1、第五章 人體對熱濕環(huán)境的反應(yīng),清華大學(xué) 建筑學(xué)院 建筑技術(shù)科學(xué)系 2001年,2,人體對熱濕環(huán)境反應(yīng)的生理學(xué)和心理學(xué)基礎(chǔ),食物分解氧化熱量 人體的基本生理要求：維持體溫基本恒定！ 代謝率(Metabolic Rate)：人體新陳代謝反應(yīng)過程中能量釋放的速率,3,人體的熱平衡,熱平衡方程 M W C R E S = 0 皮膚表面積 AD 0.202 mb 0.425 H 0.725,身高1.78m 體重65kg AD為1.8m2,4,人體溫度,核心(Core)溫度 核心層：通常包括腦、脊椎、心臟、肝臟、消化器官等內(nèi)臟部分。 直腸溫度最接近。 外層(Shell)溫度 皮膚表面到 10 mm 以內(nèi)的

2、部分，通常包括皮膚，皮下脂肪和表層的肌肉。,5,人體體溫范圍,肝臟：最高，38 皮膚：與外界環(huán)境有關(guān) 各部分溫差不會太大 日夜有1以內(nèi)的波動 代表溫度：核心溫度,6,人體外層溫度,皮膚溫度 狀 態(tài) 45 以上皮膚組織迅速損傷 43 41 被燙傷的疼痛感 4139 疼感域 3937 熱的感覺 3735 開始有熱的感覺 3433 休息時處于熱中性狀態(tài), 熱舒適 3332 2-4met 的(中等)運動量時感覺舒適 3230 3-6met 的(較大)運動量時感覺舒適 3129 坐著時有不愉快的冷感 25 (局部)皮膚喪失感覺 20 (手)非常不快的冷感覺 15 (手)極端不快的冷感覺 5 (手) 伴隨

3、疼感的冷感覺,7,人體與外界的熱交換,人體與外界的熱交換 顯熱交換 對流散熱 輻射散熱 潛熱交換 皮膚散濕 出汗蒸發(fā) 皮膚濕擴散 呼吸散濕,8,影響人體與外界熱交換的因素,環(huán)境空氣溫度：對流換熱 環(huán)境表面溫度：輻射換熱 水蒸汽分壓力（空氣濕度）：對流質(zhì)交換 高溫環(huán)境：增加熱感 低溫環(huán)境：增加冷感！ 風速：對流熱交換和對流質(zhì)交換 吹風感：Draught，冷感和對皮膚的壓力沖擊 服裝熱阻：影響所有換熱形式,9,關(guān)于熱濕環(huán)境的術(shù)語,平均輻射溫度 或 近似式： 準確的應(yīng)該是四次方 黑球溫度 Tg 操作溫度：反映了環(huán)境空氣溫度ta和平均輻射溫度 的綜合作用,10,平均輻射溫度: 一個假象的等溫圍合面的表

4、面溫度，它與人體間的輻射熱交換量等于人體周圍實際的非等溫圍合面與人體間的輻射熱交換量。,=,11,熱質(zhì)交換系數(shù)的確定,對流換熱系數(shù)：專門針對人體的實驗數(shù)據(jù) 受迫對流 hc= C v n 自然對流：三種主要形式 hc=常數(shù) hc= C T 0.25 hc= C (M-50) 0.39 對流質(zhì)交換系數(shù)：傳質(zhì)與傳熱比擬 LR = he / hc = 16.5 /kPa,12,服裝的作用：保溫和阻礙濕擴散,服裝的性能： 服裝的熱阻Icl 服裝的透濕性 服裝的表面積,13,服裝的熱阻Icl,一般指顯熱熱阻 單位m2K/W和clo，其中1clo = 0.155 m2K/W 已知單件服裝熱阻： Icl =

