CN106198619B - 假人身体各部位辐射换热量和对流换热量分离的实验方法 - Google Patents

假人身体各部位辐射换热量和对流换热量分离的实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种假人身体各部位辐射换热量和对流换热量分离的实验方法，步骤为：1）预实验中令局部送风温度与该局部皮肤温度一致，使对流换热量为零；2）根据各组壁面温度、身体局部皮肤温度及其对应的角系数计算身体各部位的辐射温度；3）计算本实验条件下假人身体各部位的辐射换热系数；4）实现不同工况下假人局部皮肤表面与环境的辐射和对流换热量的分离计算，其中假人各部位总换热量及皮肤温度可直接读取。本发明克服了以往由微风速测试仪采集人体周围风速以计算人体对流换热量时，仪器对人体周围流场的干扰和破坏，保证了计算结果的准确性。由本分离实验计算方法得到的不同工况下人体热舒适状态下假人身体各部分辐射和对流换热量的大小和比例关系。

Description

假人身体各部位辐射换热量和对流换热量分离的实验方法
技术领域
本发明涉及一种人体热舒适性下人体与环境换热量的实验方法，具体涉及到实验室内假人(Manikin)身体各部位皮肤表面辐射换热量与对流换热量的分离计算方法。
背景技术
室内建筑热环境调控的最终目标是满足人体热舒适性要求，而包括对流换热、辐射换热、潜热交换在内的人体皮肤与室内热环境之间的热量交换是影响人体热舒适性的显著因素，人体在没有出汗的情况下，换热以对流换热与辐射换热为主。人体在舒适状态下，不同身体部位对辐射换热和对流换热的需求规律，对于以辐射为主(如辐射空调)或者以对流为主(如混合通风)的气流组织型式的选择和送风参数的设定具有重要的理论价值和工程实际意义；尤其在壁温稳定导致的辐射换热量比较稳定的地下空间环境中，根据两者的比例和对流换热的进一步需求可确定地下空间气流组织形式与送风参数。因此，需要通过对假人(Manikin)辐射换热量和对流换热量的分离，得到人体舒适状态下不同身体部位两部分换热量的大小和比例，从人体舒适需求的角度为建筑环境气流组织设计与送风参数确定提供理论依据。
目前从换热量角度研究人体热舒适性主要来自对辐射板供冷供热的分析。北京工业大学李炎锋学者通过实验获得了辐射板在采暖季中的供暖效果及其对舒适性的影响。华北电力大学谢松甫学者采用Fluent软件数值模拟的方法分析了室内辐射板位置对室内舒适性的作用。湖南大学龚光彩教授等介绍了辐射板离散传播法的原理和辐射换热量的计算过程，并通过计算实例与其他方法进行了比较。天津大学朱能教授等分析了地板辐射供冷与置换通风相结合的空调系统的送风参数对室内人员热舒适的影响，并提出了基于人员热舒适需求的最佳设计值。上述学者从不同角度针对辐射空调对人体热舒适性影响开展相关研究，但大多只考虑对人体整体热舒适性的影响因素，并没有从人体与环境的辐射换热量和对流换热量的不同舒适需求的角度深入分析，同时也未关注人体不同部位的局部热舒适性需求。本方法得到的人体在热舒适条件下，人体局部皮肤表面辐射和对流换热量的大小和比例关系，对于不同环境下以辐射换热或对流换热为主的空调末端的气流组织形式和送风参数的设计具有重要理论参考价值。
发明内容
本发明提出一种假人身体各部位辐射换热量和对流换热量分离的实验方法，通过对假人(Manikin)辐射换热量和对流换热量的分离，得到人体舒适状态下不同身体部位两部分换热量的大小和比例，从人体舒适需求的角度为建筑环境气流组织设计与送风参数确定提供理论依据。
本发明技术方案如下：
一种假人身体各部位辐射换热量和对流换热量分离的实验方法，在求解舒适状态下的假人(Manikin)身体各部位平均辐射换热系数的基础上，将假人(Manikin)输出的身体各部位换热量分离成辐射换热量和对流换热量两部分，具体包括以下实验计算步骤：
