第四章 人体对热湿环境的反应
第一节 人体对热湿环境反应的生理学和心理学基础
4.1.1人体的热平衡
4.1.1.1人体的基本生理要求人体靠摄取食物维持生命。在人体细胞中，食物通过化学反应过程被分解氧化，实现人体的新陈代谢，在化学反应中释放能量的速率叫做代谢率(Metabolic Rate)。化学反应中大部分化学能最终都变成了热量，因此人体不断地释放热量；同时，人体也会通过对流、辐射和汗液蒸发从环境中获得或失掉热量。但是，人体的生理机能要求体温必须维持近似恒定才能保证人体的各项功能正常，所以人体的生理反应总是尽量维持人体重要器官的温度相对稳定。
人体各部分温度并不相同。身体表面由于散热的作用，温度要比深部组织的温度低，而且易随环境温度的变化而变化。深部组织由于不同器官组织的代谢率不同，温度也各不相同，代谢率高的器官温度比较高，例如代谢率比较高的肝脏温度约为38℃。但由于全身血液在不断循环，把热量由温度较高处带到较低处，所以人体各部分温度不会相差很大。一昼夜之中，人体体温有周期性波动，波动幅度不超过1℃。表4-1是我国正常成年人静止时的体温[2]。
表4-1 我国正常成年人的体温(℃)
平均量
变动范围
腋温
36.8
36.0~37.4
口温
37.2
36.7~37.7
肛温
37.5
36.9~37.9
人体为了维持正常的体温，必须使产热和散热保持平衡。 图4-1是人体的热平衡示意图，它用一个多层圆柱断面来表示人体的核心部分、皮肤部分和衣着。因此人体的热平衡又可用下式表示：
M ( W ( C ( R ( E ( S = 0 (4-1）
其中：
M (( 人体能量代谢率，决定于人体的活动量大小，W/m2；
W (( 人体所做的机械功，W/m2；
C (( 人体外表面向周围环境通过对流形式散发的热量,W/m2；
R (( 人体外表面向周围环境通过辐射形式散发的热量，W/m2；
E (( 汗液蒸发和呼出的水蒸汽所带走的热量，W/m2；
S (( 人体蓄热率，W/m2。
式(4-1)中各项均以人体单位表面积的产热和散热表示。裸身人体皮肤表面积可以用下式计算[1]：
AD ＝ 0.202 mb 0.425 H 0.725 (4-2)
其中：
AD (( 人体皮肤表面积，m2；
H (( 身高，m；
mb (( 体重，kg。
如果一个人身高为1.78 m，体重为65 kg，则皮肤表面积为1.8 m2左右。
图4-1 人体和环境的热交换
人体的核心温度是由人体的运动强度即代谢率决定的，代谢率越高，人体的核心温度就越高。但人体的核心温度必须维持在一个相当窄的范围内才能保证其正常功能，而人的皮肤温度却随外界温度的变化而变化，而且与人体的核心温度一样，各部位之间存在一定差别。为了确定人的平均皮肤温度，Ramanathan（1964）提出了一个四点模型，即可通过测试人体胸部、上臂、大腿以及小腿的皮肤温度，按照权系数0.3、0.3、0.2和0.2进行加权平均。
人体最大的生理性体温变动范围为35～40℃。在稳定的环境条件下，式(4-1)中的人体蓄热率S应为零，这时人体能够保持能量平衡。当人体的余热量难以全部散出时，就会在体内蓄存起来，于是式(4-1)中的人体蓄热率S变成正值，导致体温上升，人体就会感到不舒适。在非感染性病理发热的条件下，体温上升到38.3℃以上则为轻症中暑。体温升到40℃时，称作体温过高，此时出汗停止，出现重症中暑，如果不采取措施，则体温将迅速上升。体温升到42℃以上，身体组织开始受到损伤。一般认为人的最高致死体温为45℃。
在冷环境中，人体的散热增多，可能导致式(4-1)中的人体蓄热率S为负值。如果人体比正常热平衡时多散87W的热量，则睡眠的人会被冻醒，这时人的皮肤平均温度相当于下降了2.8℃，人会感到不适，甚至会导致生病。核心体温下降最初出现的症状是呼吸和心率加快，出现头痛等不适反应。当核心温度下降到34℃以下时，症状达到严重的程度，产生健忘、呐吃和定向障碍；当核心体温下降到30℃时，全身剧痛，意识模糊；降至28℃以下就会出现瞳孔反射、随意运动丧失、深部腱反射和皮肤反射全部消失，濒临死亡。尽管现在还不能确定人的最低致死体温，因为已经有核心体温降到26.5℃保持24小时仍然能够正常复苏而没有后遗症的实例，但已证实当体温下降到20℃时，通常就不能复苏。
图4-2是人类体温范围变化示意图。表4-2给出了人体皮肤温度与人体热感觉的关系。皮肤所能够适应的温度范围在29～37℃之内。
表4-2 人体皮肤温度与人体热感觉的关系皮肤温度
状 态
45℃ 以上
皮肤组织迅速损伤，热痛阈
43~ 41 ℃
被烫伤的疼痛感
41~39 ℃
疼感域
39~37 ℃
热的感觉
37~35 ℃
开始有热的感觉
34~33 ℃
休息时处于热中性状态,热舒适
33~32 ℃
中等(2-4met)运动量时感觉舒适
32~30 ℃
较大(3-6met)运动量时感觉舒适
31~29 ℃
坐着时有不愉快的冷感
25℃ (局部)
皮肤丧失感觉
20 ℃(手)
非常不快的冷感觉
15 ℃(手)
极端不快的冷感觉
5 ℃(手)
伴随疼感的冷感觉
4.1.1.2 人体与外界的热交换
人体与外界的热交换形式包括对流、辐射和蒸发。这几种不同类型的换热方式都受人体的衣着影响。衣服的热阻大则换热量小，衣服的热阻小则换热量大。
环境空气的温度决定了人体表面与环境的对流换热温差因而影响了对流换热量，周围的空气流速则影响对流热交换系数。气流速度大时，人体的对流散热量增加，因此会增加人体的冷感。
人体除了对外界有显热交换外，还有潜热交换，主要是通过皮肤蒸发和呼吸散湿带走身体的热量。皮肤蒸发又包含汗液蒸发和皮肤的湿扩散两部分，因为除了人体体温调节系统可以控制汗液的分泌外，水分还可以从皮下组织直接散发到较干燥的环境空气中去。在一定温度下，相对湿度越高，空气中的水蒸汽分压力越大，人体皮肤表面的蒸发量越少，可以带走的热量就越少。因此在高温环境下，空气湿度偏高会增加人体的热感。但是在低温环境下如果空气湿度过高，就会使衣物变得潮湿，从而降低衣物的热阻，强化了衣物与人体的传热，反而会增加人体的冷感。
空气流速同样会影响人体表面的对流质交换系数。气流速度大会提高汗液的蒸发速率从而增加人体的冷感。
周围物体的表面温度决定了人体辐射散热的强度。例如，在同样的室内空气参数的条件下，围护结构内表面温度高会增加人体的热感，反之会增加冷感。
空气流速除了影响人体与环境的显热和潜热交换速率以外，还影响人体的皮肤的触觉感受。人们把气流造成的不舒适的感觉叫做“吹风感 (draught)”。如前所述，在较凉的环境下，吹风会强化冷感觉，对人体的热平衡有破坏作用，因此“吹风感”相当于一种冷感觉。然而，尽管在较暖的环境下，吹风并不导致人体热平衡受到破坏，但不适当的气流仍然会引起皮肤紧绷、眼睛干涩、被气流打扰、呼吸受阻甚至头晕的感觉。因此在较暖的环境下，“吹风感”是一种气流增大引起皮肤及粘膜蒸发量增加以及气流冲力产生的不愉快的感觉。
4.1.1.3 影响人体与外界显热交换的几个环境因素
(1) 平均辐射温度(Mean Radiant Temperature,MRT)
在考虑周围物体表面温度对人体辐射散热强度的影响时要用到“平均辐射温度”的概念。平均辐射温度的意义是一个假象的等温围合面的表面温度，它与人体间的辐射热交换量等于人体周围实际的非等温围合面与人体间的辐射热交换量。其数学表达式为：
(4-53)
其中：
(( 平均辐射温度，K；
Fnj (( 周围环境第j个表面的角系数，m2；
Tnj (( 周围环境第j个表面的温度，K
( j (( 周围环境第j个表面的黑度；
(0 (( 假想围合面的黑度。
上式是一个四次方关系式并采用绝对温标，在实际使用时有一定的困难。但对于人体所处的实际环境温差来说，把式(4-53)简化为一次方表达式的结果会比实际平均辐射温度会略小一些，但对于实际应用来说已足够精确。另外，在实际的建筑室内环境里，室内各主要表面的黑度一般差别并不大，因此可假定人体周围各非等温围合面的黑度均等于假想围合面的黑度(0，则有采用摄氏温标的平均辐射温度近似表达式：
(4-54)
其中：(( 平均辐射温度，℃；
tnj (( 周围环境第j个表面的温度，℃
测量平均辐射温度最早、最简单，且仍是最普遍的方法就是使用黑球温度计。它是由一个涂黑的薄壁铜球内装有温度计组成，温度计的感温包位于铜球的中心。使用时把黑球温度计悬挂在测点处，使其与周围环境达到热平衡，此时测得的温度为黑球温度Tg。如果同时测出了空气的温度Ta，则当平均辐射温度与室温差别不是很大时，可按下式求出平均辐射温度为：
(4-65)
(2) 操作温度to (Operative Temperature)
操作温度to反映了环境空气温度ta和平均辐射温度的综合作用，其表达式为：
(4-76)
式中：hr (( 辐射换热系数，W/(m2℃)；
hc (( 对流换热系数，W/(m2℃)。
(3) 对流换热系数hc
在无风或风速很小的条件下，人体周围的自然对流就变得十分重要。在比较高风速下人体表面的受迫对流换热系数可以通过风洞实验测定。很多研究者通过不同实验方法获得了人体表面的自然对流换热系数和受迫对流换热系数，可针对不同的应用条件选择使用，见表4-2。
表4-2 人体表面的对流换热系数[11]
对流换热系数hc (W/m2℃)
提出者
适应条件
受
8.6v 0.6
D,Mitchell (1974)
最好的平均值
迫
12.1v 0.5
Winslow 等 (1939)
用于Fanger舒适方程
对
8.6v 0.53
Gagge 等 (1969)
用于SET公式中
流
8.3v 0.5
Kerslake (1972)
推荐采用
自
3.0
Nishi和Gagge (1977)
静止空气中的静止人体
然
1.16 (M-50) 0.39
Nishi和Gagge (1977)
静止空气中的活动人体
对
1.18(T0.25
Birkebak (1966)
2米高的圆柱体
流
2.38(T0.25
Nelson 和Peterson (1952)
用于Fanger舒适方程
4.0
Rapp (1973)
推荐用于静坐者
(4) 对流质交换系数he
为了确定对流质交换系数he，引入了传质与传热的比拟方法。Lewis指出对流质交换系数he (即蒸发换热系数) 与对流换热系数hc是相关的，二者存在固定的关系：
LR = he,/ hc (4-7)
其中LR称作刘易斯系数 (Lewis Ratio)，单位为℃/kPa。对于典型的室内空气环境有：
LR = 16.5 (4-8)
4.1.1.4 服装的作用服装在人体热平衡过程中所起的作用包括保温和阻碍湿扩散。因此在考虑人体与外界的热交换时必然要考虑到服装的影响。
4.1.1.4.1 服装热阻
服装热阻Icl指的是服装本身的显热热阻，常用单位为m2K/W和clo，两者的关系是：
1 clo = 0.155 m2K/W (4-9)
1clo的定义是在21℃空气温度、空气流速不超过0.05 m/s、相对湿度不超过50％的环境中静坐者感到舒适所需要的服装的热阻，相当于内穿长袖衬衣、外穿长裤和普通外衣或西装时的服装热阻。夏季服装一般为0.5 clo (0.08 m2K/W)，工作服装一般为0.7 clo (0.11 m2K/W )，正常室外穿的冬季服装一般为1.5~2.0 clo，在北极地区的服装可达到4.0 clo。如果缺乏成套服装热阻Icl的数据，可以通过单件服装的热阻Iclu,i求得：
(4-10)
对于从皮肤表面到环境空气的传热过程，需要考虑服装表面的对流换热热阻Ia。因此，服装的总热阻It为：
(4-11)
其中fcl是服装的面积系数，见4.1.1.4.3。
可以通过ASHRAE Handbook[5]或其它有关文献查得典型成套服装或单件服装的换热热阻。附表4-1给出了部分成套服装的本身热阻Icl和总传热热阻It，附表4-2给出了部分单件服装的热阻Iclu,i。
当人坐在椅子上时，椅子本身会给人体增加0.15 clo以下的热阻，其值大小取决于椅子与人体接触的面积。网状吊床或沙滩椅与人体接触面积最小，而单人软体沙发的接触面积最大，热阻可增加0.15 clo。对于其他类型的座椅，其热阻的增值(Icl可以用以下公式估算[5]：
(Icl =0.748 Ach – 0.1 (4-12)
其中Ach是椅子和人体的接触面积，m2。
行走时由于人体与空气之间存在相对流速，会降低服装的热阻。其降低的热阻值可用下式估算：
( Icl = 0.504 Icl + 0.00281Vwalk – 0.24 (4-13)
其中人的行走步速Vwalk的单位是步/min。如果一个人静立的服装热阻是1 clo，则当他行走步速为90步/min (约3.7km/h) 时，他的服装热阻会下降0.52 clo，变成0.48 clo。
在做某些空间的空调设计时，往往需要通过研究论证来确定该空间的空气设计参数，此时人的着装热阻往往成为难以确定的因素。不过由于人有主观能动性，可以根据自己的所处环境与活动的需要来选择服装。图4-3给出人在室外环境进行一些活动时，感觉比较舒适的状态下所需要的服装热阻[26]。根据这张图，就可以获得某类状态下人体着装的热阻值作为确定各种设计参数的基础，例如公共交通设施内的设计温度、商店的设计温度等。
图4-3 舒适的服装热阻与温度、活动强度与相对风速v的关系[26]
4.1.1.4.2服装透湿性
服装的存在影响了皮肤表面的蒸发。一方面服装对皮肤表面的水蒸气扩散有一个附加阻力，另一方面服装吸收部分汗液，致使只有剩余部分汗液蒸发冷却皮肤。服装借助毛细现象吸收和传输汗液，这部分汗液不是在皮肤表面蒸发，而是在服装表面或服装内部蒸发。这时就需要更大的蒸发量才能在皮肤表面上形成同样的散热量，因此服装的存在增加了皮肤的蒸发换热热阻。
为了描述服装的湿传递特性，同样可以采用刘易斯关系。但实际的服装的湿传递性能往往显著偏离刘易斯关系。可以通过服装湿传递性能的修正系数，即水蒸气渗透系数，来求得较精确的服装本身的蒸发换热热阻Ie,cl和总蒸发换热热阻Ie,t：
(4-14)
(4-15)
其中：icl (( 服装本身的水蒸气渗透系数，仅考虑透过服装的湿传递过程；
im(( 服装的总水蒸气渗透系数，考虑了从皮肤到环境空气的湿传递过程。
icl和im均可以在附表4-1中查到。
另一方面，服装吸收了汗液后也会使人感到凉，原因除了衣物潮湿导致导热系数增加以外，服装层在原有显热传热的基础上又增加了部分潜热换热，也可以看作是服装原有的热阻下降。表4-3 给出了1 clo干燥服装在被汗润湿后的热阻值与一些活动状态之间的关系。
表4-3 1 clo干燥服装被汗湿润后的热阻活动强度
静坐
坐姿售货
站立售货
站立但偶尔走动
行走
3.2 km/h
行走
4.8 km/h
行走
6.4 km/h
服装热阻(clo)
0.6
0.4
0.5
0.4
0.4
0.35
0.3
4.1.1.4.3服装的表面积
人体着装后与外界的热质交换面积有所改变，因此常常用服装的面积系数fcl来表示人体着装后的实际表面积Acl和人体裸身表面积AD之比：
fcl = Acl / AD (4-16)
成套服装的面积系数fcl同样可以通过文献[5]获得。实际上，其最可靠的获取方法是照相法。如果没有合适的参考数据，就只能采用McCullough 和Jones[9]提出的粗估算公式，它给出了服装的面积系数与服装热阻之间的关系：
fcl = 1.0 + 0.3 Icl (4-17)
4.1.1.5人体的能量代谢
4.1.1.5.1人体的能量代谢率
在考虑人体的能量平衡时，应该注意到人体与非生物体的能量平衡存在根本的区别，即人体的能量释放量和释放方式不是固定的，而是受主观和客观环境因素影响并反作用于主观和客观因素的。因此人体的能量平衡描述比非生物体的能量平衡描述要复杂得多。
人体的能量代谢率受多种因素影响，如肌肉活动强度、环境温度、性别、年龄、神经紧张程度、进食后时间的长短。临床上规定未进早餐前，保持清醒静卧半小时，室温条件维持在18~25℃之间测定的代谢率叫做基础代谢率(Basal Metabolic Rate,BMR)。由于人体的能量代谢率易受多种因素的影响，基础代谢率可用作衡量代谢的一个标准。
当人受刺激引起精神高度紧张时，代谢率往往显著升高，原因是骨骼肌的紧张性增加，另一方面是交感神经兴奋引起儿茶酚大量释放，从而提高代谢率。
人体的代谢率在一定温度范围内是比较稳定的，当环境温度升高或降低时，代谢率都会增加。实验发现裸身男子静卧于温度处于22.5~35℃范围内的测热小室内，人体的产热量基本不变。但在22.5℃温度下停留1～2小时后，身体会出现冷颤，同时产热量开始增加。环境温度升高时，细胞内的化学反应速度增加，发汗、呼吸以及循环机能加强也会导致代谢率增加。
人进食后产热量会逐渐增加，并延续7～8小时。所增加的热量值取决于食品的性质。全蛋白质食物可增加热量30％，糖类或脂肪类食物只能增加4～6％，混合食物一般增加产热量10％。
人体的基础代谢率随年龄逐渐下降，少年较高，老年稍低。女性比男性低6～10％。BMR正常的变动范围在10～15％之内，如果变动超过20％，则处于病理状态。
肌肉活动对代谢率的影响极显著，最好的确定方式是测量活动人体的耗氧量和二氧化碳的排出量。实验式有[17]：
M = 21 ( 0.23 RQ + 0.77 ) VO2 / AD (4-18)
其中：M (( 代谢率，W/m2；
RQ (( 呼吸商，单位时间内呼出二氧化碳和吸入氧气的摩尔数比，无量纲；
VO2 (( 在0℃、101.325 kPa条件下单位时间内消耗氧气的体积，mL/s，见附表4-3。
一般成人在静坐和轻劳动（M<1.5 met）时RQ=0.83，而在重劳动（M = 5.0 met）时RQ达到1.0，中间状态可以采用线性插值求得。10％的RQ估算误差造成的代谢率计算误差最多为3％。
表4-7给出的成年男子在不同活动强度下保持连续活动的代谢率。代谢率单位为met，1 met = 58.2W/m2，是人静坐时的代谢率。正常健康人20岁时的最大代谢率可以达到12 met，但到70岁时就会下降到7 met。35岁左右的未受专门训练的成人最大代谢率约为10 met，而长跑运动员最高可达到20 met。代谢率达到5 met以上，人就会感到非常疲劳。
如果人交替从事不同强度的劳动，比如有部分时间在打字，又有部分时间在走来走去，则其代谢率可根据表4-7选取的不同活动类型的代谢率和劳动时间来进行加权平均。表中代谢率在3 met以上的活动由于活动强度难以准确定义，且可以通过不同方式来完成同一种劳动，所以应用表中数值可能会带来50％的误差。
表4-7 成年男子在不同活动强度条件下的代谢率[11][26]
活动类型
W/m2
met
活动类型
W/m2
met
睡眠
40
0.7
提重物，打包
120
2.1
躺着
46
0.8
驾驶载重车
185
3.2
静坐
58.2
1.0
跳交谊舞
140-255
2.4-4.4
站着休息
70
1.2
体操/训练
174-235
3.0-4.0
炊事
94-115
1.6-2.0
打网球
210-270
3.6-4.0
用缝纫机缝衣
105
1.8
步行，0.9m/s
115
2.0
修理灯具，家务
154.6
2.66
步行，1.2m/s
150
2.6
在办公室静坐阅读
55
1.0
步行，1.8m/s
220
3.8
在办公室打字
65
1.1
跑步，2.37m/s
366
6.29
站着整理文档
80
1.4
下楼
233
4.0
站着，偶尔走动
123
2.1
上楼
707
12.1
4.1.1.5.2 人体的机械效率
人体的代谢率取决于活动强度，人体对外所做的功也取决于活动强度。因此人体对外输出的机械功是代谢率的函数。人体对外做功的机械效率(定义为：
( = W / M (4-19)
人体机械效率的特点是效率值比较低，在不同活动强度下一般为5～10％[11]。对于大多数的活动来说，人体的机械效率几乎为0，很少超过20％。因此在空调负荷计算时往往把人体的机械效率视为0，其原因为：
大部分办公室劳动和室外轻劳动的机械效率近似0；
人体代谢率的估算本身带有误差；
忽略人体对外所作的机械功对于空调系统设计是偏于安全的。
表4-8 人体活动的机械效率[11]
活动强度
机械效率( (%)
静坐
0
安静地站着
0
一般的办公室工作
0
站着从事轻工作
0
在平地上步行
0
步行上山，坡度5%，速度4km/h
10
步行上山，坡度15%，速度4km/h
20
轻的工业劳动(如汽车修理、钳工之类)
10
重的手工劳动(如挖土和铲土)
10
4.1.1.5.3 人体蒸发散热量人体皮肤的蒸发散热量Esk
人体皮肤的潜热散热量与环境空气的水蒸汽分压力Pa、皮肤表面的水蒸汽分压力Psk、服装的潜热换热热阻Ie,cl等有关。皮肤表面可能达到的最大潜热换热量Emax (W/m2)为：
(4-20)
其中he是着装人体表面即服装表面的对流质交换系数，W/(m2kPa)，水蒸汽分压力的单位均为kPa。如果把皮肤表面的饱和水蒸汽分压力Psk简化为皮肤温度tsk的回归函数，有：
Psk = 0.254 tsk ( 3.335 (4-21)
实际上式(4-20)反映的是完全被汗液润湿的人体潜热散热量，而只有在总排汗量大大超过蒸发量时才可能保证人体的每一部分都是湿润的。但蒸发散热量是用生理学方法根据汗液分泌量确定的，因此除了在一些最极端的条件下，实际的蒸发散热量Esk要小于最大可能值，即有：
(4-22)
其中Ersw是汗液蒸发散热量，Edif是皮肤湿扩散散热量，w为皮肤湿润度。皮肤湿润度是皮肤实际蒸发量与在同一环境中皮肤完全湿润而可能产生的最大散热量之比，相当于湿皮肤表面积所占人体皮肤表面积的比例：
w = Esk/Ema (4-23)x
如果环境的湿度增加，尽管Esk仍为常数，皮肤湿润度w也会增加。如果没有排汗，皮肤湿扩散的散热量应该为：
Edif = 0.06 Emax (4-24)
而有正常排汗时，皮肤湿扩散散热量为：
Edif = 0.06 (Emax – Ersw) (4-25)
汗液蒸发散热量Ersw是由体温调节系统控制的。Fanger[12]认为当人体感觉接近“中性”即不太冷也不太热时，人体平均皮肤温度tsk和出汗造成的潜热散热量Ersw取决于人体代谢率和对外所做的功。在接近热舒适条件下，根据Rohlesh Nevins的实验有以下回归式：