5、0.161+0.835 Iclu,i,14,服裝的熱阻Icl,人運動時由于人體與空氣之間存在相對流速，會降低服裝的熱阻。 Icl = 0.504 Icl + 0.00281Vwalk 0.24 椅子給人增加0.15 clo以下熱阻 Icl = 7.48 10 5 CSAC 0.1,步速 3.7km/h 1clo 0.48 clo,15,舒適服裝熱阻與環(huán)境溫度、相對風速、活動強度的關(guān)系,16,服裝的透濕性,服裝的存在增加了皮膚的蒸發(fā)換熱熱阻： 服裝對皮膚表面的水蒸氣擴散有一個附加的阻力。 服裝吸收部分汗液，只有剩余部分汗液蒸發(fā)冷卻皮膚。使得需要更大蒸發(fā)量才能在皮膚表面上形成同樣的散熱量,17,服

6、裝的潛熱熱阻,服裝的蒸發(fā)換熱熱阻(干燥服裝)： Ie,cl = Icl / LR = Icl / 16.5 (kPa m2/W) 服裝被汗?jié)駶櫤鬅嶙钑陆?，顯熱換熱加強，又增加了潛熱換熱，故總傳熱系數(shù)增加：,18,服裝的表面積,服裝的面積系數(shù) fcl 定義：人體著裝后的實際表面積Acl和人體裸身表面積AD 之比。有實驗數(shù)據(jù)。 表達式：fcl = Acl / AD 與服裝熱阻的近似關(guān)系 fcl = 1.0 + 0.3 Icl,19,人體的能量代謝率,影響因素多： 肌肉活動強度：絕對的影響 環(huán)境溫度：偏高、偏低都增加代謝率 性別：男性高于女性 年齡：少年高于老人 神經(jīng)緊張程度：緊張則代謝率高 進食

7、后時間的長短等：進食后代謝率增加，蛋白質(zhì)代謝率高，糖和脂肪類代謝率低。 代謝率單位 met：1 met = 58.2 W/m2，即成年男子靜坐時的代謝率。,20,610%,基礎(chǔ)代謝率：參照基礎(chǔ),基礎(chǔ)代謝率(BMR ，Basal Metabolic Rate) :未進早餐前，保持清醒靜臥半小時，室溫條件維持在1825之間測定的代謝率：46 W/m2 BMR變化范圍：1015。超過20為病態(tài)。,21,肌肉活動與代謝率,肌肉活動強度對代謝率起決定性的影響 一般室內(nèi)運動代謝率多在5 met 以下,22,人體是高效的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)嗎？否！,機械效率 W / M 大部分室內(nèi)勞動機械效率近似0,23,人體的潛

8、熱散熱量：皮膚蒸發(fā),體表全部被汗?jié)駶櫍?Esk= Ersw + Edif = wEmax 接近熱舒適條件下的出汗?jié)摕嵘崃?Ersw = 0.42 ( M W 58.2 ) 皮膚濕潤度 w = Esk/Emax 皮膚濕擴散散熱量 沒有排汗時 Edif = 0.06 Emax 有正常排汗時 Edif = 0.06 (Emax Ersw),24,人體的潛熱散熱量：呼吸蒸發(fā),顯熱散熱量 Cres = 0.0014 M (34 ta ) W/m2 潛熱散熱量 Eres = 0.0173 M (5.867 Pa ) W/m2,25,人體與外界的輻射換熱方程,長波輻射 對太陽輻射的吸收,0.78 0.72

9、 0.7,人體對長波輻射的發(fā)射率和吸收率在0.95左右,26,人體散熱、散濕量的影響因素,全熱：主要決定于肌肉活動強度，受其它因素影響在應(yīng)用上可以忽略。 顯熱：決定于溫度，隨溫度上升而減少。 潛熱(散濕)：決定于溫度，隨溫度上升而增加。,27,28,人體排汗率 散濕量,決定因素 環(huán)境溫度 核心溫度(代謝率),29,人體的溫度感受系統(tǒng),20世紀初發(fā)現(xiàn)人的皮膚上存在對冷敏感的區(qū)域“冷點”和對熱敏感的區(qū)域“熱點” 人體各部位的冷點數(shù)目明顯多于熱點 為什么人對冷更敏感？,50mV,30,人體各部位冷點和熱點分布密度(個/cm2),參考文獻：H. Hensel, Thermoreception and

