第五章
人体对热湿
环境的反应
清华大学 建筑学院
建筑技术科学系
2001年
2
人体对热湿环境反应的
生理学和心理学基础
?食物 ?分解氧化 ?热量
?人体的基本生理要求：
维持体温基本恒定！
?代谢率 (Metabolic Rate)：
人体新陈代谢反应过程中
能量释放的速率
3
人体的热平衡
?热平衡方程 M ? W ? C ? R ? E ? S = 0
?皮肤表面积 AD ＝ 0.202 mb 0.425 H 0.725
身高 1.78m
体重 65kg
AD为 1.8m2
4
人体温度
?核心 (Core)温度
?核心层,通常包括脑、脊椎、心脏、肝脏、
消化器官等内脏部分。
?直肠温度最接近。
?外层 (Shell)温度
?皮肤表面到 10 mm 以内的部分,通常包括
皮肤，皮下脂肪和表层的肌肉。
5
人体体温范围
?肝脏：最高,38℃
?皮肤：与外界环境有关
?各部分温差不会太大
?日夜有 1℃ 以内的波动
?代表温度：核心温度
í? ?ú ?ù 3￡ 3è ?ê ?ê μ? ?? íá ( ?? )
?? ?ù à? a? ?ˉ ?í§
?· íá 36,8 3 6, 0 ~ 3 7, 4
?ú íá 3 7, 2 3 6, 7 ~ 3 7, 7
·? íá 3 7, 5 3 6, 9 ~ 3 7, 9
6
人
体
外
层
温
度
皮肤温度 状 态
45℃ 以上 皮肤组织迅速损伤
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℃ 2-4met 的 (中等 )运动量时感觉舒适
32~30℃ 3-6met 的 (较 大 )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
7
人体与外界的热交换
?人体与外界的热交换
?显热交换
?对流散热
?辐射散热
?潜热交换
?皮肤散湿
?出汗蒸发
?皮肤湿扩散
?呼吸散湿
8
影响人体与外界热交换
的因素
?环境空气温度：对流换热
?环境表面温度：辐射换热
?水蒸汽分压力（空气湿度）：对流质交换
?高温环境：增加热感
?低温环境：增加冷感！
?风速：对流热交换和对流质交换
?吹风感,Draught,冷感和对皮肤的压力冲击
?服装热阻：影响所有换热形式
9
关于热湿环境的术语
?平均辐射温度 或
?近似式：
?准确的应该是四次方
?黑球温度 Tg
?操作温度：反映了环境空气温度 ta和平均辐
射温度 的综合作用
?
?
?
?
?
k
j
nj
k
j
njnj
r
F
tF
t
1
1
)(
)(44.2 aggr TTvTT ???
cr
acrr
o hh
ththt
?
??
rt
rt rT
10
rt ??
??
k
j
nj
k
j
njnj FtF
11
/)(
平均辐射温度,
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。
=
11
热质交换系数的确定
?对流换热系数：专门针对人体的实验数据
?受迫对流
?hc= C v n
?自然对流：三种主要形式
?hc=常数
?hc= C? T 0.25
?hc= C (M-50) 0.39
?对流质交换系数：传质与传热比拟
?LR = he / hc= 16.5 ℃/kPa
12
服装的作用：保温和阻
碍湿扩散
?服装的性能：
?服装的热阻 Icl
?服装的透湿性
?服装的表面积
13
服装的热阻 Icl
?一般指显热热阻
?单位 m2K/W和 clo，其中 1clo = 0.155 m2K/W
?已知单件服装热阻,Icl = 0.161+0.835?Iclu,i
类类 型型 II
cc ll
(( cc ll oo ))
短短 袖袖 衬衬 衣衣,,短短 裤裤 00,,33 66
长长 裤裤,,短短 袖袖 衬衬 衫衫 00,,55 77
长长 裤裤,,长长 袖袖 衬衬 衫衫 00,,66 11
长长 裤裤,,长长 袖袖 衬衬 衫衫 加加 短短 外外 衣衣 00,,99 66
厚厚 大大 衣衣,,长长 袖袖 衬衬 衫衫,,保保 暖暖 内内
衣衣,,长长 内内 裤裤
11,,33 44
厚厚 三三 件件 套套 西西 衣衣 服服,,长长 内内 衣衣 裤裤 11,,55
厚厚 毛毛 衣衣 00,,33 77
厚厚 长长 大大 衣衣 00,,66 33
厚厚 裤裤 子子 00,,33 22
工工 作作 服服 00,,22
夹夹 克克 00,,44
14
服装的热阻 Icl
?人运动时由于人体与空气之间存在相对流速，
会降低服装的热阻。
? Icl = 0.504 Icl + 0.00281Vwalk – 0.24
?椅子给人增加 0.15 clo以下热阻
?Icl = 7.48 ? 10 – 5 CSAC – 0.1
步速 3.7km/h
1clo ? 0.48 clo
15
舒适服装热阻与环境温度、相
对风速、活动强度的关系
0
0, 5
1
1, 5
2
- 2 5 - 2 0 - 1 5 - 1 0 -5 0 5 10 15 20 25
环境温度 ( ℃ )
服装热阻
(
c
l
o
)
步行 6, 4 k m / h
v = 7, 1 m / s
v = 5, 1 m / s
v = 3, 6 m / s
v = 2, 5 m / s
步行 3, 2 k m / h
v = 5, 1 m / s
v = 3, 6 m / s
v = 2, 5 m / s
站立
v = 2, 5 m / s
v = 1, 5 m / s
v = 1, 0 m / s
v = 0, 5 m / s
v = 0, 2 5 m / s
16
服装的透湿性
?服装的存在增加了皮肤
的蒸发换热热阻：
?服装对皮肤表面的水
蒸气扩散有一个附加的
阻力。
?服装吸收部分汗液，
只有剩余部分汗液蒸发
冷却皮肤。使得需要更
大蒸发量才能在皮肤表
面上形成同样的散热量
17
服装的潜热热阻
?服装的蒸发换热热阻 (干燥服装 )：
Ie,cl = Icl/ LR = Icl/ 16.5 (kPa m2/W)
?服装被汗湿润后热阻会下降，显热换热加强，
又增加了潜热换热，故总传热系数增加：
1 c l o ·è óê ?ú ??ao 1? éa ?ó 1ó μ? ? ?è
oé ?ˉ ?? ?? ?2 ?÷ ?÷ ?ê é? o? ?? à￠ é? o?
?? à￠ μ? ??
?? ?? ?ˉ
? ??
3, 2 km / h
? ??
4, 8 km / h
? ??
6, 4 km / h
?ú ??? ?è ( c l o) 0, 6 0, 4 0, 5 0, 4 0, 4 0,3 5 0, 3
18
服装的表面积
?服装的面积系数 fcl
?定义：人体着装后的实
际表面积 Acl和人体裸身
表面积 AD 之比 。 有实验
数据 。
?表达式,fcl = Acl / AD
?与服装热阻的近似关系
?fcl = 1.0 + 0.3 Icl
19
人体的能量代谢率
?影响因素多：
?肌肉活动强度：绝对的影响
?环境温度：偏高、偏低都增加代谢率
?性别：男性高于女性
?年龄：少年高于老人
?神经紧张程度：紧张则代谢率高
?进食后时间的长短等：进食后代谢率增加，蛋
白质代谢率高，糖和脂肪类代谢率低。
?代谢率单位 met,1 met = 58.2 W/m2，即成
年男子静坐时的代谢率。
20
6~10%
基础代谢率：参照基础
?基础代谢率 (BMR,
Basal Metabolic Rate),
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,46 W/m2
?BMR变化范围,10~15
％。超过 20％为病态。
21
肌肉活动
与代谢率
?肌肉活动强度对
代谢率起 决定性
的影响
?一般室内运动代
谢率多在 5 met 以
下
22
人体是高效的能量转化
系统吗？否！
?机械效率
?＝ W / M
?大部分室内劳动
机械效率近似 0
23
人体的潜热散热量：皮肤蒸发
?体表全部被汗湿润：
?Esk= Ersw + Edif = wEmax
?接近热舒适条件下的出汗潜热散热量
Ersw = 0.42 ( M – W – 58.2 )
?皮肤湿润度 w = Esk/Emax
?皮肤湿扩散散热量
?没有排汗时 Edif = 0.06 Emax
?有正常排汗时 Edif = 0.06 (Emax – Ersw)
)/(1
)(
,
m a x
eclcle
ask
hfI
PPE
?