tsk = 35.7 ( 0.0275 ( M ( W ) (4-26)
Ersw = 0.42 ( M – W – 58.2 ) (4-27)
其中的Ersw单位为W/m2。
此外，联立方程(4-20)～(4-23)、(4-25)～(4-27)，并对换热热阻进行一些简化，可得到舒适条件下的皮肤湿润度：
(4-28)
人体的呼吸散热散湿量
人体的呼吸散热量包括显热散热和潜热散热两部分。显热散热量Cres为：
Cres = 0.0014 M (34 ( ta ) W/m2 (4-29)
呼吸时的潜热散热量Eres为：
Eres = 0.0173 M (5.867 ( Pa ) W/m2 (4-30)
4.1.1.5.4 人体与外界的辐射换热量
温度为600K以下的表面，所发射辐射能的波长一般在2(m以上[15]。因此在一般的建筑室内环境中，多数表面只发射长波辐射。这些表面与人体表面的温度基本在相同的量级，而在长波辐射范围内可认为人体与环境表面均为灰体，因此人体与外界的长波辐射的换热方程可表为：
(4-31)
其中：( ((人体表面的发射率；
( (( 斯蒂芬·玻尔兹曼常数，5.67(10-8W/m2K4；
feff (( 人体姿态影响有效表面积的修正系数；
Tcl (( 人体表面的温度，K；
(( 环境的平均辐射温度，K。
长波辐射范围内灰体的发射率( 等于吸收率a，在一般衣着条件下，人体整体的吸收率一般在0.95以上[5]，除非穿着了用高红外反射率的特殊材料制作的衣物。这个值是考虑了人体服装覆盖部分与裸露部分的平均值。
与对长波辐射的吸收不同，人体对于以可见光与近红外线为主的太阳辐射以及其他短波辐射的吸收主要取决于人体表面的吸收率：
(4-32)
其中：
a (() ((人体表面对某种波长的短波辐射的吸收率；
I(() (( 某种波长短波辐射的辐射照度，W/m2。
人体的表面颜色，包括人着装的颜色和人的肤色，均影响了人体对太阳辐射的吸收率。表4-9是Gagge和Nishi（1977）提出的不同肤色人种和服装在不同辐射源温度下的吸收率。
人体处于不同的姿态必然影响人体对外暴露的表面的大小，因此需要根据人体不同姿态对人体的表面积进行修正。表4-10给出的是Fanger（1972）以及Guibert和Taylor（1952）通过照相获得的人体姿态影响有效表面积的修正系数feff。
表4-9 人体表面吸收率a的推荐实用值[11]
辐射源温度
电炉 1100 K
钨丝 2200 K
太阳 6000 K
中间色服装
0.9
0.8
0.7
裸体（高加索人）
0.95
0.65
0.4
裸体（黑人）
0.95
0.9
0.8
表4-10 人体的有效辐射面积修正系数feff[11]
Fanger（1972）
Guibert和Tayler（1952）
坐着
0.7
0.7
站者
0.72
0.78
半立着
0.72
4.1.1.5.5 不同环境条件和活动强度下人体的散热和散湿量
前面已经介绍了决定人体代谢率的最显著因素是肌肉活动强度。因此，当活动强度一定时，人体的发热量在一定温度范围内可以近似看作是常数。但随着环境空气温度的不同，人体向环境散热量中显热和潜热的比例是随着环境空气温度变化的。环境空气温度越高，人体的显热散热量就越少，潜热散热量越多。环境空气温度达到或超过人体体温时，人体向外界的散热形式就全部变成了蒸发潜热散热。表4-11是我国成年男子在不同环境温度条件和不同活动强度条件下向外界散热、散湿量的分配。表中没有给出环境的平均辐射温度，因此可以认为平均辐射温度与环境空气温度相同，而着装则是该环境温度和活动强度条件下人们的常规衣着。
表4-11 成年男子在不同环境温度条件下的散热、散湿量[4]
活动强度
散热散湿
环 境 温 度 (℃)
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
静坐
显热(W)
84
81
78
74
71
67
63
58
53
48
43
潜热(W)
26
27
30
34
37
41
45
50
55
60
65
散湿(g/h)
38
40
45
50
56
61
68
75
82
90
97
极轻劳动
显热(W)
90
85
79
75
70
65
61
57
51
45
41
潜热(W)
47
51
56
59
64
69
73
77
83
89
93
散湿(g/h)
69
76
83
89
96
102
109
115
123
132
139
轻度劳动
显热(W)
93
87
81
76
70
64
58
51
47
40
35
潜热(W)
90
94
100
106
112
117
123
130
135
142
147
散湿(g/h)
134
140
150
158
167
175
184
194
203
212
220
中等劳动
显热(W)
117
112
104
97
88
83
74
67
61
52
45
潜热(W)
118
123
131
138
147
152
161
168
174
183
190
散湿(g/h)
175
184
196
207
219
227
240
250
260
273
283
重度劳动
显热(W)
169
163
157
151
145
140
134
128
122
116
110
潜热(W)
238
244
250
256
262
267
273
279
285
291
297
散湿(g/h)
356
365
373
382
391
400
408
417
425
434
443
4.1.2人体的温度感受系统用一个小而尖的凉或热的金属探针探测皮肤，可以发现大部分皮肤表面触及探针时并不产生冷或热的感觉，只有很少的探测点有冷热感觉反应。20世纪初就有很多研究者发现人的皮肤上存在着“冷点”和“热点”，即对冷敏感的区域和对热敏感的区域。文献[7]介绍了Strughold和Porz（1931）以及Rein（1925）等研究者发表的人体各部位皮肤冷点和热点分布密度的实测结果。其研究表明人体各部位的冷点数目明显多于热点，而且冷点和热点的位置不相同。
表4-12 人体各部位冷点和热点分布密度(个/cm2)[7]
部位
冷点
热点
部位
冷点
热点
前额
5.4-8.0
手背
7.4
0.5
鼻子
8.0
1.0
手掌
1.0-5.0
0.4
嘴唇
16.0-19.0
手指背
7.0-9.0
1.7
脸部其他部位
8.4-9.0
1.7
手指肚
2.0-4.0
1.6
胸部
9.0-10.2
0.3
大腿
4.4-5.2
0.4
腹部
8.0-12.5
小腿
4.3-5.7
后背
7.8
脚背
5.6
上臂
5.0-6.5
脚底
3.4
前臂
6.0-7.5
0.3-0.4
人体能够感受外界的温度变化是因为在人体皮肤层中存在温度感受器，当它们受到冷热刺激时，就会产生冲动，向大脑发出约50mV左右的脉冲信号，信号的强弱由脉冲的频率决定。如果将一个微电极插入一个神经元的轴突中或单个神经纤维中，就可以直接记录下这些脉冲，同时可以考察到它们的频率随温度刺激的改变而改变。目前科学家就是用这种手段来研究人体和动物的冷热感觉和体温调节的生理机制。
除人体皮肤中存在温度感受器外，人体体内的某些粘膜和腹腔内脏等处也存在温度感受器。这些均可称作人体的外周温度感受器。而人体的脊髓、延髓和脑干网状结构中也存在着能感受温度变化的神经元，称作人体的中枢性温度敏感神经元。下丘脑局部温度改变0.1℃，这些神经元的放电频率就会有所改变，而且没有适应现象。延髓和脑干网状结构中的温度敏感神经元还对传入的温度信息有不同程度的整合处理功能。
根据温度感受器对动态刺激的反应特性，可以将它们分为热感受器和冷感受器两种。不管初始温度如何，热感受器总是对热刺激产生一个大的激越脉冲，或者说当温度高于30(C时开始产生脉冲；而在冷刺激下，应激性短暂地被抑制。与此相反，冷感受器只对冷刺激产生冲动，即当温度低于30(C时开始产生脉冲，在热刺激下被抑制。当皮肤温度和人体核心温度改变时，温度感受器感受到这种变化，产生瞬态的冷热感觉，同时发放脉冲信号，通过脊髓传递到大脑。热感受器与冷感受器的信号在传输过程中是分开传送的，在中枢神经系统的不同层次进行整合，产生对应的冷感觉和热感觉，同时对产热和散热的过程进行促进或抑制。
虽然迄今用显微镜还无法识别冷热感受器，但现代生理学的发展使人们对皮肤的机构有了更清晰的认识。1930年Bazett等人已经发现冷感受器位于贴近皮肤表面下0.15～0.17 mm的生发层中，而热感受器则位于皮肤表面下约0.3~0.6 mm处。图4-4[8]给出了冷感受器处的皮肤结构。冷感受器与热感受器在皮肤中的分布密度是不同的，冷感受器的数目要多于热感受器。冷热感受器的这种位置分布和密度分布决定了人体对冷感觉的反应比对热感觉的反应更敏感。
4.1.3人体的体温调节系统人体与非生物体的热变化过程的区别在于人体的温度和散热量并不完全由环境因素决定，因为人体的体温调节系统在一定环境参数范围内具有主动调节这些参数的能力。体温调节的主要功能是将人体的核心温度维持在一个适合于生存的较窄的范围内。体温调节系统的机能是相当复杂的，迄今尚未完全搞清楚。某些体温调节过程是用激素控制的，例如，由甲状腺所产生的甲状腺酸起着增加人体内产热量的作用，它在冷环境中会有所增加，而在热环境中则减少。总的来说，体温调节主要是依靠神经调节和体液调节来完成的。对体温调节系统最重要的输入量是核心温度和平均皮肤温度。当核心温度与设定值之间出现偏差，体温调节系统开始工作。但人体的体温设定值不是恒定的，而要取决于工作强度，在较高代谢率下体温设定值会升高。例如在静止时为36.8℃，步行时为37.4℃，慢跑时为37.9℃，剧烈运动时可能高达39.5℃。
调节体温的中枢主要在下丘脑。它是大脑的一部分，在食物摄入、水分平衡、体温调节等一些自主功能中起主要作用。下丘脑由几个分区组成，其中两个分区控制着温度调节，称为下丘脑前部和后部。一些实验观察到下丘脑前部的主要作用是促进散热，而后部的主要作用是促进产热以达到御寒的目的。但也有实验发现下丘脑前部也对产热有影响作用，因此下丘脑是一个整体分层次的体温调节的中枢整合机构。
人体体温的调节方法包括调节皮肤表层的血流量、调节排汗量和提高产热量。人体的皮肤表层的血流量能够在很大范围内变动，可以从几乎为零直至得到心脏输出量的12%。人体出汗进行体温调节是靠小汗腺起作用。汗液中水分占99％以上，固体成分不足1%，大部分为NaCl。
下丘脑前部的作用是调动人体的散热功能。如果周围环境温度（空气、围护结构、周围物体表面的温度）提高，或进行大运动量的活动，热感受器就会向大脑发出信息。只要下丘脑前部的温度稍高于设定值，它就会发送出神经脉冲以引发人体的相关扩张和排汗机能。皮肤表层的血管就会扩张以便增加血液流量，这样血液就能够把更多的热量带到皮肤表面，提高皮肤温度，从而增加皮肤向环境的散热量。如果这样仍然不能抑制身体内部的温度上升，体温调节系统就会命令皮肤出汗，通过蒸发来带走身体的热量。图4-5是Robinson（1949）对人体在不同空气温度下排汗率与核心温度（直肠温度）关系的实验结果[11]。实验中直肠温度的改变是通过改变工作强度取得的，而排汗速率是由直肠温度和皮肤温度共同决定的。在温度调节系统正常工作时，提高环境温度不会改变人体的核心温度或直肠温度，只能增加排汗速率。
下丘脑的后部执行着抵御寒冷的功能。当人体处于冷环境下，下丘脑的后部从冷感受器接受温度信号，然后指示皮下血管收缩以减少身体表层的血流量，通过这种方式可以降低皮肤温度以减少人体辐射和对流热损失。为了调节温度而改变血流量和皮肤表面细胞的大小的机能叫做血管收缩调节。如果人体内部温度仍不能维持恒定，人体体温调节系统就会自动通过冷颤等方式增加代谢率。如果人体产热量不能抵偿热损失，体温就不可避免地要下降。因此，人体的御寒能力是很弱的，相对而言，人体防止过热的能力却要强得多。这也可能是人体对冷刺激的反应要比对热刺激的反应更敏感的原因。
冷颤是骨骼肌的一种不随意收缩活动，是由皮肤冷感受器引起的反射活动。骨骼肌收缩时产生大量的热，气温越低，冷颤越强，产热越多，因而可以保持体温不变。人在温暖环境中休息时，内脏产热量为总产热量的57.6%，而肌肉活动时，这种产热量分配比例产生根本的变化。例如，中等强度的运动，总产热量增加3倍，此时骨骼肌的产热量占总量的75～80％。因此在寒冷环境中使手脚经常活动，也可以增加产热，达到抵抗寒冷的目的。
下丘脑前部和后部是以可相互抑制的方式联系在一起的，如果人体核心温度高导致下丘脑前部温度较高，则会因此而出汗，而皮肤温度的降低传导到下丘脑的后部则会使出汗减少或停止。因此，当下丘脑后部感受到皮肤冷感受器的冷信号时，下丘脑前部感受到的核心温度如果高于37.1℃的话就会阻止冷颤。如果下丘脑前部的温度低于37.1℃，皮肤温度的降低就会引起冷颤而增加产热量。反之，皮肤温度的升高在核心温度高于37.1℃时会起到增加排汗量的作用。如果核心温度低于37℃，皮肤温度的升高就不可能促进出汗。人体体温调节系统见图4-6。
4.1.4 热感觉感觉不能用任何直接的方法来测量。对感觉和刺激之间关系的研究学科称为心理物理学（Psychophisics），是心理学最早的分支之一。
热感觉是人对周围环境是“冷”还是“热”的主观描述。尽管人们经常评价房间的“冷”和“暖”，但实际上人是不能直接感觉到环境温度的，只能感觉到位于自己皮肤表面下的神经末梢的温度。
裸身人体安静时在29℃的气温中，代谢率最低；如适当着衣，则在气温为18～25℃的情况下代谢率低而平稳。在这些情况下，人体不发汗，也无寒意，仅靠皮肤血管口径的轻度改变，即可使人体产热量和散热量平衡，从而维持体温稳定。此时，人体用于体温调节所消耗的能量最少，人感到不冷不热，这种热感觉称之为“中性”状态。
热感觉并不仅仅是由于冷热刺激的存在所造成的，而与刺激的延续时间以及人体原有的热状态都有关。人体的冷、热感受器均对环境有显著的适应性。例如把一只手放在温水盆里，另一只手放在凉水盆里，经过一段时间后，再把两只手同时放在具有中间温度的第三个水盆里，尽管它们处于同一温度，但第一只手会感到凉，另一只手会感到暖和。
当皮肤局部已经适应某一温度后，改变皮肤温度，如果温度的变化率和变化量在一定范围内是不会引起皮肤有任何热感觉的变化的。图4-7和4-8[8]是Kenshalo在1970年发表的人的前臂皮肤对温度变化的响应实验结果。图中两条曲线中间的区域是皮肤没有热感觉变化的阈。其中图4-7说明皮肤对温度的快速变化更为敏感。如果温度变化率低，适应过程会跟上温度的变化，从而完全感受不到这种变化，除非皮肤温度落到中性区以外。图4-8反映了前臂皮肤温度改变引起的感觉与适应温度以及温度变化量之间的关系。可以看到中性区在31～36℃之间。在31℃以下，即便经过40分钟的适应期，仍然还感到凉。在30℃时，当温度升高0.3K也不会产生感觉上的变化，升高0.8K皮肤就会感到温暖。但是当皮肤处于36℃适应温度时，冷却0.5K就会感到凉。也就是说，同一块皮肤，30.8℃时有可能会感到暖，35.5℃时却有可能会感到凉，这是由于皮肤热感觉的适应性所决定的。
除皮肤温度以外，人体的核心温度对热感觉也有影响。例如坐在37℃浴盆中的人可以维持皮肤温度的恒定，但核心温度却会不断上升，因为其身体的产热散不出去。如果人体的初始体温比较低，尽管开始感受到的是中性温度，但随着核心温度的上升，将感到暖和，最后感到燥热。因此热感觉最初取决于皮肤温度，而后则取决于核心温度。
当环境温度迅速变化时，热感觉的变化比体温的变化要快得多。从Gagge等（1967）一系列突变温度环境的实验发现，人处于突变的环境空气温度下，尽管皮肤温度和核心体温的变化需要几分钟，但热感觉却会随着空气温度的变化立即发生变化。因此在瞬变状况下，用空气温度来预测热感觉比根据皮肤温度和核心温度来确定可能更为准确。
由于无法测量热感觉，因此只能采用问卷的方式了解受试者对环境的热感觉，即要求受试者按某种等级标度来描述其热感。表4-10是两种目前最广泛使用的标度。其中贝氏标度是由英国人Thomas Bedford于1936年提出的，其特点是把热感觉和热舒适合二为一。1966年ASHRAE开始使用七级热感觉标度(ASHRAE thermal sensation scale)。与贝氏标度相比，它的优点在于精确地指出了热感觉。通过对受试者的调查得出定量化的热感觉评价，就可以把描述环境热状况的各种参数与人体的热感觉定量地联系在一起。
由于心理学研究的结果表明一般人可以不混淆地区分感觉的量级不超过7个，因此对热感觉的评价指标往往采用7个分级，见表4-13。在进行热感觉实验的时候，设置一些投票选择方式来让受试者说出自己的热感觉，这种投票选择的方式叫做热感觉投票TSV (Thermal Sensation Vote)，其内容也是一个与ASHRAE热感觉标度内容一致的7级分度指标，但分级范围往往为-3～+3，见表4-15。
表4-13 Bedford和ASHRAE的七点标度贝氏标度
ASHRAE热感觉标度
7
过分暖和
7
热
6
太暖和
6
暖
5
令人舒适的暖和
5
稍暖
4
舒适（不冷不热）
4
正常
3
令人舒适的凉快
3
稍凉
2
太凉快
2
凉
1
过分凉快
1
冷
4.1.5热舒适人体通过自身的热平衡和感觉到的环境状况，综合起来获得是否舒适的感觉。舒适的感觉是生理和心理上的。热舒适在ASHRAE Standard 54-1992中定义为对环境表示满意的意识状态。Bedford的七点标度把热感觉和热舒适合二为一，Gagge[14]和Fanger[12]等均认为“热舒适”指的是人体处于不冷不热的“中性”状态，即认为“中性”的热感觉就是热舒适。
但另外一种观点认为热舒适与热感觉不同。早在1917年Ebbecke就指出“热感觉是假定与皮肤热感受器的活动有联系，而热舒适是假定依赖于来自调节中心的热调节反应”[16]。Hensel[7]认为舒适的含义是满意、高兴和愉快，Cabanac认为“愉快是暂时的”，“愉快实际上只能在动态的条件下观察到……”。即认为热舒适是随着热不舒适的部分消除而产生的。当人获得一个带来快感的刺激时，并不能肯定其总体热状况是中性的；而当人体处于中性温度时，并不一定能得到快适条件。例如，在体温低时，浴盆中较热的水会使受试者感到舒适或愉快，但其热感觉评价却应该是“暖”而不是“中性”。相反当受试者体温高时，用较凉的水洗澡却会感到舒适，但其热感觉的评价应该是“凉”而不是“中性”。
引起热不舒适感觉的原因除了前面热感觉中所提到的皮肤温度和核心温度以外，还有一些其他的物理因素会影响热舒适：
(1) 空气湿度在偏热的环境中人体需要出汗来维持热平衡，空气湿度的增加并不能改变出汗量，但却能改变皮肤的湿润度。因为此时，只要皮肤没有完全湿润，空气湿度的增加就不会减少人体的实际散热量而造成热不平衡，人体的核心温度不会上升，所以在代谢率一定的情况下排汗量不会增加。但由于人体单位表面积的蒸发换热量下降会导致蒸发换热的表面积增大，从而增加人体的湿表面积，即增加了皮肤湿润度。皮肤湿润度的增加被感受为皮肤“黏着性”的增加从而导致了热不舒适感，所以说，潮湿的环境令人感到不舒适的主要原因是使皮肤的“黏着性”增加。Nishi和Gagge (1977)给出了可能引起不舒适的皮肤湿润度的上限：
w < 0.0012 M + 0.15 (4-33)
(2) 垂直温差由于空气的自然对流作用，很多空间均存在上部温度高，下部温度低的状况。一些研究者对垂直温度变化对人体热感觉的影响进行了研究。虽然受试者处于热中性状态，但如果头部周围的温度比踝部周围的温度高得越多，感觉不舒适的人就越多。图4-9是头足温差与不满意度之间关系的实验结果。其中头部距地1.1 m，脚踝距地100 mm。
地板的温度过高或过低同样会引起居住者的不满。研究证明，居住者足部寒冷往往是由于全身处于寒冷状态导致末梢循环不良造成的。但地板温度低会使赤足的人感到脚部寒冷，因此地板材料颇为重要，比如地毯会给人有足部温暖的感觉，而石材地面会使人足部的感觉较凉。表4-14给出地板材料与舒适的地面温度的对应关系。对于地板为混凝土地板覆盖面层，所谓舒适的地面温度是赤足站在地板上不满意的抱怨比例低于15%时的地板温度。但过热的地板温度同样也会引起不舒适，图4-10是某种地板的温度与不满意度之间关系的实验结果。实验中受试者的身体均处于热中性状态，但对不同的地板温度的热反应却不同。
表4-14 不同地板材料的舒适温度[11]
地板面层材料
不满意度<15％的地面温度(℃)
木
23~28
混凝土
26~28.5
毛织地毯
21~28
5 mm软木
23~28
橡木地板
24.5~28
2 mm聚氯乙烯
26.5~28.5
大理石
28~29.5
吹风感[11]
吹风感是最常见的不满问题之一，吹风感的一般定义为“人体所不希望的局部降温”。此外，吹风导致寒冷，而冷颤的出现也是使人感到不愉快的原因。但对某个处于“中性－热”状态下的人来说，吹风是愉快的。尽管过高的风速能够保证人体的散热需要，使人处于热中性的状态，但却会给人带来吹风的烦扰感、压力感、粘膜的不适感等。
有很多变量会影响人对吹风的感觉，主要是气流的速度及温度，还有人自身所处的热状态。如果人处于偏热状态，吹风有助于改善热舒适。另外吹风感还跟气流的分布状态有关，因此局部风速往往起很大的作用。比如有一股气流吹到人的颈部，那么用室内的平均风速来评价环境的热舒适就没有多大的意义了。
开始导致不舒适的风速约为0.25m/s，相当于人体周围自然对流的速度。吹风和自然对流边界层之间有复杂的相互作用，而且可以认为边界层对低速的吹风有一定保护作用。
有研究者对实验室内的受试者进行了人体颈部可以承受的局部风速和风温之间关系的实验。内文斯（Nevins，1971）汇总实验结果，把吹风风速和吹风温度表示为一个综合指标，提出了有效吹风温度( 的定义：
(4-34)
建议的舒适标准是：
-1.7< ( <1.1
v < 0.35
其中Ta (( 室内空气温度，(C，Tj (( 吹风的风温，(C，v (( 吹风的速度，m/s。
图4-11(a)是比例小于20％的人感到不舒适的颈部最大吹风速度。其中平滑曲线是霍顿等（Houghten，1938）的实验结果，虚线是根据内文斯的有效送风温度确定的舒适区。图4-11(b)是吹风风速、温度和不满意率的关系。