10、Temperature Regulation, London: Academic Press, 1981,31,冷、熱感受器的位置,冷、熱感受器存在于： 外周溫度感受器 皮膚 粘膜 內(nèi)臟 中樞性溫度敏感神經(jīng)元 脊髓 延髓 腦干網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),32,冷、熱感受器的位置,33,人體的體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng),下丘腦具有調(diào)節(jié)代謝、體溫和內(nèi)分泌功能，前部主要促進散熱來降溫，后部促進產(chǎn)熱抵御寒冷。 散熱調(diào)節(jié)方式 血管擴張，增加血流，提高表皮溫度 出汗 御寒調(diào)節(jié)方式 血管收縮，減少血流，降低表皮溫度 通過冷顫增加代謝率,34,人體的體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng),下丘腦前后部是相互制約起作用的，需要同時利用核心溫度和皮膚溫度信號來決定調(diào)節(jié)方

11、式。,35,人的體溫設(shè)定值隨肌肉活動強度而改變,在體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)正常工作時，增加環(huán)境溫度并不能提高人體的核心溫度（直腸溫度）。 只有改變代謝率才能改變?nèi)梭w核心溫度。,36,體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理,37,熱感覺,研究方法：心理學(xué) 定義：人對周圍環(huán)境“冷”“熱”的主觀描述。 特點：盡管人描述環(huán)境的冷熱，實際上只能感覺到自己皮膚下神經(jīng)末梢的溫度。所以“冷”“熱”與感受者的身體狀態(tài)有關(guān)，不是完全客觀的。 “中性”的定義：不冷不熱，人用于體溫調(diào)節(jié)消耗的能量最小。,38,感覺熱 感覺冷,熱感覺的影響因素,冷熱刺激的存在 刺激的延續(xù)時間 人體原有的狀態(tài),39,熱感覺的適應(yīng)性,28 30 32 34 36 38

12、 40,40,核心溫度對熱感覺的影響,溫暖,熱！ 核心溫度作用,中性 皮膚溫度作用,41,熱感覺的測量：問卷調(diào)查,42,什么是熱舒適?,觀點1： 舒適中性,?,43,什么是熱舒適?,觀點2： 舒適中性,44,熱舒適與熱中性的背離,45,影響熱舒適的因素,空氣濕度 垂直溫差 氣流與吹風感 輻射不均勻性 年齡、性別、季節(jié)、人種,46,空氣濕度,中性熱環(huán)境中，為什么潮濕的空氣使人不舒服？ 空氣濕度對人體排汗量有影響嗎？ 在皮膚沒有完全濕潤的情況下，增加空氣濕度會減少人體散熱量嗎？ 潮濕為什么不舒服？ 皮膚濕潤度增高皮膚黏著性增加不適,47,垂直溫差,盡管受試者處于熱中性狀態(tài)，頭足溫差仍然使人感到不舒

13、適。,20,28,48,垂直溫差,游泳池地面應(yīng)該保持的溫度是多少？,49,垂直溫差,ASHRAE Handbook：地板溫度和不滿意度的關(guān)系,50,氣流與吹風感 draught,定義：人體所不希望的局部降溫 但在“中性熱”環(huán)境下吹風往往是愉快的 其它不舒適的原因 局部壓力干擾 冷顫出現(xiàn),51,氣流與吹風感 draught,人頭頂上的自然對流速度是 0.2 m/s，所以是人體對風速可以覺察到的閾值，往往用來確定室內(nèi)風速的設(shè)計標準。 當空氣流速0.5 m/s，麥金太爾(1979)等研究者的實驗表明，只要把空氣溫度調(diào)整得合適（提高空氣溫度），就可以使空氣的流動幾乎覺察不到。,52,輻射不均勻性,向量