??
24
人体的潜热散热量：呼吸蒸发
?显热散热量
Cres = 0.0014 M (34 ? ta ) W/m2
?潜热散热量
Eres = 0.0173 M (5.867 ? Pa ) W/m2
25
)( 44 rcle f fcl TTffR ?? ??
人体与外界的辐射换热方程
?长波辐射
?对太阳辐射的吸收
0.8 0.4 0.7 0.78 0.72 0.7
IffaR e ffcl?
人体对长波辐
射的发射率和吸
收率在 0.95左右
26
人体散热、散湿量的影响
因素
?全热：主要决定于肌肉活动强度，受其它因
素影响在应用上可以忽略。
?显热：决定于温度，随温度上升而减少。
?潜热 (散湿 )：决定于温度，随温度上升而增
加。
27
o? ?3 íá ?? ( ?? )
oé ?ˉ ?? ?? è￠ ? è￠ éa
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
?ó ? ( W ) 84 81 78 74 71 67 63 58 53 48 43
?a? ( W ) 26 27 30 34 37 41 45 50 55 60 65?2 ?÷
è￠ éa ( g/h) 38 40 45 50 56 61 68 75 82 90 97
?ó ? ( W ) 90 85 79 75 70 65 61 57 51 45 41
?a? ( W ) 47 51 56 59 64 69 73 77 83 89 93?? ?á ?ì ?ˉ
è￠ éa ( g/h) 69 76 83 89 96 1 02 1 09 1 15 1 23 1 32 1 39
?ó ? ( W ) 93 87 81 76 70 64 58 51 47 40 35
?a? ( W ) 90 94 1 00 1 06 1 12 1 17 1 23 1 30 1 35 1 42 1 47?á ?? ?ì ?ˉ
è￠ éa ( g/h) 1 34 1 40 1 50 1 58 1 67 1 75 1 84 1 94 2 03 2 12 2 20
?ó ? ( W ) 1 17 1 12 1 04 97 88 83 74 67 61 52 45
?a? ( W ) 1 18 1 23 1 31 1 38 1 47 1 52 1 61 1 68 1 74 1 83 1 90?? μ? ?ì ?ˉ
è￠ éa ( g/h) 1 75 1 84 1 96 2 07 2 19 2 27 2 40 2 50 2 60 2 73 2 83
?ó ? ( W ) 1 69 1 63 1 57 1 51 1 45 1 40 1 34 1 28 1 22 1 16 1 10
?a? ( W ) 2 38 2 44 2 50 2 56 2 62 2 67 2 73 2 79 2 85 2 91 2 97?? ?? ?ì ?ˉ
è￠ éa ( g/h) 3 56 3 65 3 73 3 82 3 91 4 00 4 08 4 17 4 25 4 34 4 43
28
人体排汗率 ?散湿量
?
决
定
因
素
?
环
境
温
度
?
核
心
温
度(
代
谢
率)
29
人 体的 温度感受系统
?20世纪初发现人的皮肤
上存在对冷敏感的区域
,冷点, 和对热敏感的区
域, 热点,
?人体各部位的冷点数目
明显多于热点
?为什么人对冷更敏感？
50mV
30
人体各部位冷点和热点
分布密度 (个 /cm2)
2? ío ?? μ? ?? μ? 2? ío ?? μ? ?? μ?
???é 5,5 - 8,0 é? a3 7,4 0,5
a? ?ò 8,0 1,0 é? ?? 1,0 - 5,0 0,4
?ì ′? 16,0- 1 9,0 é? ?· a3 7,0 - 9,0 1,7
à3 2? ?? ê? 2? ío 8,5 - 9,0 1,7 é? ?· ?? 2,0 - 4,0 1,6
?? 2? 9,0- 1 0,2 0,3 ′ó ì? 4,5 - 5,2 0,4
·? 2? 8,0- 1 2,5 ?? ì? 4,3 - 5,7
1ó a3 7,8 ?? a3 5,6
è? a? 5,0 - 6,5 ?? μ? 3,4
??a? 6,0 - 7,5 0,3 - 0,4
参考文献,H,Hensel,Thermoreception and Temperature Regulation,
London,Academic Press,1981
31
冷、热感受器的位置
?冷、热感受器存在于：
?外周温度感受器
?皮肤
?粘膜
?内脏
?中枢性温度敏感神经元
?脊髓
?延髓
?脑干网状结构
32
冷、热感受器的位置
33
人体的体温调节系统
?下丘脑具有调节代谢、体温和内分泌
功能，前部主要促进散热来降温，后
部促进产热抵御寒冷。
?散热调节方式
?血管扩张，增加血流，提高表皮温度
?出汗
?御寒调节方式
?血管收缩，减少血流，降低表皮温度
?通过冷颤增加代谢率
34
人体的体温调节系统
?下丘脑前后部是相互制约起作用的，需要同
时利用核心温度和皮肤温度信号来决定调节
方式。 核心温度 皮肤温度 调节行为
> 37,1 ℃ 升高 增加出汗
> 37,1 ℃ 降低 抑制冷颤
高 降低 抑制出汗
< 37 ℃ 升高 抑制出汗
< 37 ℃ 降低 增加冷颤
35
人的体温设定值随肌肉
活动强度而改变
?在体温调节系统正常
工作时，增加环境温
度并不能提高人体的
核心温度（直肠温
度）。
?只有改变代谢率才能
改变人体核心温度。
36
体温调节系统的工作原理
?á ?? ?ó ??2?
?á ?? ?ó 1ó 2?
èè ?¨μ?
′ó ?ó
????
?¤??
( ?ò é? oú ?? )
?′ ?? oú ??
?? ?? 1?
?? ?? 1?
Da ?ü é? ê? ?￠ ?? 2?
Da ?ü ?? ?? ?￠ 3? 1?
￡?
￡?
￡-
￡?
￡-
37
热感觉
?研究方法：心理学
?定义：人对周围环境, 冷,,热, 的主观描
述。
?特点：尽管人描述环境的冷热，实际上只能
感觉到自己皮肤下神经末梢的温度。所以
,冷,,热, 与感受者的身体状态有关，不
是完全客观的。
?,中性, 的定义：不冷不热，人用于体温调
节消耗的能量最小。
38
感觉热 感觉冷
热感觉的影响因素
?冷热刺激的存在
?刺激的延续时间
?人体原有的状态
39
热感觉的适应性
28 30 32 34 36 38 40
40
核心温度对热感觉的影响
温暖
热！
核心温度作用
中性
皮肤温度作用
41
热感觉的测量：问卷调查
B e d f or d 1ì A S H R A E μ? ?? μ? aê ??
a′ é? aê ?? A S H R A E ?? ·? ?? aê ??
7 ?ù ?? ?ˉ 1ì 7 ??
6 ?? ?ˉ 1ì 6 ?ˉ
5 àé ?ê é? éé μ? ?ˉ 1ì 5 èó ?ˉ
4 é? éé ￡¨2o ?? 2o ?? ￡? 4 ?ù 3￡
3 àé ?ê é? éé μ? à? ?ì 3 èó à?
2 ?? à? ?ì 2 à?
1 ?ù ?? à? ?ì 1 ??
42
什么是热舒适?
观点 1：
舒适＝中性?
43
什么是热舒适?
观点 2：
舒适＝中性 ?
舒适产生于不适的消除过程中。
“舒适”比“中性”更主观。
Cool &
Comfort !
44
热舒适与热中性的背离
体温过低
体温过高
体温正常
手的温度 (℃ )
很不愉快
正常
很愉快
45
影响热舒适的因素
?空气湿度
?垂直温差
?气流与吹风感
?辐射不均匀性
?年龄、性别、季节、人种
46
空气湿度
?中性－热环境中，为什么潮湿的空气使人
不舒服？
?空气湿度对人体排汗量有影响吗？
?在皮肤没有完全湿润的情况下，增加空气
湿度会减少人体散热量吗？
?潮湿为什么不舒服？
?皮肤湿润度增高 ?皮肤黏着性增加 ?不适
47
垂直温差
?尽管受试者处于热中性状态，头足温差仍然
使人感到不舒适。
20℃
28℃
48
垂直温差
?游泳池地面应该保持的温度是多少？
2o ì? μ? ?? 2? à? μ? é? é íá ??