1)预实验：将假人调控在热舒适状态下，用可移动送风口分别针对假人20个局部身体部位送风，保证送风温度ta与对应身体局部部位的皮肤温度相等，导致人体与环境的对流换热量为零，使假人输出的换热量仅为相应身体部位的辐射换热量Qr；
2)辐射温度tr计算：实验中测量环境壁面温度ti，用FLUENT软件求解假人各个局部身体部位对房间六个壁面的角系数Fi，并将其代入公式其中：tr：辐射温度，℃；Fi：各壁面对该部位的辐射角系数，无因次；ti：各壁面温度，℃，即可求得各身体部位在不同时刻对应的辐射温度tr；
3)辐射换热系数β0计算：基于上述步骤1)得到的各组辐射换热量Qr和辐射温度tr，结合假人输出的皮肤表面温度tcl，由公式Qr＝β0(Tcl 4-Tr 4)，其中Q:辐射换热量，W/m2；β0：平均辐射换热系数，W/m2·K4；Tcl：皮肤温度，K；T：辐射温度，K；计算出假人身体该部位的各组辐射换热系数，进而求得多组数据辐射换热系数的平均值作为其不受风速、温度工况影响下的实验中该部位的平均辐射换热系数；
4)热量分离计算：在实验室其他条件不变的情况下，改变气流组织形式和送风温度与风量，由假人输出的皮肤表面温度tcl和实测中的辐射温度tr以及步骤3)求得的辐射换热系数β0后，由公式Qr＝β0(Tcl 4-Tr 4)计算出该工况下各身体部位辐射换热量，进一步用假人输出的皮肤表面总换热量减去辐射换热量即可得到对流换热量。
作为本发明的进一步方案：所述步骤1中，假人每个部位面积不同，要求可移动的送风口面积可依据假人人体部位面积灵活调整，以保证该身体部位的对流换热均一稳定；在各部分数据稳定的阶段寻求皮肤温度tcl和送风温度ta相等的对应时刻，将这些时刻假人输出的换热量作为局部部位辐射换热量值。
作为本发明的进一步方案：所述步骤2中，在计算过程中保证可移动送风口的送风温度与皮肤温度相等的时刻，房间壁面温度的数据，此时假人各部位皮肤输出的换热量仅来自于辐射换热，且与相应时刻一一对应。
作为本发明的进一步方案：所述步骤3中，所求辐射换热系数为该实验室条件下各皮肤的辐射换热系数，其定义公式为β0＝εpfclfeffσ，其中β0：平均辐射换热系数，W/m2·K4；εp:人体外表的平均发射率，无因次；fcl：服装面积系数，无因次；feff：人体有效辐射面积系数，无因次；σ＝5.67×10-8W/m2·K4，黑体的辐射常数，其中εp、fcl、feff、σ在特定假人和实验环境中均为常数，与实验工况无关，则预实验计算出的辐射换热系数可运用到该试验台的其他各实验工况，为各工况下身体各部位辐射换热量与对流换热量的分离服务。
本发明的有益效果是：
本发明公开了一种假人(Manikin)身体各部位辐射换热量和对流换热量分离的实验方法，本发明用实验方法实现了人体在热舒适性条件下局部皮肤表面辐射和对流换热量的分离，弥补了实测风速计算对流换热系数过程中的不可达到和不准确性，克服了数值模拟受限于物理建模和边界条件设定的制约，且在本实验中，实验工况调节方便，假人皮肤表面换热量及温度和其他实验数据均可以简单获取。通过该计算方法可以较准确地得出人体热舒适条件下，假人局部皮肤表面辐射和对流换热量的大小和比例关系，这对于不同环境下的空调末端以辐射换热或对流换热为主的气流组织形式和送风参数的设计具有重要理论参考价值。
与现有技术相比，本发明有如下显著效果：
(1)目前人体热舒适性主要针对人整体热舒适进行研究的，主要在于对人体整体换热量的分析，而本发明主要针对人体局部换热量进行研究；
(2)目前研究人体舒适状况下的研究多只涉及总换热量，本发明对各皮肤表面进行可移动送风的试验方法，将皮肤表面进行换热量进行分离，得出身体各个部分的辐射和对流换热量大小及比例关系；
(3)目前研究中计算对流换热量时，多需要风速测量计算对流换热系数后计算的途径，该方法在人体周围风速测量时常会破坏实验微环境，影响对流换热量的计算结果，本发明通过实验方法在不破坏皮肤表面风速环境的条件下进行辐射和对流换热量的分离计算；