(a) 比例小于20％的人感到不舒适的颈部最大吹风速度[11] (b) 平均风速、温度与不满意率[5]
图4-11 吹风感与风速、风温的关系
Fanger等研究者发现，在中性－冷环境下湍流度对人体对吹风感的敏感性有很重要的影响。如果用PD表示不满意率，可以用下式来描述不满意度与风速、风温以及湍流度之间的关系[5]：
(4-35)
其中：v (( 空气流速，m/s
Ta (( 空气温度，(C
Tu (( 湍流度，无量纲。
如果空气流速表为平均流速和脉动流速v’之和：，则有：。
图4-12给出了不满意率为15％时的吹风平均速度、温度和湍流度。
图4-12 不满意率为15％时的吹风平均速度、温度和湍流度
辐射不均匀性
对于大多数房间来说，环境辐射温度都会或多或少有一些不均匀。例如，由于窗的保温一般比墙体保温差，所以坐在窗前的人，会明显感到身体局部受到的来自窗户表面的冷热辐射；采用辐射板空调，也会使人体靠辐射板过近的部分感到不舒适。这种过高的辐射不均匀度会使室内人员感到不舒适。
对于热辐射来说，辐射不均匀度可以用向量辐射温度Tv来描述。假定采用辐射板采暖，室内其他表面均处于平均温度Tu，则有：
Tv = Fpc ( Tc – Tu ) (4-36)
Tr = Fsc Tc + (1 – Fsc ) Tu (4-37)
其中：
Tc (( 辐射板表面温度
Tr (( 室内测试点的平均辐射温度
Fpc (( 辐射板对室内测试点水平板微元的角系数
Fsc (( 辐射板对室内测试点小球面的角系数
实验证明，当向量辐射温度超过10K，人们就会感到不舒适。由于角系数求解的复杂性，因此向量辐射温度Tv的求解也比较麻烦。图4-13给出了辐射吊顶的位置、尺寸、表面温度与环境辐射温度之差与舒适性之间关系的求解结果。吊顶辐射板的尺寸为a×a，距离人头顶的高度为c。
图4-13 辐射吊顶的位置、尺寸、表面温度与舒适性[11]
而冷辐射造成的不均匀性，则会给人带来类似“吹风感”的不舒适感觉，即有“人体所不希望的局部降温”，但气流导致的吹风感和冷辐射诱发的吹风感没有相互影响的关系。人逗留的某个位置，如果面对冷表面的平均辐射温度比房间其他主要部分的平均辐射温度低8 K以上，该位置就会使人感到不舒适。该结论的适用条件是室内主要部分是舒适的，室内低风速，人员标准着装。即有：
Tr – Tj + Fpw (Tf – Tw) < 8 (4-38)
假定窗户周围的墙壁温度与室温相同，窗户的表面温度Tw可用下式估算：
Tw = Ta –K (Ta – To) / (n (4-39)
其中：
Tr (( 室内测试点的平均辐射温度
Tf (( 外墙温度
Ta (( 室内空气温度
To (( 室外温度
Fpw (( 窗户对室内测试点平面微元的角系数
(n (( 窗户内表面对流换热系数，W/m2K
K (( 窗户的传热系数，W/m2K
上述各式的温度单位统一为(C或者统一为K。
图4-14给出了窗户温度、房间平均温度、窗户尺寸与最小舒适距离的关系。通过此图可以查出离开已知玻璃温度的窗户的最小舒适距离。
图4-14窗户温度、房间平均温度、窗户尺寸与最小舒适距离的关系[11]
图4-15给出了辐射不对称性和人体舒适性之间的关系。其中横座标的辐射不对称性相当于前面的向量辐射温度。对热辐射顶板比对垂直热辐射板敏感，但对垂直冷辐射板则比对冷辐射顶板敏感。因此对人体的感觉来说，冷辐射吊顶和垂直热辐射板相对比较舒适。
图4-15辐射不对称性和人体舒适性之间的关系[5]
(5) 其它因素还有一些因素普遍被人们认为会影响人的热舒适感。例如年龄、性别、季节、人种等。很多研究者对这些因素进行了研究，但结论与人们的一般看法是不一致的。
Nevins等(1966)、Rohles和Johnson (1972)、Langkilde (1979) 以及Fanger (1982)分别对不同年龄组的人进行了实验研究，发现年龄对热舒适没有显著影响，老年人代谢率低的影响被蒸发散热率低所抵销。老年人往往比年轻人喜欢较高室温的现象的一种解释是因为他们的活动量小。
长期在炎热地区和寒冷地区生活的人对其所在的炎热或寒冷环境有比较强的适应力，即表现在他们能够在炎热或寒冷环境中保持比较高的工作效率和正常的皮肤温度。为了了解他们对热舒适的要求是否因此有所变化，Fanger对来自美国、丹麦和热带国家的受试者进行实验，发现他们原有的热适应力对其热舒适感没有显著影响，即长期在热带地区生活的人并不比在寒冷地区生活的人更喜欢较暖的环境，因此他得出结论认为对热舒适条件的要求在全世界都是相同的，不同的只是他们对不舒适环境的忍受能力。
从对不同性别的对比实验发现在同样条件下男女之间对环境温度的好恶没有显著差别。实际生活中女性比男性更喜欢高一点的室温的主要原因之一可能是女性喜欢穿比较轻薄的衣物。
由于人不可能因适应而喜欢更暖或更凉的环境，因此季节就不应该对人的热舒适感有所影响。McNall等人(1968)的研究证明了这一点。因为人体一天中有内部体温的节律波动：下午最高，早晨最低，所以从逻辑上很容易作出这样的判断，即人的热舒适感在一天中是有可能会有变化的。但Fanger (1974)[13]和Ostberg等(1973)的研究发现人体一天中对环境温度的喜好没有什么明显变化，只是在午餐前有喜欢稍暖一些的倾向。
由于热舒适与热感觉有分离的现象存在，因此在实验研究人体热反应时往往也设置评价热舒适程度的热舒适投票TCV (Thermal Comfort Vote)。这是一个由0至4的5级分度指标，表4-15给出了它的分级。
表4-15 热舒适投票TCV与热感觉投票TSV
热舒适投票TCV
热感觉投票TSV
4
不可忍受
+3
热
3
很不舒适
+2
暖
2
不舒适
+1
稍暖
1
稍不舒适
0
正常
0
舒适
-1
稍凉
-2
凉
-3
冷
第二节 人体对稳态热环境的反应描述
4.2.1热舒适方程由于早期的舒适指标是以大量实验观察结果为依据，实验中的各有关参数可改变的数量有限，再加上各参数之间存在很多耦合关系，结论难以推广。因此为了推出综合的舒适指标，P,O,Fanger于1982年提出了描述人体在稳态条件下能量平衡的热舒适方程[12]，它的前提条件是，第一，人体必须处于热平衡状态；第二，皮肤平均温度应具有与舒适相适应的水平；第三，为了舒适，人体应具有最佳的排汗率。
在人体热平衡方程(4-1)中，当人体蓄热率S ＝0时，有
M ( W ( C ( R ( E = 0 (4-40)
式(4-40)中各项散热量的确定方法如下。
人体外表面向周围空气的对流散热量
C = fcl hc (tcl ( ta ) (4-41)
式中hc (( 对流换热系数，W/m2K；
tcl (( 衣服外表面温度，℃。根据热平衡关系有
tcl = tsk ( Icl ( R + C )
tsk (( 人体在接近舒适条件下的平均皮肤温度，℃，参见式(4-26)；
ta (( 人体周围空气温度，℃；
Icl (( 服装热阻，m2K/W。
人体外表面向环境的辐射散热量可由式(4-31)求得，若取着装人体吸收率为0.97，姿态修正系数为0.72，则有：
R = 3.96 ( 10-8 fcl [ (tcl + 273) 4 ( (+ 273) 4 ] (4-42)
人体总蒸发散热量
E = Cres + E res + E dif + E rsw (4-43)
式中 Cres (( 呼吸时的显热损失，W/m2，参见式(4-29)；
Eres (( 呼吸时的潜热损失，W/m2，参见式(4-30)；
Edif (( 皮肤扩散蒸发损失(无感觉体液渗透)，W/m2；这里把服装潜热热阻简化为适用于一般室内环境的定值，忽略正常排汗对皮肤扩散量的影响，有：
Edif = 3.05 (0.254 tsk ( 3.335 ( Pa ) (4-44)
Pa (( 人体周围水蒸气分压力，kPa；
Ersw (( 人体在接近舒适条件下的皮肤表面出汗造成的潜热损失，W/m2，参见式(4-27)；
将式(4-41),(4-42) 和 (4-43) 代入式 (4-40)，就可以得到热舒适方程式：
(M ( W) = fcl hc (tcl ( ta ) + 3.96 ( 10-8 fcl [ (tcl + 273) 4 ( (+ 273) 4 ]
+3.05 [5.733 (0.007 (M ( W) ( Pa ] + 0.42 ( M ( W ( 58.2 )
+1.73( 10-2 M (5.867 ( Pa ) + 0.0014 M (34 ( ta ) (4-45)
式(4-45)中有八个变量：M、W、ta、Pa、、fcl、tcl、hc。实际上，fcl和tcl均可由Icl决定，hc是风速的函数，W按0考虑。因此热舒适方程反映了人体处于热平衡状态时，六个影响人体热舒适变量M、ta、Pa、、Icl、va之间的定量关系。
4.2.2 预测平均评价PMV (Predicted Mean Vote)[12]
式(4-29)反映了人体蓄热率为0时各变量之间的关系。PMV指标就是引入反映人体热平衡的偏离程度的人体热负荷TL而得出的，其理论依据是当人体处于稳态的热环境下，人体的热负荷越大，人体偏离热舒适的状态就越远。即人体热负荷正值越大，人就觉得越热，负值越大，人就觉得越冷。Fanger收集了1396名美国和丹麦受试者的冷热感觉资料，得出人的热感觉与人体热负荷之间关系的回归公式：
PMV = [0.303 exp (–0.036 M) + 0.0275 ] TL (4-46)
其中人体热负荷TL的定义为人体产热量与人体向外界散出的热量之间的差值。但这里有一个假定，即人体的平均皮肤温度tsk和出汗造成的潜热散热Esw是人体保持舒适条件下的数值。因此可以看出，人体热负荷TL就是人体热平衡方程(4-1)中的蓄热率S，即把蓄热率看作是造成人体不舒适的热负荷。如果其中对流、辐射和蒸发散热的各项计算采用与热舒适方程式(4-44)相同的计算公式，则蓄热率S就相当于式(4-45)两侧的差，这样式(4-46)可以展开如下：
PMV = [0.303 exp (–0.036 M) + 0.0275 ] ( {M – W – 3.05 [5.733 – 0.007 (M – W) – Pa]
–0.42 ( M ( W ( 58.15 ) –1.73 ( 10-2 M (5.867 ( Pa ) – 0.0014 M (34 ( ta )
–3.96 ( 10-8 fcl [ (tcl + 273) 4 ( (+ 273) 4 ] – fcl hc (tcl ( ta ) (4-47)
PMV指标同样采用了7级分度，见表4-15。
表4-15 PMV热感觉标尺热感觉
热
暖
微暖
适中
微凉
凉
冷
PMV值
+3
+2
+1
0
-1
-2
-3
PMV指标代表了同一环境下绝大多数人的感觉，但是人与人之间存在生理差别，因此PMV指标并不一定能够代表所有个人的感觉。为此，Fanger又提出了预测不满意百分比PPD（Predicted Percent Dissatisfied）[12]指标来表示人群对热环境不满意的百分数，并利用概率分析方法，给出PMV与PPD之间的定量关系：
PPD = 100 – 95 exp[– (0.03353 PMV 4 + 0.2179 PMV 2)] (4-48)
1984年国际标准化组织提出了室内热环境评价与测量的新标准化方法ISO7730。在ISO7730标准中就采用PMV－PPD指标来描述和评价热环境。图4-16是PMV与PPD之间的关系曲线。由图4-15可见，当PMV＝0时，PPD为5％。即意味着在室内热环境处于最佳的热舒适状态时，仍然有5％的人感到不满意。因此ISO7730对PMV－PPD指标的推荐值在-0.5 ~ +0.5之间，相当于人群中允许有10％的人感觉不满意。
根据PMV取决于人体热负荷TL，而人体热负荷TL又相当于人体热平衡方程中的蓄热率S这一事实，可以看到PMV方程是适用于稳态热环境中的人体热舒适评价，而不适用于动态热环境（或者叫做过渡热环境）的热舒适评价的。因为如果人从寒冷的环境进入到温暖的环境里，人体的蓄热率S是正值，但该蓄热率有助于改善人体的热舒适，因此并不能看作是导致不舒适的人体热负荷。从炎热环境进入到中性环境也是一样的。在这种情况下，蓄热率S为负值是有助于改善人体的热感觉的，而并不会成为人体的热负荷。
另外PMV计算式(4-36)假定人体保持舒适条件下的人体的平均皮肤温度tsk和出汗造成的潜热散热Esw，因此当人体较多偏离热舒适的情况下，例如在热或者寒冷状态下，PMV的预测值也是有一定偏差的。
4.2.3 有效温度ET(Effective Temperature)与ASHRAE舒适区
在美国早期空调工程中，人们急需湿度对舒适的影响方面的资料。此问题促使美国暖通工程师学会于1919年新建了一个实验室，而“有效温度指标”是它的首批科研课题之一，直到1967年的ASHRAE手册仍然采用了这个指标。
有效温度ET的定义是：“干球温度、湿度、空气流速对人体温暖感或冷感影响的综合数值，该数值等效于产生相同感觉的静止饱和空气的温度。”有效温度通过人体实验获得，并将相同有效温度的点作为等舒适线系绘制在湿空气焓湿图上或绘成诺模图的形式。
但有效温度存在的缺陷是过高地估计了湿度在低温下对凉爽和舒适状态的影响。因此已经被新的有效温度ET*所代替。Gagge等(1971)把皮肤湿润度的概念引进ET*，以提供一个适用于穿标准服装和坐着工作的人的舒适指标。该指标出现在ASHRAE舒适标准54-74和ASHRAE的1977年版手册基础篇中，其数值是通过对身着0.6 clo服装、静坐在流速0.15m/s空气中的人，进行的热舒适实验，并采用相对湿度为50％的空气温度作为与其冷热感相同环境的等效温度而得出的；即同样着装和活动的人，在某环境中的冷热感与在相对湿度50％空气环境中的冷热感相同，则后者所处环境的空气干球温度就是前者的ET*。该指标只适用于着装轻薄、活动量小、风速低的环境。
此后不久，新有效温度的内容又有所扩展，综合考虑了不同的活动水平和衣服热阻，形成了最通用的指标((标准有效温度(SET*)。它是以人体生理反应模型为基础，由人体传热的物理过程分析得出的，不同于以往的仅从主观评价由经验推导得到的有效温度指标，因而被称为是合理的导出指标。
标准有效温度包含平均皮肤温度和皮肤湿润度，以便确定某个人的热状态。标准有效温度SET*的定义是：身着标准热阻服装的人，在相对湿度为50%，空气静止不动，空气温度等于平均辐射温度的等温环境下，若与他在实际环境和实际服装热阻条件下的平均皮肤温度和皮肤湿润度相同，则必将具有相同的热损失，则该温度就是上述实际环境的标准有效温度SET*。即：
(4-49)
其中皮肤的总散热量Qsk、皮肤温度Tsk (tsk)和皮肤湿润度w均可利用Gagge的二节点模型进行求解，见本章第六节；PSET是标准有效温度SET*下的饱和水蒸汽分压力，kPa；hcSET’ 为标准环境中考虑了服装热阻的综合对流换热系数，W/(m2℃)；heSET’为标准环境中考虑了服装的潜热热阻的综合对流质交换系数，W/(m2kPa)，即式(4-21)中的he’在标准环境下的数值。
只要给定活动量、服装和空气流速，就可以在湿空气焓湿图上画出等标准有效温度线。对于坐着工作、穿轻薄服装和较低空气流速的标准状况，其标准有效温度SET*就等于新有效温度ET*。由图4-17可以看到湿空气焓湿图上的等ET*线，以及ASHRAE舒适标准54-74的舒适区。图中另一块菱形面积是美国坎萨斯州立大学通过实验得到的舒适区，其适用条件是服装热阻为0.6~0.8 clo坐着的人，而ASHRAE舒适标准54-74舒适区适用于服装热阻为0.8~1.0 clo坐着但活动量稍大的人。两块舒适区的重叠范围是推荐的室内设计条件，而25℃等效温度线正通过重叠区的中心。
尽管标准有效温度的最初设想是预测人体排汗时的不舒适感，但经过发展却能表示各种衣着条件、活动强度和环境变量的情况。标准有效温度值反映的是人体的感觉而并不与空气的温度直接有关系，比如，一个穿轻薄服装的人坐在24℃、相对湿度50％和较低空气流速的房间里，根据定义他是处于标准有效温度为24℃的环境中。如果他脱去衣服，标准有效温度就降至20℃，因为他的皮肤温度与一个穿轻薄服装坐在20℃空气中的人皮肤温度相同。尽管标准有效温度反映了人的热感觉，但由于它需要计算皮肤温度和皮肤湿润度，因此应用比较复杂，反而不如只能描述坐着活动的ET*应用广泛。
第三节 人体对动态热环境的反应以上所介绍的各种描述人体热感觉的指标均是在稳态条件下即人体处于热平衡条件下得出的。而实际上人们多处于不稳定情况下的多变环境，如由室外进入空调房间或走出空调房间到室外，又例如非稳定风速的室外自然风或机械风吹到人的身体上。此时人的热感觉与稳态环境下的感觉是不同的。因此有研究者对非稳态温度或风速环境中的人体热反应进行了研究。
4.3.1 人体对阶跃温度变化的反应
Gagge等[20]发现人体在温度出现阶跃变化时，皮肤温度和热感觉的变化有一个过渡过程，皮肤温度的变化由于热惯性的存在而滞后，热感觉的变化则要更复杂。图4-18是Gagge对三名裸体受试者的实验结果。Gagge认为当人体由中性环境突变到冷或热环境时，热感觉的变化有一个滞后。而从冷或热环境突变到中性环境时，人体的热感觉响应较快，而且热感觉出现“超越”的情况，即皮肤温度与热感觉存在分离现象。Gagge认为这种现象是由于皮肤温度急剧变化所致，即皮肤温度的变化率产生了一种附加热感觉，而这种热感觉掩盖了皮肤温度本身引起的不舒适感。此后又有多位研究者对突变环境下人体热反应进行了研究，证实了Gagge的皮肤温度与热感觉存在分离现象的结论[21][23]。
总而言之，对于人体在突变温度环境中热反应的研究可归纳出如下结论：
(1) 人体对环境突变的生理调节十分迅速，并不会对人体产生不良后果；
(2) 人体在环境温度突变的生理调节周期中，皮肤温度并不能独立地作为热感觉的评价尺度，因为此时人体正在与周围热环境之间发生激烈的热交换。
4.3.2人体对变化风速的反应
虽然自然界的风速总是在变化的，但对于动态风对人体的热感觉的影响研究得并不多，其主要原因之一是在稳态空调中，由于室温往往较低，较高的风速可能引起吹风感而造成不适。但也有人对电风扇的作用效果进行了研究，例如Konz等人就发现人们对摇摆风扇的接受程度优于固定风扇。以后的一些研究者也发现动态风能够显著改善“中性－热”环境中人体的热感觉，或者说动态风在较暖环境中对人体的致冷作用明显强于稳定气流[27][22]。
气流脉动频率对人体热感觉也有着不可忽视的影响。Fanger的实验[24]证明了当受试者处于“冷－中性”状态时，频率在0.3～0.5 Hz范围内变化的气流最容易使人体产生冷吹风感，造成不舒适。而Arens却认为[25]频率在0.7~1.0Hz之间的气流有更好的冷却效果。也有研究者[27]发现当受试者处于“中性－热”状态时，频率0.3～0.5 Hz范围内变化的气流使人感到最凉爽。
4.3.3过渡活动状态的热舒适指标RWI和HDR[26]
在实际的空调采暖工程设计中，经常会遇到人员短暂停留的过渡区间。该过渡区间可能连接着两个不同空气温度、湿度等热环境参数的空间。人员经过或在该区间作短暂停留而且活动状态有所改变的时候，对该空间的热环境参数的感觉是与他在同一空间作长期静止停留时的感觉是不同的。因此需要给出人体对这类过渡空间的热舒适指标，以指导这类空间空调设计参数的确定。
相对热指标RWI(Relative Warmth Index)和热损失率HDR(Heat Deficit Rate)是美国运输部为确定地铁车站站台、站厅和列车空调的设计参数提出的考虑人体在过渡空间环境的热舒适指标。这两个指标是根据ASHRAE的热舒适实验结果得出的。RWI适用于较暖环境，而HDR适用于冷环境。但它没有考虑人体在过渡区间受到变化温度刺激时出现的热感觉“滞后”和“超前”的现象，而仅考虑了过渡状态人体的热平衡。它对动态过程的考虑反映在：
认为人在一种活动状态过渡到另一种状态时，要经过6分钟的过程代谢率M才能达到最终活动状态下的稳定代谢率。在这个过渡过程中，代谢率与时间呈线性关系。
人的活动会导致出汗并湿润服装，同时人的活动扰动周围气流，导致服装热阻有所改变。认为一种活动状态过渡到另一种活动状态时，服装热阻要经过6分钟方能达到新的稳定值，其间服装热阻与时间呈线性关系。
(1) 相对热指标RWI
RWI是无量纲指标。如果在两种不同的环境条件和活动情况下，具有相同的RWI值，则表明人在这两种情况下的热感觉是近似的。其定义式为：
(Pa ( 2269Pa) (4-50)
(Pa ( 2269Pa) (4-51)
RWI的分度与ASHRAE热感觉标度之间的关系见表4-17。图4-19给出了RWI与不舒适感觉百分比的关系。
图4-19 RWI满意度曲线表4-17 RWI的分度与ASHRAE热感觉标度之间的关系热感觉
ASHRAE热感觉标度
相对热指标RWI
暖
2
0.25
稍暖
1
0.15
中性
0
0.08
稍凉
-1
0.00
如果给定各连续过渡空间的空气参数、人员衣着以及进入这些空间后的活动状态，根据式(4-40)~(4-42)计算各连续过渡空间的RWI值，就可以得到人员依次进入这些过渡空间时的相对热感觉是比前一个空间更凉爽些还是更暖些，也可以用于确定各功能空间的设计参数。
（2）热损失率HDR
热损失率HDR综合考虑了温度、湿度、辐射、风速、人体代谢率、服装等影响人体热舒适的因素，反映了人体单位皮肤面积上的热损失，单位是W/m2。
人的平均皮肤温度是随着外界环境的变化而变化的，感觉基本舒适的平均皮肤温度范围约为30.6～35℃。在冷环境下，人体的体温调节中枢首先会使皮肤血管收缩，皮肤温度降低，从而减少散热量。当平均皮肤温度下降到舒适下限30.6℃时，如果散热量仍然大于发热量，体温进一步下降，人体出现热债（heat deficit）。HDR值即表示人体在较冷环境下，平均皮肤温度为舒适皮肤温度下限时的净热损失速率，即负的人体蓄热率。HDR对时间的积分即热债。HDR( 0是不出现热债的必要条件。由于人体具有一定的蓄热量，当人体的热债达到约100 kJ/m2时，才会感到冷不适。相反，当人体蓄热量达到100 kJ/m2时，将感到热不适。
