試時(shí),熱舒適儀放置于受試者附近約60 cm,儀器每2 min記錄1次數(shù)據(jù)．皮膚溫度和皮膚熱流則采用日本精度電子(KEM)生產(chǎn)的多通道熱流計(jì)(型號(hào):HFM-215N) 和KM1低熱流感探頭進(jìn)行測(cè)試．其中,熱流計(jì)溫度控制范圍為-40 ℃～75 ℃,精度為0.1 ℃; 熱流控制范圍為-100 W·m-2～100 W·m-2,精度為0.1 W·m-2．

選取如圖1所示人體胸部、 上臂、 腹部、 大腿、 小腿、 背部、 腰部7個(gè)常被衣物所覆蓋的部位作為局部皮膚溫度和熱流的測(cè)點(diǎn). 用醫(yī)用透氣膠帶將儀器探頭固定于皮膚上．熱流計(jì)每2 min記錄1次皮膚溫度和熱流．

人體主觀感受采用了熱感覺(jué)以及熱舒適的問(wèn)卷調(diào)查,熱感覺(jué)采用了ASHRAE的7個(gè)級(jí)別標(biāo)度[12],即熱、暖、微暖、適中、微涼、涼、冷；熱舒適采用了5個(gè)標(biāo)度,即不可忍受、很不舒服、不舒服、稍不舒服、舒適.受試者每10 min填寫一次問(wèn)卷,精度0.1,每個(gè)溫度環(huán)境完成5次填寫．

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境溫度對(duì)皮膚的影響

男性受試者平均皮膚溫度和女性受試者平均皮膚溫度分別如圖2，3所示.可以看出，在任意的溫度下,男性受試者整體的平均溫度及女性受試者平均溫度均處于遞增狀態(tài),與文獻(xiàn)[2]研究結(jié)果相似．在對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果及調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果后發(fā)現(xiàn),人體皮膚溫度的變化情況及問(wèn)卷結(jié)果與文獻(xiàn)[13]的結(jié)論相同．即人體活動(dòng)量較小時(shí),人體的皮膚溫度與熱感覺(jué)結(jié)果出現(xiàn)了一定的偏離．從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上看，在不同工況溫度下,在男性受試者身體局部各個(gè)測(cè)試部位中平均溫度影響最大的部位為小腿>大腿>上臂>背部>腹部>胸部>腰部．而女性受試者下半身變化最大的是小腿,平均溫度差2.9 ℃,上半身平均溫差最大的是腰部,平均溫度差為2.7 ℃．與男性受試者身體相關(guān)部位有較大差異,這應(yīng)與性別[14]及人體熱平衡[15]有關(guān)．在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)方差分析后發(fā)現(xiàn),因素(溫度)對(duì)于實(shí)驗(yàn)指標(biāo)(平均皮膚溫度)有顯著影響．

圖 2 男性受試者平均皮膚溫度 圖 3 女性受試者平均皮膚溫度 Fig.2 Average skin temperature in male subjects Fig.3 Average skin temperature in female subjects

2.2 環(huán)境溫度對(duì)皮膚熱流的影響

男性受試者與女性受試者平均皮膚熱流分別如圖4,5所示.可以看出,在任意的溫度下,男性受試者平均皮膚熱流處于遞減狀態(tài).在不同工況溫度下,男性受試者身體各個(gè)部位的影響順序?yàn)樾⊥?背部>上臂>大腿>腰部>胸部>腹部．女性受試者平均皮膚熱流變化同男性受試者趨勢(shì)相同,但其上半身平均熱流差最大的是背部,與男性受試者不同.從而可知皮膚熱流與皮膚溫度處于不同趨勢(shì),在測(cè)試的溫度范圍內(nèi)平均皮膚溫度越高,平均皮膚熱流越低．比較認(rèn)為應(yīng)該與所穿衣物材質(zhì)造成的熱量散失[16]有關(guān),在對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)方差分析后得知,因素(溫度)同樣對(duì)于實(shí)驗(yàn)指標(biāo)(平均皮膚熱流)具有顯著影響．

圖 4 男性受試者平均皮膚熱流 圖 5 女性受試者平均皮膚熱流 Fig.4 Average skin heat flux in male subjects Fig.5 Average skin heat flux in female subjects

3 結(jié) 論

(1) 在夏季常規(guī)溫度范圍下,男性受試者與女性受試者皮膚平均溫度均處于遞增狀態(tài),受到性別、體質(zhì)以及人體熱平衡影響,男女雙方除小腿外的部位有所差異．男性受試者與女性受試者身體部位的平均皮膚熱流均呈現(xiàn)遞減狀態(tài),這應(yīng)與衣物材質(zhì)所造成的不同熱量散失有關(guān),其他原因則有待于進(jìn)一步研究．

(2) 在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下人體局部平均皮膚溫度上升時(shí),平均皮膚熱流下降,其原因與人體自身溫度調(diào)節(jié)機(jī)制及周圍環(huán)境溫度有關(guān)．同時(shí),在實(shí)驗(yàn)工況下,人的主觀因素及體質(zhì)等對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果有所影響,因素(溫度)對(duì)于兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)均有顯著影響．至于更高溫度、濕度等環(huán)境下的變化規(guī)律是否與此相同則有待于進(jìn)一步驗(yàn)證．