(4)本发明用假人模型来研究局部表面换热量和人体热舒适性，假人模型可控且数据易读取，可以定量的分析人体热舒适性，克服了模拟计算过程中模型建立和边界条件确定的难度；
(5)本发明提供了一种简便方法分离计算假人局部皮肤表面辐射和对流换热量，可以较准确地得出人体热舒适条件下，对于不同环境下的空调末端以辐射换热或对流换热为主的气流组织形式和送风参数的设计具有重要理论参考价值。
附图说明
图1为本发明的假人身体各部位辐射换热量和对流换热量分离的实验方法的流程图；
图2为参量交点插值求解原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施案例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
以下以假人脸部为例，送风温度为30℃，风量为0.195m3/s。对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明的假人(Manikin)身体各部位辐射换热量和对流换热量分离的实验方法，包括以下步骤：
1)预实验：将假人调控在热舒适状态下，假人脸部可直接输出皮肤表面总换热量Q和皮肤温度tcl，以面积与脸部面积相近的可移动送风口针对假人脸部进行送风，且尽量保证送风温度ta与对应身体局部部位的皮肤温度tcl相等，脸部温度及换热量的数据采集持续2～3小时。其中数据稳定部分数据见表1。
表1：脸部部分数据监测表
以交点插值的计算方法选取相邻两组可得出皮肤温度和送风温度相等的数据为原则，可选取1和2、7和8、16和17、21和22及12为五组计算数据，如图2所示，将皮肤温度和送风温度经过交点插值的办法，分别算出每组交点时刻处皮肤表面总换热量Q，此时因送风温度与皮肤温度相等导致人体与环境的对流换热量为零，假人输出的换热量仅为相应身体部位的辐射换热量Qr，则可得每组计算数据交点处辐射换热量值。
2)辐射温度tr计算：实验中可测量环境壁面温度ti，FLUENT软件求解假人脸部对房间6个壁面的角系数Fi如表2，将其代入公式(tr：辐射温度，℃；Fi：各壁面对该部位的辐射角系数，无因次；ti：各壁面温度，℃)，即可求得不同身体部位在不同时刻所对应的辐射温度tr＝28℃；
表2脸部对6个壁面的角系数
3)辐射换热系数β0计算：基于上述步骤1)得到的每组辐射换热量Qr和步骤2)得到的辐射温度tr，结合假人输出的脸部表面温度tcl，可由公式Qr＝β0(Tcl 4-Tr 4)(Q:辐射换热量，W/m2；β0：平均辐射换热系数，W/m2·K4；Tcl：皮肤温度，K；T：辐射温度，K)计算出每组假人脸部的辐射换热系数β0，并求得脸部多组数据对应的辐射换热系数的平均值作为不受风速、温度等工况影响下的试验中的辐射换热系数值β0＝0.996W/m2·K4；
4)热量分离计算：在其他送风形式和温度的工况下，由假人输出的皮肤表面温度tcl和实测中的辐射温度tr以及步骤3)求得的辐射换热系数β0后，可由公式Qr＝β0(Tcl 4-Tr 4)计算出此送风工况下脸部辐射换热量为38W/m2，进一步用皮肤表面总换热量Q＝76W/m2减去辐射换热量38W/m2即可得到对流换热量Qc＝38W/m2。
进一步说明：步骤1中，假人每个部位面积不同，要求可移动的送风口面积可依据假人人体部位面积灵活调整，以保证该身体部位的对流换热均匀；且各部位送风温度和皮肤温度的数据采集时长应保证数据相对稳定，在数据稳定阶段寻求皮肤温度tcl和送风温度ta相等的对应时刻，将这些时刻假人输出的换热量作为局部部位辐射换热量的值。
步骤2中，在计算过程中保证可移动送风口的送风温度与皮肤温度相等时刻，房间壁面温度的数据，假人各部位皮肤输出的换热量(辐射换热量)应注意一一对应。