μ? ?? ?? 2? 2? à? áú ?a ?? > 85 ￡¤ μ? μ? ?? íá ?? ( ?? )
?? 23 ~ 28
oì ?ù ìà 26~ 2 8,5
?? ?ˉ μ? ?1 21 ~ 28
5 mm ?í ?? 23 ~ 28
?? ?? μ? ?? 24,5 ~ 28
2 mm ?? á? ? ?? 2 6,5~ 2 8,5
′ó ?í éˉ 28~ 2 9,5
49
垂直温差
?ASHRAE Handbook：地板温度和不满意度的关系
50
气流与
吹风感 draught
?定义：人体所不希望的局部降温
?但在, 中性－热, 环境下吹风往往是愉快
的
?其它不舒适的原因
?局部压力干扰
?冷颤出现
51
气流与
吹风感 draught
?人头顶上的自然对流速度是 0.2 m/s，所以是
人体对风速可以觉察到的阈值，往往用来确定
室内风速的设计标准。
?当空气流速 ≤ 0.5 m/s，麦金太尔 (1979)等研究
者的实验表明，只要把空气温度调整得合适
（提高空气温度），就可以使空气的流动几乎
觉察不到。
52
辐射不均匀性
?向量辐射温度：
室内两部分的平均
壁面温度差
?向量辐射温度超
过 10℃,人就感到
不舒适
53
辐射不均匀性
?辐射吹风感：房间
内局部低温辐射导
致 人体所不希望
的局部降温
?面对冷表面的平均
辐射温度比其它部
分部分的平均辐射
温度低 8K 以上，
将使人感到不舒适
8K
54
其它因素,Fanger 的实验结论
?人种：非洲人比北欧人喜欢热环境吗？
?热舒适感觉一样，只是热带人对热环境有较强
适应力，寒带人对冷环境有较强适应力。
?年龄：老年人比年轻人更喜欢热环境吗？
?不是，只是老年人活动量小。
?性别：女性比男性更喜欢热环境吗？
?不是，只是女性喜欢穿较轻薄的衣服。
?季节和一天中的时间会影响热舒适感吗？
?尽管人体温有波动，但热舒适感没有明显变化
55
?? é? éé ì? ?a T C V òè ?? ·? ?? ì? ?a T S V
?? é? éé ì? ?a T C V ?? ·? ?? ì? ?a T S V
4 2o ?è ?? éü +3 ??
3 1ü 2o é? é +2 ?ˉ
2 2o é? é +1 èó ?ˉ
1 èó 2o é? é 0 ?ù 3￡
0 é? é - 1 èó à?
-2 à?
-3 ??
热感觉投票和热舒适投票
?Thermal Comfort Vote & Thermal Sensation
Vote
56
人体对稳态热环境的反应描述
理论建立者,P,O,Fanger
?热舒适方程
令人体热平衡方程中蓄热率 S＝ 0，得出：
(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 )
rt
对流散热
辐射散热
汗液蒸发散热
呼吸潜热和显热散热
皮肤扩散蒸发散热
57
预测平均评价 PMV
(Predicted Mean Vote)
PMV = (0.303 e–0.036 M + 0.0275) TL
= (0.303 e–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-
2M(5.867?Pa)
– fcl hc (tcl? ta ) – 0.0014 M (34 ? ta )
–3.96 ? 10-8 fcl [ (tcl + 273)4 ? (+ 273)4 ]}
S?
58
PMV指标的 7级分度
?分度方法和 TSV基本一致
?PMV指标只代表了同一环境下绝大多数人的感
觉，不能代表所有个人的感觉。
热感觉 热 暖 微暖 适中 微凉 凉 冷
P M V 值 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3
59
预测不满意百分比 PPD
(Predicted Percent Dissatisfied)
?PPD是通过概率分析确定某环境条件下人群不满
意的百分数
PPD＝ 100–95exp[–(0.03353 PMV 4 + 0.2179 PMV2)]
即便达到
PMV＝ 0，
仍然有 5％的
人不满意。
60
热舒适方程与 PMV指标
特点总结
?只适用于接近热舒适的状态（ tsk和 Ersw与环境
温度完全无关），所以变量中除由人体活动
强度确定的代谢率外只有外部参数。
?舒适程度由对热中性的偏移程度确定，与偏
移的时间长短没有关系，与人体的热状态变
化没有关系。
?PMV的计算是完全客观的，但指标的含义却
是由主观感觉统计确定的。
61
在曼谷,新加坡,Athens,布里斯班做的 3200 组
非空调环境的测试结果,PMV与实际 TSV的偏差。
26 27 28 29 30 31 32
O b s e r v e d m e a n th e r m a l s e n s a ti o n
PM V
O p e r a ti v e te m p e r a tu r e (
o
C)
H o t
W a r m
Sl, w a r m
N e u tr a l
Sl, c o o l
62
2000年夏安徽泾县民居：非空调环境热舒
适调查
63
其它稳态热反应评价指标,
(1)有效温度 ET
?1919开始研究,1967前的 ASHRAE手册采用
?有效温度 ET定义：, 这是一个将干球温度、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。它在数值上等于
产生相同感觉的静止饱和空气的温度。,
?对于正常穿着,ET=0.492Ta+0.19Pa+6.47
?对于半裸者, (二式条件均为 va<0.15m/s)
ET=(0.944Ta+0.056Twb)/[1+0.22(Ta-Twb)]
?缺点：低温条件下湿度的影响不准确
64
(1)有
效温
度
ET诺
谟图
风速
(m/s)
干
球
温
度(℃
)
普通衣着，
坐姿轻劳动
条件。
湿
球
温
度(℃
)
65
(2)新有效温度 ET*(Gagge)
?ASHRAE标准 55-74,ASHREA手册 1977版
?参考空气环境：身着 0.6 clo服装静坐，空气
流速 0.15m/s，相对湿度 50％，干球温度 T0
?如果同样服装和活动的人在某环境中的冷热
感与上述参考空气环境中的冷热感相同，则
此环境的 ET*＝ T0
?该指标只适用于着装轻薄、活动量小、风速
低的环境。
66
(3)标准有效温度 SET*
?特点：综合考虑了不同的活动水平和衣服热阻
?定义：某个空气温度等于平均辐射温度的等温环境
中的温度，其相对湿度为 50%，空气静止不动，在该
环境中身着标准热阻服装的人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
时，则必将具有相同的热损失，这个温度就是上述实
际环境的 SET*。
)5.0(*)( '' S E Tske S E Tskc S E Tsk PPwhSE TThQ ????
皮肤总散热量 皮肤温度 皮肤湿润度 SET*下 饱和
水蒸汽分压力
皮肤表面饱和
水蒸汽分压力
67
ASHRAE
舒适区
?对于穿轻薄服装，坐着工
作，空气流速较低的情况，
SET*就等于 ET*。
?坎萨斯州立大学实验条件：
0.6~0.8 clo坐着
?55-74条件,0.8~1clo坐
着但活动稍大
68
(3)标准有效温度 SET*
SET*=24℃
22.5℃, 100％ 24℃, 50%
SET*＝ 20℃
69
其它热环境评价指标
?合成温度
?当量温度
?主观温度
?有效送风温度 (有效吹风感 )
70
合成温度
?米森纳尔德 1931年提出概念,1948年形成公
式
?特点：包含了辐射的影响（ ET未考虑），但
未考虑空气流动的影响
?干球合成温度,Tres=0.47 Ta+0.53 Tr
?英国 的特许建筑设备工程师学会 (CIBS)1978
年 把干球合成温度作为推荐指标。低风速下
为,Tres=0.5 ( Ta+ Tr )
71
当量温度
?Dufton于 1932年提出概念：一个均匀封闭体
的温度，在该封闭体内，一个高 550mm直径
190mm的黑色圆柱体的散热量与其在实际环
境中的散热量相等。
?综合空气温度、平均辐射温度和空气流速的
影响
?Bedford的实验回归公式
)8.37(21.04 7 8.05 2 2.0 araeq TvTTT ????