HDR的定义式如下：
(4-52)
其中：
D (( 热债，J/m2
(( (( 暴露时间，s
M (( 新陈代谢率，W/m2
t (( 环境空气的干球温度，℃
Icw (( 服装热阻，clo
Ia (( 服装外空气边界层热阻，clo
R (( 单位皮肤面积的平均辐射得热，W/m2
HDR对时间的积分即热债。HDR( 0是不出现热债的必要条件。由于人体具有一定的蓄热量，当人体的热债达到约100 kJ/m2时，才会感到冷不适。相反，当人体蓄热量达到100 kJ/m2时，将感到热不适。即当 –HDR > 100 /(( 时，人体就感到冷不适。也就是说，在过渡空间中，适宜的HDR值与人员的逗留时间成反比。因此，可采取人员的平均逗留时间来确定适宜的过渡空间室内设计参数。
在上述RWI和HDR表达式中,Icw(() 是衣服被汗湿润后的热阻，和代谢率M(( )一样在改变活动状态后的前6分钟内是两个状态之间的时间 ( 的线性函数，单位为clo；即有：
当(<360 秒 (4-53)
Icw(()＝Icw2 M(( )=M2 当( (360 秒 (4-54)
如果考虑人体运动诱导产生的相对风速为Va，则根据文献[26]给出的图线所导出的服装外空气边界层Ia的拟合公式有：
Ia = 0.3923Va- 0.4294 (4-55)
如果考虑到低温时的辐射和对流修正，也可以采用如下公式[29]：
(4-56)
其中T为空气温度，K。
第四节 其他热湿环境的物理度量
人体的适应机能提供了强有力的防护能力以对付热对人体的有害作用。但具有潜在危险的、不舒适的热环境会形成强烈的刺激，即热应力，使人体出现热过劳(thermal strain)。当热应力超出了人体本身的调节能力时，就会出现危险的热失调。图4-20给出随着热应力的增加，三种热过劳度量值的差异。B区为可调区，C区为受环境影响区，排汗量不再增加而体温上升。可调区的上限也可称为疲劳极限。
前面介绍的热湿环境的各种评价指标均是旨在预测热感觉或主观热舒适感。但在具有热失调危险的环境中，例如在高温车间或在寒冷的野外作业，用感觉来作为生理应变的指标往往是不够的，因此需要拟定指标来对这种环境进行评价。
4.4.1热应力指数HSI (Heat Stress Index)
建立热应力指数的目的在于把环境变量综合成一个单一的指数，用于定量表示热环境对人体的作用应力。具有相同指数值的所有环境条件作用于某个人所产生的热过劳均相同。例如A和B是两个不同的环境，A环境空气温度高但相对湿度低，B环境空气温度低但相对湿度高。如果两个环境具有相同的热应力指数值，则对某个人应产生相同的热过劳。
热应力指数是由匹兹堡大学的Belding和Hatch于1955年提出的。它假定皮肤温度恒定在35℃，在蒸发热调节区内，认为所需要的排汗量为Ereq等于代谢量减去对流和辐射散热量，不计呼吸散热，则得出热应力指数为：
HSIS = Ereq / Emax (100 (4-57)
该指数在概念上与皮肤湿润度相同。规定Emax的上限值为390 W/m2，相当于典型男子的排汗量为1 L/h。表4-18给出了对热应力指数含义的说明。
表4-18 热应力指数的意义
HSI
暴露8小时的生理和健康情况的描述
-20
轻度冷过劳
0
没有热过劳
10～30
轻度至中度热过劳。对体力工作几乎没有影响，但可能减低技术性工作的效率。
40～60
严重的热过劳，除非身体健壮，否则就免不了危及健康。需要适应环境的能力。
70～90
非常严重的热过劳。必须经体格检查以挑选工作人员。应保证摄入充分的水和盐分。
100
适应环境的健康年轻人所能容忍的最大过劳。
大于100
暴露时间受体内温度升高的限制。
4.4.2湿黑球温度WBGT（Wet-Bulb-Globe Temperature）
湿黑球温度WBGT适用于室外炎热环境，考虑了室外炎热条件下太阳辐射的影响，目前在评价户外作业热环境时应用广泛。其标准定义式为：
(4-58)
当处在阴影下时，方程(4-57)可简化为：
(4-59)
黑球温度与空气温度、平均辐射温度及空气运动有关，而自然湿球温度则与空气湿度、空气运动、辐射温度和空气温度有关。事实上WBGT是一个与影响人体环境热应力的所有因素都有关的函数。
我国有研究者通过回归统计，提出一种可由室外环境参数直接计算WBGT的关联式，此时湿黑球温度被表示为WBGT*[30]，其表达式如下：
(4-60)
以上三个公式中，有：
Tnwb (( 自然湿球温度，指非通风的湿球温度计测量出来的湿球温度，℃；
Tg (( 黑球温度，℃；
Ta (( 空气干球温度，℃；
(( 环境平均辐射温度，℃；
V (( 环境风速，m/s；
Qs (( 太阳总辐射照度，W/m2；
( (( 相对湿度。
文献[30]认为，上式与WBGT的计算公式（4-57）的总相关系数为0.9858，平均相对误差为4％；并提出如果出于使用简便的目的，用空气温度代替平均辐射温度，用太阳直射照度代替总辐射照度，造成的平均相对误差为4.5％左右。
WBGT指数被广泛应用于估算工业环境的热应力潜能（Davis 1976）。在美国，国家职业安全和健康协会（NIOSH）提出了热应力极限的标准（NIOSH 1986）；ISO标准7243也采用了WBGT作为热应力指标，表4-19为ISO标准7243推荐的WBGT阀值。
表4-19 ISO7243推荐WBGT 阈值新陈代谢水平
新陈代谢率M (W/m2)
WBGT阈值 (℃)
热适应好的人
热适应差的人
0
M < 117
33
32
1
117 < M < 234
30
29
2
234 < M < 360
28
26
能否感觉空气流动
（不能） （能）
能否感觉空气流动
（不能） （能）
3
360 < M < 468
25
26
22
23
4
M > 468
23
25
18
20
图4-21 ASHRAE手册推荐的不同WBGT条件下的安全工作时间极限[5]
图4-21是NIOSH（1986）提出的WBGT与安全工作时间极限的关系。该线图的参考对象是体重70公斤且皮肤表面积为1.8m2的工作人员。
对比表4-19和图4-21，人们在不同的新陈代谢率下有不同的WBGT安全极限值。如果考虑夏季人们身着夏装（0.5clo），在休闲状态下（代谢率M<117 W/m2），则相应的人体安全WBGT限值为32～33℃。当环境的WBGT值较长时间地超过该值，则应当采取安全保护措施避免人体受到热损伤。
4.4.3风冷却指数 WCI (Wind Chill Index)
在非常寒冷的气候中，影响人体热损失的主要因素是空气流速和空气温度。Siple和 Passel于1945年把这两个因素综合成一个单一的指数，称为风冷却指数WCI，来表示在皮肤温度为33℃时皮肤表面的冷却速率，即：
kcal/m2h (4-61)
其中Va是风速(m/s)，ta是环境空气温度(℃)。表4-20把风冷却指数与人体的生理效应联系起来。表中描述的热感觉适合于穿合适衣服的北极探险者，因此不能认为表中的“凉”与ASHRAE热感觉标度中的“凉”是一致的。
图4-22给出了风冷却指数的线算图。
表4-20 风冷却指数与人体的生理效应[11][27]
WCI (kcal/m2h)
生理效应
200
愉快
400
凉
600
很凉
800
冷
1000
很冷
1200
极度寒冷
1400
裸露的皮肤冻伤
2000
裸露的皮肤在1分钟内冻伤
2500
裸露的皮肤在半分钟内冻伤
图4-22 风冷却指数的线算图
第五节 热环境与劳动效率从国内外大量的现场调研结果发现，热环境的水平影响人的劳动效率。其影响程度随劳动类型、紧张程度不同而不同。但现场调研的结果往往受实际环境中多种其他因素诸如噪声、工作压力、颜色等影响。为了深入分析热环境的独立影响，研究者们不得不在实验室内进行实验研究与分析。
4.1 劳动效率与外部刺激的关系激发（Arousal）的概念可以用来解释环境应力对劳动效率的影响。相同的环境应力可能会提高某些工作的劳动效率（Performance），但却会降低另一些工作的劳动效率。某种工作的最高效率出现在中等激发水平上，因为在较低激发水平上，人尚未清醒到足以正常工作，而在较高激发水平上，由于过度激动，人不能全神贯注于手头的工作。因此效率和激发呈一个倒U字关系，见图4-23(a)，其中最佳激发水平A1与工作的复杂程度有关。一项困难而复杂的工作本身会激起人的热情，因此在几乎没有外界刺激的情况下能把工作做得更好；如果来自外部原因的激发太强，外界刺激则会把身体总激发的水平移到偏离最佳激发水平A1点，致使劳动效率下降。而枯燥简单的工作则往往需要有附加外部刺激的情况下劳动效率才能得到提高。
图4-23(b) 给出了热刺激与激发的关系。无论冷、热都是刺激。应该说，适中的温度对神经系统的感觉输入应该是最小的，但也有研究发现温暖也会减少激发，即稍微的温暖常使人有懒洋洋或浑身无力的感觉。所以图4-23(b)中的最小激发温度T0对应的是热中性或略高于热中性的温度。
图4-24给出了简单工作和复杂工作的环境温度与劳动效率之间的关系。可以看到，人们在从事复杂困难的工作时，希望环境温度越接近热中性或最小激发温度越好；而当人们在从事简单枯燥的工作时，环境温度适当偏离最小激发温度反而能够获得更高的劳动效率。
(a) 效率与激发的关系 (b) 热刺激与激发的关系图4-23 激发与效率以及热刺激的关系[11]
（a）简单工作 （b）复杂工作图4-24简单工作和复杂工作的环境温度与劳动效率之间的关系[11]
4.2热环境对脑力劳动的影响实验研究发现，做脑力工作的能力在标准有效温度高于33(C以上开始下降，也就是空气温度33(C，相对湿度50％，穿薄衣服的人的有效温度，相当于穿短裤的人30(C的有效温度。
有研究者对室内空气温度与脑力劳动者工作效率的关系做了大量的实验。图4-25给出气温对工作效率与相对差错率的影响.
在热环境中的暴露时间也会影响工作效率。威恩（Wing，1965）在研究热对脑力劳动工作效率的影响中总结出了降低脑力劳动效率的暴露时间，并将其表示为温度的函数。图4-26 给出了不降低脑力劳动工作效率的温度与暴露时间的关系曲线。表4-20给出的是不同研究者关于降低脑力劳动效率的暴露时间与温度的研究结果。
虽然这些曲线都是在实验室条件下根据明显的变化趋势做出来的一般结论，但在实际工作条件下，这些结论也得到了证实。
图4-25 气温对效率与相对差错的影响[28]
图4-26 不降低脑力劳动效率的温度与暴露时间的关系[11]
表4-20 降低脑力劳动效率的暴露时间与温度的研究结果[11]
工作类别
时间（min）
温度（(C）
研究者
SET
ET
心算
6.5
－
45.5
Blockley和Lyman(1950)
心算
18.5
－
42.8
Blockley和Lyman(1950)
心算
46
－
33.1
Blockley和Lyman(1950)
心算
240
34
30.6
Viteles和Smith(1945)
记单词
60
－
35
Wing和Touchstone(1965)
解题
120
－
31.7
Carpenter(1945)
莫尔斯电码
180
33.3
30.8
Mackworth(1972)
体温降低对简单的脑力劳动的影响比较轻微，但在有冷风的情况下会涣散人对工作的注意力。如果身体冷得厉害，人会变得过于激奋，从而影响需要持续集中注意力和短期记忆力的脑力劳动的工作效率。例如潜水员在10(C左右的水温中工作，需要对潜水员的智力能力提出较高的要求。
4.3热环境对体力劳动的影响研究表明，在偏离热舒适区域的环境温度下从事体力劳动，小事故和缺勤的发生几率增加，产量下降。当环境温度超过有效温度27C时，需要运用神经操作、警戒性和决断技能的工作效率会明显降低。非熟练操作工的效率损失比熟练操作工的损失更大。
低温对人的工作效率的影响最敏感的是手指的精细操作。当手部皮肤温度降到15.5 (C以下时，手部的操作灵活性会急剧下降，手的肌力和肌动感觉能力都会明显变差，从而导致劳动生产率的下降。
图4-27 (a)给出马口铁工厂相对产量的季节性变化。可以看到，在高温条件下重体力劳动的效率会明显下降。图4-27 (b)给出军火工厂相对事故发生率与环境温度的关系，表明温度偏离舒适区将导致事故发生率的增加。
（a）马口铁工厂相对产量的季节性变化 （b）军火工厂相对事故发生率与环境温度的关系图4-27温度对劳动生产率和事故发生率的影响[11]
第六节 人体热反应的数学模型**
二节点模型是Gagge等于1970年首次提出的人体温度调节的数学模型[5]。这是一个一维模型，它将人体看作两层，即核心层和皮肤层。新陈代谢在核心层产生，产生的热量通过呼吸、皮肤和衣服散失掉，见图4-28。皮肤层包括表皮和真皮，占人体总质量比约为10％左右。排汗率由升到设定温度以上的人体平均温度确定，当平均体温低于设定温度时，排汗率和汗液蒸发散热量Ersw均为零。
图4-28 二节点模型示意
(4-62)
其中：crsw (( 系数，170 W/m2℃；
Ersw (( 汗液蒸发散热量，W/m2；
tb,set (( 体温设定值，36.34℃；
tb (( 体温平均值，℃，tb = (1- (sk) tcr + (sk tsk ；
tcr 和 tsk (( 身体核心层温度和皮肤层温度，℃;
(sk (( 考虑了血流热作用的皮肤层占全身的质量比例
(4-63)
mbl((皮肤层的血流量，L/(h(m2),最大值为90 L/(h(m2)
(4-64)
冷颤由核心层和皮肤层温度的同时降低而引起，由此所增加的代谢率(M为：
(M = 19.4 (34 - tsk) (37 - tcr) (4-65)
核心层的动态热平衡为：
(4-66)
皮肤层的动态热平衡为：
(4-67)
其中cbl、ccr、csk分别是血液、核心层和皮肤的比热，其值分别为4.19、3.5、3.5 kJ/(kg℃)；(bl是血液的密度，其值为12.9 kg/L；msk和mcr分别皮肤层和核心层的质量 (kg)；K是由核心层向皮肤层的传热系数，K＝5.28 W/(m2℃)；Qsk为皮肤的总散热量 (W/ m2)。
通过该模型和4.1.1.5.3中介绍的公式，就能够求出人体皮肤温度tsk和皮肤湿润度w，并用于计算SET*指标。
本章变量表
AD (( 人体皮肤表面积，m2
Acl (( 着装人体实际表面积，m2
C (( 人体外表面向周围环境通过对流形式散发的热量,W/m2
c (( 比热，kJ/(kg℃)
E (( 汗液蒸发和呼出的水蒸汽所带走的热量，W/m2
fcl (( 服装的面积系数
Fn (( 周围环境各表面可看到的面积，m2
H (( 人身高，m
h (( 对流换热系数或对流质交换系数，W/(m2℃)或W/(m2kPa)
Icl (( 服装的显热换热热阻，m2℃/W或clo
Ie,cl (( 服装的蒸发换热热阻，m2kPa/W或clo
Icw(() (( 衣服被汗湿润后的热阻，clo
Ia ((人体的空气边界层热阻，clo
K (( 由核心层向皮肤层的传热系数，5.28W/(m2℃)
M (( 人体能量代谢率，决定于人体的活动量大小，W/m2
m (( 质量，kg
mbl(( 皮肤层的血流量，L/(h(m2)
P (( 水蒸汽分压力，kPa
Q (( 散热量，W/ m2
R (( 人体外表面向周围环境通过辐射形式散发的热量，W/m2
S (( 人体蓄热率，W/m2
tn (( 周围环境各表面的温度，℃
t (( 温度，℃
T (( 温度，K
to (( 操作温度，℃
V (( 速度，m/s
w (( 皮肤的湿润度
W (( 人体所做的机械功，W/m2
( (( 密度，kg/L
( (( 时间，s
( (( 人体表面发射率
((( 斯蒂芬－玻尔兹曼常数，5.67(10-8 W/m2K4
下标
a (( 空气
b (( 身体
bl (( 血液
c (( 对流
cl (( 服装
cr (( 核心层
dif (( 扩散
e (( 蒸发
g (( 黑球
max (( 最大值
min (( 最小值
r (( 辐射
res (( 呼吸
rsw (( 出汗
req (( 要求值
set ((设定值
sk (( 皮肤
wb (( 湿球
思考题人的代谢率主要是由什么因素决定的？人体的发热量和出汗率是否随环境空气温度的改变而改变？
“冷”与“热”是什么概念？单靠环境温度能否确定人体的热感觉？湿度在人体热舒适中起什么作用？
某办公室设计标准是干球温度26℃，相对湿度65％，风速0.25m/s。如果最低只能使温度达到27℃，相对湿度仍然为65％，有什么办法可以使该空间能达到与设计标准同等的舒适度？
国外常用带内电热源manikin（人体模型）作热舒适实验，manikin的发热量由输入的活动强度决定，材料的导热系数与人体肌肤基本相同。实验时测量皮肤温度来确定人体的热舒适度。这种做法有什么局限？
人体处于非热平衡时的过渡状态时是否适用热舒适方程？其热感觉描述是否适用PMV指标？PMV在描述偏离热舒适状况时有何局限？
为什么要有TSV和TCV两种人体热反应评价投票？
HIS、WCI与PMV、PPD应用上有什么区别？
动态热环境与稳态热环境对人的热感觉影响有何差别，原理是什么？
你自己对“舒适”和“中性”之间的关系有何切身体会？
参考文献
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附录4
附表4-1 一些成套服装的热阻[5]
服装类型
Icl (clo)
It (clo)
fcl
icl
im
裸体
0
0.72
1
0
0.48
短袖衬衣，短裤
0.36
1.02
1.1
0.34
0.42
长裤，短袖衬衫
0.57
1.2
1.15
0.36
0.43
长裤，长袖衬衫
0.61
1.21
1.2
0.41
0.45
长裤，长袖衬衫加短外衣
0.96
1.54
1.23
长裤，长袖衬衫，内加背心和圆领T恤
1.14
1.69
1.32
0.32
0.37
长裤，长袖衬衫，长袖毛衣和圆领T恤
1.01
1.56
1.28
长裤，长袖衬衫，长袖毛衣和圆领T恤，外加短外衣和长内裤
1.3
1.83
1.33
长运动衣裤
0.74
1.35
1.19
0.41
0.45
长袖睡衣和长睡裤，3/4袖短罩衣，拖鞋
0.96
1.5
1.32
0.37
0.41
及膝裙，短袖衬衫，连裤袜，凉鞋
0.54
1.1
1.26
及膝裙，长袖衬衫，连裤袜，长衬裙
0.67
1.22
1.29
及膝裙，长袖衬衫，连裤袜，长袖毛衣,半衬裙
1.1
1.59
1.46
及膝裙，长袖衬衫，连裤袜，短外衣
1.04
1.6
1.3
0.35
0.4
长裙，长袖衬衫，连裤袜，短外衣
1.1
1.59
1.46
长袖连裤罩衫，圆领T恤
0.72
1.3
1.23
工装裤，长袖衬衫，圆领T恤
0.89
1.46
1.27
0.35
0.4
厚连裤罩衫，长袖衬衫，保暖内衣，长内裤
1.34
1.94
1.26
0.35
0.39
注1：所有套装均含有鞋子、短内裤，但不含各种袜子，除非特别注明。
注2：应用条件是平均辐射温度与环境空气温度相同，风速低于0.2m/s。
附表4-2 常见单件服装的热阻[5]
服装类型
Iclu,i (clo)
服装类型
Iclu,i (clo)
短内裤
0.03
无袖低圆领衫
0.12
圆领T恤
0.08
短袖衬衫
0.19
半衬裙
0.14
长袖衬衫
0.25
长衬裙
0.16
长袖法兰绒衬衫
0.34
长内衣
0.2
短袖针织运动衫
0.17
长内裤
0.15
长袖运动衫
0.34
短运动袜
0.02
无袖薄汗衫
0.1
半长袜
0.03
无袖厚汗衫
0.17
及膝厚袜
0.06
薄毛背心
0.13
连裤袜
0.02
厚毛背心
0.22
凉鞋或皮带
0.02
长袖薄毛衣
0.25
拖鞋(棉制)
0.03
长袖厚毛衣
0.36
靴子
0.1
薄裙子
0.14
短裤
0.08
厚裙子
0.23
Walking shorts
0.15
长袖薄连衣裙
0.33
薄长裤
0.24
长袖厚连衣裙
0.47
厚长裤
0.28
短袖薄连衣裙
0.29
长运动裤
0.3
无袖薄低圆领衫
0.23
工装裤，连裤罩衫
0.49
无袖厚低圆领衫
0.27
长袖厚长睡袍
0.46
无袖薄短睡袍
0.18
长袖外长袍
0.69
无袖薄长睡袍
0.2
附表4-3不同活动强度下人体的耗氧量和心律[5]
活动强度
耗氧量VO2 (mL/s)
心律(次/min)
轻劳动
<8
<90
中等劳动
8~6
90~110
重劳动
16~24
110~130
很重劳动
24~32
130~150
极重劳动
>32
150~170
术语中英对照
湿黑球温度 Wet-bulb globe temperature
黑球温度 globe temperature
平均辐射温度 mean radiant temperature,MRT
有效温度 effective temperature,ET
操作温度 operative temperature
标准有效温度 standard effective temperature,SET
吹风感 draught
热舒适 thermal comfort
热感觉 thermal sensation
预测平均投票 predicted mean vote,PMV
预测不满意百分比 predicted percentage of dissatisfied,PPD
热感觉投票 thermal sensation vote,TSV
热舒适投票 thermal comfort vote,TCV
热应力指数 heat stress index
风冷指数 wind chill index
代谢率 metabolic rate
代谢产热 metabolic heat production
热感觉标度 thermal sensation scale
心理物理学 psychophisics
第一节 人体对热湿环境反应的生理学和心理学基础
4.1.1人体的热平衡
4.1.1.1人体的基本生理要求人体靠摄取食物维持生命。在人体细胞中，食物通过化学反应过程被分解氧化，实现人体的新陈代谢，在化学反应中释放能量的速率叫做代谢率(Metabolic Rate)。化学反应中大部分化学能最终都变成了热量，因此人体不断地释放热量；同时，人体也会通过对流、辐射和汗液蒸发从环境中获得或失掉热量。但是，人体的生理机能要求体温必须维持近似恒定才能保证人体的各项功能正常，所以人体的生理反应总是尽量维持人体重要器官的温度相对稳定。
