人体辐射换热的计算..docx

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1、人 体 辐 射 换 热 计 算 方 法The Calculation Method Of Radiative Heat Loss From Human Body同济大学楼宇设备工程及管理系 叶海摘要：本文简要介绍了两种情况下人体辐射换热计算方法，即人体及室内整体环境间辐射换热、人体及单一壁面间辐射换热。作者力求避免繁复理论推导，而仅仅就研究结果，研究方法作了归纳及总结，列出了一些计算参数取值范围，可供工程技术人员在计算时参考。在热舒适研究中，我们经常要计算人体及室内环境间热交换，进而对人体热感觉进行预测。人体及环境之间主要通过对流和辐射方式换热，导热基本上可以忽略不计。在普通室内气候条件下，人

2、体外表温度高于环境平均辐射温度，而室内风速一般较小，因此辐射散热量可占总散热量50%左右，对流散热为30%左右，其余为蒸发散热。一、人体及室内环境间辐射换热人体及室内环境间辐射换热量QR可按空腔及内包壁面间换热计算，即 (1)式中，人体有效辐射面积，m2； ，黑体辐射常数。人体外表平均温度，K； 环境平均辐射温度，K； 人体外表平均发射率，无因次； 包围人体室内总面积，m2； 环境平均发射率，无因次； 式(1)中，由于人体面积远小于环境面积，且一般室内材料发射率接近于1，故分母第二项可略去不计。在热舒适研究中，对人体产热（即代谢率）和散热计算一般取单位皮肤面积，于是得到 (2)式中， 称为服装

3、面积系数，无因次；后面将作进一步介绍。 人体有效辐射面积系数，无因次；后面将作进一步介绍。式(2)虽然给出了人体辐射换热计算具体形式，但令人遗憾是，式中右边各项大多难以从理论上确定，一般依赖于经验公式来解决。两个系数意义在于，着装增大了人体外表面积，而人体外表之间存在着相互辐射。至于平均辐射温度，它是假想室内环境在均一温度下及人体进行换热。以下将对其中各项进行详细讨论。1-1 人体外表平均发射率发射率有时也称为黑度、黑率或辐射系数，它表明物体表面及黑体相比辐射能量效率。根据基尔霍夫定律，“漫-灰表面”在温度平衡时，可以认为发射率及吸收率相等，但在工程计算中，若温差不过分悬殊，这一关系仍然适用。

4、对于有机物材料，如皮肤、服装和建筑材料，温度变化极小，发射率可视为常数，一般在0.95以上，Mitchell测试过人皮肤发射率，发现数值在0.995以上。Dunkle等测量了一些服装发射率，指出天然纤维发射率在0.9范围内，人造纤维则稍低些。而特殊要求服装，如隔热服和消防服，由于外表涂有高反射涂层，其发射率往往极低。服装吸收率及纤维材料和颜色有关，但由于可见光只占热辐射波长范围一小部分，因此，对眼睛来说同样颜色服装可能具有不同吸收率。反之，颜色不同物质也可能具有相同吸收率。皮肤对于不同温度辐射源有不同吸收率。但对于低温辐射，皮肤和服装颜色并不影响发射率，在普通室内环境中，人体皮肤发射率可简单地

5、取1，大多数服装发射率可近似取0.95，故在一般辐射换热计算中，人体外表发射率可取皮肤和服装平均值0.97。 表1 服装面积系数及服装热阻关系提 出 者备 注1.0+0.46Icl (单件服装)1.0+0.31Icl (组合服装)McCullough & JonesASHRAE 推荐1.0+0.15Icl (男、女装)Fanger, 1970坐,立平均1.0+0.26Icl (组合服装)Olsen1.0+0.29IclMunson1.00+0.2Icl Icl0.51.05+0.1Icl Icl 0.5Fanger, 1982ISO 7730推荐1.15IclGoldman 注：以上服装热阻单

6、位均为 clo.1-2 服装面积系数服装面积系数即着装后人体外表总面积及裸体面积之比。显然，1，裸体时=1。服装面积系数也由实验确定，如照相法等。但问题在于，由于性别、民族习惯、气候条件、生活水平等原因致使服装样式变化万千，另外，即使同样服装，因穿着方式或合身程度不同而各异。将服装面积系数总结为服装热阻函数是一种简便实用方法，不幸是，众多公式间存在较大差距。表1列出了根据服装热阻来计算服装面积系数一些公式，在没有更好数据时可用它们来估计。而服装热阻可以查相关图表确定，也有根据服装重量进行估算公式。1-3 人体有效辐射面积系数有效辐射面积系数即有效辐射面积及总外表面积之比。人体外形并不是简单几何

7、体，不同部位间能相互辐射。尽管总皮肤面积已有许多较为精确公式可利用，但有效辐射面积计算要复杂得多。服装通过增加总表面积来改变有效辐射面积，已有服装面积系数可供计算。容易想象，人体有效辐射面积随姿势不同而各异，显然不可能统计出所有姿势下有效辐射面积系数，一般只对常见姿势进行实验，如站立和坐着。确定有效辐射面积系数实验方法有很多种，如早期机械积分法、最近用鱼眼镜头立体照相法等，但从最后结果看来，差别是非常明显，这可能及受试者人数及体型有关。Fanger分析测试结果后指出，可以认为有效辐射面积系数及性别、体重、身高及体型无关。而且服装影响也是微不足道，因为它使辐射面积和总表面积同时增大。有效辐射面积

