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衣服穿多少合适?

已有 834 次阅读 2020-8-28 11:44 |系统分类:生活其它

 

衣服穿多少合适?

 

春天里,北京的天气冷热多变,动辄一天内温度相差10°以上,各种天气相关的媒体不断在提示你,早晚温差大、注意增减衣物。那么,我们穿着衣服的多少,可以精确估算吗?

 

人体发热量

无论是运动还是休息,无论是睡觉还是醒着,作为生命的特征,人体都在不断的散发热量,平均来说,人体产生的热量,如果完全成为身体受热能量的话,将会使得人体温度升高2°/小时;转化为功率表达的话,大约是100-200W

 

人体正常生理温度与舒适感

人体正常生理温度,以体内或表皮以内、真皮表面温度来衡量的话,为37°,即310K。保持体内温度37°不变,也就保持了人体的舒适感。

 

如何保持体内温度37°不变?

不考虑周围环境,因为人体有一个正常发热功率100-200W,所以要保持体内温度37°不变,必须要通过体表散发出同样大小的热流。

 

人体与环境的换热方式

任何体系之间的热量交换,无非是三种方式:传热、对流和辐射。只有能量交换,没有物质交换,就是传热,这是人体最主流的散热方式;既有能量交换、又有物质交换,或者说通过物质交换实现能量传递,就是对流,人体通过出汗来实现散热降温,就是一种对流;通过电磁波实现能量传递,即所谓辐射,因为人体发射的电磁波散发的能量特别低,在人体散热过程中可以忽略不计。

我们这里讨论穿多少衣服合适,主要通过传热分析来实现。

 

传热公式

导热系数是指在稳定传热条件下,1m厚的材料,两侧表面的温差为1度(K),在1秒内(1s),通过1平方米面积传递的热量,单位为瓦/· W/(m·K)

身体表面的物体的厚度为d、其导热系数为c、身体表面积为s、环境温度为T,则其导热率q为:

 

无衣着下舒适的环境温度分析

干皮组织导热系数 0.18 W/m·k (占人体组织30%),水组织导热系数 0.54 W/m·k (占人体组织70%),平均来计算,人体组织导热系数 0.18*30%+ 0.54*70%=0.432 W/m·k),下面简单以导热系数c0.4带入计算。

人体散热从心脏到表皮的厚度l=5cm

人体散热表皮面积s=2平米

散热率等于人体的发热量,q=150W

计算可得:

T=310-9.375300k,约等于27-28°

所以,一方面在一个环境温度为278°的房间里,我们会觉得最舒适,另一方面,我们在计算穿衣厚度时,可以以从环境到皮肤之间的温差进行计算,而皮肤温度设置为300k

从上面公式也可以简单推论:一个人身体内脏静态下活动越强(产热率越高)、越胖(表皮到内脏的距离大),则越耐寒;而如果长得水灵(导热系数高)、皮肤舒展(皮肤没有皱纹),则越喜欢温暖的环境。

 

不同环境温度下衣着厚度计算

以最常使用的棉毛的导热系数c=0.05代入计算,

衣物的遮盖面积s=1.5平米,另外0.5平米为暴露区域,

衣着区域的散热率为q1,暴露区域的散热率为q2q1+q2=q=150W

可得,

暴露区域散热方程为:

如果暴露区域的散热率等于人体产热率,此时的环境温度为:

,即大约-1°。

也就是说,当环境温度低于-1°时,必须进一步减少暴露面积,否则穿多少衣服都会觉得冷。

如果暴露面积减小到0.05平米,则可以耐受的最低极限温度为65k、小于零下200°。当然这是理想计算,实际上人体液体低于零下20°就早已结冰导致人体冻伤了。

衣着区域散热方程:

q1+q2=150,  q2=1240-4T,  q1=4T-1090

利用该公式计算不同温度下的衣物厚度为,

环境温度Tk)【℃】

衣着厚度mm(c等于0.05)

衣着厚度mm)(c等于0.01时)

300  [27]

0

0

295  [22]

4.16

0.83

290  [17]

10.71

2.14

285  [12]

22.5

4.5

280  [7]

50

10

275  [2]

187.5

37.5

所以,环境温度低于10°时,单纯的棉布衣物已经不能满足御寒需求;当温度接近0°时,需要更高绝热能力的衣物。

 

温度不均时的衣着需求分析

冬天的时候,室外温度0°,室内温度20°,但是在室内生活的人,穿的还是比较多才舒服;夏天的时候,室外33°,室内25°,但是室内的人,需要穿的少才会觉得比较舒服;为什么?

冬天室内的加热源面积、或者夏天室内的冷气源面积,与直接和室外接触的墙壁的面积相比,只有1/5-1/10,甚至更低,因此,室内必然是两种不同温度的空气的组合,而显示的宏观温度。

冬天的时候,冷空气的成分更多,比如占到4/5,如果冷空气的温度为10°,则相当于与人体接触的4/5的面积的地方,需要有可以抵御10°空气的御寒衣物;另一方面,热源更高温度的部分可以认为不需要穿着衣物,综合起来就是,冬天室内的人,需要4/5的部位穿着可以御寒室外10°的低温的衣服,才能舒适,也就是说,冬天的室内,同样需要穿着厚一点衣物。

同样道理,夏天只有不到1/5的部位,需要穿着可以抵御比如20°的环境温度就可以了。因此不需要更多更厚的衣物。

可以推理,夏天有人因为空调而不适,是因为穿着太少太薄,无法抵御20°的低温引起的。

另外,在太阳照射下,因为太阳可以提供1kW/平米的能量,所以即使环境温度低,有太阳的时候,可以穿着的更少一些。

 

思考:

对于正常人体来说,以25°为分界线话,更高的温度和更低的温度(比如5°以内),哪一个更令人喜欢?

 



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1 许培扬

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