14、輻射溫度：室內(nèi)兩部分的平均壁面溫度差 向量輻射溫度超過10，人就感到不舒適,53,輻射不均勻性,輻射吹風感：房間內(nèi)局部低溫輻射導(dǎo)致人體所不希望的局部降溫 面對冷表面的平均輻射溫度比其它部分部分的平均輻射溫度低 8K 以上，將使人感到不舒適,54,其它因素：Fanger 的實驗結(jié)論,人種：非洲人比北歐人喜歡熱環(huán)境嗎？ 熱舒適感覺一樣，只是熱帶人對熱環(huán)境有較強適應(yīng)力，寒帶人對冷環(huán)境有較強適應(yīng)力。 年齡：老年人比年輕人更喜歡熱環(huán)境嗎？ 不是，只是老年人活動量小。 性別：女性比男性更喜歡熱環(huán)境嗎？ 不是，只是女性喜歡穿較輕薄的衣服。 季節(jié)和一天中的時間會影響熱舒適感嗎？ 盡管人體溫有波動，但熱舒適感沒

15、有明顯變化,55,熱感覺投票和熱舒適投票,Thermal Comfort Vote & Thermal Sensation Vote,56,人體對穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境的反應(yīng)描述理論建立者：P. O. Fanger,熱舒適方程 令人體熱平衡方程中蓄熱率 S0，得出： (M W)=fcl hc (tcl - ta ) + 3.9610-8 fcl (tcl + 273)4 ( + 273)4 +3.05 5.733 0.007(MW) Pa + 0.42( MW 58.2 ) +1.73 10-2 M (5.867 Pa ) + 0.0014 M (34 ta ),57,預(yù)測平均評價PMV (Predict

16、ed Mean Vote),PMV = (0.303 e0.036 M + 0.0275) TL = (0.303 e0.036 M + 0.0275) M W 3.05 5.733 0.007 (M W) Pa 0.42(MW58.15) 1.7310-2M(5.867Pa) fcl hc (tcl ta ) 0.0014 M (34 ta ) 3.96 10-8 fcl (tcl + 273)4 (+ 273)4 ,58,PMV指標的7級分度,分度方法和TSV基本一致 PMV指標只代表了同一環(huán)境下絕大多數(shù)人的感覺，不能代表所有個人的感覺。,59,預(yù)測不滿意百分比PPD(Predicted

17、Percent Dissatisfied),PPD是通過概率分析確定某環(huán)境條件下人群不滿意的百分數(shù) PPD10095exp(0.03353 PMV 4 + 0.2179 PMV2),即便達到 PMV0，仍然有5的人不滿意。,60,熱舒適方程與PMV指標特點總結(jié),只適用于接近熱舒適的狀態(tài)（tsk和Ersw與環(huán)境溫度完全無關(guān)），所以變量中除由人體活動強度確定的代謝率外只有外部參數(shù)。 舒適程度由對熱中性的偏移程度確定，與偏移的時間長短沒有關(guān)系，與人體的熱狀態(tài)變化沒有關(guān)系。 PMV的計算是完全客觀的，但指標的含義卻是由主觀感覺統(tǒng)計確定的。,61,在曼谷、新加坡、Athens、布里斯班做的 3200 組

18、非空調(diào)環(huán)境的測試結(jié)果：PMV與實際TSV的偏差。,62,2000年夏安徽涇縣民居：非空調(diào)環(huán)境熱舒適調(diào)查,63,其它穩(wěn)態(tài)熱反應(yīng)評價指標：(1)有效溫度ET,1919開始研究，1967前的ASHRAE手冊采用 有效溫度ET定義：“這是一個將干球溫度、濕度、空氣流速對人體溫暖感或冷感的影響綜合成一個單一數(shù)值的任意指標。它在數(shù)值上等于產(chǎn)生相同感覺的靜止飽和空氣的溫度。” 對于正常穿著：ET=0.492Ta+0.19Pa+6.47 對于半裸者: (二式條件均為 va0.15m/s) ET=(0.944Ta+0.056Twb)/1+0.22(Ta-Twb) 缺點：低溫條件下濕度的影響不準確,64,(1)有

