冷环境下基于暖体假人的帐篷内部热舒适性研究_兰明强.pdf

第 卷 第 期 年 月中国安全科学学报 中文引用格式：兰明强，李亚运，王祥，等 冷环境下基于暖体假人的帐篷内部热舒适性研究中国安全科学学报，（）：英文引用格式：，（）：冷环境下基于暖体假人的帐篷内部热舒适性研究兰明强，李亚运工程师，王 祥，郭 贤，刘小勇 正高级工程师（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥；清华大学合肥公共安全研究院 灾害环境人员安全安徽省重点实验室，安徽 合肥）中图分类号：文献标志码：.基金项目：国家自然科学基金资助（）；国家重点研发计划课题（）；安徽省重点研发计划标准化专项（）。文章编号：（）；收稿日期：；修稿日期：通信作者：刘小勇（），男，江西吉安人，博士，正高级工程师，主要从事应急资源装备环境适应性研究。：。【摘 要】为了解冷环境下帐篷内部温度变化规律和人员服装需求热阻（）及身体区域失温风险，以国标救灾帐篷和非标防疫棉帐篷为对象，利用暖体假人开展 环境下试验，探究不同类型帐篷的保温性能，并利用经验公式评价人员在帐篷内热舒适性，根据服装热阻对人与环境换热过程的影响，分析暖体假人各部位温度变化情况及加热服对身体区域的改善效果。研究结果表明：国标救灾帐篷比非标防疫棉帐篷保温性能好，且温度越低两者相差越大；人在帐篷内部的热舒适性随温度降低而降低，其中，地板温度对人体局部不满意率影响较大；当服装热阻低于需求热阻时，暖体假人左前臂和右小腿温度下降幅度最大，分别为.和.，当打开加热服加热，服装覆盖区域温度明显上升；当环境温度降到，即使打开 加热档位暖体假人各区域温度仍出现明显下降，其中暖体假人左前臂下降.，右前臂下降.左右。【关键词】冷环境；暖体假人；帐篷内部；热舒适性；需求热阻；失温风险 ，（，；，）：，（），第 期兰明强等：冷环境下基于暖体假人的帐篷内部热舒适性研究 ，：，.，.：；引 言 近年来，自然灾害频发、新冠疫情反复，各种临时建筑需求量急剧增加，帐篷因其运输方便、价格便宜、适应于各类地形等优点，广泛应用于灾区和医院社区门前，但其蓬围结构热阻和热惰性较小，往往内部环境十分恶劣，长时间在其中生活或工作会对身心健康和工作效率造成影响，相比于高温环境，帐篷内部温度过低更容易让人受伤害，当人长时间处于过冷环境，体内不能提供足够的热量来维持动态平衡，体温就会开始下降，低于 ，心率和呼吸受到抑制，出现精神混乱；当体温降到 左右，人体新陈代谢缓慢，会出现身体局部 冻伤，甚至会有生命危险。因此国内外学者对帐篷进行了广泛的研究。等采用缩小模型的方法，优化帐篷结构减少热传递，从理论上分析了不同结构尺寸的帐篷，优化帐篷散热原理。等开展试验，研究了寒冷条件下帐篷内部温湿度变化，评估其内部生活环境质量和居住舒适度。有学者利用暖体假人来研究人体局部换热，如 等证实了湍流强度对人体表面对流热损失的强化作用，预测了暖体假人对流换热系数；通过暖体假人对比研究了人体静态和动态姿势下自然对流和强迫对流的热损失，得出运动时平均对流换热系数比静止高 （）；张超等通过暖体假人模拟了高温环境下人体作业的产热情况，并对人体安全情况作出评估。当前，国内外学者对帐篷的研究大多集中在帐篷的外形和结构，对其内部热舒适性的研究主要是提供一些新方法、新材料、新设计来改善帐篷内部热环境，而很少综合人服装环境三者因素来探究人在帐篷内部的舒适性。因此，笔者拟通过恒温恒湿舱对帐篷进行不同温度的控制，开展帐篷测试试验，研究冷环境下帐篷表面和内部温度变化情况，结合暖体假人测试数据确定不同环境温度的需求热阻并依据经验公式评价分析帐内环境满意率，再通过不同温度下暖体假人以恒定功率运行，研究各区域温度变化情况及加热服的改善效果，以避免人体在低温下的冷损伤。试验设计.试验设备 将暖体假人和救灾棉帐篷置于一个 .的恒温恒湿环境舱，环境舱可模拟下进上出、上进上出的送风方式，形成内循环使室内处于一种均匀的环境，用以模拟不同环境条件下的各种工况，方便开展不同帐篷内部舒适性研究。