人体各部分温度并不相同。身体表面由于散热的作用，温度要比深部组织的温度低，而且易随环境温度的变化而变化。深部组织由于不同器官组织的代谢率不同，温度也各不相同，代谢率高的器官温度比较高，例如代谢率比较高的肝脏温度约为38℃。但由于全身血液在不断循环，把热量由温度较高处带到较低处，所以人体各部分温度不会相差很大。一昼夜之中，人体体温有周期性波动，波动幅度不超过1℃。表4-1是我国正常成年人静止时的体温[2]。
表4-1 我国正常成年人的体温(℃)
平均量
变动范围
腋温
36.8
36.0~37.4
口温
37.2
36.7~37.7
肛温
37.5
36.9~37.9
人体为了维持正常的体温，必须使产热和散热保持平衡。 图4-1是人体的热平衡示意图，它用一个多层圆柱断面来表示人体的核心部分、皮肤部分和衣着。因此人体的热平衡又可用下式表示：
M ( W ( C ( R ( E ( S = 0 (4-1）
其中：
M (( 人体能量代谢率，决定于人体的活动量大小，W/m2；
W (( 人体所做的机械功，W/m2；
C (( 人体外表面向周围环境通过对流形式散发的热量,W/m2；
R (( 人体外表面向周围环境通过辐射形式散发的热量，W/m2；
E (( 汗液蒸发和呼出的水蒸汽所带走的热量，W/m2；
S (( 人体蓄热率，W/m2。
式(4-1)中各项均以人体单位表面积的产热和散热表示。裸身人体皮肤表面积可以用下式计算[1]：
AD ＝ 0.202 mb 0.425 H 0.725 (4-2)
其中：
AD (( 人体皮肤表面积，m2；
H (( 身高，m；
mb (( 体重，kg。
如果一个人身高为1.78 m，体重为65 kg，则皮肤表面积为1.8 m2左右。
图4-1 人体和环境的热交换
人体的核心温度是由人体的运动强度即代谢率决定的，代谢率越高，人体的核心温度就越高。但人体的核心温度必须维持在一个相当窄的范围内才能保证其正常功能，而人的皮肤温度却随外界温度的变化而变化，而且与人体的核心温度一样，各部位之间存在一定差别。为了确定人的平均皮肤温度，Ramanathan（1964）提出了一个四点模型，即可通过测试人体胸部、上臂、大腿以及小腿的皮肤温度，按照权系数0.3、0.3、0.2和0.2进行加权平均。
人体最大的生理性体温变动范围为35～40℃。在稳定的环境条件下，式(4-1)中的人体蓄热率S应为零，这时人体能够保持能量平衡。当人体的余热量难以全部散出时，就会在体内蓄存起来，于是式(4-1)中的人体蓄热率S变成正值，导致体温上升，人体就会感到不舒适。在非感染性病理发热的条件下，体温上升到38.3℃以上则为轻症中暑。体温升到40℃时，称作体温过高，此时出汗停止，出现重症中暑，如果不采取措施，则体温将迅速上升。体温升到42℃以上，身体组织开始受到损伤。一般认为人的最高致死体温为45℃。
在冷环境中，人体的散热增多，可能导致式(4-1)中的人体蓄热率S为负值。如果人体比正常热平衡时多散87W的热量，则睡眠的人会被冻醒，这时人的皮肤平均温度相当于下降了2.8℃，人会感到不适，甚至会导致生病。核心体温下降最初出现的症状是呼吸和心率加快，出现头痛等不适反应。当核心温度下降到34℃以下时，症状达到严重的程度，产生健忘、呐吃和定向障碍；当核心体温下降到30℃时，全身剧痛，意识模糊；降至28℃以下就会出现瞳孔反射、随意运动丧失、深部腱反射和皮肤反射全部消失，濒临死亡。尽管现在还不能确定人的最低致死体温，因为已经有核心体温降到26.5℃保持24小时仍然能够正常复苏而没有后遗症的实例，但已证实当体温下降到20℃时，通常就不能复苏。
图4-2是人类体温范围变化示意图。表4-2给出了人体皮肤温度与人体热感觉的关系。皮肤所能够适应的温度范围在29～37℃之内。
表4-2 人体皮肤温度与人体热感觉的关系皮肤温度
状 态
45℃ 以上
皮肤组织迅速损伤，热痛阈
43~ 41 ℃
被烫伤的疼痛感
41~39 ℃
疼感域
39~37 ℃
热的感觉
37~35 ℃
开始有热的感觉
34~33 ℃
休息时处于热中性状态,热舒适
33~32 ℃
中等(2-4met)运动量时感觉舒适
32~30 ℃
较大(3-6met)运动量时感觉舒适
31~29 ℃
坐着时有不愉快的冷感
25℃ (局部)
皮肤丧失感觉
20 ℃(手)
非常不快的冷感觉
15 ℃(手)
极端不快的冷感觉
5 ℃(手)
伴随疼感的冷感觉
4.1.1.2 人体与外界的热交换
人体与外界的热交换形式包括对流、辐射和蒸发。这几种不同类型的换热方式都受人体的衣着影响。衣服的热阻大则换热量小，衣服的热阻小则换热量大。
环境空气的温度决定了人体表面与环境的对流换热温差因而影响了对流换热量，周围的空气流速则影响对流热交换系数。气流速度大时，人体的对流散热量增加，因此会增加人体的冷感。
人体除了对外界有显热交换外，还有潜热交换，主要是通过皮肤蒸发和呼吸散湿带走身体的热量。皮肤蒸发又包含汗液蒸发和皮肤的湿扩散两部分，因为除了人体体温调节系统可以控制汗液的分泌外，水分还可以从皮下组织直接散发到较干燥的环境空气中去。在一定温度下，相对湿度越高，空气中的水蒸汽分压力越大，人体皮肤表面的蒸发量越少，可以带走的热量就越少。因此在高温环境下，空气湿度偏高会增加人体的热感。但是在低温环境下如果空气湿度过高，就会使衣物变得潮湿，从而降低衣物的热阻，强化了衣物与人体的传热，反而会增加人体的冷感。
空气流速同样会影响人体表面的对流质交换系数。气流速度大会提高汗液的蒸发速率从而增加人体的冷感。
周围物体的表面温度决定了人体辐射散热的强度。例如，在同样的室内空气参数的条件下，围护结构内表面温度高会增加人体的热感，反之会增加冷感。
空气流速除了影响人体与环境的显热和潜热交换速率以外，还影响人体的皮肤的触觉感受。人们把气流造成的不舒适的感觉叫做“吹风感 (draught)”。如前所述，在较凉的环境下，吹风会强化冷感觉，对人体的热平衡有破坏作用，因此“吹风感”相当于一种冷感觉。然而，尽管在较暖的环境下，吹风并不导致人体热平衡受到破坏，但不适当的气流仍然会引起皮肤紧绷、眼睛干涩、被气流打扰、呼吸受阻甚至头晕的感觉。因此在较暖的环境下，“吹风感”是一种气流增大引起皮肤及粘膜蒸发量增加以及气流冲力产生的不愉快的感觉。
4.1.1.3 影响人体与外界显热交换的几个环境因素
(1) 平均辐射温度(Mean Radiant Temperature,MRT)
在考虑周围物体表面温度对人体辐射散热强度的影响时要用到“平均辐射温度”的概念。平均辐射温度的意义是一个假象的等温围合面的表面温度，它与人体间的辐射热交换量等于人体周围实际的非等温围合面与人体间的辐射热交换量。其数学表达式为：
(4-53)
其中：
(( 平均辐射温度，K；
Fnj (( 周围环境第j个表面的角系数，m2；
Tnj (( 周围环境第j个表面的温度，K
( j (( 周围环境第j个表面的黑度；
(0 (( 假想围合面的黑度。
上式是一个四次方关系式并采用绝对温标，在实际使用时有一定的困难。但对于人体所处的实际环境温差来说，把式(4-53)简化为一次方表达式的结果会比实际平均辐射温度会略小一些，但对于实际应用来说已足够精确。另外，在实际的建筑室内环境里，室内各主要表面的黑度一般差别并不大，因此可假定人体周围各非等温围合面的黑度均等于假想围合面的黑度(0，则有采用摄氏温标的平均辐射温度近似表达式：
(4-54)
其中：(( 平均辐射温度，℃；
tnj (( 周围环境第j个表面的温度，℃
测量平均辐射温度最早、最简单，且仍是最普遍的方法就是使用黑球温度计。它是由一个涂黑的薄壁铜球内装有温度计组成，温度计的感温包位于铜球的中心。使用时把黑球温度计悬挂在测点处，使其与周围环境达到热平衡，此时测得的温度为黑球温度Tg。如果同时测出了空气的温度Ta，则当平均辐射温度与室温差别不是很大时，可按下式求出平均辐射温度为：
(4-65)
(2) 操作温度to (Operative Temperature)
操作温度to反映了环境空气温度ta和平均辐射温度的综合作用，其表达式为：
(4-76)
式中：hr (( 辐射换热系数，W/(m2℃)；
hc (( 对流换热系数，W/(m2℃)。
(3) 对流换热系数hc
在无风或风速很小的条件下，人体周围的自然对流就变得十分重要。在比较高风速下人体表面的受迫对流换热系数可以通过风洞实验测定。很多研究者通过不同实验方法获得了人体表面的自然对流换热系数和受迫对流换热系数，可针对不同的应用条件选择使用，见表4-2。
表4-2 人体表面的对流换热系数[11]
对流换热系数hc (W/m2℃)
提出者
适应条件
受
8.6v 0.6
D,Mitchell (1974)
最好的平均值
迫
12.1v 0.5
Winslow 等 (1939)
用于Fanger舒适方程
对
8.6v 0.53
Gagge 等 (1969)
用于SET公式中
流
8.3v 0.5
Kerslake (1972)
推荐采用
自
3.0
Nishi和Gagge (1977)
静止空气中的静止人体
然
1.16 (M-50) 0.39
Nishi和Gagge (1977)
静止空气中的活动人体
对
1.18(T0.25
Birkebak (1966)
2米高的圆柱体
流
2.38(T0.25
Nelson 和Peterson (1952)
用于Fanger舒适方程
4.0
Rapp (1973)
推荐用于静坐者
(4) 对流质交换系数he
为了确定对流质交换系数he，引入了传质与传热的比拟方法。Lewis指出对流质交换系数he (即蒸发换热系数) 与对流换热系数hc是相关的，二者存在固定的关系：
LR = he,/ hc (4-7)
其中LR称作刘易斯系数 (Lewis Ratio)，单位为℃/kPa。对于典型的室内空气环境有：
LR = 16.5 (4-8)
4.1.1.4 服装的作用服装在人体热平衡过程中所起的作用包括保温和阻碍湿扩散。因此在考虑人体与外界的热交换时必然要考虑到服装的影响。
4.1.1.4.1 服装热阻
服装热阻Icl指的是服装本身的显热热阻，常用单位为m2K/W和clo，两者的关系是：
1 clo = 0.155 m2K/W (4-9)
1clo的定义是在21℃空气温度、空气流速不超过0.05 m/s、相对湿度不超过50％的环境中静坐者感到舒适所需要的服装的热阻，相当于内穿长袖衬衣、外穿长裤和普通外衣或西装时的服装热阻。夏季服装一般为0.5 clo (0.08 m2K/W)，工作服装一般为0.7 clo (0.11 m2K/W )，正常室外穿的冬季服装一般为1.5~2.0 clo，在北极地区的服装可达到4.0 clo。如果缺乏成套服装热阻Icl的数据，可以通过单件服装的热阻Iclu,i求得：
(4-10)
对于从皮肤表面到环境空气的传热过程，需要考虑服装表面的对流换热热阻Ia。因此，服装的总热阻It为：
(4-11)
其中fcl是服装的面积系数，见4.1.1.4.3。
可以通过ASHRAE Handbook[5]或其它有关文献查得典型成套服装或单件服装的换热热阻。附表4-1给出了部分成套服装的本身热阻Icl和总传热热阻It，附表4-2给出了部分单件服装的热阻Iclu,i。
当人坐在椅子上时，椅子本身会给人体增加0.15 clo以下的热阻，其值大小取决于椅子与人体接触的面积。网状吊床或沙滩椅与人体接触面积最小，而单人软体沙发的接触面积最大，热阻可增加0.15 clo。对于其他类型的座椅，其热阻的增值(Icl可以用以下公式估算[5]：
(Icl =0.748 Ach – 0.1 (4-12)
其中Ach是椅子和人体的接触面积，m2。
行走时由于人体与空气之间存在相对流速，会降低服装的热阻。其降低的热阻值可用下式估算：
( Icl = 0.504 Icl + 0.00281Vwalk – 0.24 (4-13)
其中人的行走步速Vwalk的单位是步/min。如果一个人静立的服装热阻是1 clo，则当他行走步速为90步/min (约3.7km/h) 时，他的服装热阻会下降0.52 clo，变成0.48 clo。
在做某些空间的空调设计时，往往需要通过研究论证来确定该空间的空气设计参数，此时人的着装热阻往往成为难以确定的因素。不过由于人有主观能动性，可以根据自己的所处环境与活动的需要来选择服装。图4-3给出人在室外环境进行一些活动时，感觉比较舒适的状态下所需要的服装热阻[26]。根据这张图，就可以获得某类状态下人体着装的热阻值作为确定各种设计参数的基础，例如公共交通设施内的设计温度、商店的设计温度等。
图4-3 舒适的服装热阻与温度、活动强度与相对风速v的关系[26]
4.1.1.4.2服装透湿性
服装的存在影响了皮肤表面的蒸发。一方面服装对皮肤表面的水蒸气扩散有一个附加阻力，另一方面服装吸收部分汗液，致使只有剩余部分汗液蒸发冷却皮肤。服装借助毛细现象吸收和传输汗液，这部分汗液不是在皮肤表面蒸发，而是在服装表面或服装内部蒸发。这时就需要更大的蒸发量才能在皮肤表面上形成同样的散热量，因此服装的存在增加了皮肤的蒸发换热热阻。
为了描述服装的湿传递特性，同样可以采用刘易斯关系。但实际的服装的湿传递性能往往显著偏离刘易斯关系。可以通过服装湿传递性能的修正系数，即水蒸气渗透系数，来求得较精确的服装本身的蒸发换热热阻Ie,cl和总蒸发换热热阻Ie,t：
(4-14)
(4-15)
其中：icl (( 服装本身的水蒸气渗透系数，仅考虑透过服装的湿传递过程；
im(( 服装的总水蒸气渗透系数，考虑了从皮肤到环境空气的湿传递过程。
icl和im均可以在附表4-1中查到。
另一方面，服装吸收了汗液后也会使人感到凉，原因除了衣物潮湿导致导热系数增加以外，服装层在原有显热传热的基础上又增加了部分潜热换热，也可以看作是服装原有的热阻下降。表4-3 给出了1 clo干燥服装在被汗润湿后的热阻值与一些活动状态之间的关系。
表4-3 1 clo干燥服装被汗湿润后的热阻活动强度
静坐
坐姿售货
站立售货
站立但偶尔走动
行走
3.2 km/h
行走
4.8 km/h
行走
6.4 km/h
服装热阻(clo)
0.6
0.4
0.5
0.4
0.4
0.35
0.3
4.1.1.4.3服装的表面积
人体着装后与外界的热质交换面积有所改变，因此常常用服装的面积系数fcl来表示人体着装后的实际表面积Acl和人体裸身表面积AD之比：
fcl = Acl / AD (4-16)
成套服装的面积系数fcl同样可以通过文献[5]获得。实际上，其最可靠的获取方法是照相法。如果没有合适的参考数据，就只能采用McCullough 和Jones[9]提出的粗估算公式，它给出了服装的面积系数与服装热阻之间的关系：
fcl = 1.0 + 0.3 Icl (4-17)
4.1.1.5人体的能量代谢
4.1.1.5.1人体的能量代谢率
在考虑人体的能量平衡时，应该注意到人体与非生物体的能量平衡存在根本的区别，即人体的能量释放量和释放方式不是固定的，而是受主观和客观环境因素影响并反作用于主观和客观因素的。因此人体的能量平衡描述比非生物体的能量平衡描述要复杂得多。
人体的能量代谢率受多种因素影响，如肌肉活动强度、环境温度、性别、年龄、神经紧张程度、进食后时间的长短。临床上规定未进早餐前，保持清醒静卧半小时，室温条件维持在18~25℃之间测定的代谢率叫做基础代谢率(Basal Metabolic Rate,BMR)。由于人体的能量代谢率易受多种因素的影响，基础代谢率可用作衡量代谢的一个标准。
当人受刺激引起精神高度紧张时，代谢率往往显著升高，原因是骨骼肌的紧张性增加，另一方面是交感神经兴奋引起儿茶酚大量释放，从而提高代谢率。
人体的代谢率在一定温度范围内是比较稳定的，当环境温度升高或降低时，代谢率都会增加。实验发现裸身男子静卧于温度处于22.5~35℃范围内的测热小室内，人体的产热量基本不变。但在22.5℃温度下停留1～2小时后，身体会出现冷颤，同时产热量开始增加。环境温度升高时，细胞内的化学反应速度增加，发汗、呼吸以及循环机能加强也会导致代谢率增加。
人进食后产热量会逐渐增加，并延续7～8小时。所增加的热量值取决于食品的性质。全蛋白质食物可增加热量30％，糖类或脂肪类食物只能增加4～6％，混合食物一般增加产热量10％。
人体的基础代谢率随年龄逐渐下降，少年较高，老年稍低。女性比男性低6～10％。BMR正常的变动范围在10～15％之内，如果变动超过20％，则处于病理状态。
肌肉活动对代谢率的影响极显著，最好的确定方式是测量活动人体的耗氧量和二氧化碳的排出量。实验式有[17]：
M = 21 ( 0.23 RQ + 0.77 ) VO2 / AD (4-18)
其中：M (( 代谢率，W/m2；
RQ (( 呼吸商，单位时间内呼出二氧化碳和吸入氧气的摩尔数比，无量纲；
VO2 (( 在0℃、101.325 kPa条件下单位时间内消耗氧气的体积，mL/s，见附表4-3。
一般成人在静坐和轻劳动（M<1.5 met）时RQ=0.83，而在重劳动（M = 5.0 met）时RQ达到1.0，中间状态可以采用线性插值求得。10％的RQ估算误差造成的代谢率计算误差最多为3％。
表4-7给出的成年男子在不同活动强度下保持连续活动的代谢率。代谢率单位为met，1 met = 58.2W/m2，是人静坐时的代谢率。正常健康人20岁时的最大代谢率可以达到12 met，但到70岁时就会下降到7 met。35岁左右的未受专门训练的成人最大代谢率约为10 met，而长跑运动员最高可达到20 met。代谢率达到5 met以上，人就会感到非常疲劳。
如果人交替从事不同强度的劳动，比如有部分时间在打字，又有部分时间在走来走去，则其代谢率可根据表4-7选取的不同活动类型的代谢率和劳动时间来进行加权平均。表中代谢率在3 met以上的活动由于活动强度难以准确定义，且可以通过不同方式来完成同一种劳动，所以应用表中数值可能会带来50％的误差。
表4-7 成年男子在不同活动强度条件下的代谢率[11][26]
活动类型
W/m2
met
活动类型
W/m2
met
睡眠
40
0.7
提重物，打包
120
2.1
躺着
46
0.8
驾驶载重车
185
3.2
静坐
58.2
1.0
跳交谊舞
140-255
2.4-4.4
站着休息
70
1.2
体操/训练
174-235
3.0-4.0
炊事
94-115
1.6-2.0
打网球
210-270
3.6-4.0
用缝纫机缝衣
105
1.8
步行，0.9m/s
115
2.0
修理灯具，家务
154.6
2.66
步行，1.2m/s
150
2.6
在办公室静坐阅读
55
1.0
步行，1.8m/s
220
3.8
在办公室打字
65
1.1
跑步，2.37m/s
366
6.29
站着整理文档
80
1.4
下楼
233
4.0
站着，偶尔走动
123
2.1
上楼
707
12.1
4.1.1.5.2 人体的机械效率
人体的代谢率取决于活动强度，人体对外所做的功也取决于活动强度。因此人体对外输出的机械功是代谢率的函数。人体对外做功的机械效率(定义为：
( = W / M (4-19)
人体机械效率的特点是效率值比较低，在不同活动强度下一般为5～10％[11]。对于大多数的活动来说，人体的机械效率几乎为0，很少超过20％。因此在空调负荷计算时往往把人体的机械效率视为0，其原因为：
大部分办公室劳动和室外轻劳动的机械效率近似0；
人体代谢率的估算本身带有误差；
忽略人体对外所作的机械功对于空调系统设计是偏于安全的。
表4-8 人体活动的机械效率[11]
活动强度
机械效率( (%)
静坐
0
安静地站着
0
一般的办公室工作
0
站着从事轻工作
0
在平地上步行
0
步行上山，坡度5%，速度4km/h
10
步行上山，坡度15%，速度4km/h
20
轻的工业劳动(如汽车修理、钳工之类)
10
重的手工劳动(如挖土和铲土)
10
4.1.1.5.3 人体蒸发散热量人体皮肤的蒸发散热量Esk
人体皮肤的潜热散热量与环境空气的水蒸汽分压力Pa、皮肤表面的水蒸汽分压力Psk、服装的潜热换热热阻Ie,cl等有关。皮肤表面可能达到的最大潜热换热量Emax (W/m2)为：
(4-20)
其中he是着装人体表面即服装表面的对流质交换系数，W/(m2kPa)，水蒸汽分压力的单位均为kPa。如果把皮肤表面的饱和水蒸汽分压力Psk简化为皮肤温度tsk的回归函数，有：
Psk = 0.254 tsk ( 3.335 (4-21)
实际上式(4-20)反映的是完全被汗液润湿的人体潜热散热量，而只有在总排汗量大大超过蒸发量时才可能保证人体的每一部分都是湿润的。但蒸发散热量是用生理学方法根据汗液分泌量确定的，因此除了在一些最极端的条件下，实际的蒸发散热量Esk要小于最大可能值，即有：
(4-22)
其中Ersw是汗液蒸发散热量，Edif是皮肤湿扩散散热量，w为皮肤湿润度。皮肤湿润度是皮肤实际蒸发量与在同一环境中皮肤完全湿润而可能产生的最大散热量之比，相当于湿皮肤表面积所占人体皮肤表面积的比例：
w = Esk/Ema (4-23)x
如果环境的湿度增加，尽管Esk仍为常数，皮肤湿润度w也会增加。如果没有排汗，皮肤湿扩散的散热量应该为：
Edif = 0.06 Emax (4-24)
而有正常排汗时，皮肤湿扩散散热量为：
Edif = 0.06 (Emax – Ersw) (4-25)
汗液蒸发散热量Ersw是由体温调节系统控制的。Fanger[12]认为当人体感觉接近“中性”即不太冷也不太热时，人体平均皮肤温度tsk和出汗造成的潜热散热量Ersw取决于人体代谢率和对外所做的功。在接近热舒适条件下，根据Rohlesh Nevins的实验有以下回归式：
tsk = 35.7 ( 0.0275 ( M ( W ) (4-26)
Ersw = 0.42 ( M – W – 58.2 ) (4-27)
其中的Ersw单位为W/m2。
此外，联立方程(4-20)～(4-23)、(4-25)～(4-27)，并对换热热阻进行一些简化，可得到舒适条件下的皮肤湿润度：
