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 411人体的热平衡 41.1.1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 36.0~37.4 温 372 36.7~37.7 36.937.9 人体为了维持正常的体温,必须使产热和散热保持平衡。图41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 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; 人体外表面向周围环境通过对流形式散发的热量,W/m2 人体外表面向周围环境通过辐射形式散发的热量,Wm2 汗液蒸发和呼出的水蒸汽所带走的热量,Wm2 人体蓄热率,W/m2
1 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 AD=0.202mb0.425H0725 其中 A 人体皮肤表面积,m2; H 身高 体重,kg 如果一个人身高为1.78m,体重为65kg,则皮肤表面积为18m2左右。 环境表面 对流散热(C 服装 身体 产热 皮肤 出汗 辐射散热(R 外表面 汗液蒸发和呼吸散热(E) 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正常 异常 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 发越 皮肤温度,按照权系数0.3、0.3、02和02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(41)中的人体蓄热率S应为零,这时人国3 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 任温 死匚 病理发热的条件下,体温上升到383℃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 图4-2人类体温范围变化示意图1 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
2 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。 产热 (M-W) 身体 皮肤 服装 外表面 出汗 环境表面 汗液蒸发和呼吸散热(E) 对流散热(C) 辐射散热(R) 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 图 4-2 人类体温范围变化示意图[2] 正常 异常
认为人的最高致死体温为45℃ 在冷环境中,人体的散热増多,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28℃,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℃保持衅4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 45℃以上 皮肤组织迅速损伤,热痛阈 43~4l℃ 被烫伤的疼痛感 41~39℃ 39~37℃ 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(36me运动量时感觉舒适 坐着时有不愉快的冷感 5℃(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 411.2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,空气湿度偏高会増加人体的热感。但是在低温环境下如果空气湿度过高,就会使衣物变得潮
3 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。气流速度大会提高汘液的蒸发速率从而増加 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 4113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tr( Mean Radiant Temperature,MR 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 ∑Fnm 其中: T—平均辐射温度,K; F——周围环境第j个表面的角系数,m2; Ty——周围环境第j个表面的温度,K 周围环境第j个表面的黑度 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(4-3)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C,则有采用摄氏温标的 平均辐射温度近似表达式
4 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 r t (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： 0 1 4 4 = = k j nj j nj r ( F T ) T (4-3) 其中： Tr ⎯⎯ 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(4-3)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： = = k j r nj nj t ( F t ) 1 (4-4)
其中:t—平均辐射温度,℃ 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 T=Tg+24v(T8-7 (2)操作温度to( Operative Temperature) 操作温度L反映了环境空气温度L和平均辐射温度t的综合作用,其表达式为: h, tr+heta 式中:h——辐射换热系数,W(m2℃); ha—对流换热系数,W/(m2℃)。 (3)对流换热系数h 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。 4-2人体表面的对流换热系数[l 对流换热系数h(Wm2℃) 提出者 适应条件 8606 D. Mitchell (1974) 最好的平均值 受迫对流自然对流 Winslow等(1939) 用于 Fanger舒适方程 8.61 Gagge等(1969) 用于SET公式中 83y05 Kerslake(1972) 推荐采用 3.0 Nshi和Gage1977静止空气中的静止人体 1.16(M-50) 039 Nshi和 Gagge(1977静止空气中的活动人体 1.18△T025 Birkebak(1966) 2米高的圆柱体 2.38△1025 Nelson和 Peterson(1952)用于 Fanger舒适方程 Rapp(1973) 推荐用于静坐者 (4)对流质交换系数h 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h(即 蒸发换热系数)与对流换热系数h是相关的,二者存在固定的关系
5 其中： r t ⎯⎯ 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： 2.44 ( ) r g Tg Ta T =T + v − (4-5) (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 r t 的综合作用，其表达式为： r c r r c a o h h h t h t t + + = (4-6) 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 1.18T 0.25 Birkebak (1966) 2 米高的圆柱体 流 2.38T 0.25 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：