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1、第四章 人体对热湿环境的反应,1,主要内容,人体对热湿环境反应的生理学和心理学基础 人体热平衡 温度感受系统与调节系统 热感觉与热舒适 人体对稳态热环境的反应 人体对动态热环境的反应 其他热湿环境的物理度量 热环境与工作效率 二节点模型,2,人体对热湿环境反应的生理学和心理学基础,3,人体的基本生理要求,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,1. 人体的热平衡,4,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1.78
2、m 体重65kg AD为1.8m2,5,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。,6,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,7,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 4139 疼感域 3937 热的感觉 3735 开始有热的感觉 3433 休息时处于热中性状态, 热舒适 3332 2-4met 的(中等)运
3、动量时感觉舒适 3230 3-6met 的(较大)运动量时感觉舒适 3129 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,8,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,9,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
4、换热形式,10,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,11,平均辐射温度: 一个假想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。,=,12,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,13,服装的作用：保温和阻碍
5、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,14,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,15,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 = 0.748 Ach 0.1,步速 3.7km/h 1clo 0.48 clo,16,舒适服装热阻与环境温度、相对风速、活动强度的关系,17,服装的透湿
6、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,18,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 clo干燥服装被汗湿润后的热阻,19,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
7、服装热阻的近似关系 fcl = 1.0 + 0.3 Icl,20,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。,21,610%,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1825之间测定的代谢率：46 W/m2 BMR变化范围：10
8、15%。超过20为病态。,22,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,23,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0,24,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),25,人体的潜热散热量：呼吸蒸
9、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/m2,26,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,人体对长波辐射的发射率和吸收率在0.95左右,27,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。,28,29,决定人体排汗率的主要因素,环境温度 核心温度(代谢率),30,人体的温度感受系统,20世纪初发
10、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,2.温度感受系统与调节系统,31,人体各部位冷点和热点分布密度(个/cm2),参考文献：H. Hensel, Thermoreception and Temperature Regulation, London: Academic Press, 1981,32,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,33,冷、热感受器的位置,34,下丘脑具有调节代谢、体温和内分泌功能，前部主要促进散
11、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,人体的体温调节系统,35,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。,36,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。,37,体温调节系统的工作原理,2.温度感受系统与调节系统,38,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
12、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。,3.热感觉与热舒适,39,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,感觉热 感觉冷,5,变热,40,热感觉的适应性,28 30 32 34 36 38 40,温度的变化(),适应温度（）,41,核心温度对热感觉的影响,温暖,中性 皮肤温度作用,热！ 核心温度作用,42,热感觉的测量：问卷调查,43,什么是热舒适?,观点1： 舒适中性,?,44,什么是热舒适?,观点2： 舒适中性,45,热舒适与热中性的背离,4
13、6,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,47,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 可能引起不舒适的皮肤湿润度的上限 w 0.0012 M + 0.15,48,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。,20,28,49,垂直温差,游泳池地面应该保持的温度是多少？,50,垂直温差,ASHRAE Handbook：地板温度和不满意度的关系,51,气流与吹风感
14、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,52,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。,53,气流与吹风感 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：
15、 (Tj - Ta) - 8(v - 0.15),可接受区为： -1.7 1.1，v 0.35 m/s,54,气流与吹风感湍流度Tu,在冷-中性环境下，气流的湍流度Tu对吹风感有重要的影响,如果把空气流速表为平均流速和 脉动流速v之和： 则有：,不满意度与风速、风温以及湍流度之间的关系：,55,辐射不均匀性,辐射吊顶的位置、尺寸、 表面温度与舒适性的关系,向量辐射温度：室内两部分的平均壁面温度差：Tv = Fpc ( Tc T ) 向量辐射温度超过10，人就感到不舒适,TcTr (K),Tc,Tr,T,56,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
16、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,57,辐射不对称性与满意率的关系,58,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,59,热感觉投票和热舒适投票,Thermal Comfort Vote & Thermal Sensation Vote,3.热感觉