72
主观温度
?目的：寻求既考虑了更全面的影响因素，又
要有简单的表现形式，同时希望把活动量和
衣着条件的影响与物理环境因素分开
?Mc Intyre等 1975年总结的回归公式：
?v <0.1m/s时,Tsub=0.56Ta+0.44Tr
?v >0.1m/s时：
v
vT
v
TvT
T
g
ar
s ub
1056.044.0
)101(8.2
1056.044.0
)]105(5[56.044.0
?
??
?
?
???
?
73
主观温度
?已知衣着和活动量条件下，舒适的主观温度
是：
?适用范围,50<M<150W/m2,0<Icl<1.5
MIIT c l ocls u b )05.008.0(35.33 ????
74
有效送风温度 (有效吹风感 )
?针对气流引起的吹风感评价，反映了气流速
度和空气温度的共同作用
?霍顿 1938年的实验，里德伯格尔等 1949年总
结，内文斯 1971年提出公式：
?＝ (Tj - Ta) - 8(v - 0.15)
?舒适标准为,-1.7< ? <1.1,v <0.35 m/s
?现用于风口性能评价的 ADPI指标
75
人体对动态热环境的反应
?什么是动态热环境？
?非空调环境
?在温度不同的空间之间穿行
?使用摇头电风扇
?变温变风速的空调方式
?人对动态与稳态热环境反应不同的机理
?热感觉的适应性
?核心温度和皮肤温度变化的不一致性
76
?Gagge 的发现：人处
于突变的环境空气温
度时，尽管皮肤温度
和核心体温的变化需
要好几分钟，但热感
觉却会随空气温度的
变化马上发生变化。
?由中性－冷 /热，感觉
滞后
?由冷 /热－中性，感觉
超前
对突变温度环境的反应
77
对突变温
度环境的
反应
32
33
34
35
36
0 30 60 90 120
éa?? ( ?? )
?¤?
?
íá
??
T
s
k
(
??
)
25 ?? 35 ?? 25 ??
-1
0
1
2
3
0 30 60 90 120
éa?? ( ?? )
TS
V
25 ?? 35 ?? 25 ??
突变温度对 TSV和皮肤温度
的影响实验 (clo=0.6)
?清华实验，证实了
热感觉与皮肤温度
的分离现象：
?中性－热，感觉
滞后
?热－中性，感觉
超前
780.3 0.5
频率 (Hz)
人体对变化风速的反应
?现有的研究成果
?对摇摆风扇的接受程度优于固定风扇
?动态风能够改善, 中性－热, 环境下人体
热感觉
?气流的脉动频率对人体热感觉有影响
79
0
1
2
3
4
5
6
0 400 800 1200 1600 2000
数据点
风速(
m
/
s
)
平均风速
不同类型风的风速变化
固定风扇的
机械风
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
0:14 0:43 1:12 1:40 2:09 2:38 3:07 3:36 4:04
m / s
m inu te
自然风
80
不同类型风的频谱特征
81
人体对不同类型脉动风速
的接受程度实验（清华）
5%
61%
24%
10%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
í? ?? ?? é? ?￡ ?a ?ó ?o ?? ?ù ?? ?? é? ê? oú ?? é?
82
过渡区热指标 RWI/HDR
?美国运输部提出的人体在过渡空间环境的热舒适
指标，适用于候车空间环境设计。
?对一种活动状态过渡到另一状态的处理：
?未考虑过渡过程热感觉的, 超越, 和, 滞后, 现
象
?代谢率 M要经过 6分钟才能达到最终活动状态下
的稳定代谢率。其间代谢率与时间呈线性关系。
?出汗状态以及人的活动扰动气流的变化会导致服
装热阻改变，要经过 6分钟才能达到新的稳定值，
其间服装热阻与时间呈线性关系。
83
过渡区热指标 RWI/HDR
?相对热指标 RWI：针对较热环境
?当 Pa ?2269 Pa时
?当 Pa? 2269 Pa时
2 3 4
)35(42.6])()[( aaacw RItIIMR W I ????? ??
1000/)44.5858(2.65
)35(42.6])()[(
a
aaacw
P
RItIIMR W I
?
????? ??
人体从不包括与空气
等温的墙表面的外界
获得的辐射热
84
过渡区热指标 RWI/HDR
?人体热损失率 HDR(W/m2)：针对较冷环境
?
acw
aa
II
RItMH D R
?
?????
)(
)56.30(42.6)(39.28
??
R W I 的分度与 AS H RA E 热感觉标度之间的关系
热感觉 AS H RA E 热感觉标度 相对热指标 R W I
暖 2 0,2 5
稍暖 1 0,1 5
中性 0 0,0 8
稍凉 -1 0,0 0
85
其他热湿环境的物理度量
不需
调节
可调
区
失调
区
疲劳
极限
Heat Stress
86
热舒适指标够用吗？
?在具有热失调危险的、远偏离热舒适区的状
态下，前面的热舒适指标是不够的，例如：
?高温车间
?寒冷工作空间
?典型指标
?高温环境：热应力指数
?低温环境：风冷却指数
87
热应力指数 HSI (Heat Stress Index)
Belding & Hatch,1955
?假定皮肤温度恒定在 35℃ 的基础上, 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, 呼吸散热不计, Emax的
上限值为 390 W/m2：
?HSI= Ereq / Emax ?100
H SI 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 1 00 暴露时间受体内温度升高的限制。
88
风冷却指数 WCI(Wind Chill Index)
Siple & Passel,1945
?皮肤温度在 33℃ 时皮肤表面的冷却速率
)33)(1045.10( aaa tVVW C I ????