19、效溫度ET諾謨圖,風速 (m/s),干球溫度(),普通衣著，坐姿輕勞動條件。,濕球溫度(),65,(2)新有效溫度ET*(Gagge),ASHRAE標準55-74，ASHREA手冊1977版 參考空氣環(huán)境：身著0.6 clo服裝靜坐，空氣流速0.15m/s，相對濕度50，干球溫度T0 如果同樣服裝和活動的人在某環(huán)境中的冷熱感與上述參考空氣環(huán)境中的冷熱感相同，則此環(huán)境的 ET*T0 該指標只適用于著裝輕薄、活動量小、風速低的環(huán)境。,66,(3)標準有效溫度SET*,特點：綜合考慮了不同的活動水平和衣服熱阻 定義：某個空氣溫度等于平均輻射溫度的等溫環(huán)境中的溫度，其相對濕度為50%，空氣靜止不動，在

20、該環(huán)境中身著標準熱阻服裝的人若與他在實際環(huán)境和實際服裝熱阻條件下的平均皮膚溫度和皮膚濕潤度相同時，則必將具有相同的熱損失，這個溫度就是上述實際環(huán)境的SET*。,皮膚總散熱量,皮膚溫度,皮膚濕潤度,SET*下飽和 水蒸汽分壓力,皮膚表面飽和 水蒸汽分壓力,67,ASHRAE舒適區(qū),對于穿輕薄服裝，坐著工作，空氣流速較低的情況，SET*就等于ET*。 坎薩斯州立大學(xué)實驗條件：0.60.8 clo坐著 55-74條件：0.81clo坐著但活動稍大,68,(3)標準有效溫度SET*,SET*=24,22.5，100,24，50% SET*20,69,其它熱環(huán)境評價指標,合成溫度 當量溫度 主觀溫度 有

21、效送風溫度(有效吹風感),70,合成溫度,米森納爾德1931年提出概念，1948年形成公式 特點：包含了輻射的影響（ET未考慮），但未考慮空氣流動的影響 干球合成溫度：Tres=0.47 Ta+0.53 Tr 英國的特許建筑設(shè)備工程師學(xué)會(CIBS)1978年把干球合成溫度作為推薦指標。低風速下為： Tres=0.5 ( Ta+ Tr ),71,當量溫度,Dufton于1932年提出概念：一個均勻封閉體的溫度，在該封閉體內(nèi)，一個高550mm直徑190mm的黑色圓柱體的散熱量與其在實際環(huán)境中的散熱量相等。 綜合空氣溫度、平均輻射溫度和空氣流速的影響 Bedford的實驗回歸公式,72,主觀溫度,

22、目的：尋求既考慮了更全面的影響因素，又要有簡單的表現(xiàn)形式，同時希望把活動量和衣著條件的影響與物理環(huán)境因素分開 Mc Intyre等1975年總結(jié)的回歸公式： v 0.1m/s時：,73,主觀溫度,已知衣著和活動量條件下，舒適的主觀溫度是： 適用范圍：50M150W/m2，0Icl1.5,74,有效送風溫度(有效吹風感),針對氣流引起的吹風感評價，反映了氣流速度和空氣溫度的共同作用 霍頓1938年的實驗，里德伯格爾等1949年總結(jié)，內(nèi)文斯1971年提出公式： (Tj - Ta) - 8(v - 0.15) 舒適標準為：-1.7 1.1，v 0.35 m/s 現(xiàn)用于風口性能評價的ADPI指標,75

23、,人體對動態(tài)熱環(huán)境的反應(yīng),什么是動態(tài)熱環(huán)境？ 非空調(diào)環(huán)境 在溫度不同的空間之間穿行 使用搖頭電風扇 變溫變風速的空調(diào)方式 人對動態(tài)與穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境反應(yīng)不同的機理 熱感覺的適應(yīng)性 核心溫度和皮膚溫度變化的不一致性,76,Gagge 的發(fā)現(xiàn)：人處于突變的環(huán)境空氣溫度時，盡管皮膚溫度和核心體溫的變化需要好幾分鐘，但熱感覺卻會隨空氣溫度的變化馬上發(fā)生變化。 由中性冷/熱，感覺滯后 由冷/熱中性，感覺超前,對突變溫度環(huán)境的反應(yīng),77,對突變溫度環(huán)境的反應(yīng),突變溫度對TSV和皮膚溫度的影響實驗(clo=0.6),清華實驗，證實了熱感覺與皮膚溫度的分離現(xiàn)象： 中性熱，感覺滯后 熱中性，感覺超前,78,人體對變化

