第五章 人体对热湿环境的反应 本章学习要点 1．人体热舒适的影响因素 2．在暖通方案设计时如何结合人体热舒适的需要 3．人体对动态环境的反应 §5-1人体对热湿环境反应的生理学和心理学基础 一、人体的热平衡 （一）人体的基本生理要求： 1、代谢率： 人体在化学反应中释放能量的速率。人体各部分的温度不同 代谢率高的器官温度较高 2、人体热平衡方程式 M－W － C － R － E ＝ S 式中：M——人体能量代谢率，W/㎡； W——人体所做的机械功，W/㎡ ； C——人体外表面向周围环境通过对流形式散发的热量，W/㎡ ； R——人体外表面向周围环境通过辐射形式散发的热量，W/㎡ ； E——汗液蒸发和呼出的水蒸气所带走的热量，W/㎡ ； S——人体蓄热率，W/㎡ （式中各项均以人体单位表面积的产热和散热表示） 3、裸身人体皮肤表面积的计算： AD=0.202mb0.425H0.725 式中： AD—人体皮肤表面积,m2； H—身高,m； mb—体重,kg； 4、人体最大的生理性变动范围为35～40℃； S=0，表明人体正常； S>0，表明体温上升，人体不舒适； 当体温≥45℃，人死亡 S<0, 表明在冷环境中，人体散热量增多。 当体温<36℃，称体温过低； 当体温<28℃，有生命危险； 当体温<20℃，一般不能复苏； 5、人体平均皮肤温度： 四点模型法： 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。 人的皮肤温度：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。 即通过测试人体胸部、上臂、大腿、小腿，皮肤温度，按照权系数 0.3，0.3，0.2，0.2，进行加权平均。这样求得的平均皮肤温度对于多数用途来说是合适的。 （二）人体与外界的热交换 热交换形式：对流、辐射、蒸发。这几种不同类型的换热方式都受人体的衣着影响。 对流：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。周围的空气流速影响了对流热交换系数。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。 辐射：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，否则会增加人的冷感。 蒸发：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。决定于空气相对湿度的大小与空气流速 皮肤蒸发：包含汗液蒸发和通过皮肤的湿扩散两部分； 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。 “吹风感(Draft)”：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。  （三）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：  其中： ——平均辐射温度，℃ Fn ——周围环境各表面可看到的面积，m2 tn ——周围环境各表面的温度，℃ 物理意义：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。 黑球温度计：是由一个涂黑的薄壁铜球，内装有一个温度计组成，温度计的感温包包在铜球的中心。  2. 操作温度to(Operation Temperature) 反映了环境温度ta和平均辐射温度tr的综合作用；  式中： hr——辐射换热系数，W/(㎡·℃) hc——对流换热系数，W/(㎡·℃) 3．对流换热系数hc 自然对流： 受迫对流：与风速有关； 4．对流质交换系数he (即蒸发换热系数） LR= he/hc LR称为“刘易斯系数”，对于一般的室内空气环境有：LR=16.5 （四）服装的作用： 保温；阻碍湿扩散。 1、服装热阻Icl：指的是显热热阻Iclo 常用的单位有：㎡·K/W和clo 1clo=0.155 ㎡·K/W 1clo定义为：一个静坐者在21℃空气温度、空气流速不超过0.05m/s，相对湿度不超过50%的环境中感到舒适所需要的服装热阻。 如： 夏季服装一般为：0.5clo (0.08 ㎡·K/W) 工作服装一般为：0.7clo (0.11 ㎡·K/W) 正常室外穿的冬季服装：1.5～2.0clo 北极地区的服装：4.0clo 2.服装热阻的影响因素 （1）椅子对热阻的影响 取决于椅子与人体接触的面积。 座椅的热阻的增值可进行估算 △Icl=7.48×10－5 A－0.1 （2）行走对热阻的影响 △Icl=0.504 Icl +0.00281Vwalk－0.24 如果一个人静立时，服装热阻为1clo,若行走步速为：90步/min（约3.7km/h),则△Icl=0.504 Icl +0.00281Vwalk－0.24 =0.504 +0.00281×90－0.24=0.52 （3）服装透湿性 一方面：服装对皮肤的表面的水蒸气扩散有一个附加的阻力； 另一方面：服装吸收部分汗液，使得只有剩余部分汗液蒸发冷却皮肤； 服装吸收了汗液后，会使人凉快。 （4）服装的表面积 服装面积系数： fcl=Acl/AD 估算值 ：fcl=1.0+0.3Icl （五）人体的能量代谢 1．人体的能量代谢率： 基础代谢率（BMR，Basal Metabolic Rate) 基础代谢和基础代谢率 （1）基础代谢：人体在基础状态下的能量代谢。 基础代谢率：单位时间内的基础代谢。 （2） 基础状态： 1） 清晨、清醒、静卧半小时 2） 禁食12小时以上 3） 室温18～25°C 4） 精神安宁、平静 在以上状态下，机体只维持最基础（血液循环、呼吸）的代谢状态，此时单位时间所测量的机体产热量，即为基础代谢率。 （3）影响能量代谢的因素 肌肉活动、精神活动、食物的特殊动力效应、年龄、性别、环境温度是影响能量代谢的因素。 1）精神活动：因为脑的能量来源主要靠糖氧化释放能量，安静思考时影响不大，但精神紧张时，产热量增多，能量代谢率增高。 2）食物的特殊动力效应：进食之后的一段时间内，机体内可以产生额外热量的作用,称为食物的特殊动力效应。其中蛋白质最强，脂肪次之，糖类最少。 3）环境温度：人在安静状态下，在22.5～35°C的环境中最为稳定。环境温度过低可使肌肉紧张性增强，能量代谢增高。环境温度过高，可使体内物质代谢加强，能量代谢也会增高。 4) 性别、年龄 5)肌肉活动：它对能量代谢的影响最为显著。主要以增加肌肉耗氧量而做功，使能量代谢率升高。 2、人体的机械效率 η=W/M 在空调负荷计算时，人体的机械效率常看作0 （1）大部分的办公室劳动机械效率为0； （2）人体代谢率估算本身有误差； （3）偏于安全考虑。 3、人体蒸发散热量 (1)人体的皮肤蒸发散热量Esk Emax=( Psk－Pa)/[ Ie,cl＋1/(fcl he)] =he′(Psk－Pa) （此式为完全被汗液润湿的人体潜热散热量） 式中：he′—服装表面的对流质交换系数。 Pa—环境空气中的水蒸气分压力，kPa; Psk—皮肤表面的饱和水蒸气分压力，kPa；Psk =0.254tsk－3.335 Ie,cl—服装的潜热换热热阻 人体皮肤实际蒸发散热量： Esk=Ersw＋Edif=(Emax 式中：Ersw—汗液蒸发散热量； Edif—皮肤湿扩散散热量； (—皮肤湿润度； ( = Esk /Emax 其中皮肤湿扩散散热量Edif 若环境湿度增加，如果皮肤未排汗； Edif =0.06Emax 若有正常排汗时； Edif =0.06（Emax－Ersw） 皮肤汗液蒸发量Ersw由体温调节系统控制的 人体处于不冷不热状态时； tsk=35.7－0.0275(M－W) Ersw=0.42(M－W－58.2) ( =(M－W－58.2)/46he[5.733－0.007(M－W)－Pa]＋0.06 (2)人体的呼吸散热散湿量 显热散热： Cres=0.0014M(34-ta) W/㎡ 潜热散热： Eres=0.0173M(5.867－Pa) W/㎡ 4、人体与外界的辐射换热量 R=(fclfeff ( (T4cl－T4r) 式中：( —人体表面的发射率 (—5.67×10－8W/㎡K4 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 Tr—环境的平均辐射温度，K 5、不同环境条件和活动强度下，人体的散热和散湿量 二、人体的温度感受系统 (一)人体皮肤存在冷点和热点，但位置不同。冷点数目多于热点。 1、人体皮肤中存在温度感受器 2、人体体内某些粘膜和腹腔内脏等处也存在温度感受器。 3、人体的脊髓、脑干网状结构中也存有神经元。 (二）根据反应特性，分类： 1、分类： （1）热感受器： 只对热刺激产生冲动，在冷刺激下被抑制。 （2）冷感受器： 只对冷刺激产生冲动，在热刺激下被抑制。 冷感受器的数目多于热感受器。 三、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。恒温动物包括人，与非生物体相比,有完善的体温调节机制（体温调节主要是依靠神经调节和体液调节来完成的）。在外界环境温度改变时，通过调节产热过程和散热过程，维持体温相对稳定。 对体温调节系统最重要的输入量是：核心温度；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。 （一）表层体温和深部体温 1．表层温度 人体的外周组织即表层，包括皮肤、皮下组织和肌肉等的温度称为表层温度。 表层温度不稳定。如,在环境温度为23℃时, 见表 足 手皮肤温度 躯干℃ 额部℃  27 30 32 33—34  气温达32℃以上时，皮肤各部位温差将变小，在寒冷环境中，随着气温下降，手、足的皮肤温降低最显著，但头部皮肤温度变动相对较小。 环境中，随着气温下降，手、足的皮肤温降低最显著，但头部皮肤温度变动相对较小。 2．