风冷却指数与人体的生理效应
风冷却指数 k ca l / m
2
h 生理效应 风冷却指数 k ca l / m
2
h 生理效应
200 愉快 1200 剧冷
400 凉 1400 肌肉冻僵
800 冷 2500 不能忍受
1000 很冷
89
热环境与工作效率
?大量现场调查证实
?高温会降低劳动的效率
?寒冷影响肢体的灵活性
?温度偏离最佳值会增加事故发生率
?机理,激发的概念，工作本身＋物理环境
?中等激发时效率最高
?低激发导致人不清醒
?高激发导致不能全神贯注
90
理论效能与温度关系曲线
?T0为最小激发温度，接近、略高于热中性温度
91
体力劳动与热环境
92
脑力劳动与
热环境
?热的影响 11.8 11.9 11.11
93
94
冷应力和手工操作效能
?实验发现手的皮肤温度低于 15℃ 时，关节变
得僵硬灵巧性明显下降
?实验发现手的皮肤温度低于 6℃ 时出现麻木感
觉
?冷风有涣散精神作用，分散工作注意力
?体温过低导致人过于激奋，降低需要持续集
中注意力的工作的效能
95
?分别将两部分按集总参
数计算温度动态变化
?人体平均温度为两部分
温度的加权
?平均体温低于 36.34℃
就不会出汗
?皮肤温度低于 34℃,核
心温度同时低于 37℃ 会
出现冷颤，增加代谢率
二节点模型,Gagge,1970
中心层
新陈代谢
皮肤层
散热
96
二节点模型,Gagge,1970
?中心层热平衡
?皮肤层热平衡
?d
dtcmttcmKECWMM cr
crcrskcrblblr e sr e s ????????? ))((
?d
dtcmQttcmK sk
skskskskcrblbl ???? ))((
皮肤表面总散热，包括
对流、辐射和蒸发
传热系数，血
流量和比热
传热系数，血
流量和比热
冷颤增加
代谢率
97
二节点模型的应用
?求出体温即可求得排汗率
?有前面的 Emax关系可求出 w：
?w =(Ersw+Edif)/Emax=[Ersw+0.06(Emax-
Ersw)]/Emax
?由于应用了二节点模型，实际上 SET*可以考
虑动态过程中的人体热状况。但由于舒适的主
观评价实验是在稳态环境下做的，所以仍然不
能用于评价动态热环境。
71034,/)(
,)(
???? skt
s e tbbrswrsw ettcE
98
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？
99
思考题
?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？
100
思考题
?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？
人体对热湿
环境的反应
清华大学 建筑学院
建筑技术科学系
2001年
2
人体对热湿环境反应的
生理学和心理学基础
?食物 ?分解氧化 ?热量
?人体的基本生理要求：
维持体温基本恒定！
?代谢率 (Metabolic Rate)：
人体新陈代谢反应过程中
能量释放的速率
3
人体的热平衡
?热平衡方程 M ? W ? C ? R ? E ? S = 0
?皮肤表面积 AD ＝ 0.202 mb 0.425 H 0.725
身高 1.78m
体重 65kg
AD为 1.8m2
4
人体温度
?核心 (Core)温度
?核心层,通常包括脑、脊椎、心脏、肝脏、
消化器官等内脏部分。
?直肠温度最接近。
?外层 (Shell)温度
?皮肤表面到 10 mm 以内的部分,通常包括
皮肤，皮下脂肪和表层的肌肉。
5
人体体温范围
?肝脏：最高,38℃
?皮肤：与外界环境有关
?各部分温差不会太大
?日夜有 1℃ 以内的波动
?代表温度：核心温度
í? ?ú ?ù 3￡ 3è ?ê ?ê μ? ?? íá ( ?? )
?? ?ù à? a? ?ˉ ?í§
?· íá 36,8 3 6, 0 ~ 3 7, 4
?ú íá 3 7, 2 3 6, 7 ~ 3 7, 7
·? íá 3 7, 5 3 6, 9 ~ 3 7, 9
6
人
体
外
层
温
度
皮肤温度 状 态
45℃ 以上 皮肤组织迅速损伤
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℃ 2-4met 的 (中等 )运动量时感觉舒适
32~30℃ 3-6met 的 (较 大 )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
7
人体与外界的热交换
?人体与外界的热交换
?显热交换
?对流散热
?辐射散热
?潜热交换
?皮肤散湿
?出汗蒸发
?皮肤湿扩散
?呼吸散湿
8
影响人体与外界热交换
的因素
?环境空气温度：对流换热
?环境表面温度：辐射换热
?水蒸汽分压力（空气湿度）：对流质交换
?高温环境：增加热感
?低温环境：增加冷感！
?风速：对流热交换和对流质交换
?吹风感,Draught,冷感和对皮肤的压力冲击
?服装热阻：影响所有换热形式
9
关于热湿环境的术语
?平均辐射温度 或
?近似式：
?准确的应该是四次方
?黑球温度 Tg
?操作温度：反映了环境空气温度 ta和平均辐
射温度 的综合作用
?
?
?
?
?
k
j
nj
k
j
njnj
r
F
tF
t
1
1
)(
)(44.2 aggr TTvTT ???
cr
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rt
rt rT
10
rt ??
??
k
j
nj
k
j
njnj FtF
11
/)(
平均辐射温度,
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。
=
11
热质交换系数的确定
?对流换热系数：专门针对人体的实验数据
?受迫对流
?hc= C v n
?自然对流：三种主要形式
?hc=常数
?hc= C? T 0.25
?hc= C (M-50) 0.39
?对流质交换系数：传质与传热比拟
?LR = he / hc= 16.5 ℃/kPa
12
服装的作用：保温和阻
碍湿扩散
?服装的性能：
?服装的热阻 Icl
?服装的透湿性
?服装的表面积
13
服装的热阻 Icl
?一般指显热热阻
?单位 m2K/W和 clo，其中 1clo = 0.155 m2K/W
?已知单件服装热阻,Icl = 0.161+0.835?Iclu,i
类类 型型 II
cc ll
(( cc ll oo ))
短短 袖袖 衬衬 衣衣,,短短 裤裤 00,,33 66
长长 裤裤,,短短 袖袖 衬衬 衫衫 00,,55 77
长长 裤裤,,长长 袖袖 衬衬 衫衫 00,,66 11
长长 裤裤,,长长 袖袖 衬衬 衫衫 加加 短短 外外 衣衣 00,,99 66
厚厚 大大 衣衣,,长长 袖袖 衬衬 衫衫,,保保 暖暖 内内
衣衣,,长长 内内 裤裤
11,,33 44
厚厚 三三 件件 套套 西西 衣衣 服服,,长长 内内 衣衣 裤裤 11,,55
厚厚 毛毛 衣衣 00,,33 77
厚厚 长长 大大 衣衣 00,,66 33
厚厚 裤裤 子子 00,,33 22
工工 作作 服服 00,,22
夹夹 克克 00,,44
14
服装的热阻 Icl
?人运动时由于人体与空气之间存在相对流速，
会降低服装的热阻。
? Icl = 0.504 Icl + 0.00281Vwalk – 0.24
?椅子给人增加 0.15 clo以下热阻
?Icl = 7.48 ? 10 – 5 CSAC – 0.1
步速 3.7km/h
1clo ? 0.48 clo
15
舒适服装热阻与环境温度、相
对风速、活动强度的关系
0
0, 5
1
1, 5
2
- 2 5 - 2 0 - 1 5 - 1 0 -5 0 5 10 15 20 25
环境温度 ( ℃ )
服装热阻
(
c
l
o
)
步行 6, 4 k m / h
v = 7, 1 m / s
v = 5, 1 m / s
v = 3, 6 m / s
v = 2, 5 m / s
步行 3, 2 k m / h
v = 5, 1 m / s
v = 3, 6 m / s
v = 2, 5 m / s
站立
v = 2, 5 m / s
v = 1, 5 m / s
v = 1, 0 m / s
v = 0, 5 m / s
v = 0, 2 5 m / s
16
服装的透湿性
?服装的存在增加了皮肤
的蒸发换热热阻：
?服装对皮肤表面的水
蒸气扩散有一个附加的
阻力。
?服装吸收部分汗液，
只有剩余部分汗液蒸发
冷却皮肤。使得需要更
大蒸发量才能在皮肤表
面上形成同样的散热量
17
服装的潜热热阻
?服装的蒸发换热热阻 (干燥服装 )：
Ie,cl = Icl/ LR = Icl/ 16.5 (kPa m2/W)
?服装被汗湿润后热阻会下降，显热换热加强，
又增加了潜热换热，故总传热系数增加：
1 c l o ·è óê ?ú ??ao 1? éa ?ó 1ó μ? ? ?è
oé ?ˉ ?? ?? ?2 ?÷ ?÷ ?ê é? o? ?? à￠ é? o?
?? à￠ μ? ??
?? ?? ?ˉ
? ??
3, 2 km / h
? ??
4, 8 km / h
? ??
6, 4 km / h
?ú ??? ?è ( c l o) 0, 6 0, 4 0, 5 0, 4 0, 4 0,3 5 0, 3
18
服装的表面积
?服装的面积系数 fcl
?定义：人体着装后的实
际表面积 Acl和人体裸身
表面积 AD 之比 。 有实验
数据 。
?表达式,fcl = Acl / AD
?与服装热阻的近似关系
?fcl = 1.0 + 0.3 Icl
19
人体的能量代谢率
?影响因素多：
?肌肉活动强度：绝对的影响
?环境温度：偏高、偏低都增加代谢率
?性别：男性高于女性
?年龄：少年高于老人
?神经紧张程度：紧张则代谢率高
?进食后时间的长短等：进食后代谢率增加，蛋
白质代谢率高，糖和脂肪类代谢率低。
?代谢率单位 met,1 met = 58.2 W/m2，即成
年男子静坐时的代谢率。
20
6~10%
基础代谢率：参照基础
?基础代谢率 (BMR,
Basal Metabolic Rate),
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,46 W/m2
?BMR变化范围,10~15
％。超过 20％为病态。
21
肌肉活动
与代谢率
?肌肉活动强度对
代谢率起 决定性
的影响
?一般室内运动代
谢率多在 5 met 以
下
22
人体是高效的能量转化
系统吗？否！
?机械效率
?＝ W / M
?大部分室内劳动
机械效率近似 0
23
人体的潜热散热量：皮肤蒸发
?体表全部被汗湿润：
?Esk= Ersw + Edif = wEmax
?接近热舒适条件下的出汗潜热散热量
Ersw = 0.42 ( M – W – 58.2 )
?皮肤湿润度 w = Esk/Emax
?皮肤湿扩散散热量
?没有排汗时 Edif = 0.06 Emax
?有正常排汗时 Edif = 0.06 (Emax – Ersw)
)/(1
)(
,
m a x
eclcle
ask
hfI
PPE
?