步骤3中，所求辐射换热系数为该实验室条件下各皮肤的当量辐射换热系数，其定义公式为β0＝εpfclfeffσ(β0：平均辐射换热系数，W/m2·K4；εp:人体外表的平均发射率，无因次；fcl：服装面积系数，无因次；feff：人体有效辐射面积系数，无因次；σ＝5.67×10-8W/m2·K4，黑体的辐射常数)，其中εp、fcl、feff、σ在特定假人和实验环境中均为常数，与实验工况无关，则预实验计算出的辐射换热系数在本实验室条件下对于各部位均为常数，故可将其进一步运用到各实验工况中，为辐射换热量与对流换热量的分离服务。

Claims (4)

1.一种假人身体各部位辐射换热量和对流换热量分离的实验方法，在求解舒适状态下的假人身体各部位平均辐射换热系数的基础上，将假人输出的身体各部位换热量分离成辐射换热量和对流换热量两部分，其特征在于，具体包括以下实验计算步骤：
1)预实验：将假人调控在热舒适状态下，用可移动送风口分别针对假人20个局部身体部位送风，保证送风温度ta与对应身体局部部位的皮肤温度相等，导致人体与环境的对流换热量为零，使假人输出的换热量仅为相应身体部位的辐射换热量Qr；
2)辐射温度tr计算：实验中测量环境壁面温度ti，用FLUENT软件求解假人各个局部身体部位对房间六个壁面的角系数Fi，并将其代入公式其中：tr：辐射温度，℃；Fi：各壁面对该部位的辐射角系数，无因次；ti：各壁面温度，℃，即可求得各身体部位在不同时刻对应的辐射温度tr；
3)辐射换热系数β0计算：基于上述步骤1)得到的各组辐射换热量Qr和辐射温度tr，结合假人输出的皮肤表面温度tcl，由公式Qr＝β0(Tcl 4-Tr 4)，其中Q:辐射换热量，W/m2；β0：平均辐射换热系数，W/m2·K4；Tcl：皮肤温度，K；T：辐射温度，K；计算出假人身体该部位的各组辐射换热系数，进而求得多组数据辐射换热系数的平均值作为其不受风速、温度工况影响下的实验中该部位的平均辐射换热系数；
4)热量分离计算：在实验室其他条件不变的情况下，改变气流组织形式和送风温度与风量，由假人输出的皮肤表面温度tcl和实测中的辐射温度tr以及步骤3)求得的辐射换热系数β0，由公式Qr＝β0(Tcl 4-Tr 4)计算出该工况下各身体部位辐射换热量，进一步用假人输出的皮肤表面总换热量减去辐射换热量即可得到对流换热量。
2.根据权利要求1所述的假人身体各部位辐射换热量和对流换热量分离的实验方法，其特征在于：所述步骤1中，假人每个部位面积不同，要求可移动的送风口面积可依据假人人体部位面积灵活调整，以保证该身体部位的对流换热均一稳定；在各部分数据稳定的阶段寻求皮肤温度tcl和送风温度ta相等的对应时刻，将这些时刻假人输出的换热量作为局部部位辐射换热量值。
3.根据权利要求1所述的假人身体各部位辐射换热量和对流换热量分离的实验方法，其特征在于：所述步骤2中，在计算过程中保证可移动送风口的送风温度与皮肤温度相等的时刻，房间壁面温度的数据，此时假人各部位皮肤输出的换热量仅来自于辐射换热，且与相应时刻一一对应。
4.根据权利要求1所述的假人身体各部位辐射换热量和对流换热量分离的实验方法，其特征在于：所述步骤3中，所求辐射换热系数为该实验室条件下各皮肤的辐射换热系数，其定义公式为β0＝εpfclfeffσ，其中β0：平均辐射换热系数，W/m2·K4；εp:人体外表的平均发射率，无因次；fcl：服装面积系数，无因次；feff：人体有效辐射面积系数，无因次；σ＝5.67×10-8W/m2·K4，黑体的辐射常数，其中εp、fcl、feff、σ在特定假人和实验环境中均为常数，与实验工况无关，则预实验计算出的辐射换热系数可运用到试验台的其他各实验工况，为各工况下身体各部位辐射换热量与对流换热量的分离服务。
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