24、風速的反應(yīng),現(xiàn)有的研究成果 對搖擺風扇的接受程度優(yōu)于固定風扇 動態(tài)風能夠改善“中性熱”環(huán)境下人體熱感覺 氣流的脈動頻率對人體熱感覺有影響,79,不同類型風的風速變化,固定風扇的機械風,自然風,80,不同類型風的頻譜特征,81,人體對不同類型脈動風速的接受程度實驗（清華）,82,過渡區(qū)熱指標RWI/HDR,美國運輸部提出的人體在過渡空間環(huán)境的熱舒適指標，適用于候車空間環(huán)境設(shè)計。 對一種活動狀態(tài)過渡到另一狀態(tài)的處理： 未考慮過渡過程熱感覺的“超越”和“滯后”現(xiàn)象 代謝率M要經(jīng)過6分鐘才能達到最終活動狀態(tài)下的穩(wěn)定代謝率。其間代謝率與時間呈線性關(guān)系。 出汗狀態(tài)以及人的活動擾動氣流的變化會導(dǎo)致服裝熱阻改

25、變，要經(jīng)過6分鐘才能達到新的穩(wěn)定值，其間服裝熱阻與時間呈線性關(guān)系。,83,過渡區(qū)熱指標RWI/HDR,相對熱指標 RWI：針對較熱環(huán)境 當Pa 2269 Pa時 當Pa 2269 Pa時,人體從不包括與空氣等溫的墻表面的外界獲得的輻射熱,84,過渡區(qū)熱指標RWI/HDR,人體熱損失率HDR(W/m2)：針對較冷環(huán)境,85,其他熱濕環(huán)境的物理度量,86,熱舒適指標夠用嗎？,在具有熱失調(diào)危險的、遠偏離熱舒適區(qū)的狀態(tài)下，前面的熱舒適指標是不夠的，例如： 高溫車間 寒冷工作空間 典型指標 高溫環(huán)境：熱應(yīng)力指數(shù) 低溫環(huán)境：風冷卻指數(shù),87,熱應(yīng)力指數(shù)HSI (Heat Stress Index) Bel

26、ding & Hatch, 1955,假定皮膚溫度恒定在35的基礎(chǔ)上，在蒸發(fā)熱調(diào)節(jié)區(qū)內(nèi)，認為所需要的排汗量為Ereq等于代謝量減去對流和輻射散熱量，呼吸散熱不計，Emax的上限值為390 W/m2： HSI= Ereq / Emax 100,88,風冷卻指數(shù)WCI(Wind Chill Index)Siple & Passel, 1945,皮膚溫度在33時皮膚表面的冷卻速率,89,熱環(huán)境與工作效率,大量現(xiàn)場調(diào)查證實 高溫會降低勞動的效率 寒冷影響肢體的靈活性 溫度偏離最佳值會增加事故發(fā)生率 機理： 激發(fā)的概念，工作本身物理環(huán)境 中等激發(fā)時效率最高 低激發(fā)導(dǎo)致人不清醒 高激發(fā)導(dǎo)致不能全神貫注,90,理論效能與溫度關(guān)系曲線,T0為最小激發(fā)溫度，接近、略高于熱中性溫度,91,體力勞動與熱環(huán)境,92,腦力勞動與熱環(huán)境,熱的影響 11.8 11.9 11.11,93,94,冷應(yīng)力和手工操作效能,實驗發(fā)現(xiàn)手的皮膚溫度低于15時，關(guān)節(jié)變得僵硬靈巧性明顯下降 實