??
24
人体的潜热散热量：呼吸蒸发
?显热散热量
Cres = 0.0014 M (34 ? ta ) W/m2
?潜热散热量
Eres = 0.0173 M (5.867 ? Pa ) W/m2
25
)( 44 rcle f fcl TTffR ?? ??
人体与外界的辐射换热方程
?长波辐射
?对太阳辐射的吸收
0.8 0.4 0.7 0.78 0.72 0.7
IffaR e ffcl?
人体对长波辐
射的发射率和吸
收率在 0.95左右
26
人体散热、散湿量的影响
因素
?全热：主要决定于肌肉活动强度，受其它因
素影响在应用上可以忽略。
?显热：决定于温度，随温度上升而减少。
?潜热 (散湿 )：决定于温度，随温度上升而增
加。
27
o? ?3 íá ?? ( ?? )
oé ?ˉ ?? ?? è￠ ? è￠ éa
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
?ó ? ( W ) 84 81 78 74 71 67 63 58 53 48 43
?a? ( W ) 26 27 30 34 37 41 45 50 55 60 65?2 ?÷
è￠ éa ( g/h) 38 40 45 50 56 61 68 75 82 90 97
?ó ? ( W ) 90 85 79 75 70 65 61 57 51 45 41
?a? ( W ) 47 51 56 59 64 69 73 77 83 89 93?? ?á ?ì ?ˉ
è￠ éa ( g/h) 69 76 83 89 96 1 02 1 09 1 15 1 23 1 32 1 39
?ó ? ( W ) 93 87 81 76 70 64 58 51 47 40 35
?a? ( W ) 90 94 1 00 1 06 1 12 1 17 1 23 1 30 1 35 1 42 1 47?á ?? ?ì ?ˉ
è￠ éa ( g/h) 1 34 1 40 1 50 1 58 1 67 1 75 1 84 1 94 2 03 2 12 2 20
?ó ? ( W ) 1 17 1 12 1 04 97 88 83 74 67 61 52 45
?a? ( W ) 1 18 1 23 1 31 1 38 1 47 1 52 1 61 1 68 1 74 1 83 1 90?? μ? ?ì ?ˉ
è￠ éa ( g/h) 1 75 1 84 1 96 2 07 2 19 2 27 2 40 2 50 2 60 2 73 2 83
?ó ? ( W ) 1 69 1 63 1 57 1 51 1 45 1 40 1 34 1 28 1 22 1 16 1 10
?a? ( W ) 2 38 2 44 2 50 2 56 2 62 2 67 2 73 2 79 2 85 2 91 2 97?? ?? ?ì ?ˉ
è￠ éa ( g/h) 3 56 3 65 3 73 3 82 3 91 4 00 4 08 4 17 4 25 4 34 4 43
28
人体排汗率 ?散湿量
?
决
定
因
素
?
环
境
温
度
?
核
心
温
度(
代
谢
率)
29
人 体的 温度感受系统
?20世纪初发现人的皮肤
上存在对冷敏感的区域
,冷点, 和对热敏感的区
域, 热点,
?人体各部位的冷点数目
明显多于热点
?为什么人对冷更敏感？
50mV
30
人体各部位冷点和热点
分布密度 (个 /cm2)
2? ío ?? μ? ?? μ? 2? ío ?? μ? ?? μ?
???é 5,5 - 8,0 é? a3 7,4 0,5
a? ?ò 8,0 1,0 é? ?? 1,0 - 5,0 0,4
?ì ′? 16,0- 1 9,0 é? ?· a3 7,0 - 9,0 1,7
à3 2? ?? ê? 2? ío 8,5 - 9,0 1,7 é? ?· ?? 2,0 - 4,0 1,6
?? 2? 9,0- 1 0,2 0,3 ′ó ì? 4,5 - 5,2 0,4
·? 2? 8,0- 1 2,5 ?? ì? 4,3 - 5,7
1ó a3 7,8 ?? a3 5,6
è? a? 5,0 - 6,5 ?? μ? 3,4
??a? 6,0 - 7,5 0,3 - 0,4
参考文献,H,Hensel,Thermoreception and Temperature Regulation,
London,Academic Press,1981
31
冷、热感受器的位置
?冷、热感受器存在于：
?外周温度感受器
?皮肤
?粘膜
?内脏
?中枢性温度敏感神经元
?脊髓
?延髓
?脑干网状结构
32
冷、热感受器的位置
33
人体的体温调节系统
?下丘脑具有调节代谢、体温和内分泌
功能，前部主要促进散热来降温，后
部促进产热抵御寒冷。
?散热调节方式
?血管扩张，增加血流，提高表皮温度
?出汗
?御寒调节方式
?血管收缩，减少血流，降低表皮温度
?通过冷颤增加代谢率
34
人体的体温调节系统
?下丘脑前后部是相互制约起作用的，需要同
时利用核心温度和皮肤温度信号来决定调节
方式。 核心温度 皮肤温度 调节行为
> 37,1 ℃ 升高 增加出汗
> 37,1 ℃ 降低 抑制冷颤
高 降低 抑制出汗
< 37 ℃ 升高 抑制出汗
< 37 ℃ 降低 增加冷颤
35
人的体温设定值随肌肉
活动强度而改变
?在体温调节系统正常
工作时，增加环境温
度并不能提高人体的
核心温度（直肠温
度）。
?只有改变代谢率才能
改变人体核心温度。
36
体温调节系统的工作原理
?á ?? ?ó ??2?
?á ?? ?ó 1ó 2?
èè ?¨μ?
′ó ?ó
????
?¤??
( ?ò é? oú ?? )
?′ ?? oú ??
?? ?? 1?
?? ?? 1?
Da ?ü é? ê? ?￠ ?? 2?
Da ?ü ?? ?? ?￠ 3? 1?
￡?
￡?
￡-
￡?
￡-
37
热感觉
?研究方法：心理学
?定义：人对周围环境, 冷,,热, 的主观描
述。
?特点：尽管人描述环境的冷热，实际上只能
感觉到自己皮肤下神经末梢的温度。所以
,冷,,热, 与感受者的身体状态有关，不
是完全客观的。
?,中性, 的定义：不冷不热，人用于体温调
节消耗的能量最小。
38
感觉热 感觉冷
热感觉的影响因素
?冷热刺激的存在
?刺激的延续时间
?人体原有的状态
39
热感觉的适应性
28 30 32 34 36 38 40
40
核心温度对热感觉的影响
温暖
热！
核心温度作用
中性
皮肤温度作用
41
热感觉的测量：问卷调查
B e d f or d 1ì A S H R A E μ? ?? μ? aê ??
a′ é? aê ?? A S H R A E ?? ·? ?? aê ??
7 ?ù ?? ?ˉ 1ì 7 ??
6 ?? ?ˉ 1ì 6 ?ˉ
5 àé ?ê é? éé μ? ?ˉ 1ì 5 èó ?ˉ
4 é? éé ￡¨2o ?? 2o ?? ￡? 4 ?ù 3￡
3 àé ?ê é? éé μ? à? ?ì 3 èó à?
2 ?? à? ?ì 2 à?
1 ?ù ?? à? ?ì 1 ??
42
什么是热舒适?
观点 1：
舒适＝中性?
43
什么是热舒适?
观点 2：
舒适＝中性 ?
舒适产生于不适的消除过程中。
“舒适”比“中性”更主观。
Cool &
Comfort !