(4-28)
人体的呼吸散热散湿量
人体的呼吸散热量包括显热散热和潜热散热两部分。显热散热量Cres为：
Cres = 0.0014 M (34 ( ta ) W/m2 (4-29)
呼吸时的潜热散热量Eres为：
Eres = 0.0173 M (5.867 ( Pa ) W/m2 (4-30)
4.1.1.5.4 人体与外界的辐射换热量
温度为600K以下的表面，所发射辐射能的波长一般在2(m以上[15]。因此在一般的建筑室内环境中，多数表面只发射长波辐射。这些表面与人体表面的温度基本在相同的量级，而在长波辐射范围内可认为人体与环境表面均为灰体，因此人体与外界的长波辐射的换热方程可表为：
(4-31)
其中：( ((人体表面的发射率；
( (( 斯蒂芬·玻尔兹曼常数，5.67(10-8W/m2K4；
feff (( 人体姿态影响有效表面积的修正系数；
Tcl (( 人体表面的温度，K；
(( 环境的平均辐射温度，K。
长波辐射范围内灰体的发射率( 等于吸收率a，在一般衣着条件下，人体整体的吸收率一般在0.95以上[5]，除非穿着了用高红外反射率的特殊材料制作的衣物。这个值是考虑了人体服装覆盖部分与裸露部分的平均值。
与对长波辐射的吸收不同，人体对于以可见光与近红外线为主的太阳辐射以及其他短波辐射的吸收主要取决于人体表面的吸收率：
(4-32)
其中：
a (() ((人体表面对某种波长的短波辐射的吸收率；
I(() (( 某种波长短波辐射的辐射照度，W/m2。
人体的表面颜色，包括人着装的颜色和人的肤色，均影响了人体对太阳辐射的吸收率。表4-9是Gagge和Nishi（1977）提出的不同肤色人种和服装在不同辐射源温度下的吸收率。
人体处于不同的姿态必然影响人体对外暴露的表面的大小，因此需要根据人体不同姿态对人体的表面积进行修正。表4-10给出的是Fanger（1972）以及Guibert和Taylor（1952）通过照相获得的人体姿态影响有效表面积的修正系数feff。
表4-9 人体表面吸收率a的推荐实用值[11]
辐射源温度
电炉 1100 K
钨丝 2200 K
太阳 6000 K
中间色服装
0.9
0.8
0.7
裸体（高加索人）
0.95
0.65
0.4
裸体（黑人）
0.95
0.9
0.8
表4-10 人体的有效辐射面积修正系数feff[11]
Fanger（1972）
Guibert和Tayler（1952）
坐着
0.7
0.7
站者
0.72
0.78
半立着
0.72
4.1.1.5.5 不同环境条件和活动强度下人体的散热和散湿量
前面已经介绍了决定人体代谢率的最显著因素是肌肉活动强度。因此，当活动强度一定时，人体的发热量在一定温度范围内可以近似看作是常数。但随着环境空气温度的不同，人体向环境散热量中显热和潜热的比例是随着环境空气温度变化的。环境空气温度越高，人体的显热散热量就越少，潜热散热量越多。环境空气温度达到或超过人体体温时，人体向外界的散热形式就全部变成了蒸发潜热散热。表4-11是我国成年男子在不同环境温度条件和不同活动强度条件下向外界散热、散湿量的分配。表中没有给出环境的平均辐射温度，因此可以认为平均辐射温度与环境空气温度相同，而着装则是该环境温度和活动强度条件下人们的常规衣着。
表4-11 成年男子在不同环境温度条件下的散热、散湿量[4]
活动强度
散热散湿
环 境 温 度 (℃)
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
静坐
显热(W)
84
81
78
74
71
67
63
58
53
48
43
潜热(W)
26
27
30
34
37
41
45
50
55
60
65
散湿(g/h)
38
40
45
50
56
61
68
75
82
90
97
极轻劳动
显热(W)
90
85
79
75
70
65
61
57
51
45
41
潜热(W)
47
51
56
59
64
69
73
77
83
89
93
散湿(g/h)
69
76
83
89
96
102
109
115
123
132
139
轻度劳动
显热(W)
93
87
81
76
70
64
58
51
47
40
35
潜热(W)
90
94
100
106
112
117
123
130
135
142
147
散湿(g/h)
134
140
150
158
167
175
184
194
203
212
220
中等劳动
显热(W)
117
112
104
97
88
83
74
67
61
52
45
潜热(W)
118
123
131
138
147
152
161
168
174
183
190
散湿(g/h)
175
184
196
207
219
227
240
250
260
273
283
重度劳动
显热(W)
169
163
157
151
145
140
134
128
122
116
110
潜热(W)
238
244
250
256
262
267
273
279
285
291
297
散湿(g/h)
356
365
373
382
391
400
408
417
425
434
443
4.1.2人体的温度感受系统用一个小而尖的凉或热的金属探针探测皮肤，可以发现大部分皮肤表面触及探针时并不产生冷或热的感觉，只有很少的探测点有冷热感觉反应。20世纪初就有很多研究者发现人的皮肤上存在着“冷点”和“热点”，即对冷敏感的区域和对热敏感的区域。文献[7]介绍了Strughold和Porz（1931）以及Rein（1925）等研究者发表的人体各部位皮肤冷点和热点分布密度的实测结果。其研究表明人体各部位的冷点数目明显多于热点，而且冷点和热点的位置不相同。
表4-12 人体各部位冷点和热点分布密度(个/cm2)[7]
部位
冷点
热点
部位
冷点
热点
前额
5.4-8.0
手背
7.4
0.5
鼻子
8.0
1.0
手掌
1.0-5.0
0.4
嘴唇
16.0-19.0
手指背
7.0-9.0
1.7
脸部其他部位
8.4-9.0
1.7
手指肚
2.0-4.0
1.6
胸部
9.0-10.2
0.3
大腿
4.4-5.2
0.4
腹部
8.0-12.5
小腿
4.3-5.7
后背
7.8
脚背
5.6
上臂
5.0-6.5
脚底
3.4
前臂
6.0-7.5
0.3-0.4
人体能够感受外界的温度变化是因为在人体皮肤层中存在温度感受器，当它们受到冷热刺激时，就会产生冲动，向大脑发出约50mV左右的脉冲信号，信号的强弱由脉冲的频率决定。如果将一个微电极插入一个神经元的轴突中或单个神经纤维中，就可以直接记录下这些脉冲，同时可以考察到它们的频率随温度刺激的改变而改变。目前科学家就是用这种手段来研究人体和动物的冷热感觉和体温调节的生理机制。
除人体皮肤中存在温度感受器外，人体体内的某些粘膜和腹腔内脏等处也存在温度感受器。这些均可称作人体的外周温度感受器。而人体的脊髓、延髓和脑干网状结构中也存在着能感受温度变化的神经元，称作人体的中枢性温度敏感神经元。下丘脑局部温度改变0.1℃，这些神经元的放电频率就会有所改变，而且没有适应现象。延髓和脑干网状结构中的温度敏感神经元还对传入的温度信息有不同程度的整合处理功能。
根据温度感受器对动态刺激的反应特性，可以将它们分为热感受器和冷感受器两种。不管初始温度如何，热感受器总是对热刺激产生一个大的激越脉冲，或者说当温度高于30(C时开始产生脉冲；而在冷刺激下，应激性短暂地被抑制。与此相反，冷感受器只对冷刺激产生冲动，即当温度低于30(C时开始产生脉冲，在热刺激下被抑制。当皮肤温度和人体核心温度改变时，温度感受器感受到这种变化，产生瞬态的冷热感觉，同时发放脉冲信号，通过脊髓传递到大脑。热感受器与冷感受器的信号在传输过程中是分开传送的，在中枢神经系统的不同层次进行整合，产生对应的冷感觉和热感觉，同时对产热和散热的过程进行促进或抑制。
虽然迄今用显微镜还无法识别冷热感受器，但现代生理学的发展使人们对皮肤的机构有了更清晰的认识。1930年Bazett等人已经发现冷感受器位于贴近皮肤表面下0.15～0.17 mm的生发层中，而热感受器则位于皮肤表面下约0.3~0.6 mm处。图4-4[8]给出了冷感受器处的皮肤结构。冷感受器与热感受器在皮肤中的分布密度是不同的，冷感受器的数目要多于热感受器。冷热感受器的这种位置分布和密度分布决定了人体对冷感觉的反应比对热感觉的反应更敏感。
4.1.3人体的体温调节系统人体与非生物体的热变化过程的区别在于人体的温度和散热量并不完全由环境因素决定，因为人体的体温调节系统在一定环境参数范围内具有主动调节这些参数的能力。体温调节的主要功能是将人体的核心温度维持在一个适合于生存的较窄的范围内。体温调节系统的机能是相当复杂的，迄今尚未完全搞清楚。某些体温调节过程是用激素控制的，例如，由甲状腺所产生的甲状腺酸起着增加人体内产热量的作用，它在冷环境中会有所增加，而在热环境中则减少。总的来说，体温调节主要是依靠神经调节和体液调节来完成的。对体温调节系统最重要的输入量是核心温度和平均皮肤温度。当核心温度与设定值之间出现偏差，体温调节系统开始工作。但人体的体温设定值不是恒定的，而要取决于工作强度，在较高代谢率下体温设定值会升高。例如在静止时为36.8℃，步行时为37.4℃，慢跑时为37.9℃，剧烈运动时可能高达39.5℃。
调节体温的中枢主要在下丘脑。它是大脑的一部分，在食物摄入、水分平衡、体温调节等一些自主功能中起主要作用。下丘脑由几个分区组成，其中两个分区控制着温度调节，称为下丘脑前部和后部。一些实验观察到下丘脑前部的主要作用是促进散热，而后部的主要作用是促进产热以达到御寒的目的。但也有实验发现下丘脑前部也对产热有影响作用，因此下丘脑是一个整体分层次的体温调节的中枢整合机构。
人体体温的调节方法包括调节皮肤表层的血流量、调节排汗量和提高产热量。人体的皮肤表层的血流量能够在很大范围内变动，可以从几乎为零直至得到心脏输出量的12%。人体出汗进行体温调节是靠小汗腺起作用。汗液中水分占99％以上，固体成分不足1%，大部分为NaCl。
下丘脑前部的作用是调动人体的散热功能。如果周围环境温度（空气、围护结构、周围物体表面的温度）提高，或进行大运动量的活动，热感受器就会向大脑发出信息。只要下丘脑前部的温度稍高于设定值，它就会发送出神经脉冲以引发人体的相关扩张和排汗机能。皮肤表层的血管就会扩张以便增加血液流量，这样血液就能够把更多的热量带到皮肤表面，提高皮肤温度，从而增加皮肤向环境的散热量。如果这样仍然不能抑制身体内部的温度上升，体温调节系统就会命令皮肤出汗，通过蒸发来带走身体的热量。图4-5是Robinson（1949）对人体在不同空气温度下排汗率与核心温度（直肠温度）关系的实验结果[11]。实验中直肠温度的改变是通过改变工作强度取得的，而排汗速率是由直肠温度和皮肤温度共同决定的。在温度调节系统正常工作时，提高环境温度不会改变人体的核心温度或直肠温度，只能增加排汗速率。
下丘脑的后部执行着抵御寒冷的功能。当人体处于冷环境下，下丘脑的后部从冷感受器接受温度信号，然后指示皮下血管收缩以减少身体表层的血流量，通过这种方式可以降低皮肤温度以减少人体辐射和对流热损失。为了调节温度而改变血流量和皮肤表面细胞的大小的机能叫做血管收缩调节。如果人体内部温度仍不能维持恒定，人体体温调节系统就会自动通过冷颤等方式增加代谢率。如果人体产热量不能抵偿热损失，体温就不可避免地要下降。因此，人体的御寒能力是很弱的，相对而言，人体防止过热的能力却要强得多。这也可能是人体对冷刺激的反应要比对热刺激的反应更敏感的原因。
冷颤是骨骼肌的一种不随意收缩活动，是由皮肤冷感受器引起的反射活动。骨骼肌收缩时产生大量的热，气温越低，冷颤越强，产热越多，因而可以保持体温不变。人在温暖环境中休息时，内脏产热量为总产热量的57.6%，而肌肉活动时，这种产热量分配比例产生根本的变化。例如，中等强度的运动，总产热量增加3倍，此时骨骼肌的产热量占总量的75～80％。因此在寒冷环境中使手脚经常活动，也可以增加产热，达到抵抗寒冷的目的。
下丘脑前部和后部是以可相互抑制的方式联系在一起的，如果人体核心温度高导致下丘脑前部温度较高，则会因此而出汗，而皮肤温度的降低传导到下丘脑的后部则会使出汗减少或停止。因此，当下丘脑后部感受到皮肤冷感受器的冷信号时，下丘脑前部感受到的核心温度如果高于37.1℃的话就会阻止冷颤。如果下丘脑前部的温度低于37.1℃，皮肤温度的降低就会引起冷颤而增加产热量。反之，皮肤温度的升高在核心温度高于37.1℃时会起到增加排汗量的作用。如果核心温度低于37℃，皮肤温度的升高就不可能促进出汗。人体体温调节系统见图4-6。
4.1.4 热感觉感觉不能用任何直接的方法来测量。对感觉和刺激之间关系的研究学科称为心理物理学（Psychophisics），是心理学最早的分支之一。
热感觉是人对周围环境是“冷”还是“热”的主观描述。尽管人们经常评价房间的“冷”和“暖”，但实际上人是不能直接感觉到环境温度的，只能感觉到位于自己皮肤表面下的神经末梢的温度。
裸身人体安静时在29℃的气温中，代谢率最低；如适当着衣，则在气温为18～25℃的情况下代谢率低而平稳。在这些情况下，人体不发汗，也无寒意，仅靠皮肤血管口径的轻度改变，即可使人体产热量和散热量平衡，从而维持体温稳定。此时，人体用于体温调节所消耗的能量最少，人感到不冷不热，这种热感觉称之为“中性”状态。
热感觉并不仅仅是由于冷热刺激的存在所造成的，而与刺激的延续时间以及人体原有的热状态都有关。人体的冷、热感受器均对环境有显著的适应性。例如把一只手放在温水盆里，另一只手放在凉水盆里，经过一段时间后，再把两只手同时放在具有中间温度的第三个水盆里，尽管它们处于同一温度，但第一只手会感到凉，另一只手会感到暖和。
当皮肤局部已经适应某一温度后，改变皮肤温度，如果温度的变化率和变化量在一定范围内是不会引起皮肤有任何热感觉的变化的。图4-7和4-8[8]是Kenshalo在1970年发表的人的前臂皮肤对温度变化的响应实验结果。图中两条曲线中间的区域是皮肤没有热感觉变化的阈。其中图4-7说明皮肤对温度的快速变化更为敏感。如果温度变化率低，适应过程会跟上温度的变化，从而完全感受不到这种变化，除非皮肤温度落到中性区以外。图4-8反映了前臂皮肤温度改变引起的感觉与适应温度以及温度变化量之间的关系。可以看到中性区在31～36℃之间。在31℃以下，即便经过40分钟的适应期，仍然还感到凉。在30℃时，当温度升高0.3K也不会产生感觉上的变化，升高0.8K皮肤就会感到温暖。但是当皮肤处于36℃适应温度时，冷却0.5K就会感到凉。也就是说，同一块皮肤，30.8℃时有可能会感到暖，35.5℃时却有可能会感到凉，这是由于皮肤热感觉的适应性所决定的。
除皮肤温度以外，人体的核心温度对热感觉也有影响。例如坐在37℃浴盆中的人可以维持皮肤温度的恒定，但核心温度却会不断上升，因为其身体的产热散不出去。如果人体的初始体温比较低，尽管开始感受到的是中性温度，但随着核心温度的上升，将感到暖和，最后感到燥热。因此热感觉最初取决于皮肤温度，而后则取决于核心温度。
当环境温度迅速变化时，热感觉的变化比体温的变化要快得多。从Gagge等（1967）一系列突变温度环境的实验发现，人处于突变的环境空气温度下，尽管皮肤温度和核心体温的变化需要几分钟，但热感觉却会随着空气温度的变化立即发生变化。因此在瞬变状况下，用空气温度来预测热感觉比根据皮肤温度和核心温度来确定可能更为准确。
由于无法测量热感觉，因此只能采用问卷的方式了解受试者对环境的热感觉，即要求受试者按某种等级标度来描述其热感。表4-10是两种目前最广泛使用的标度。其中贝氏标度是由英国人Thomas Bedford于1936年提出的，其特点是把热感觉和热舒适合二为一。1966年ASHRAE开始使用七级热感觉标度(ASHRAE thermal sensation scale)。与贝氏标度相比，它的优点在于精确地指出了热感觉。通过对受试者的调查得出定量化的热感觉评价，就可以把描述环境热状况的各种参数与人体的热感觉定量地联系在一起。
由于心理学研究的结果表明一般人可以不混淆地区分感觉的量级不超过7个，因此对热感觉的评价指标往往采用7个分级，见表4-13。在进行热感觉实验的时候，设置一些投票选择方式来让受试者说出自己的热感觉，这种投票选择的方式叫做热感觉投票TSV (Thermal Sensation Vote)，其内容也是一个与ASHRAE热感觉标度内容一致的7级分度指标，但分级范围往往为-3～+3，见表4-15。
表4-13 Bedford和ASHRAE的七点标度贝氏标度
ASHRAE热感觉标度
7
过分暖和
7
热
6
太暖和
6
暖
5
令人舒适的暖和
5
稍暖
4
舒适（不冷不热）
4
正常
3
令人舒适的凉快
3
稍凉
2
太凉快
2
凉
1
过分凉快
1
冷
4.1.5热舒适人体通过自身的热平衡和感觉到的环境状况，综合起来获得是否舒适的感觉。舒适的感觉是生理和心理上的。热舒适在ASHRAE Standard 54-1992中定义为对环境表示满意的意识状态。Bedford的七点标度把热感觉和热舒适合二为一，Gagge[14]和Fanger[12]等均认为“热舒适”指的是人体处于不冷不热的“中性”状态，即认为“中性”的热感觉就是热舒适。
但另外一种观点认为热舒适与热感觉不同。早在1917年Ebbecke就指出“热感觉是假定与皮肤热感受器的活动有联系，而热舒适是假定依赖于来自调节中心的热调节反应”[16]。Hensel[7]认为舒适的含义是满意、高兴和愉快，Cabanac认为“愉快是暂时的”，“愉快实际上只能在动态的条件下观察到……”。即认为热舒适是随着热不舒适的部分消除而产生的。当人获得一个带来快感的刺激时，并不能肯定其总体热状况是中性的；而当人体处于中性温度时，并不一定能得到快适条件。例如，在体温低时，浴盆中较热的水会使受试者感到舒适或愉快，但其热感觉评价却应该是“暖”而不是“中性”。相反当受试者体温高时，用较凉的水洗澡却会感到舒适，但其热感觉的评价应该是“凉”而不是“中性”。
引起热不舒适感觉的原因除了前面热感觉中所提到的皮肤温度和核心温度以外，还有一些其他的物理因素会影响热舒适：
(1) 空气湿度在偏热的环境中人体需要出汗来维持热平衡，空气湿度的增加并不能改变出汗量，但却能改变皮肤的湿润度。因为此时，只要皮肤没有完全湿润，空气湿度的增加就不会减少人体的实际散热量而造成热不平衡，人体的核心温度不会上升，所以在代谢率一定的情况下排汗量不会增加。但由于人体单位表面积的蒸发换热量下降会导致蒸发换热的表面积增大，从而增加人体的湿表面积，即增加了皮肤湿润度。皮肤湿润度的增加被感受为皮肤“黏着性”的增加从而导致了热不舒适感，所以说，潮湿的环境令人感到不舒适的主要原因是使皮肤的“黏着性”增加。Nishi和Gagge (1977)给出了可能引起不舒适的皮肤湿润度的上限：
w < 0.0012 M + 0.15 (4-33)
(2) 垂直温差由于空气的自然对流作用，很多空间均存在上部温度高，下部温度低的状况。一些研究者对垂直温度变化对人体热感觉的影响进行了研究。虽然受试者处于热中性状态，但如果头部周围的温度比踝部周围的温度高得越多，感觉不舒适的人就越多。图4-9是头足温差与不满意度之间关系的实验结果。其中头部距地1.1 m，脚踝距地100 mm。
地板的温度过高或过低同样会引起居住者的不满。研究证明，居住者足部寒冷往往是由于全身处于寒冷状态导致末梢循环不良造成的。但地板温度低会使赤足的人感到脚部寒冷，因此地板材料颇为重要，比如地毯会给人有足部温暖的感觉，而石材地面会使人足部的感觉较凉。表4-14给出地板材料与舒适的地面温度的对应关系。对于地板为混凝土地板覆盖面层，所谓舒适的地面温度是赤足站在地板上不满意的抱怨比例低于15%时的地板温度。但过热的地板温度同样也会引起不舒适，图4-10是某种地板的温度与不满意度之间关系的实验结果。实验中受试者的身体均处于热中性状态，但对不同的地板温度的热反应却不同。
表4-14 不同地板材料的舒适温度[11]
地板面层材料
不满意度<15％的地面温度(℃)
木
23~28
混凝土
26~28.5
毛织地毯
21~28
5 mm软木
23~28
橡木地板
24.5~28
2 mm聚氯乙烯
26.5~28.5
大理石
28~29.5
吹风感[11]
吹风感是最常见的不满问题之一，吹风感的一般定义为“人体所不希望的局部降温”。此外，吹风导致寒冷，而冷颤的出现也是使人感到不愉快的原因。但对某个处于“中性－热”状态下的人来说，吹风是愉快的。尽管过高的风速能够保证人体的散热需要，使人处于热中性的状态，但却会给人带来吹风的烦扰感、压力感、粘膜的不适感等。
有很多变量会影响人对吹风的感觉，主要是气流的速度及温度，还有人自身所处的热状态。如果人处于偏热状态，吹风有助于改善热舒适。另外吹风感还跟气流的分布状态有关，因此局部风速往往起很大的作用。比如有一股气流吹到人的颈部，那么用室内的平均风速来评价环境的热舒适就没有多大的意义了。
开始导致不舒适的风速约为0.25m/s，相当于人体周围自然对流的速度。吹风和自然对流边界层之间有复杂的相互作用，而且可以认为边界层对低速的吹风有一定保护作用。
有研究者对实验室内的受试者进行了人体颈部可以承受的局部风速和风温之间关系的实验。内文斯（Nevins，1971）汇总实验结果，把吹风风速和吹风温度表示为一个综合指标，提出了有效吹风温度( 的定义：
(4-34)
建议的舒适标准是：
-1.7< ( <1.1
v < 0.35
其中Ta (( 室内空气温度，(C，Tj (( 吹风的风温，(C，v (( 吹风的速度，m/s。
图4-11(a)是比例小于20％的人感到不舒适的颈部最大吹风速度。其中平滑曲线是霍顿等（Houghten，1938）的实验结果，虚线是根据内文斯的有效送风温度确定的舒适区。图4-11(b)是吹风风速、温度和不满意率的关系。
(a) 比例小于20％的人感到不舒适的颈部最大吹风速度[11] (b) 平均风速、温度与不满意率[5]
图4-11 吹风感与风速、风温的关系
Fanger等研究者发现，在中性－冷环境下湍流度对人体对吹风感的敏感性有很重要的影响。如果用PD表示不满意率，可以用下式来描述不满意度与风速、风温以及湍流度之间的关系[5]：
