人體輻射換熱的計(jì)算

1、人體輻射換熱的計(jì)算方法TheCalculationMethodOfRadiativeHeatLossFromHumanBody同濟(jì)大學(xué)樓宇設(shè)備工程與管理系葉海摘要：本文簡要介紹了兩種情況下人體輻射換熱的計(jì)算方法，即人體與室內(nèi)整體環(huán)境間的輻射換熱、人體與單一壁面間的輻射換熱。作者力求避免繁復(fù)的理論推導(dǎo)，而僅僅就研究結(jié)果，研究方法作了歸納與總結(jié)，列出了一些計(jì)算參數(shù)的取值范圍，可供工程技術(shù)人員在計(jì)算時(shí)參考。在熱舒適的研究中，我們經(jīng)常要計(jì)算人體

2、與室內(nèi)環(huán)境間的熱交換，進(jìn)而對人體的熱感覺進(jìn)行預(yù)測。人體與環(huán)境之間主要通過對流和輻射方式換熱，導(dǎo)熱基本上可以忽略不計(jì)。在普通的室內(nèi)氣候條件下，人體外表溫度高于環(huán)境平均輻射溫度，而室內(nèi)風(fēng)速一般較小，因此輻射散熱量可占總散熱量的50%左右，對流散熱為30%左右，其余為蒸發(fā)散熱。一、人體與室內(nèi)環(huán)境間的輻射換熱人體與室內(nèi)環(huán)境間的輻射換熱量QR可按空腔與內(nèi)包壁面間的換熱計(jì)算，即(1)W)11(1)(44????SSeffpmrtsurfeffRAA

3、TTAQ???式中，——人體的有效輻射面積，m2；，黑體的輻射常數(shù)。effA428KWm1067.5?????——人體外表的平均溫度，K；——環(huán)境的平均輻射溫度，K；surfTmrtT??——人體外表的平均發(fā)射率，無因次；——包圍人體的室內(nèi)總面積，m2；P?SA??——環(huán)境的平均發(fā)射率，無因次；S?式(1)中，由于人體面積遠(yuǎn)小于環(huán)境面積，且一般室內(nèi)材料的發(fā)射率接近于1，故分母的第二項(xiàng)可略去不計(jì)。在熱舒適研究中，對人體的產(chǎn)熱（即代謝率）和

4、散熱計(jì)算一般取單位皮膚面積，于是得到(2)244Wm)(mrtsurfeffclPrTTffQ????式中，?——稱為服裝面積系數(shù)，無因次；后面將作進(jìn)一步介紹。clf——人體的有效輻射面積系數(shù)，無因次；后面將作進(jìn)一步介紹。efff式(2)雖然給出了人體輻射換熱計(jì)算的具體形式，但令人遺憾的是，式中右邊的各項(xiàng)大多難以從理論上確定，一般依賴于經(jīng)驗(yàn)公式來解決。兩個(gè)系數(shù)的意義在于，著裝增大了人體的外表面積，而人體的外表之間存在著相互輻射。至于平均

5、輻射溫度，它是假想室內(nèi)環(huán)境在均一的溫度下與人體進(jìn)行換熱。以下將對其中各項(xiàng)進(jìn)行詳細(xì)討論。11人體外表的平均發(fā)射率發(fā)射率有時(shí)也稱為黑度、黑率或輻射系數(shù)，它表明物體表面與黑體相比輻射能量的效14線性輻射換熱系數(shù)在計(jì)算人體與環(huán)境輻射換熱的式(2)中，針對普通的室內(nèi)環(huán)境，利用已知的數(shù)據(jù)可以對它進(jìn)行簡化。人體外表皮膚和服裝的平均發(fā)射率，ASHRAEHbook推薦為0.95；Fanger認(rèn)為，人體皮膚發(fā)射率接近于1，大多數(shù)服裝的發(fā)射率約為0.95，故

6、建議取兩者平均值0.97。有效輻射面積系數(shù)取站立和坐姿的平均，則為0.71。于是，式(2)變?yōu)?3)2448Wm)(109.3mrtsurfclrTTfQ????一般情況下，人體溫度和環(huán)境平均輻射溫度的變化范圍不大，為了進(jìn)一步簡化，采用線性溫差代替四次方溫差，得到(4)2Wm)(mrtsurfclrrTTfhQ??式中，?——線性輻射換熱系數(shù)，Wm2K；rh對比式(2)和式(4)即可知道(5)344mrtsurfmrtsurfeffPr

7、TTTTfh?????)2(4mrtsurfeffPTTf????值得指出的是，有些文獻(xiàn)對線性輻射換熱系數(shù)的定義并不完全相同。筆者對式(5)進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在通常的溫度范圍內(nèi)，的變化很小，盡管rh式中各項(xiàng)可采用不同的數(shù)據(jù)，但對結(jié)果影響不大。從酷暑、裸體到嚴(yán)寒、冬裝，站立和坐姿平均的變化為4.1~5.0。ASHRAEHbook推薦典型的室內(nèi)條件下可取為4.7；Gagge等rh推薦熱舒適條件下為4.7~4.8fcl；日本人持田徹提出，當(dāng)服裝熱

8、阻為0.5~1.0clo時(shí)，可按5.8feff計(jì)算；McINTYRE則認(rèn)為，正常的室溫條件下，取5.7feff?p是足夠精確的?？梢园l(fā)現(xiàn)，他們推薦的值比較接近。采用線性輻射換熱系數(shù)后，輻射換熱與對流換熱的形式一致，這對于人體顯熱損失計(jì)算的統(tǒng)一及相關(guān)熱舒適指數(shù)的導(dǎo)出都是有益的。二、人體與單一表面間的輻射換熱21人體與壁面的角系數(shù)計(jì)算人體與環(huán)境輻射換熱的式(2)中，引入了兩個(gè)重要概念：環(huán)境平均輻射溫度和人體的有效輻射面積系數(shù)。這對普通的室內(nèi)

9、環(huán)境來說是足夠精確的，此時(shí)，室內(nèi)各表面溫度應(yīng)該ZXYP(00b)(a0b)(a00)(0c0)dxdzA圖1人與矩形平板的角系數(shù)示意圖表2有效輻射面積系數(shù)的測試結(jié)果總結(jié)姿勢結(jié)果提出者方法站立0.82Bohnenkamp，1931電容法站立0.82Bedfd1935圖解法蹲著0.72站立0.78Hardy等，1938包絡(luò)求積斜躺0.7~0.75Winslow等，1940熱平衡法站立0.66Nielsen等，1952熱平衡法坐姿0.60站立