44
热舒适与热中性的背离
体温过低
体温过高
体温正常
手的温度 (℃ )
很不愉快
正常
很愉快
45
影响热舒适的因素
?空气湿度
?垂直温差
?气流与吹风感
?辐射不均匀性
?年龄、性别、季节、人种
46
空气湿度
?中性－热环境中，为什么潮湿的空气使人
不舒服？
?空气湿度对人体排汗量有影响吗？
?在皮肤没有完全湿润的情况下，增加空气
湿度会减少人体散热量吗？
?潮湿为什么不舒服？
?皮肤湿润度增高 ?皮肤黏着性增加 ?不适
47
垂直温差
?尽管受试者处于热中性状态，头足温差仍然
使人感到不舒适。
20℃
28℃
48
垂直温差
?游泳池地面应该保持的温度是多少？
2o ì? μ? ?? 2? à? μ? é? é íá ??
μ? ?? ?? 2? 2? à? áú ?a ?? > 85 ￡¤ μ? μ? ?? íá ?? ( ?? )
?? 23 ~ 28
oì ?ù ìà 26~ 2 8,5
?? ?ˉ μ? ?1 21 ~ 28
5 mm ?í ?? 23 ~ 28
?? ?? μ? ?? 24,5 ~ 28
2 mm ?? á? ? ?? 2 6,5~ 2 8,5
′ó ?í éˉ 28~ 2 9,5
49
垂直温差
?ASHRAE Handbook：地板温度和不满意度的关系
50
气流与
吹风感 draught
?定义：人体所不希望的局部降温
?但在, 中性－热, 环境下吹风往往是愉快
的
?其它不舒适的原因
?局部压力干扰
?冷颤出现
51
气流与
吹风感 draught
?人头顶上的自然对流速度是 0.2 m/s，所以是
人体对风速可以觉察到的阈值，往往用来确定
室内风速的设计标准。
?当空气流速 ≤ 0.5 m/s，麦金太尔 (1979)等研究
者的实验表明，只要把空气温度调整得合适
（提高空气温度），就可以使空气的流动几乎
觉察不到。
52
辐射不均匀性
?向量辐射温度：
室内两部分的平均
壁面温度差
?向量辐射温度超
过 10℃,人就感到
不舒适
53
辐射不均匀性
?辐射吹风感：房间
内局部低温辐射导
致 人体所不希望
的局部降温
?面对冷表面的平均
辐射温度比其它部
分部分的平均辐射
温度低 8K 以上，
将使人感到不舒适
8K
54
其它因素,Fanger 的实验结论
?人种：非洲人比北欧人喜欢热环境吗？
?热舒适感觉一样，只是热带人对热环境有较强
适应力，寒带人对冷环境有较强适应力。
?年龄：老年人比年轻人更喜欢热环境吗？
?不是，只是老年人活动量小。
?性别：女性比男性更喜欢热环境吗？
?不是，只是女性喜欢穿较轻薄的衣服。
?季节和一天中的时间会影响热舒适感吗？
?尽管人体温有波动，但热舒适感没有明显变化
55
?? é? éé ì? ?a T C V òè ?? ·? ?? ì? ?a T S V
?? é? éé ì? ?a T C V ?? ·? ?? ì? ?a T S V
4 2o ?è ?? éü +3 ??
3 1ü 2o é? é +2 ?ˉ
2 2o é? é +1 èó ?ˉ
1 èó 2o é? é 0 ?ù 3￡
0 é? é - 1 èó à?
-2 à?
-3 ??
热感觉投票和热舒适投票
?Thermal Comfort Vote & Thermal Sensation
Vote
56
人体对稳态热环境的反应描述
理论建立者,P,O,Fanger
?热舒适方程
令人体热平衡方程中蓄热率 S＝ 0，得出：
(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 )
rt
对流散热
辐射散热
汗液蒸发散热
呼吸潜热和显热散热
皮肤扩散蒸发散热
57
预测平均评价 PMV
(Predicted Mean Vote)
PMV = (0.303 e–0.036 M + 0.0275) TL
= (0.303 e–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-
2M(5.867?Pa)
– fcl hc (tcl? ta ) – 0.0014 M (34 ? ta )
–3.96 ? 10-8 fcl [ (tcl + 273)4 ? (+ 273)4 ]}
S?
58
PMV指标的 7级分度
?分度方法和 TSV基本一致
?PMV指标只代表了同一环境下绝大多数人的感
觉，不能代表所有个人的感觉。
热感觉 热 暖 微暖 适中 微凉 凉 冷
P M V 值 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3
59
预测不满意百分比 PPD
(Predicted Percent Dissatisfied)
?PPD是通过概率分析确定某环境条件下人群不满
意的百分数
PPD＝ 100–95exp[–(0.03353 PMV 4 + 0.2179 PMV2)]
即便达到
PMV＝ 0，
仍然有 5％的
人不满意。
60
热舒适方程与 PMV指标
特点总结
?只适用于接近热舒适的状态（ tsk和 Ersw与环境
温度完全无关），所以变量中除由人体活动
强度确定的代谢率外只有外部参数。
?舒适程度由对热中性的偏移程度确定，与偏
移的时间长短没有关系，与人体的热状态变
化没有关系。
?PMV的计算是完全客观的，但指标的含义却
是由主观感觉统计确定的。
61
在曼谷,新加坡,Athens,布里斯班做的 3200 组
非空调环境的测试结果,PMV与实际 TSV的偏差。
26 27 28 29 30 31 32
O b s e r v e d m e a n th e r m a l s e n s a ti o n
PM V
O p e r a ti v e te m p e r a tu r e (
o
C)
H o t
W a r m
Sl, w a r m
N e u tr a l
Sl, c o o l
62
2000年夏安徽泾县民居：非空调环境热舒
适调查
63
其它稳态热反应评价指标,
(1)有效温度 ET
?1919开始研究,1967前的 ASHRAE手册采用
?有效温度 ET定义：, 这是一个将干球温度、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。它在数值上等于
产生相同感觉的静止饱和空气的温度。,
?对于正常穿着,ET=0.492Ta+0.19Pa+6.47
?对于半裸者, (二式条件均为 va<0.15m/s)
ET=(0.944Ta+0.056Twb)/[1+0.22(Ta-Twb)]
?缺点：低温条件下湿度的影响不准确
64
(1)有
效温
度
ET诺
谟图
风速
(m/s)
干
球
温
度(℃
)
普通衣着，
坐姿轻劳动
条件。
湿
球
温
度(℃
)
65
(2)新有效温度 ET*(Gagge)
?ASHRAE标准 55-74,ASHREA手册 1977版
?参考空气环境：身着 0.6 clo服装静坐，空气
流速 0.15m/s，相对湿度 50％，干球温度 T0
?如果同样服装和活动的人在某环境中的冷热
感与上述参考空气环境中的冷热感相同，则
此环境的 ET*＝ T0
?该指标只适用于着装轻薄、活动量小、风速
低的环境。
66
(3)标准有效温度 SET*
?特点：综合考虑了不同的活动水平和衣服热阻
?定义：某个空气温度等于平均辐射温度的等温环境
中的温度，其相对湿度为 50%，空气静止不动，在该
环境中身着标准热阻服装的人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
时，则必将具有相同的热损失，这个温度就是上述实
际环境的 SET*。
)5.0(*)( '' S E Tske S E Tskc S E Tsk PPwhSE TThQ ????
皮肤总散热量 皮肤温度 皮肤湿润度 SET*下 饱和
水蒸汽分压力
皮肤表面饱和
水蒸汽分压力
67
ASHRAE
舒适区
?对于穿轻薄服装，坐着工
作，空气流速较低的情况，
SET*就等于 ET*。
?坎萨斯州立大学实验条件：
0.6~0.8 clo坐着
?55-74条件,0.8~1clo坐
着但活动稍大
68
(3)标准有效温度 SET*
SET*=24℃
22.5℃, 100％ 24℃, 50%
SET*＝ 20℃
69
其它热环境评价指标
?合成温度
?当量温度
?主观温度
?有效送风温度 (有效吹风感 )
70
合成温度
?米森纳尔德 1931年提出概念,1948年形成公
式
?特点：包含了辐射的影响（ ET未考虑），但
未考虑空气流动的影响
?干球合成温度,Tres=0.47 Ta+0.53 Tr
?英国 的特许建筑设备工程师学会 (CIBS)1978
年 把干球合成温度作为推荐指标。低风速下
为,Tres=0.5 ( Ta+ Tr )
71
当量温度
?Dufton于 1932年提出概念：一个均匀封闭体
的温度，在该封闭体内，一个高 550mm直径
190mm的黑色圆柱体的散热量与其在实际环
境中的散热量相等。
?综合空气温度、平均辐射温度和空气流速的
影响
?Bedford的实验回归公式
)8.37(21.04 7 8.05 2 2.0 araeq TvTTT ????