试验采用 型暖体假人，该系统由笔记本电脑、电源控制箱、环境传感器、假人构成。根据假人生理结构，“”身体被划为脸部、头部、右上臂、左上臂、右前臂、左前臂、右手、左手、胸部、肩部、腹部、背部、右臀、左臀、右大腿、左大腿、右小腿、左小腿、右脚、左脚 个区域，可模拟人体各种姿势，每个分区有独立的温度传感器和加热控制板，可控制皮肤区域温度和加热功率。主要利用暖体假人研究在不同温度下人在帐篷内部舒适性情况。采用暖体假人来研究帐篷内部热环境舒适性较真人问卷能够避免试验过程中因个人心理、生理等差异对试验精度的影响，可精准地模拟人在帐篷内部所处环境状态。根据帐篷使用场景选取国标救灾棉帐篷和非标中国安全科学学报第卷年防疫棉帐篷开展试验，如图 所示。帐篷结构尺寸为.，侧墙高.，脊顶高.，救灾棉帐篷蓬体材料为 涂层布，内胆为双面绗缝针刺毡，非标防疫棉帐篷篷布为 牛津布，内胆为一体白棉。试验选用 种服装（一种普通救援服和一种具有加热功能的加热服），加热服有 个档位，分别为 低温档、中温档、高温档。图 种类型帐篷 .试验工况 根据中国主要城市气温统计表，选取 为冬季温度范围，相对湿度由恒温恒湿舱控制在 左右，分别研究救灾棉帐篷和非标防疫棉帐篷内部环境，具体试验工况见表。试验思路主要分为 部分：通过试验、比较 种帐篷在不同环境温度下内表面温度、帐内温度、辐射温度确定哪种帐篷保暖性能更好。利用帐篷各传感器采集的数据与暖体假人数据，结合对不同室内环境进行整体和局部舒适度评价，并确定当前环境温度下的服装需求热阻（，）。通过暖体假人恒定功率模式确定身体各部位的失温风险，并利用加热服对暖体假人身体区域加热，分析加热服对人体的改善效果。表 试验工况 试验工况试验步骤试验参数试验：救灾帐篷门窗全关闭试验：防疫帐篷门窗全关闭试验：暖体假人置于帐篷中心分别将气候室温度设定为、分别将气候室温度设定为、，暖体假人穿不同测试服装温度：湿度：注：每个温度区间维持 。.测点传感器布置 根据帐篷结构框架，将帐篷内表面划分为底面、侧面（左、右、前、后）、顶面（左、右）分别取杆件相交位置布置温度传感器，传感器精度.，试验舱体布置温度传感器作为室内温度，另在帐篷中心暖体假人附近放置一根不锈钢长杆，并在.、.、.分别布置温度传感器代表假人脚踝、腹部、头部位置温度，如图 所示。图 中心传感器布置 试验结果分析.种帐篷内部温度对比 当外环境温度相同时，测量试验段内 种帐篷内部检测点温度、蓬围面温度、辐射面温度等数据。取蓬围四角结构处温度传感器 数据平均值作为整面温度，研究帐篷外围温度变化进而研究其内部热环境分布规律。试验过程中将 种帐篷分别置于不同环境温度工况，图 在不同温度下帐篷内表面温度分布变化趋势基本一致，温度高低依次为左顶面、右顶面、前侧面、后侧面、左侧面、右侧面、底面，而同在 的环境温度下各表面温度如图 所示。此时救灾帐篷和防疫帐篷各面温度存在不同程度的偏差，其中，防疫帐篷左顶面相对于救灾帐篷在试验进行到 时温差最大可达.，底面温度相差较小。图 帐篷各面温度 第 期兰明强等：冷环境下基于暖体假人的帐篷内部热舒适性研究图 种帐篷各面温度对比 帐篷内空气温度作为直接影响人体热反应的因素，其温度的高低决定了人体与环境的对流换热，间接影响了人体的热平衡，因此，取温度传感器、平均值作为帐内温度进行研究，平均辐射温度是衡量周围物体表面温度对人体辐射散热强度的指标，由下式计算出平均辐射温度，结果见表。（）（）式中：为平均辐射温度，；为周围环境表面可看到的面积，代表不同的面，；为周围环境各表面温度，。对比 种帐篷内部温度和平均辐射温度，可知：在环境温度为 时，两者内部温差不大，随着帐外温度的降低，由于材质的不同，内胆为双面绗缝针刺毡的帐篷保温性能明显优于内胆为一体白棉的非标帐篷，由表 可知：在 时二者帐内温差最大可达.，辐射温度均为冷辐射，在环境温度为 时，辐射温度相差可达.。由此可知：相对于非标防疫棉帐篷，救灾棉帐篷的保暖性能更好，因此，当环境温度偏低时，尽量选用与国标帐篷相似材质的帐篷。