深部温度 机体深部（心、肺、脑和腹腔内脏等处）的温度称为深部温度（core temperature）。深部温度比表层温度高，且比较稳定，各部位之间的差异也较小。 （1）在不同环境中，深部温度和表层温度的分布会发生相对改变。 （2）在较寒冷的环境中，深部温度分布区域较缩小，主要集中在头部与胸腹内脏，而且表层与深部之间存在明显的温度梯度。 （3）在炎热环境中，深部温度可扩展到四肢。 人体体温调节方法: 体温调节是在下丘脑体温调节中枢控制下，随机体内外环境刺激信息的变动，通过增减皮肤血流量、发汗、寒颤等生理反应，调节体热的放散和产生，保持相对恒定的体温调节方 （二）调节体温的中枢： 下丘脑是大脑的一部分。 1、下丘脑前部：促进散热.。 2、下丘脑后部：促进产热；抵御寒冷。 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； 提高产热量。  四、热感觉 1．定义： 　 热感觉是人体对周围环境是“冷”还是“热”的主观描述。 热感觉感觉不能用任何直接的方法来测量。人们常评价房间的“冷”和“暖”，实际上人是不能直接感觉到环境的温度的,只能感觉到位于他自己皮肤表面下的神经末梢的温度。 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。 “中性”状态：即人感到不冷不热的状态 2．影响热感觉的因素： （1）冷热刺激的存在 （2）刺激的延续时间 （3）人体原有的热状态 人体的冷、热感受器均对环境有显著的适应性。 3．人体皮肤温度对热感觉的影响 在中性区内，皮肤热感觉与温度变化率有关 4．人体核心温度对热感觉的影响 结论：热感觉最初取决于皮肤温度，而后取决于核心温度。 5．环境温度迅速变化时，热感觉的变化比体温变化要快 所以，常用空气温度预测热感觉。 6．热感觉的描述 问卷调查方式  图5-8 皮肤温度改变引起的感觉与适应温度 以及变化量之间的关系 五、热舒适 热舒适定义：对环境表示满意的状态。 有两种观点：（1）“不冷不热”的中性热感觉 （2）使人高兴，愉快，满意的感觉 热舒适的影响因素： （1）空气湿度： 人体的粘着性增加，不舒适感增加。 （2）垂直温差： 若头部周围的温度比踝部周围温度高的越多，感觉越不舒适。 例如：地板辐射采暖时，比普通的散热器更舒适。 （3）吹风感 （4）其他因素：例如：人体年龄、生活背景及个人爱好的差异等。 §5-2 人体对稳态热环境的反应描述 一、热舒适方程 人体在稳态状态下，能量平衡的热舒适方程的前提条件： 人体必须处于热平衡状态； 人体皮肤平均温度应具有与舒适相适应的水平； 人体应有最佳排汗率。 在人体热平衡方程中，当人体的蓄热率S=0时，得出人体的热舒适方程： M－W－C－R－E=0 把热平衡方程式中每个变量的计算公式带入方程可以得出： 6个影响人体热舒适的变量的因素M 、 Pa 、 ta 、 tr、 Icl 、 va之间的定量关系。 二.预测平均评价PMV（Predicted Mean Vote） 若人体通过对流、和辐射散热能满足舒适方程，人体处于舒适状态。 反之，若人体在某种热环境下，通过对流、辐射散热不能满足舒适方程，人体会产生一个“负荷”TL。 TL定义：人体产热量与人体保持舒适条件下的平均皮肤温度,和出汗造成的潜热散热时，向外界散出的热量之间的差值。 TL=M－W－C－R－E TL为正，人体产生热感觉；TL为负，则产生冷感觉。 Fanger对1396名受试者进行调查。 条件：四种不同的活动强度，相同的衣量（均为0.6clo）,风速有变化时，人体的反应； 结论：人体反应是活动量和“负荷”的函数 得出 PMV=[0.303exp(－0.036M)+0.0275]TL PMV指标的7级分度如下表所示： PMV指标代表了对同一环境绝大多数人的舒适感觉。 PPD（Predicted Percent Dissatisfied）指标，表示对热环境不满意的百分数。 PPD=100－95exp[－(0.03353PMV4＋0.2179PMV2)] 由图可见：当PMV=0时，PPD=5%。既意味着在室内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PPV-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。 三、有效温度ET(Effective Temperature)与ASHRAE舒适区 有效温度ET的定义：将干球温度、湿度、空气流速对人体温暖感或冷感的影响综合成一个单一数值的任意指标。 数值上等于产生相同感觉的静止饱和空气的温度。 新有效温度ET﹡：改变了有效温度过高的估计了湿度在低温下对凉爽和舒适状态的影响，把皮肤湿润度的概念引进来。 标准有效温度SET﹡：(综合考虑了不同的活动水平,和衣服热阻,这样的一个最通用的指标)是一个等效的干球温度。即SET﹡把真实环境下的空气温度、相对湿度、和平均辐射温度规整为一个温度参数，使具有不同空气温度、相对湿度、和平均辐射温度的环境能用一个SET﹡值相互比较。 