輻射制冷服裝對戶外熱舒適性的改善研究

趙敬德 鄒雅倩

東華大學環境科學與工程學院

0 引言

高溫下作業易引發中暑、熱射病、熱痙攣等問題。戶外作業難以實現工作環境整體降溫，在極端熱環境下減輕工作者的熱應力問題亟待解決[1]。

柯瑩[2]介紹了服裝通風測量方法和服裝通風與熱舒適性的關系。Chinevere T D 等[3]，Barwood 等[4]及A.Hadid 等[5]研究通風服裝在軍事環境下用蒸發冷卻的方式改善人體熱舒適。李珩[6]及劉蔚巍[7]建立基于熱生理參數的室內外環境人體熱舒適評價模型。Ahmed Osama Mahgoub 等[8]用WBGT 作為熱應力指標，評價室外環境的熱舒適。

本研究使用一種新型輻射制冷服裝并采用WBGT 評價模型研究室外熱環境舒適度。輻射制冷主要利用了大氣層在8～13 μm 的“大氣窗口”波段具有高透射率的特性，將自身熱量以輻射的形式通過大氣窗口散發到外太空的一種被動式制冷。圖1 為該輻射制冷材料的發射率隨波長的變化[9]。

圖1 該輻射材料的發射率隨波長的變化

1 試驗研究

1.1 試驗裝置及試驗環境

本文中的采用普通工裝、輻射制冷服裝、帶有通風裝置的輻射制冷服裝。如圖2，輻射制冷服是由輻射制冷材料及網狀布料做成。通風系統是由兩個2 個USB 型風扇、電源、電源連接線組成。

圖2 帶有通風裝置的輻射制冷服裝

該試驗在上海市東華大學松江校區空曠的噴泉平臺上進行。在三種不同太陽照度、濕黑球溫度WBGT 下對14 名身體健康的大學生，平均年齡23±1歲、身高1.71±0.09 m、體重56±2.3 kg，進行舒適度主觀問卷調查。熱感覺PMV 值采用ASHRAE 標準的7 點模型法[10]，熱舒適投票采用5 級分度分別為舒適（0）、稍不舒適（1）、不舒適（2）、很不舒適（3）、不可忍受（4）。

1.2 試驗過程

試驗開始時測量環境溫濕度、太陽輻射照度、風速、黑球溫度、天空云量。試驗時，受試者被要求在室外樹蔭下休息10 分鐘后著裝試驗服裝站于空曠地帶的陽光下，將熱電偶置于人體胸部、背部，并詢問受試者的主觀熱感覺、熱舒適、皮膚濕潤感、服裝接觸感。試驗過程中用數據采集儀測人體胸部溫度、背部溫度，之后每間隔5 分鐘重復記錄上述數據。實驗所用儀器如表1。

表1 試驗儀器型號及精度

1.3 試驗數據處理

在試驗中，濕黑球溫度WBGT 適用于室外炎熱環境，考慮了室外炎熱條件下太陽輻射的影響，目前在評價戶外作業時應用廣泛，受周圍環境的干球溫度twb、濕球溫度tg、黑球溫度ta的影響，可采用如下計算公式：

使用Origin Lab 軟件對試驗過程中穿著3 種服裝時，使用數據采集儀測得的皮膚表面各測點溫度、服裝內外表面溫度、主觀熱舒適調查數據進行處理。

2 試驗結果分析

2.1 不同WBGT 下通風降溫和輻射制冷對人體舒適度影響

夏季高溫室外環境下作業人員出汗量顯著增加，超出常人出汗量的5～7 倍[11]，使用被動式通風降溫的方式可增加皮膚表面與衣下空間內空氣的對流換熱，同時促使汗液蒸發增加潛熱散熱。具體如圖3，本文調查了室外環境的WBGT=30 ℃、32 ℃、34 ℃下人體的舒適度。