表 帐篷内部温度 环境温度试验 帐内温度试验 帐内温度试验 平均辐射温度试验 平均辐射温度.内环境热舒适评价及需求热阻计算 热舒适是人对热环境满意的心理状态，整个身体对环境产生的冷暖感受或局部特定部位受到冷或热引起的局部不适，都可以影响人在一个环境的生活状态，人体热不满意常由特定部位产生，主要由吹风感、头和脚踝垂直温差过大、地板过冷或过热、非对称辐射温度过高等，本文研究对象在帐篷内部，因此，主要分析头和脚踝垂直温差和地板冷热，以预计平均热感觉指数（，）表示整体冷热的不舒适，根据人体舒适温度范围与人体代谢当量（，）有关，文献中坐姿的 为.，由原始数据通过非线性回归得出局部不满意率（，）表示局部的不舒适性。（.（.）.）（）.（）.（）.（）.（）.（）（）（）（）式中：为预计平均热感觉；为代谢率，取.，；为外部做工消耗的热量，；为水蒸气分压，；为空气温度，；为着装时人的体表面积与裸露时人的体表面积之比；为服装表面温度，；为对流换热系数，（）。（.，）（）（.）（）式中：为局部不满意度，；，为头和踝部之间的垂直空气温度差，；为地板温度，。图 预计平均热感觉指数 当暖体假人穿着救援服坐着帐篷内部如图 所示。当室外环境温度为 ，由式（）为中国安全科学学报第卷年.，此时整体热感觉稍凉，当外界温度持续降低时，假人保持原有服饰，整体热感觉不断降低，当 时 达到.，说明在当前环境下，现有服装已远远不能满足人体热舒适性要求，应增加着装或采用供暖措施。当环境温度降低时，局部温差和不满意度如图 所示。帐篷内头部和脚踝温差维持在 左右，头部和脚踝温差引起的局部不满意率 在外界温度为 时达到最大.，而地板冷热引起的局部不满意率，随着温度的降低不断增大，当外界温度 时达到.，说明地板冷热对人体热舒适影响很大。图 局部温差和不满意度 低温环境人在帐篷内部生活，常因温度不能满足需求而产生不舒适感甚至冻伤。因此，引入，给出一个热阻范围，在此范围内人体处于相对舒适状态。为维持人体热平衡的最小热阻，当服装热阻小于它时，人体受冷，应将暴露时间控制在有限持续暴露时间之内。中值为维持正常体温水平的需求热阻，超过此值人体存在局部过热的风险。根据 冷应激计算模型，根据试验测得救援服的服装热阻结合在线计算工具，计算不同环境温度下人在帐篷内部生活的 和有限持续暴露时间 见表。表 和最大暴露时间 温度（）中值（）.利用暖体假人测得试验所用救援服的基本热阻、空气层热阻、总热阻得出服装基本热阻受温度影响较小，空气层热阻随着温度的升高有所升高，因此，总热阻有所上升。在 时假人所穿服装热阻低于当前环境中人体所需服装热阻，不能维持人体热平衡，处于受冷状态，此时最大暴露时间为.。由表 可知：随着温度的降低，人体所需服装热阻不断增大，暴露时间随之减小，当人体的服装低于最小服装热阻应将暴露时间控制在范围之内，若人长时间在其中工作生活，人的体温可能会下降甚至冻伤。.暖体假人各区域温度变化及改善措施 采用暖体假人恒定热流模式，设定每个区域的热流值，用于模拟人类的各种活动水平。根据环境和被测样品的热损失特性，各区域之间的温度会发生相应变化，从而研究在当前环境温度变化下人体各区域温度下降情况。试验暖体假人区域加热功率设定为 ，对应人体在坐姿情景下的 为.，以此模拟人体在帐篷内部坐着的代谢产热量。暖体假人在环境温度为 的情况穿着救援服时以恒定功率运行，此时身体各部位温度都有不同程度的下降，如图 所示。此时胸腹部温度下降.，左前臂、右小腿温度下降幅度最大，分别为.和.，说明此时所着服装不能维持 下的人体热平衡。再换上黑色加热服进行测试，由于加热服热阻和当前温度下的推荐服装热阻相当，暂不打开加热服加热功能。此时加热服覆盖区域右上臂、左上臂、右前臂、左前臂、胸部、腹部、肩部、背部温度有明显上升，如图 所示，胸腹部温度为.，说明此时服装能满足保温需求，但可能存在局部过热，导致产生热应激。当环境温度 时，假人各区域温度变化如图 所示，前 假人身穿加热服但未打开加热功能，此时各区域