具体的讲，如果在环境温度为SET﹡；平均辐射温度与环境温度相同；相对环境温度为50%的等温假想热环境中；人体的皮肤湿度和通过皮肤的换热量与真实环境下的值相同；那么，就可以用SET﹡来表示这一真实环境的温度。 如图5-12所示:斜画的一组虚线即为等有效温度线,它的数值是在Φ=50%的相对湿度线所标注的对应的温度值。如t=25℃,Φ=50%两线交点的虚线即为25℃等有效温度线，这些等有效温度线是在室内空气流速为0.15m/s,对静坐着、服装热阻为0.6clo的人员实测所得。 美国坎萨斯州立大学实验所得的菱形面积。 适用条件：身着服装热阻为0.6～0.8clo,静坐的人. ASHRAE推荐的舒适标准55-74舒适区，平行四边形面积。 适用条件：身着服装热阻为0.8～1.0clo,坐着的人,活动量较大些. 两块舒适区重叠处是被推荐的室内空气设计条件. §5-3人体对动态热环境的反应 上述关于热舒适的指标、评价都在稳态热平衡条件下得出的，实际上，人类大多处于多变的动态热环境中。研究对非稳态温度或风速下的人体反应很有必要。 Gagge等人发现：人体在温度出现阶跃变化时，皮肤和热感觉的变化有一个过渡过程。 实验表明： 1.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”。 2.从冷或热环境中突变到中性环境时，则会出现热感觉短时间的“超前”，即所感觉到的冷热感指标比稳定时要更低。 人体对阶跃温度变化的反应 举例：把一只手放在温水盆，另一只手放在凉水盆，一段时间后，把两只手同时放在具有中间温度的第三个水盆里。那么，第一只手感到凉，另一只手感到暖合，尽管此时处于同一温度的水中。 分析：当人体的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，皮肤温度因热惯性的存在而滞后。 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，皮肤温度的变化由于热惯性的存在是滞后的。 人体对变化风速的反应 决定环境因素的风速（量）、温度、湿度三大因素综合起来最舒服的环境状况又称为热中性，即PPD＜10％，PMV＝±0.5。其中起决定因素的即为风速（量）。如人们在大海边、草原、森林的感觉不一样，最主要的因素是风速（量）不同所致。 举例：固定风扇与摇头风扇对人体热舒适的对比 结论：1.摇摆风扇的接受程度优于固定风扇，气流脉动频率对人体热感觉有着不可忽视的影响 2.动态风在较暖环境中对人体致冷效果更强于稳定气流。 应用：1、在空调设计中的气流脉动频率在0.7-1.0Hz时有更好的冷却效果，更舒适。 2.空调送风的频率、风速要更接近于自然风，才更舒适。 过度活动状态的热舒适指标 例如：一些人员需短暂停留的区间，如：地铁车站站台、站厅、列车空调，该过渡区间连接着两个不同的温度和湿度等热环境参数的空间。 美国运输部提出的考虑人体在过渡空间环境的热舒适指标： 相对热指标RWI(Relative Warmth Index)：适用于较暖环境 热损失率HDR(Heat Deficit Rate)：适用于冷环境 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6min的过程,代谢率M才能达到最终活动状态下的稳定代谢率。 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。 §5-4其他热湿环境的物理度量 前面介绍的热湿环境的各种评价指标均是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，如：高温车间或野外作业，用感觉作为生理应变的指标不够，需要新指标加以评价。 热应力：一个具有潜在危险的、不舒适 的环境会形成一个强烈刺激，称热应力。 热过劳：(thermal strain) 由于热应力 的存在导致使人体出现的排汗量、及 心跳速度、及人体核心温度的变化， 称热过劳。 热应力指数HIS(Heat Stress Index) 概念：把环境变量中的温度、湿度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。 应用：在高温、低湿与低温、高湿环境中若热应力指数相同，则热过劳相同。 意义：用于具有热失调危险的环境中，用热应力评价环境，衡量热过劳。 热应力指数的测定条件： 假定皮肤温度恒定在35℃基础上； 在蒸发热调节区内； 呼吸散热不计； 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； 热应力指数为 HSI= Ereq/ Emax×100 风冷却指数WCI(Wind Chill Index) 在高寒地区，影响人体热损失的主要因素是：空气流速、空气温度。 概念：综合空气流速、空气温度综合成一个单一的指数。 意义：表示在皮肤温度为33℃时某一皮肤表面的冷却速率。 WCI=(10.45+10√Va － Va )(33－ta) kcal/㎡·h