人体辐射换热的计算.docx

人体辐射换热的计算方法
TheCalculationMethodOfRadiativeHeatLossFromHumanBody
同济大学楼宇设备工程与管理系叶海

摘要：本文简要介绍了两种情况下人体辐射换热的计算方法，即人体与室内整体环境间的辐射换热、人体与单一壁面间的辐射换热。作者力求避免繁复的理论推导，而仅仅就研究结果，研究方法作了归纳与总结，列出了一些计算参数的取值范围，可供工程技术人员在计算时参考。

在热舒适的研究中，我们经常要计算人体与室内环境间的热交换，进而对人体的热感觉进行预测。人体与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。在普通的室内气候条件下，人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的50%左右，对流散热为30%左右，其余为蒸发散热。

一、人体与室内环境间的辐射换热
人体与室内环境间的辐射换热量QR可按空腔与内包壁面间的换热计算，即
(1)
式中，——人体的有效辐射面积，m2；，黑体的辐射常数。
——人体外表的平均温度，K；——环境的平均辐射温度，K；
——人体外表的平均发射率，无因次；——包围人体的室内总面积，m2；
——环境的平均发射率，无因次；
式(1)中，由于人体面积远小于环境面积，且一般室内材料的发射率接近于1，故分母的第二项可略去不计。在热舒适研究中，对人体的产热（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，——称为服装面积系数，无因次；后面将作进一步介绍。
——人体的有效辐射面积系数，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的具体形式，但令人遗憾的是，式中右边的各项大多难以从理论上确定，一般依赖于经验公式来解决。两个系数的意义在于，着装增大了人体的外表面积，而人体的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的温度下与人体进行换热。以下将对其中各项进行详细讨论。

人体外表的平均发射率
发射率有时也称为黑度、黑率或辐射系数，它表明物体表面与黑体相比辐射能量的效率。根据基尔霍夫定律，“漫-灰表面”在温度平衡时，可以认为发射率与吸收率相等，但在工程计算中，若温差不过分悬殊，这一关系仍然适用。
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测试过人的皮肤发射率，发现数值在0.995以上。Dunkle等测量了一些服装的发射率，指出天然纤维的发射率在0.9范围内，人造纤维则稍低些。而特殊要求的服装，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。
服装的吸收率与纤维材料和颜色有关，但由于可见光只占热辐射波长范围的一小部分，因此，对眼睛来说同样颜色的服装可能具有不同的吸收率。反之，颜色不同的物质也可能具有相同的吸收率。
皮肤对于不同温度的辐射源有不同的吸收率。但对于低温辐射，皮肤和服装的颜色并不影响发射率，在普通的室内环境中，人体皮肤发射率可简单地取1，大多数服装的发射率可近似取0.95，故在一般的辐射换热计算中，人体外表的发射率可取皮肤和服装的平均值0.97。

表1服装面积系数与服装热阻的关系
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,立的平均1.0+0.26Icl(组合服装)Olsen1.0+0.29IclMunson1.00+0.2IclIcl≤0.5
1.05+0.1IclIcl>0.5Fanger,1982ISO7730
推荐1.15IclGoldman注：以上服装热阻的单位均为clo.
服装面积系数
服装面积系数即着装后人体的外表总面积与裸体面积之比。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的样式变化万千，另外，即使同样的服装，因穿着的方式或合身程度的不同而各异。将服装面积系数总结为服装热阻的函数是一种简便实用的方法，不幸的是，众多的公式间存在较大的差距。
表1列出了根据服装热阻来计算服装面积系数的一些公式，在没有更好的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的公式。

人体的有效辐射面积系数
有效辐射面积系数即有效辐射面积与总的外表面积之比。人体的外形并不是简单的几何体，不同部位间能相互辐射。尽管总的皮肤面积已有许多较为精确的公式可利用，但有效辐射面积的计算要复杂得多。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，人体的有效辐射面积随姿势的不同而各异，显然不可能统