圖3 熱感覺投票（TSV）與熱舒適投票(TCV）對比

在三種濕黑球溫度WBGT 下，未通風的普通工裝與未通風的輻射材料的平均熱舒適投票TCV 無顯著差異，均在2（不舒適）和3（很不舒適）之間。而使用通風裝置的服裝顯著地改善了人員的熱舒適，對于使用便攜式通風裝置的普通工裝，在15 分鐘后使TCV 值降低了1.1，人員處于1（稍不舒適）和2（不舒適）之間。對于使用便攜式通風裝置的輻射材料服裝，試驗人員的熱舒適在15 分鐘后顯著降低，處于0（中性）和1（稍不舒適）之間，且低于通風的普通工裝。

在WBGT=32 ℃、34 ℃時，未通風的輻射材料服裝與普通工裝的平均熱感覺投票TSV 無顯著差異，均在2（熱）和3（很熱）之間。但是，當WBGT=30 ℃時，15 分鐘后穿著未通風的輻射材料服裝的TSV 是2（熱），對于普通工裝的TSV 是1（有點熱）。兩種服裝在通風后TSV 顯著降低，在WBGT=30 ℃時，15 分鐘后熱感覺處于0（中性）和1（有點熱）之間，且兩種服裝無顯著差異。在WBGT=32 ℃、34 ℃時，15 分鐘后穿著普通工裝的熱感覺降低到1（有點熱）和2（熱）之間，而穿著輻射材料服裝的熱感覺降低到了0（中性）和1（有點熱）之間。這是由于輻射材料服裝的低透氣性惡化了人員的舒適度，但使用便攜式通風裝置后增加了一下空間空氣流動，人員舒適度提高。

2.2 生理反應

圖4 顯示了三種濕黑球溫度下試驗人員著裝帶有便攜式通風裝置的輻射材料服裝，在通風裝置開啟和關閉兩種工況下，15 分鐘內的平均后背溫度和平均前胸溫度。在整個試驗過程中，通風裝置未開啟時后背溫度、前胸溫度波動較小，分別在36.2±0.2 ℃、34.2±0.2 ℃范圍內。當開啟通風裝置后，試驗人員的后背溫度和前胸溫度均顯著降低，在15 分鐘后通風的后背溫度為35.4 ℃，較未通風的降低了0.8 ℃。同時通風的前胸溫度為33.3 ℃，較未通風的降低了1 ℃。一般來說，皮膚溫度在33～34 ℃時，人體休息時處于熱中性狀態。在35～37 ℃時，人體開始有熱得感覺[10]。本實驗中輻射材料服裝在使用通風方式后，能使人體皮膚溫度接近熱舒適的狀態。

圖4 使用通風裝置與未使用通風裝置的背部、胸部溫度對比

3 結論

本文利用了輻射材料的降溫特性，并通過熱舒適性實驗研究了夏季室外高溫環境中WBGT=30 ℃、32 ℃、34 ℃三種工況時人體穿著普通工裝和輻射材料服裝，在使用便攜式通風裝置前后的熱舒適性，得出以下結論：

1）著裝未通風的服裝時，在WBGT≥30 ℃下熱環境處于“很差”等級，人體的熱舒適投票TCV 及熱感覺投票TSV 處于2（不舒適/熱）和3（很不舒適/很熱）之間，這表明使用WBGT 指數可作為室外高溫熱環境的評價指標。

2）使用便攜式通風方式在消耗很少電能時可顯著降低高溫環境下人體的熱舒適TCV 和熱感覺TSV，普通工裝的熱感覺降低到1（有點熱）和2（熱）之間，而穿著輻射材料服裝的熱感覺降低到了0（中性）和1（有點熱）之間,這表明穿著通風的輻射材料服裝對改善熱舒適的效果比通風的普通工裝更明顯，輻射材料服裝適用于夏季高溫作業人員。

3）穿著帶通風裝置的輻射材料服裝可使人體皮膚表面溫度下降0.8～1.1 ℃，使皮膚溫度接近熱舒適的狀態，這表明該服裝能改善夏季室外高溫環境下衣下空間的熱環境，可作為一種預防中暑的方式。