基本介紹
- 中文名：熱舒適方程
- 外文名：thermal comfort equation
- 所屬領域：常用能源術語
關於著裝人體熱舒適方程的計算與分析
人體正常體溫維持在37℃左右，而正常體溫的維持實際是人體產生和散發熱量動態平衡的結果。人體的各種生理活動，都必須在體內溫度相對穩定的情況下進行，即人體必須同周圍環境之間處於相對穩定的熱平衡，人才能進行正常的生理行為活動。周圍環境的溫、濕度，對人體的皮膚溫度和核心溫度會產生較大的影響，因此，為了保證人體正常的生理活動和良好的人機工效，人體在進行自身的生理調節之外，要維持人體熱平衡必須控制周圍溫度環境，保證人體產生的熱量能夠及時散發到周圍環境中，從而達到維持人體熱平衡的目的。為此，根據能量轉換與守恆定律，主要對人體產熱的機理、散熱的機制以及影響散熱的因素進行了全面分析，討論了維持人體熱平衡的主要影響因素和計算方法。該研究對環境的熱舒適評價及特種服裝的設計提供了理論依據。
人體熱舒適方程
式中，S為人體蓄熱率，W/m；M為人體代謝量，W/m；W為人體對外做功，W/m；
表示著裝人體表面與環境的傳導換熱，W/m；
表示著裝人體表面與環境對流換熱，W/m；
為著裝人體表面與環境輻射換熱，W/m；
為人體皮膚擴散蒸發熱損失，W/m；
為人體皮膚表面汗液的蒸發熱損失，W/m；
為呼吸潛熱損失，W/m；
為呼吸顯熱損失，W/m；EP為排泄消耗的熱損失，W/m。
由於人體表面的對流散熱包含對流和傳導，因此，一般不考慮傳導散熱，可認為
；另外，由於排泄帶走的熱量相對較少，只占1.5%，所以通常可忽略不計，即EP=0。人體在體溫調節機制的控制下，產熱和散熱這2個生理過程取得動態熱平衡時，體內沒有明顯的熱積蓄，即S=0。所以人體熱舒適方程為
式中，K為通過人體表面導熱形成的顯熱損失，它包括服裝表面的對流與輻射散熱。由於式（2）為人體著裝熱舒適方程，式中的每一項都受物理法則的支配，可依據自然界中物體散熱的定律來計算。
人體著裝熱舒適方程中各物理項的計算
人體與環境對流交換熱
著裝人體表面的對流換熱量為
式中，
表示服裝面積係數，是著裝的人體表面積與裸體表面積之比；α為人體外表與環境的對流換熱係數；
為著裝人體外表平均溫度；
為人體周圍空氣溫度。由於著裝人體外表平均溫度 的測定比較困難，所以通常採用加權平均測溫法。影響對流換熱係數α的因素眾多，而計算α的理論公式和實驗公式較多，其中，Fanger採用了自然對流和強制對流換熱係數的較大值，即
式中，v為環境中的風速，m/s。
人體的表面與環境輻射換熱量
人體表面與環境輻射換熱量為
式中，
人體有效輻射面積係數，無因次；ε為著裝人體外表面平均黑度，即輻射係數，無因次；σ為黑度輻射常數，
；
為環境的平均輻射溫度，K。通常情況下，人體的有效輻射面積係數取0.71，人體表面平均黑度取0.97，所以式（5）可變為
人體的蒸發散熱
蒸發散熱是人體向環境散熱的一個重要途徑。環境溫度愈接近體表溫度，由輻射和對流散失的熱量愈少，當環境溫度高於體表溫度時，身體還會從環境得熱，這時連同體內產生的熱量一起，只有靠蒸發才能散失，蒸發熱交換為
式中，
為人體平均皮膚溫度，℃；
為人體周圍空氣中的水蒸汽分壓力，Pa。
人體皮膚表面汗液蒸發熱損失
人體汗液蒸發熱損失取決於出汗量，而出汗量與活動量、服裝環境溫度有關，難以直接計算。1970年，Fanger對美國大學年齡的青年男女進行了實驗，對數據點回歸後得
人體呼吸的潛熱損失
人體在呼吸過程中，由於呼吸道水分的蒸發，使呼入空氣與呼出空氣的含濕量不同，因此，形成呼吸潛熱損失，如果將呼吸量歸納為新陳代謝率的線性函式，而將含濕量差歸納為人體周圍空氣中的水蒸汽分壓力和人體周圍空氣溫度的函式，假設人體周圍空氣溫度=20℃，則呼吸潛熱損失可近似表示為
人體呼吸造成的熱損失
呼吸熱損失是指由於人體肺部吸入的空氣與呼出的氣體溫度存在差異而產生的換熱。若近似取呼出的空氣溫度為33℃，則得呼吸熱損失為
人體表面導熱形成的顯熱損失
人體的對流和輻射熱損失部分是通過服裝傳導至服裝外表面後，再散發到外界環境中。根據傅立葉熱傳導定律，人體表面導熱形成的顯熱損失為
式中，
為服裝保暖量，clo。將式（3～（11）代入式（2）中，得人體著裝熱舒適方程為
由式（12）可以看出，人體著裝熱舒適方程中包含著與人體、服裝和環境有關的3個變數，當人處在一定的環境中時，其熱舒適感覺受人本身、服裝和環境的影響，是三者綜合作用的結果。
結束語
根據能量守恆和能量轉化原理，分析了人體產熱的機理、散熱的機制以及影響散熱的因素，得到了人體著裝熱舒適方程；同時，根據自然界中物體散熱的定律，給出了熱舒適方程中各物理項的數學表達式。分析及計算結果表明，要維持人體正常的生命活動以及必要的工作效率，就必須維持人體的相對熱平衡；當人處在一定的環境中時，其熱舒適感覺受其本身、服裝和環境的影響，是三者綜合作用的結果。該方法簡單易行，對人體熱平衡計算、環境的熱舒適評價及特種服裝的設計具有一定的指導意義。