(4-35)
其中：v (( 空气流速，m/s
Ta (( 空气温度，(C
Tu (( 湍流度，无量纲。
如果空气流速表为平均流速和脉动流速v’之和：，则有：。
图4-12给出了不满意率为15％时的吹风平均速度、温度和湍流度。
图4-12 不满意率为15％时的吹风平均速度、温度和湍流度
辐射不均匀性
对于大多数房间来说，环境辐射温度都会或多或少有一些不均匀。例如，由于窗的保温一般比墙体保温差，所以坐在窗前的人，会明显感到身体局部受到的来自窗户表面的冷热辐射；采用辐射板空调，也会使人体靠辐射板过近的部分感到不舒适。这种过高的辐射不均匀度会使室内人员感到不舒适。
对于热辐射来说，辐射不均匀度可以用向量辐射温度Tv来描述。假定采用辐射板采暖，室内其他表面均处于平均温度Tu，则有：
Tv = Fpc ( Tc – Tu ) (4-36)
Tr = Fsc Tc + (1 – Fsc ) Tu (4-37)
其中：
Tc (( 辐射板表面温度
Tr (( 室内测试点的平均辐射温度
Fpc (( 辐射板对室内测试点水平板微元的角系数
Fsc (( 辐射板对室内测试点小球面的角系数
实验证明，当向量辐射温度超过10K，人们就会感到不舒适。由于角系数求解的复杂性，因此向量辐射温度Tv的求解也比较麻烦。图4-13给出了辐射吊顶的位置、尺寸、表面温度与环境辐射温度之差与舒适性之间关系的求解结果。吊顶辐射板的尺寸为a×a，距离人头顶的高度为c。
图4-13 辐射吊顶的位置、尺寸、表面温度与舒适性[11]
而冷辐射造成的不均匀性，则会给人带来类似“吹风感”的不舒适感觉，即有“人体所不希望的局部降温”，但气流导致的吹风感和冷辐射诱发的吹风感没有相互影响的关系。人逗留的某个位置，如果面对冷表面的平均辐射温度比房间其他主要部分的平均辐射温度低8 K以上，该位置就会使人感到不舒适。该结论的适用条件是室内主要部分是舒适的，室内低风速，人员标准着装。即有：
Tr – Tj + Fpw (Tf – Tw) < 8 (4-38)
假定窗户周围的墙壁温度与室温相同，窗户的表面温度Tw可用下式估算：
Tw = Ta –K (Ta – To) / (n (4-39)
其中：
Tr (( 室内测试点的平均辐射温度
Tf (( 外墙温度
Ta (( 室内空气温度
To (( 室外温度
Fpw (( 窗户对室内测试点平面微元的角系数
(n (( 窗户内表面对流换热系数，W/m2K
K (( 窗户的传热系数，W/m2K
上述各式的温度单位统一为(C或者统一为K。
图4-14给出了窗户温度、房间平均温度、窗户尺寸与最小舒适距离的关系。通过此图可以查出离开已知玻璃温度的窗户的最小舒适距离。
图4-14窗户温度、房间平均温度、窗户尺寸与最小舒适距离的关系[11]
图4-15给出了辐射不对称性和人体舒适性之间的关系。其中横座标的辐射不对称性相当于前面的向量辐射温度。对热辐射顶板比对垂直热辐射板敏感，但对垂直冷辐射板则比对冷辐射顶板敏感。因此对人体的感觉来说，冷辐射吊顶和垂直热辐射板相对比较舒适。
图4-15辐射不对称性和人体舒适性之间的关系[5]
(5) 其它因素还有一些因素普遍被人们认为会影响人的热舒适感。例如年龄、性别、季节、人种等。很多研究者对这些因素进行了研究，但结论与人们的一般看法是不一致的。
Nevins等(1966)、Rohles和Johnson (1972)、Langkilde (1979) 以及Fanger (1982)分别对不同年龄组的人进行了实验研究，发现年龄对热舒适没有显著影响，老年人代谢率低的影响被蒸发散热率低所抵销。老年人往往比年轻人喜欢较高室温的现象的一种解释是因为他们的活动量小。
长期在炎热地区和寒冷地区生活的人对其所在的炎热或寒冷环境有比较强的适应力，即表现在他们能够在炎热或寒冷环境中保持比较高的工作效率和正常的皮肤温度。为了了解他们对热舒适的要求是否因此有所变化，Fanger对来自美国、丹麦和热带国家的受试者进行实验，发现他们原有的热适应力对其热舒适感没有显著影响，即长期在热带地区生活的人并不比在寒冷地区生活的人更喜欢较暖的环境，因此他得出结论认为对热舒适条件的要求在全世界都是相同的，不同的只是他们对不舒适环境的忍受能力。
从对不同性别的对比实验发现在同样条件下男女之间对环境温度的好恶没有显著差别。实际生活中女性比男性更喜欢高一点的室温的主要原因之一可能是女性喜欢穿比较轻薄的衣物。
由于人不可能因适应而喜欢更暖或更凉的环境，因此季节就不应该对人的热舒适感有所影响。McNall等人(1968)的研究证明了这一点。因为人体一天中有内部体温的节律波动：下午最高，早晨最低，所以从逻辑上很容易作出这样的判断，即人的热舒适感在一天中是有可能会有变化的。但Fanger (1974)[13]和Ostberg等(1973)的研究发现人体一天中对环境温度的喜好没有什么明显变化，只是在午餐前有喜欢稍暖一些的倾向。
由于热舒适与热感觉有分离的现象存在，因此在实验研究人体热反应时往往也设置评价热舒适程度的热舒适投票TCV (Thermal Comfort Vote)。这是一个由0至4的5级分度指标，表4-15给出了它的分级。
表4-15 热舒适投票TCV与热感觉投票TSV
热舒适投票TCV
热感觉投票TSV
4
不可忍受
+3
热
3
很不舒适
+2
暖
2
不舒适
+1
稍暖
1
稍不舒适
0
正常
0
舒适
-1
稍凉
-2
凉
-3
冷
第二节 人体对稳态热环境的反应描述
4.2.1热舒适方程由于早期的舒适指标是以大量实验观察结果为依据，实验中的各有关参数可改变的数量有限，再加上各参数之间存在很多耦合关系，结论难以推广。因此为了推出综合的舒适指标，P,O,Fanger于1982年提出了描述人体在稳态条件下能量平衡的热舒适方程[12]，它的前提条件是，第一，人体必须处于热平衡状态；第二，皮肤平均温度应具有与舒适相适应的水平；第三，为了舒适，人体应具有最佳的排汗率。
在人体热平衡方程(4-1)中，当人体蓄热率S ＝0时，有
M ( W ( C ( R ( E = 0 (4-40)
式(4-40)中各项散热量的确定方法如下。
人体外表面向周围空气的对流散热量
C = fcl hc (tcl ( ta ) (4-41)
式中hc (( 对流换热系数，W/m2K；
tcl (( 衣服外表面温度，℃。根据热平衡关系有
tcl = tsk ( Icl ( R + C )
tsk (( 人体在接近舒适条件下的平均皮肤温度，℃，参见式(4-26)；
ta (( 人体周围空气温度，℃；
Icl (( 服装热阻，m2K/W。
人体外表面向环境的辐射散热量可由式(4-31)求得，若取着装人体吸收率为0.97，姿态修正系数为0.72，则有：
R = 3.96 ( 10-8 fcl [ (tcl + 273) 4 ( (+ 273) 4 ] (4-42)
人体总蒸发散热量
E = Cres + E res + E dif + E rsw (4-43)
式中 Cres (( 呼吸时的显热损失，W/m2，参见式(4-29)；
Eres (( 呼吸时的潜热损失，W/m2，参见式(4-30)；
Edif (( 皮肤扩散蒸发损失(无感觉体液渗透)，W/m2；这里把服装潜热热阻简化为适用于一般室内环境的定值，忽略正常排汗对皮肤扩散量的影响，有：
Edif = 3.05 (0.254 tsk ( 3.335 ( Pa ) (4-44)
Pa (( 人体周围水蒸气分压力，kPa；
Ersw (( 人体在接近舒适条件下的皮肤表面出汗造成的潜热损失，W/m2，参见式(4-27)；
将式(4-41),(4-42) 和 (4-43) 代入式 (4-40)，就可以得到热舒适方程式：
(M ( W) = fcl hc (tcl ( ta ) + 3.96 ( 10-8 fcl [ (tcl + 273) 4 ( (+ 273) 4 ]
+3.05 [5.733 (0.007 (M ( W) ( Pa ] + 0.42 ( M ( W ( 58.2 )
+1.73( 10-2 M (5.867 ( Pa ) + 0.0014 M (34 ( ta ) (4-45)
式(4-45)中有八个变量：M、W、ta、Pa、、fcl、tcl、hc。实际上，fcl和tcl均可由Icl决定，hc是风速的函数，W按0考虑。因此热舒适方程反映了人体处于热平衡状态时，六个影响人体热舒适变量M、ta、Pa、、Icl、va之间的定量关系。
4.2.2 预测平均评价PMV (Predicted Mean Vote)[12]
式(4-29)反映了人体蓄热率为0时各变量之间的关系。PMV指标就是引入反映人体热平衡的偏离程度的人体热负荷TL而得出的，其理论依据是当人体处于稳态的热环境下，人体的热负荷越大，人体偏离热舒适的状态就越远。即人体热负荷正值越大，人就觉得越热，负值越大，人就觉得越冷。Fanger收集了1396名美国和丹麦受试者的冷热感觉资料，得出人的热感觉与人体热负荷之间关系的回归公式：
PMV = [0.303 exp (–0.036 M) + 0.0275 ] TL (4-46)
其中人体热负荷TL的定义为人体产热量与人体向外界散出的热量之间的差值。但这里有一个假定，即人体的平均皮肤温度tsk和出汗造成的潜热散热Esw是人体保持舒适条件下的数值。因此可以看出，人体热负荷TL就是人体热平衡方程(4-1)中的蓄热率S，即把蓄热率看作是造成人体不舒适的热负荷。如果其中对流、辐射和蒸发散热的各项计算采用与热舒适方程式(4-44)相同的计算公式，则蓄热率S就相当于式(4-45)两侧的差，这样式(4-46)可以展开如下：
PMV = [0.303 exp (–0.036 M) + 0.0275 ] ( {M – W – 3.05 [5.733 – 0.007 (M – W) – Pa]
–0.42 ( M ( W ( 58.15 ) –1.73 ( 10-2 M (5.867 ( Pa ) – 0.0014 M (34 ( ta )
–3.96 ( 10-8 fcl [ (tcl + 273) 4 ( (+ 273) 4 ] – fcl hc (tcl ( ta ) (4-47)
PMV指标同样采用了7级分度，见表4-15。
表4-15 PMV热感觉标尺热感觉
热
暖
微暖
适中
微凉
凉
冷
PMV值
+3
+2
+1
0
-1
-2
-3
PMV指标代表了同一环境下绝大多数人的感觉，但是人与人之间存在生理差别，因此PMV指标并不一定能够代表所有个人的感觉。为此，Fanger又提出了预测不满意百分比PPD（Predicted Percent Dissatisfied）[12]指标来表示人群对热环境不满意的百分数，并利用概率分析方法，给出PMV与PPD之间的定量关系：
PPD = 100 – 95 exp[– (0.03353 PMV 4 + 0.2179 PMV 2)] (4-48)
1984年国际标准化组织提出了室内热环境评价与测量的新标准化方法ISO7730。在ISO7730标准中就采用PMV－PPD指标来描述和评价热环境。图4-16是PMV与PPD之间的关系曲线。由图4-15可见，当PMV＝0时，PPD为5％。即意味着在室内热环境处于最佳的热舒适状态时，仍然有5％的人感到不满意。因此ISO7730对PMV－PPD指标的推荐值在-0.5 ~ +0.5之间，相当于人群中允许有10％的人感觉不满意。
根据PMV取决于人体热负荷TL，而人体热负荷TL又相当于人体热平衡方程中的蓄热率S这一事实，可以看到PMV方程是适用于稳态热环境中的人体热舒适评价，而不适用于动态热环境（或者叫做过渡热环境）的热舒适评价的。因为如果人从寒冷的环境进入到温暖的环境里，人体的蓄热率S是正值，但该蓄热率有助于改善人体的热舒适，因此并不能看作是导致不舒适的人体热负荷。从炎热环境进入到中性环境也是一样的。在这种情况下，蓄热率S为负值是有助于改善人体的热感觉的，而并不会成为人体的热负荷。
另外PMV计算式(4-36)假定人体保持舒适条件下的人体的平均皮肤温度tsk和出汗造成的潜热散热Esw，因此当人体较多偏离热舒适的情况下，例如在热或者寒冷状态下，PMV的预测值也是有一定偏差的。
4.2.3 有效温度ET(Effective Temperature)与ASHRAE舒适区
在美国早期空调工程中，人们急需湿度对舒适的影响方面的资料。此问题促使美国暖通工程师学会于1919年新建了一个实验室，而“有效温度指标”是它的首批科研课题之一，直到1967年的ASHRAE手册仍然采用了这个指标。
有效温度ET的定义是：“干球温度、湿度、空气流速对人体温暖感或冷感影响的综合数值，该数值等效于产生相同感觉的静止饱和空气的温度。”有效温度通过人体实验获得，并将相同有效温度的点作为等舒适线系绘制在湿空气焓湿图上或绘成诺模图的形式。
但有效温度存在的缺陷是过高地估计了湿度在低温下对凉爽和舒适状态的影响。因此已经被新的有效温度ET*所代替。Gagge等(1971)把皮肤湿润度的概念引进ET*，以提供一个适用于穿标准服装和坐着工作的人的舒适指标。该指标出现在ASHRAE舒适标准54-74和ASHRAE的1977年版手册基础篇中，其数值是通过对身着0.6 clo服装、静坐在流速0.15m/s空气中的人，进行的热舒适实验，并采用相对湿度为50％的空气温度作为与其冷热感相同环境的等效温度而得出的；即同样着装和活动的人，在某环境中的冷热感与在相对湿度50％空气环境中的冷热感相同，则后者所处环境的空气干球温度就是前者的ET*。该指标只适用于着装轻薄、活动量小、风速低的环境。
此后不久，新有效温度的内容又有所扩展，综合考虑了不同的活动水平和衣服热阻，形成了最通用的指标((标准有效温度(SET*)。它是以人体生理反应模型为基础，由人体传热的物理过程分析得出的，不同于以往的仅从主观评价由经验推导得到的有效温度指标，因而被称为是合理的导出指标。
标准有效温度包含平均皮肤温度和皮肤湿润度，以便确定某个人的热状态。标准有效温度SET*的定义是：身着标准热阻服装的人，在相对湿度为50%，空气静止不动，空气温度等于平均辐射温度的等温环境下，若与他在实际环境和实际服装热阻条件下的平均皮肤温度和皮肤湿润度相同，则必将具有相同的热损失，则该温度就是上述实际环境的标准有效温度SET*。即：
(4-49)
其中皮肤的总散热量Qsk、皮肤温度Tsk (tsk)和皮肤湿润度w均可利用Gagge的二节点模型进行求解，见本章第六节；PSET是标准有效温度SET*下的饱和水蒸汽分压力，kPa；hcSET’ 为标准环境中考虑了服装热阻的综合对流换热系数，W/(m2℃)；heSET’为标准环境中考虑了服装的潜热热阻的综合对流质交换系数，W/(m2kPa)，即式(4-21)中的he’在标准环境下的数值。
只要给定活动量、服装和空气流速，就可以在湿空气焓湿图上画出等标准有效温度线。对于坐着工作、穿轻薄服装和较低空气流速的标准状况，其标准有效温度SET*就等于新有效温度ET*。由图4-17可以看到湿空气焓湿图上的等ET*线，以及ASHRAE舒适标准54-74的舒适区。图中另一块菱形面积是美国坎萨斯州立大学通过实验得到的舒适区，其适用条件是服装热阻为0.6~0.8 clo坐着的人，而ASHRAE舒适标准54-74舒适区适用于服装热阻为0.8~1.0 clo坐着但活动量稍大的人。两块舒适区的重叠范围是推荐的室内设计条件，而25℃等效温度线正通过重叠区的中心。
尽管标准有效温度的最初设想是预测人体排汗时的不舒适感，但经过发展却能表示各种衣着条件、活动强度和环境变量的情况。标准有效温度值反映的是人体的感觉而并不与空气的温度直接有关系，比如，一个穿轻薄服装的人坐在24℃、相对湿度50％和较低空气流速的房间里，根据定义他是处于标准有效温度为24℃的环境中。如果他脱去衣服，标准有效温度就降至20℃，因为他的皮肤温度与一个穿轻薄服装坐在20℃空气中的人皮肤温度相同。尽管标准有效温度反映了人的热感觉，但由于它需要计算皮肤温度和皮肤湿润度，因此应用比较复杂，反而不如只能描述坐着活动的ET*应用广泛。
第三节 人体对动态热环境的反应以上所介绍的各种描述人体热感觉的指标均是在稳态条件下即人体处于热平衡条件下得出的。而实际上人们多处于不稳定情况下的多变环境，如由室外进入空调房间或走出空调房间到室外，又例如非稳定风速的室外自然风或机械风吹到人的身体上。此时人的热感觉与稳态环境下的感觉是不同的。因此有研究者对非稳态温度或风速环境中的人体热反应进行了研究。
4.3.1 人体对阶跃温度变化的反应
Gagge等[20]发现人体在温度出现阶跃变化时，皮肤温度和热感觉的变化有一个过渡过程，皮肤温度的变化由于热惯性的存在而滞后，热感觉的变化则要更复杂。图4-18是Gagge对三名裸体受试者的实验结果。Gagge认为当人体由中性环境突变到冷或热环境时，热感觉的变化有一个滞后。而从冷或热环境突变到中性环境时，人体的热感觉响应较快，而且热感觉出现“超越”的情况，即皮肤温度与热感觉存在分离现象。Gagge认为这种现象是由于皮肤温度急剧变化所致，即皮肤温度的变化率产生了一种附加热感觉，而这种热感觉掩盖了皮肤温度本身引起的不舒适感。此后又有多位研究者对突变环境下人体热反应进行了研究，证实了Gagge的皮肤温度与热感觉存在分离现象的结论[21][23]。
总而言之，对于人体在突变温度环境中热反应的研究可归纳出如下结论：
(1) 人体对环境突变的生理调节十分迅速，并不会对人体产生不良后果；
(2) 人体在环境温度突变的生理调节周期中，皮肤温度并不能独立地作为热感觉的评价尺度，因为此时人体正在与周围热环境之间发生激烈的热交换。
4.3.2人体对变化风速的反应
虽然自然界的风速总是在变化的，但对于动态风对人体的热感觉的影响研究得并不多，其主要原因之一是在稳态空调中，由于室温往往较低，较高的风速可能引起吹风感而造成不适。但也有人对电风扇的作用效果进行了研究，例如Konz等人就发现人们对摇摆风扇的接受程度优于固定风扇。以后的一些研究者也发现动态风能够显著改善“中性－热”环境中人体的热感觉，或者说动态风在较暖环境中对人体的致冷作用明显强于稳定气流[27][22]。
气流脉动频率对人体热感觉也有着不可忽视的影响。Fanger的实验[24]证明了当受试者处于“冷－中性”状态时，频率在0.3～0.5 Hz范围内变化的气流最容易使人体产生冷吹风感，造成不舒适。而Arens却认为[25]频率在0.7~1.0Hz之间的气流有更好的冷却效果。也有研究者[27]发现当受试者处于“中性－热”状态时，频率0.3～0.5 Hz范围内变化的气流使人感到最凉爽。
4.3.3过渡活动状态的热舒适指标RWI和HDR[26]
在实际的空调采暖工程设计中，经常会遇到人员短暂停留的过渡区间。该过渡区间可能连接着两个不同空气温度、湿度等热环境参数的空间。人员经过或在该区间作短暂停留而且活动状态有所改变的时候，对该空间的热环境参数的感觉是与他在同一空间作长期静止停留时的感觉是不同的。因此需要给出人体对这类过渡空间的热舒适指标，以指导这类空间空调设计参数的确定。
相对热指标RWI(Relative Warmth Index)和热损失率HDR(Heat Deficit Rate)是美国运输部为确定地铁车站站台、站厅和列车空调的设计参数提出的考虑人体在过渡空间环境的热舒适指标。这两个指标是根据ASHRAE的热舒适实验结果得出的。RWI适用于较暖环境，而HDR适用于冷环境。但它没有考虑人体在过渡区间受到变化温度刺激时出现的热感觉“滞后”和“超前”的现象，而仅考虑了过渡状态人体的热平衡。它对动态过程的考虑反映在：
认为人在一种活动状态过渡到另一种状态时，要经过6分钟的过程代谢率M才能达到最终活动状态下的稳定代谢率。在这个过渡过程中，代谢率与时间呈线性关系。
人的活动会导致出汗并湿润服装，同时人的活动扰动周围气流，导致服装热阻有所改变。认为一种活动状态过渡到另一种活动状态时，服装热阻要经过6分钟方能达到新的稳定值，其间服装热阻与时间呈线性关系。
(1) 相对热指标RWI
RWI是无量纲指标。如果在两种不同的环境条件和活动情况下，具有相同的RWI值，则表明人在这两种情况下的热感觉是近似的。其定义式为：
(Pa ( 2269Pa) (4-50)
(Pa ( 2269Pa) (4-51)
RWI的分度与ASHRAE热感觉标度之间的关系见表4-17。图4-19给出了RWI与不舒适感觉百分比的关系。
图4-19 RWI满意度曲线表4-17 RWI的分度与ASHRAE热感觉标度之间的关系热感觉
ASHRAE热感觉标度
相对热指标RWI
暖
2
0.25
稍暖
1
0.15
中性
0
0.08
稍凉
-1
0.00
如果给定各连续过渡空间的空气参数、人员衣着以及进入这些空间后的活动状态，根据式(4-40)~(4-42)计算各连续过渡空间的RWI值，就可以得到人员依次进入这些过渡空间时的相对热感觉是比前一个空间更凉爽些还是更暖些，也可以用于确定各功能空间的设计参数。
（2）热损失率HDR
热损失率HDR综合考虑了温度、湿度、辐射、风速、人体代谢率、服装等影响人体热舒适的因素，反映了人体单位皮肤面积上的热损失，单位是W/m2。
人的平均皮肤温度是随着外界环境的变化而变化的，感觉基本舒适的平均皮肤温度范围约为30.6～35℃。在冷环境下，人体的体温调节中枢首先会使皮肤血管收缩，皮肤温度降低，从而减少散热量。当平均皮肤温度下降到舒适下限30.6℃时，如果散热量仍然大于发热量，体温进一步下降，人体出现热债（heat deficit）。HDR值即表示人体在较冷环境下，平均皮肤温度为舒适皮肤温度下限时的净热损失速率，即负的人体蓄热率。HDR对时间的积分即热债。HDR( 0是不出现热债的必要条件。由于人体具有一定的蓄热量，当人体的热债达到约100 kJ/m2时，才会感到冷不适。相反，当人体蓄热量达到100 kJ/m2时，将感到热不适。
HDR的定义式如下：
(4-52)
其中：
D (( 热债，J/m2
(( (( 暴露时间，s
M (( 新陈代谢率，W/m2
t (( 环境空气的干球温度，℃
Icw (( 服装热阻，clo
Ia (( 服装外空气边界层热阻，clo
R (( 单位皮肤面积的平均辐射得热，W/m2