72
主观温度
?目的：寻求既考虑了更全面的影响因素，又
要有简单的表现形式，同时希望把活动量和
衣着条件的影响与物理环境因素分开
?Mc Intyre等 1975年总结的回归公式：
?v <0.1m/s时,Tsub=0.56Ta+0.44Tr
?v >0.1m/s时：
v
vT
v
TvT
T
g
ar
s ub
1056.044.0
)101(8.2
1056.044.0
)]105(5[56.044.0
?
??
?
?
???
?
73
主观温度
?已知衣着和活动量条件下，舒适的主观温度
是：
?适用范围,50<M<150W/m2,0<Icl<1.5
MIIT c l ocls u b )05.008.0(35.33 ????
74
有效送风温度 (有效吹风感 )
?针对气流引起的吹风感评价，反映了气流速
度和空气温度的共同作用
?霍顿 1938年的实验，里德伯格尔等 1949年总
结，内文斯 1971年提出公式：
?＝ (Tj - Ta) - 8(v - 0.15)
?舒适标准为,-1.7< ? <1.1,v <0.35 m/s
?现用于风口性能评价的 ADPI指标
75
人体对动态热环境的反应
?什么是动态热环境？
?非空调环境
?在温度不同的空间之间穿行
?使用摇头电风扇
?变温变风速的空调方式
?人对动态与稳态热环境反应不同的机理
?热感觉的适应性
?核心温度和皮肤温度变化的不一致性
76
?Gagge 的发现：人处
于突变的环境空气温
度时，尽管皮肤温度
和核心体温的变化需
要好几分钟，但热感
觉却会随空气温度的
变化马上发生变化。
?由中性－冷 /热，感觉
滞后
?由冷 /热－中性，感觉
超前
对突变温度环境的反应
77
对突变温
度环境的
反应
32
33
34
35
36
0 30 60 90 120
éa?? ( ?? )
?¤?
?
íá
??
T
s
k
(
??
)
25 ?? 35 ?? 25 ??
-1
0
1
2
3
0 30 60 90 120
éa?? ( ?? )
TS
V
25 ?? 35 ?? 25 ??
突变温度对 TSV和皮肤温度
的影响实验 (clo=0.6)
?清华实验，证实了
热感觉与皮肤温度
的分离现象：
?中性－热，感觉
滞后
?热－中性，感觉
超前
780.3 0.5
频率 (Hz)
人体对变化风速的反应
?现有的研究成果
?对摇摆风扇的接受程度优于固定风扇
?动态风能够改善, 中性－热, 环境下人体
热感觉
?气流的脉动频率对人体热感觉有影响
79
0
1
2
3
4
5
6
0 400 800 1200 1600 2000
数据点
风速(
m
/
s
)
平均风速
不同类型风的风速变化
固定风扇的
机械风
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
0:14 0:43 1:12 1:40 2:09 2:38 3:07 3:36 4:04
m / s
m inu te
自然风
80
不同类型风的频谱特征
81
人体对不同类型脉动风速
的接受程度实验（清华）
5%
61%
24%
10%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
í? ?? ?? é? ?￡ ?a ?ó ?o ?? ?ù ?? ?? é? ê? oú ?? é?
82
过渡区热指标 RWI/HDR
?美国运输部提出的人体在过渡空间环境的热舒适
指标，适用于候车空间环境设计。
?对一种活动状态过渡到另一状态的处理：
?未考虑过渡过程热感觉的, 超越, 和, 滞后, 现
象
?代谢率 M要经过 6分钟才能达到最终活动状态下
的稳定代谢率。其间代谢率与时间呈线性关系。
?出汗状态以及人的活动扰动气流的变化会导致服
装热阻改变，要经过 6分钟才能达到新的稳定值，
其间服装热阻与时间呈线性关系。
83
过渡区热指标 RWI/HDR
?相对热指标 RWI：针对较热环境
?当 Pa ?2269 Pa时
?当 Pa? 2269 Pa时
2 3 4
)35(42.6])()[( aaacw RItIIMR W I ????? ??
1000/)44.5858(2.65
)35(42.6])()[(
a
aaacw
P
RItIIMR W I
?
????? ??
人体从不包括与空气
等温的墙表面的外界
获得的辐射热
84
过渡区热指标 RWI/HDR
?人体热损失率 HDR(W/m2)：针对较冷环境
?
acw
aa
II
RItMH D R
?
?????
)(
)56.30(42.6)(39.28
??
R W I 的分度与 AS H RA E 热感觉标度之间的关系
热感觉 AS H RA E 热感觉标度 相对热指标 R W I
暖 2 0,2 5
稍暖 1 0,1 5
中性 0 0,0 8
稍凉 -1 0,0 0
85
其他热湿环境的物理度量
不需
调节
可调
区
失调
区
疲劳
极限
Heat Stress
86
热舒适指标够用吗？
?在具有热失调危险的、远偏离热舒适区的状
态下，前面的热舒适指标是不够的，例如：
?高温车间
?寒冷工作空间
?典型指标
?高温环境：热应力指数
?低温环境：风冷却指数
87
热应力指数 HSI (Heat Stress Index)
Belding & Hatch,1955
?假定皮肤温度恒定在 35℃ 的基础上, 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, 呼吸散热不计, Emax的
上限值为 390 W/m2：
?HSI= Ereq / Emax ?100
H SI 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 1 00 暴露时间受体内温度升高的限制。
88
风冷却指数 WCI(Wind Chill Index)
Siple & Passel,1945
?皮肤温度在 33℃ 时皮肤表面的冷却速率
)33)(1045.10( aaa tVVW C I ????
风冷却指数与人体的生理效应
风冷却指数 k ca l / m
2
h 生理效应 风冷却指数 k ca l / m
2
h 生理效应
200 愉快 1200 剧冷
400 凉 1400 肌肉冻僵
800 冷 2500 不能忍受
1000 很冷
89
热环境与工作效率
?大量现场调查证实
?高温会降低劳动的效率
?寒冷影响肢体的灵活性
?温度偏离最佳值会增加事故发生率
?机理,激发的概念，工作本身＋物理环境
?中等激发时效率最高
?低激发导致人不清醒
?高激发导致不能全神贯注
90
理论效能与温度关系曲线
?T0为最小激发温度，接近、略高于热中性温度
91
体力劳动与热环境
92
脑力劳动与
热环境
?热的影响 11.8 11.9 11.11
93
94
冷应力和手工操作效能
?实验发现手的皮肤温度低于 15℃ 时，关节变
得僵硬灵巧性明显下降
?实验发现手的皮肤温度低于 6℃ 时出现麻木感
觉
?冷风有涣散精神作用，分散工作注意力
?体温过低导致人过于激奋，降低需要持续集
中注意力的工作的效能
95
?分别将两部分按集总参
数计算温度动态变化
?人体平均温度为两部分
温度的加权
?平均体温低于 36.34℃
就不会出汗
?皮肤温度低于 34℃,核
心温度同时低于 37℃ 会
出现冷颤，增加代谢率
二节点模型,Gagge,1970
中心层
新陈代谢
皮肤层
散热
96
二节点模型,Gagge,1970
?中心层热平衡
?皮肤层热平衡
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皮肤表面总散热，包括
对流、辐射和蒸发
传热系数，血
流量和比热
传热系数，血
流量和比热
冷颤增加
代谢率
97
二节点模型的应用
?求出体温即可求得排汗率
?有前面的 Emax关系可求出 w：
?w =(Ersw+Edif)/Emax=[Ersw+0.06(Emax-
Ersw)]/Emax
?由于应用了二节点模型，实际上 SET*可以考
虑动态过程中的人体热状况。但由于舒适的主
观评价实验是在稳态环境下做的，所以仍然不
能用于评价动态热环境。
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98
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？
99
思考题
?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？
100
思考题
?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？