8、系数部分测试结果见表2。Fanger数据被ASHRAE Handbook所推荐，他是采用理论计算结合实验测定方法得到。1-4 线性辐射换热系数表2 有效辐射面积系数测试结果总结姿 势结 果提 出 者方 法站 立0.82Bohnenkamp，1931电容法站 立0.82Bedford,1935图解法蹲 着0.72站 立0.78Hardy等，1938包络求积斜 躺0.70.75Winslow等，1940热平衡法站 立0.66Nielsen等，1952热平衡法坐 姿0.60站 立0.76Guibert等，1952照相法坐 姿0.70斜 躺0.73蹲 着0.65坐姿(女)0.6920.019Fange

9、r，1970照相法坐姿(男)0.7000.013坐姿(男女)0.6960.017站立(女)0.7250.014站立(男)0.7250.013站立(男女)0.7250.013坐姿(男性)0.800.82堀越哲美 等，1978立体照相法在计算人体及环境辐射换热式(2)中，针对普通室内环境，利用已知数据可以对它进行简化。人体外表皮肤和服装平均发射率，ASHRAE Handbook 推荐为0.95；Fanger认为，人体皮肤发射率接近于1，大多数服装发射率约为0.95，故建议取两者平均值0.97。有效辐射面积系数取站立和坐姿平均，则为0.71。于是，式(2)变为(3) 图1 人及矩形平板角系数示意图一

10、般情况下，人体温度和环境平均辐射温度变化范围不大，为了进一步简化，采用线性温差代替四次方温差，得到(4)式中， 线性辐射换热系数，W/m2K；对比式(2)和式(4)即可知道(5)值得指出是，有些文献对线性辐射换热系数定义并不完全相同。笔者对式(5)进行计算发现，在通常温度范围内，变化很小，尽管式中各项可采用不同数据，但对结果影响不大。从酷暑、裸体到严寒、冬装，站立和坐姿平均变化为4.15.0。ASHRAE Handbook推荐典型室内条件下可取为4.7；Gagge等推荐热舒适条件下为4.74.8/fcl；日本人持田彻提出，当服装热阻为0.51.0 clo时，可按5.8 feff计算；McINT

11、YRE则认为，正常室温条件下，取5.7 feff ep是足够精确。可以发现，他们推荐值比较接近。采用线性辐射换热系数后，辐射换热及对流换热形式一致，这对于人体显热损失计算统一及相关热舒适指数导出都是有益。二、人体及单一表面间辐射换热2-1 人体及壁面角系数计算人体及环境辐射换热式(2)中，引入了两个重要概念：环境平均辐射温度和人体有效辐射面积系数。这对普通室内环境来说是足够精确，此时，室内各表面温度应该近似相等；人体是近似当着球体处理，所以式(2)中并没有出现角系数。若需要计算人体及单一辐射表面间换热时，不能再用以上方法。这时就要利用角系数按下式来进行计算 (6)式中，人体对辐射表面角系数；

12、辐射表面发射率； 辐射表面平均温度，K；式(6)中，辐射表面发射率可以根据板面材料查相关手册，温度可以通过测量得到，人体有关数据前面已作过讨论，剩下就是要解决人体对辐射板角系数。Fanger通过积分方法，并利用相关实验数据得出了人体及水平和垂直壁面间角系数计算公式。在室内环境中，最常见是垂直或水平表面，如窗户、辐射吊顶及加热地板等，这些表面通常都是矩形。将人体假想为一个圆球，处于三维坐标系中，如图1所示，人中心坐标为P(0，c，0)，面向原点，通过积分法求人体及XZ平面中矩形A（ab）角系数。这样，就可由积分确定，它是无因次长度a/c及b/c函数，使得结果能适用于更广范围。以上推导是基于人中心

13、法线通过矩形顶点情形（见图1），应用角系数分解性原理可以求得人对XZ平面任意矩形角系数。以上方法中，由于人体是当作圆球处理，然后通过投影面积系数来修正，因此它适用于室内六个表面。因人体投影面积在两个相对方向上是一致，所以人处于室内时，通过人体中心线将每个表面都分为4个矩形，所有矩形只须区分为以下六种情况即可：人体中心正前上方或正后下方垂直矩形；人体中心正前下方或正后上方垂直矩形；人体中心侧前上方或侧后下方垂直矩形；人体中心侧前下方或侧后上方垂直矩形；人体中心正前上方或正后下方水平矩形；人体中心正前下方或正后上方水平矩形。Fanger已针对这六种情况，按坐姿人体中心高度0.6m绘制了六张图表，站

14、立时由于人体对称性较好，前后方位可共用同一张图，上下、左右方位亦同，于是，按站立人体中心高度1.0m绘制了三张图表。另一种简化方法是，对人体方位角a 在02p范围内取平均值，这样，站立和坐姿各只需水平矩形和垂直矩形两张图表即可。以上图形都可在Fanger书中查到，也被众多文献所引用。它缺点是人体中心高度是确定，且所有实验数据是以西方人为基础得出。2-2 投影面积系数当人体处于太阳或取暖器等有明显方向性热射线之中时，获得辐射热也取决于人体在射线方向投影面积AP，它可按下式计算 表3 人体及椭球投影面积系数项 目上下左右前后站立人体0.080.230.35椭球0.080.280.28坐姿人体0.180.220.30椭球0.180.220.28(7)其中fp为投影面积系数。研究发现，投影面积系数及性别和服装基本无关。Fanger则将投影面积系数总结为站立和坐姿两种，见表3。此时，人体获得辐射热按下式计算(8)其中，a 为吸收率，E为辐射强度。太阳辐射强度可通过气象资料查到，其他热源辐射强度可以用仪器测定。大多数情况下，我们仅仅关心人体在前后、左右及上下三个方向投影面积系数，对于球体来说，显然任何方向都是0.25，但是椭球却及人体情况比较接近，见表3。其中，椭球轴向在站立时是垂直，坐姿时则是倾斜30，PMV等热舒适仪器传感器作成椭球形就是这个道理。 （参考文献略）4 / 4