HDR对时间的积分即热债。HDR( 0是不出现热债的必要条件。由于人体具有一定的蓄热量，当人体的热债达到约100 kJ/m2时，才会感到冷不适。相反，当人体蓄热量达到100 kJ/m2时，将感到热不适。即当 –HDR > 100 /(( 时，人体就感到冷不适。也就是说，在过渡空间中，适宜的HDR值与人员的逗留时间成反比。因此，可采取人员的平均逗留时间来确定适宜的过渡空间室内设计参数。
在上述RWI和HDR表达式中,Icw(() 是衣服被汗湿润后的热阻，和代谢率M(( )一样在改变活动状态后的前6分钟内是两个状态之间的时间 ( 的线性函数，单位为clo；即有：
当(<360 秒 (4-53)
Icw(()＝Icw2 M(( )=M2 当( (360 秒 (4-54)
如果考虑人体运动诱导产生的相对风速为Va，则根据文献[26]给出的图线所导出的服装外空气边界层Ia的拟合公式有：
Ia = 0.3923Va- 0.4294 (4-55)
如果考虑到低温时的辐射和对流修正，也可以采用如下公式[29]：
(4-56)
其中T为空气温度，K。
第四节 其他热湿环境的物理度量
人体的适应机能提供了强有力的防护能力以对付热对人体的有害作用。但具有潜在危险的、不舒适的热环境会形成强烈的刺激，即热应力，使人体出现热过劳(thermal strain)。当热应力超出了人体本身的调节能力时，就会出现危险的热失调。图4-20给出随着热应力的增加，三种热过劳度量值的差异。B区为可调区，C区为受环境影响区，排汗量不再增加而体温上升。可调区的上限也可称为疲劳极限。
前面介绍的热湿环境的各种评价指标均是旨在预测热感觉或主观热舒适感。但在具有热失调危险的环境中，例如在高温车间或在寒冷的野外作业，用感觉来作为生理应变的指标往往是不够的，因此需要拟定指标来对这种环境进行评价。
4.4.1热应力指数HSI (Heat Stress Index)
建立热应力指数的目的在于把环境变量综合成一个单一的指数，用于定量表示热环境对人体的作用应力。具有相同指数值的所有环境条件作用于某个人所产生的热过劳均相同。例如A和B是两个不同的环境，A环境空气温度高但相对湿度低，B环境空气温度低但相对湿度高。如果两个环境具有相同的热应力指数值，则对某个人应产生相同的热过劳。
热应力指数是由匹兹堡大学的Belding和Hatch于1955年提出的。它假定皮肤温度恒定在35℃，在蒸发热调节区内，认为所需要的排汗量为Ereq等于代谢量减去对流和辐射散热量，不计呼吸散热，则得出热应力指数为：
HSIS = Ereq / Emax (100 (4-57)
该指数在概念上与皮肤湿润度相同。规定Emax的上限值为390 W/m2，相当于典型男子的排汗量为1 L/h。表4-18给出了对热应力指数含义的说明。
表4-18 热应力指数的意义
HSI
暴露8小时的生理和健康情况的描述
-20
轻度冷过劳
0
没有热过劳
10～30
轻度至中度热过劳。对体力工作几乎没有影响，但可能减低技术性工作的效率。
40～60
严重的热过劳，除非身体健壮，否则就免不了危及健康。需要适应环境的能力。
70～90
非常严重的热过劳。必须经体格检查以挑选工作人员。应保证摄入充分的水和盐分。
100
适应环境的健康年轻人所能容忍的最大过劳。
大于100
暴露时间受体内温度升高的限制。
4.4.2湿黑球温度WBGT（Wet-Bulb-Globe Temperature）
湿黑球温度WBGT适用于室外炎热环境，考虑了室外炎热条件下太阳辐射的影响，目前在评价户外作业热环境时应用广泛。其标准定义式为：
(4-58)
当处在阴影下时，方程(4-57)可简化为：
(4-59)
黑球温度与空气温度、平均辐射温度及空气运动有关，而自然湿球温度则与空气湿度、空气运动、辐射温度和空气温度有关。事实上WBGT是一个与影响人体环境热应力的所有因素都有关的函数。
我国有研究者通过回归统计，提出一种可由室外环境参数直接计算WBGT的关联式，此时湿黑球温度被表示为WBGT*[30]，其表达式如下：
(4-60)
以上三个公式中，有：
Tnwb (( 自然湿球温度，指非通风的湿球温度计测量出来的湿球温度，℃；
Tg (( 黑球温度，℃；
Ta (( 空气干球温度，℃；
(( 环境平均辐射温度，℃；
V (( 环境风速，m/s；
Qs (( 太阳总辐射照度，W/m2；
( (( 相对湿度。
文献[30]认为，上式与WBGT的计算公式（4-57）的总相关系数为0.9858，平均相对误差为4％；并提出如果出于使用简便的目的，用空气温度代替平均辐射温度，用太阳直射照度代替总辐射照度，造成的平均相对误差为4.5％左右。
WBGT指数被广泛应用于估算工业环境的热应力潜能（Davis 1976）。在美国，国家职业安全和健康协会（NIOSH）提出了热应力极限的标准（NIOSH 1986）；ISO标准7243也采用了WBGT作为热应力指标，表4-19为ISO标准7243推荐的WBGT阀值。
表4-19 ISO7243推荐WBGT 阈值新陈代谢水平
新陈代谢率M (W/m2)
WBGT阈值 (℃)
热适应好的人
热适应差的人
0
M < 117
33
32
1
117 < M < 234
30
29
2
234 < M < 360
28
26
能否感觉空气流动
（不能） （能）
能否感觉空气流动
（不能） （能）
3
360 < M < 468
25
26
22
23
4
M > 468
23
25
18
20
图4-21 ASHRAE手册推荐的不同WBGT条件下的安全工作时间极限[5]
图4-21是NIOSH（1986）提出的WBGT与安全工作时间极限的关系。该线图的参考对象是体重70公斤且皮肤表面积为1.8m2的工作人员。
对比表4-19和图4-21，人们在不同的新陈代谢率下有不同的WBGT安全极限值。如果考虑夏季人们身着夏装（0.5clo），在休闲状态下（代谢率M<117 W/m2），则相应的人体安全WBGT限值为32～33℃。当环境的WBGT值较长时间地超过该值，则应当采取安全保护措施避免人体受到热损伤。
4.4.3风冷却指数 WCI (Wind Chill Index)
在非常寒冷的气候中，影响人体热损失的主要因素是空气流速和空气温度。Siple和 Passel于1945年把这两个因素综合成一个单一的指数，称为风冷却指数WCI，来表示在皮肤温度为33℃时皮肤表面的冷却速率，即：
kcal/m2h (4-61)
其中Va是风速(m/s)，ta是环境空气温度(℃)。表4-20把风冷却指数与人体的生理效应联系起来。表中描述的热感觉适合于穿合适衣服的北极探险者，因此不能认为表中的“凉”与ASHRAE热感觉标度中的“凉”是一致的。
图4-22给出了风冷却指数的线算图。
表4-20 风冷却指数与人体的生理效应[11][27]
WCI (kcal/m2h)
生理效应
200
愉快
400
凉
600
很凉
800
冷
1000
很冷
1200
极度寒冷
1400
裸露的皮肤冻伤
2000
裸露的皮肤在1分钟内冻伤
2500
裸露的皮肤在半分钟内冻伤
图4-22 风冷却指数的线算图
第五节 热环境与劳动效率从国内外大量的现场调研结果发现，热环境的水平影响人的劳动效率。其影响程度随劳动类型、紧张程度不同而不同。但现场调研的结果往往受实际环境中多种其他因素诸如噪声、工作压力、颜色等影响。为了深入分析热环境的独立影响，研究者们不得不在实验室内进行实验研究与分析。
4.1 劳动效率与外部刺激的关系激发（Arousal）的概念可以用来解释环境应力对劳动效率的影响。相同的环境应力可能会提高某些工作的劳动效率（Performance），但却会降低另一些工作的劳动效率。某种工作的最高效率出现在中等激发水平上，因为在较低激发水平上，人尚未清醒到足以正常工作，而在较高激发水平上，由于过度激动，人不能全神贯注于手头的工作。因此效率和激发呈一个倒U字关系，见图4-23(a)，其中最佳激发水平A1与工作的复杂程度有关。一项困难而复杂的工作本身会激起人的热情，因此在几乎没有外界刺激的情况下能把工作做得更好；如果来自外部原因的激发太强，外界刺激则会把身体总激发的水平移到偏离最佳激发水平A1点，致使劳动效率下降。而枯燥简单的工作则往往需要有附加外部刺激的情况下劳动效率才能得到提高。
图4-23(b) 给出了热刺激与激发的关系。无论冷、热都是刺激。应该说，适中的温度对神经系统的感觉输入应该是最小的，但也有研究发现温暖也会减少激发，即稍微的温暖常使人有懒洋洋或浑身无力的感觉。所以图4-23(b)中的最小激发温度T0对应的是热中性或略高于热中性的温度。
图4-24给出了简单工作和复杂工作的环境温度与劳动效率之间的关系。可以看到，人们在从事复杂困难的工作时，希望环境温度越接近热中性或最小激发温度越好；而当人们在从事简单枯燥的工作时，环境温度适当偏离最小激发温度反而能够获得更高的劳动效率。
(a) 效率与激发的关系 (b) 热刺激与激发的关系图4-23 激发与效率以及热刺激的关系[11]
（a）简单工作 （b）复杂工作图4-24简单工作和复杂工作的环境温度与劳动效率之间的关系[11]
4.2热环境对脑力劳动的影响实验研究发现，做脑力工作的能力在标准有效温度高于33(C以上开始下降，也就是空气温度33(C，相对湿度50％，穿薄衣服的人的有效温度，相当于穿短裤的人30(C的有效温度。
有研究者对室内空气温度与脑力劳动者工作效率的关系做了大量的实验。图4-25给出气温对工作效率与相对差错率的影响.
在热环境中的暴露时间也会影响工作效率。威恩（Wing，1965）在研究热对脑力劳动工作效率的影响中总结出了降低脑力劳动效率的暴露时间，并将其表示为温度的函数。图4-26 给出了不降低脑力劳动工作效率的温度与暴露时间的关系曲线。表4-20给出的是不同研究者关于降低脑力劳动效率的暴露时间与温度的研究结果。
虽然这些曲线都是在实验室条件下根据明显的变化趋势做出来的一般结论，但在实际工作条件下，这些结论也得到了证实。
图4-25 气温对效率与相对差错的影响[28]
图4-26 不降低脑力劳动效率的温度与暴露时间的关系[11]
表4-20 降低脑力劳动效率的暴露时间与温度的研究结果[11]
工作类别
时间（min）
温度（(C）
研究者
SET
ET
心算
6.5
－
45.5
Blockley和Lyman(1950)
心算
18.5
－
42.8
Blockley和Lyman(1950)
心算
46
－
33.1
Blockley和Lyman(1950)
心算
240
34
30.6
Viteles和Smith(1945)
记单词
60
－
35
Wing和Touchstone(1965)
解题
120
－
31.7
Carpenter(1945)
莫尔斯电码
180
33.3
30.8
Mackworth(1972)
体温降低对简单的脑力劳动的影响比较轻微，但在有冷风的情况下会涣散人对工作的注意力。如果身体冷得厉害，人会变得过于激奋，从而影响需要持续集中注意力和短期记忆力的脑力劳动的工作效率。例如潜水员在10(C左右的水温中工作，需要对潜水员的智力能力提出较高的要求。
4.3热环境对体力劳动的影响研究表明，在偏离热舒适区域的环境温度下从事体力劳动，小事故和缺勤的发生几率增加，产量下降。当环境温度超过有效温度27C时，需要运用神经操作、警戒性和决断技能的工作效率会明显降低。非熟练操作工的效率损失比熟练操作工的损失更大。
低温对人的工作效率的影响最敏感的是手指的精细操作。当手部皮肤温度降到15.5 (C以下时，手部的操作灵活性会急剧下降，手的肌力和肌动感觉能力都会明显变差，从而导致劳动生产率的下降。
图4-27 (a)给出马口铁工厂相对产量的季节性变化。可以看到，在高温条件下重体力劳动的效率会明显下降。图4-27 (b)给出军火工厂相对事故发生率与环境温度的关系，表明温度偏离舒适区将导致事故发生率的增加。
（a）马口铁工厂相对产量的季节性变化 （b）军火工厂相对事故发生率与环境温度的关系图4-27温度对劳动生产率和事故发生率的影响[11]
第六节 人体热反应的数学模型**
二节点模型是Gagge等于1970年首次提出的人体温度调节的数学模型[5]。这是一个一维模型，它将人体看作两层，即核心层和皮肤层。新陈代谢在核心层产生，产生的热量通过呼吸、皮肤和衣服散失掉，见图4-28。皮肤层包括表皮和真皮，占人体总质量比约为10％左右。排汗率由升到设定温度以上的人体平均温度确定，当平均体温低于设定温度时，排汗率和汗液蒸发散热量Ersw均为零。
图4-28 二节点模型示意
(4-62)
其中：crsw (( 系数，170 W/m2℃；
Ersw (( 汗液蒸发散热量，W/m2；
tb,set (( 体温设定值，36.34℃；
tb (( 体温平均值，℃，tb = (1- (sk) tcr + (sk tsk ；
tcr 和 tsk (( 身体核心层温度和皮肤层温度，℃;
(sk (( 考虑了血流热作用的皮肤层占全身的质量比例
(4-63)
mbl((皮肤层的血流量，L/(h(m2),最大值为90 L/(h(m2)
(4-64)
冷颤由核心层和皮肤层温度的同时降低而引起，由此所增加的代谢率(M为：
(M = 19.4 (34 - tsk) (37 - tcr) (4-65)
核心层的动态热平衡为：
(4-66)
皮肤层的动态热平衡为：
(4-67)
其中cbl、ccr、csk分别是血液、核心层和皮肤的比热，其值分别为4.19、3.5、3.5 kJ/(kg℃)；(bl是血液的密度，其值为12.9 kg/L；msk和mcr分别皮肤层和核心层的质量 (kg)；K是由核心层向皮肤层的传热系数，K＝5.28 W/(m2℃)；Qsk为皮肤的总散热量 (W/ m2)。
通过该模型和4.1.1.5.3中介绍的公式，就能够求出人体皮肤温度tsk和皮肤湿润度w，并用于计算SET*指标。
本章变量表
AD (( 人体皮肤表面积，m2
Acl (( 着装人体实际表面积，m2
C (( 人体外表面向周围环境通过对流形式散发的热量,W/m2
c (( 比热，kJ/(kg℃)
E (( 汗液蒸发和呼出的水蒸汽所带走的热量，W/m2
fcl (( 服装的面积系数
Fn (( 周围环境各表面可看到的面积，m2
H (( 人身高，m
h (( 对流换热系数或对流质交换系数，W/(m2℃)或W/(m2kPa)
Icl (( 服装的显热换热热阻，m2℃/W或clo
Ie,cl (( 服装的蒸发换热热阻，m2kPa/W或clo
Icw(() (( 衣服被汗湿润后的热阻，clo
Ia ((人体的空气边界层热阻，clo
K (( 由核心层向皮肤层的传热系数，5.28W/(m2℃)
M (( 人体能量代谢率，决定于人体的活动量大小，W/m2
m (( 质量，kg
mbl(( 皮肤层的血流量，L/(h(m2)
P (( 水蒸汽分压力，kPa
Q (( 散热量，W/ m2
R (( 人体外表面向周围环境通过辐射形式散发的热量，W/m2
S (( 人体蓄热率，W/m2
tn (( 周围环境各表面的温度，℃
t (( 温度，℃
T (( 温度，K
to (( 操作温度，℃
V (( 速度，m/s
w (( 皮肤的湿润度
W (( 人体所做的机械功，W/m2
( (( 密度，kg/L
( (( 时间，s
( (( 人体表面发射率
((( 斯蒂芬－玻尔兹曼常数，5.67(10-8 W/m2K4
下标
a (( 空气
b (( 身体
bl (( 血液
c (( 对流
cl (( 服装
cr (( 核心层
dif (( 扩散
e (( 蒸发
g (( 黑球
max (( 最大值
min (( 最小值
r (( 辐射
res (( 呼吸
rsw (( 出汗
req (( 要求值
set ((设定值
sk (( 皮肤
wb (( 湿球
思考题人的代谢率主要是由什么因素决定的？人体的发热量和出汗率是否随环境空气温度的改变而改变？
“冷”与“热”是什么概念？单靠环境温度能否确定人体的热感觉？湿度在人体热舒适中起什么作用？
某办公室设计标准是干球温度26℃，相对湿度65％，风速0.25m/s。如果最低只能使温度达到27℃，相对湿度仍然为65％，有什么办法可以使该空间能达到与设计标准同等的舒适度？
国外常用带内电热源manikin（人体模型）作热舒适实验，manikin的发热量由输入的活动强度决定，材料的导热系数与人体肌肤基本相同。实验时测量皮肤温度来确定人体的热舒适度。这种做法有什么局限？
人体处于非热平衡时的过渡状态时是否适用热舒适方程？其热感觉描述是否适用PMV指标？PMV在描述偏离热舒适状况时有何局限？
为什么要有TSV和TCV两种人体热反应评价投票？
HIS、WCI与PMV、PPD应用上有什么区别？
动态热环境与稳态热环境对人的热感觉影响有何差别，原理是什么？
你自己对“舒适”和“中性”之间的关系有何切身体会？
参考文献
D,DuBois,E,F,DuBois,Aformula to estimate approximate surface area,if height and weight are known,Archives of Internal Medicine 17:863-71,1916
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Dong L,Chen Q G.,A Correlation of WBGT Index Used for Evaluating Outdoor Thermal Environment,Proceeding of International Conference of Human Environmental System,Tokyo,1991
附录4
附表4-1 一些成套服装的热阻[5]
服装类型
Icl (clo)
It (clo)
fcl
icl
im
裸体
0
0.72
1
0
0.48
短袖衬衣，短裤
0.36
1.02
1.1
0.34
0.42
长裤，短袖衬衫
0.57
1.2
1.15
0.36
0.43
长裤，长袖衬衫
0.61
1.21
1.2
0.41
0.45
长裤，长袖衬衫加短外衣
0.96
1.54
1.23
长裤，长袖衬衫，内加背心和圆领T恤
1.14
1.69
1.32
0.32
0.37
长裤，长袖衬衫，长袖毛衣和圆领T恤
1.01
1.56
1.28
长裤，长袖衬衫，长袖毛衣和圆领T恤，外加短外衣和长内裤
1.3
1.83
1.33
长运动衣裤
0.74
1.35
1.19
0.41
0.45
长袖睡衣和长睡裤，3/4袖短罩衣，拖鞋
0.96
1.5
1.32
0.37
0.41
及膝裙，短袖衬衫，连裤袜，凉鞋
0.54
1.1
1.26
及膝裙，长袖衬衫，连裤袜，长衬裙
0.67
1.22
1.29
及膝裙，长袖衬衫，连裤袜，长袖毛衣,半衬裙
1.1
1.59
1.46
及膝裙，长袖衬衫，连裤袜，短外衣
1.04
1.6
1.3
0.35
0.4
长裙，长袖衬衫，连裤袜，短外衣
1.1
1.59
1.46
长袖连裤罩衫，圆领T恤
0.72
1.3
1.23
工装裤，长袖衬衫，圆领T恤
0.89
1.46
1.27
0.35
0.4
厚连裤罩衫，长袖衬衫，保暖内衣，长内裤
1.34
1.94
1.26
0.35
0.39
注1：所有套装均含有鞋子、短内裤，但不含各种袜子，除非特别注明。
注2：应用条件是平均辐射温度与环境空气温度相同，风速低于0.2m/s。
附表4-2 常见单件服装的热阻[5]
服装类型
Iclu,i (clo)
服装类型
Iclu,i (clo)
短内裤
0.03
无袖低圆领衫
0.12
圆领T恤
0.08
短袖衬衫
0.19
半衬裙
0.14
长袖衬衫
0.25
长衬裙
0.16
长袖法兰绒衬衫
0.34
长内衣
0.2
短袖针织运动衫
0.17
长内裤
0.15
长袖运动衫
0.34
短运动袜
0.02
无袖薄汗衫
0.1
半长袜
0.03
无袖厚汗衫
0.17
及膝厚袜
0.06
薄毛背心
0.13
连裤袜
0.02
厚毛背心
0.22
凉鞋或皮带
0.02
长袖薄毛衣
0.25
拖鞋(棉制)
0.03
长袖厚毛衣
0.36
靴子
0.1
薄裙子
0.14
短裤
0.08
厚裙子
0.23
Walking shorts
0.15
长袖薄连衣裙
0.33
薄长裤
0.24
长袖厚连衣裙
0.47
厚长裤
0.28
短袖薄连衣裙
0.29
长运动裤
0.3
无袖薄低圆领衫
0.23
工装裤，连裤罩衫
0.49
无袖厚低圆领衫
0.27
长袖厚长睡袍
0.46
无袖薄短睡袍
0.18
长袖外长袍
0.69
无袖薄长睡袍
0.2
附表4-3不同活动强度下人体的耗氧量和心律[5]
活动强度
耗氧量VO2 (mL/s)
心律(次/min)
轻劳动
<8
<90
中等劳动
8~6
90~110
重劳动
16~24
110~130
很重劳动
24~32
130~150
极重劳动
>32
150~170
术语中英对照
湿黑球温度 Wet-bulb globe temperature
黑球温度 globe temperature
平均辐射温度 mean radiant temperature,MRT
有效温度 effective temperature,ET
操作温度 operative temperature
标准有效温度 standard effective temperature,SET
吹风感 draught
热舒适 thermal comfort
热感觉 thermal sensation
预测平均投票 predicted mean vote,PMV
预测不满意百分比 predicted percentage of dissatisfied,PPD
热感觉投票 thermal sensation vote,TSV
热舒适投票 thermal comfort vote,TCV
热应力指数 heat stress index
风冷指数 wind chill index
代谢率 metabolic rate
代谢产热 metabolic heat production
热感觉标度 thermal sensation scale
心理物理学 psychophisics
