清华大学建筑学院：《建筑环境学》课程教学资源（讲义）第四章人体对热湿环境的反应.doc_P11-P15

11 如果环境的湿度增加，尽管 Esk 仍为常数，皮肤湿润度 w 也会增加。如果没有排汗，皮肤湿扩散的散热量应该为： Edif = 0.06 Emax (4-24) 而有正常排汗时，皮肤湿扩散散热量为： Edif = 0.06 (Emax – Ersw) (4-25) 汗液蒸发散热量 Ersw 是由体温调节系统控制的。Fanger[12]认为当人体感觉接近“中性”即不太冷也不太热时，人体平均皮肤温度 tsk 和出汗造成的潜热散热量 Ersw 取决于人体代谢率和对外所做的功。在接近热舒适条件下，根据 Rohlesh Nevins 的实验有以下回归式： tsk = 35.7 − 0.0275 ( M − W ) (4-26) Ersw = 0.42 ( M – W – 58.2 ) (4-27) 其中的 Ersw 单位为 W/m2。此外，联立方程(4-20)～(4-23)、(4-25)～(4-27)，并对换热热阻进行一些简化，可得到舒适条件下的皮肤湿润度： 0.06 46 [5.733 0.007( ) ] 58.2 + − − − − − = he M W Pa M W w (4-28) (2) 人体的呼吸散热散湿量人体的呼吸散热量包括显热散热和潜热散热两部分。显热散热量 Cres 为： Cres = 0.0014 M (34 − ta ) W/m2 (4-29) 呼吸时的潜热散热量 Eres 为： Eres = 0.0173 M (5.867 − Pa ) W/m2 (4-30) 4.1.1.5.4 人体与外界的辐射换热量温度为 600K 以下的表面，所发射辐射能的波长一般在 2m 以上[15]。因此在一般的建筑室内环境中，多数表面只发射长波辐射。这些表面与人体表面的温度基本在相同的量级，而在长波辐射范围内可认为人体与环境表面均为灰体，因此人体与外界的长波辐射的换热方程可表为： ( ) 4 4 cl eff Tcl Tr R =  f f  − (4-31) 其中： ⎯⎯人体表面的发射率；  ⎯⎯ 斯蒂芬·玻尔兹曼常数，5.6710-8W/m2K4 ； 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。长波辐射范围内灰体的发射率 等于吸收率 a，在一般衣着条件下，人体整体的吸收率一般在 0.95 以上[5]，除非穿着了用高红外反射率的特殊材料制作的衣物。这个值是考虑了人体服装覆盖部

分与裸露部分的平均值与对长波辐射的吸收不同,人体对于以可见光与近红外线为主的太阳辐射以及其他短波辐射的吸收主要取决于人体表面的吸收率: R()=a(d)fclfefr/(a) (4-32) 其中: 4)——人体表面对某种波长的短波辐射的吸收率 l(4)——某种波长短波辐射的辐射照度,W/m2。人体的表面颜色,包括人着装的颜色和人的肤色,均影响了人体对太阳辐射的吸收率。表4-9 是Gage和 Nishi(1977)提出的不同肤色人种和服装在不同辐射源温度下的吸收率人体处于不同的姿态必然影响人体对外暴露的表面的大小,因此需要根据人体不同姿态对人体的表面积进行修正。表410给出的是 Fanger(1972)以及 Guibert和 Taylor(1952)通过照相获得的人体姿态影响有效表面积的修正系数f 表4-9人体表面吸收率a的推荐实用值l 辐射源温度电炉100K钨丝22太阳600K 中间色服装裸体(高加索人) 0.95 0.65 0.4 裸体(黑人) 0.95 表4-10人体的有效辐射面积修正系数f1ll Fanger (1972) Guibert和 Tayler(1952) 坐着 0.7 站者 4.1.1.5.5不同环境条件和活动强度下人体的散热和散湿量前面已经介绍了决定人体代谢率的最显著因素是肌肉活动强度。因此,当活动强度一定时,人体的发热量在一定温度范围内可以近似看作是常数。但随着环境空气温度的不同,人体冋环境散热量中显热和潜热的比例是随着环境空气温度变化的。环境空气温度越髙,人体的显热散热量就越少, 潜热散热量越多。环境空气温度达到或超过人体体温时,人体向外界的散热形式就全部变成了蒸发潜热散热。表4-11是我国成年男子在不同环境温度条件和不同活动强度条件下向外界散热、散湿量的分配。表中没有给出环境的平均辐射温度,因此可以认为平均辐射温度与环境空气温度相同,而着装则是该环境温度和活动强度条件下人们的常规衣着。表4-11成年男子在不同环境温度条件下的散热、散湿量H 活动强度散热散湿环境温度(℃)

12 分与裸露部分的平均值。与对长波辐射的吸收不同，人体对于以可见光与近红外线为主的太阳辐射以及其他短波辐射的吸收主要取决于人体表面的吸收率： R() a() f f I() = cl eff (4-32) 其中： a () ⎯⎯人体表面对某种波长的短波辐射的吸收率； I() ⎯⎯ 某种波长短波辐射的辐射照度，W/m2。人体的表面颜色，包括人着装的颜色和人的肤色，均影响了人体对太阳辐射的吸收率。表 4-9 是 Gagge 和 Nishi（1977）提出的不同肤色人种和服装在不同辐射源温度下的吸收率。人体处于不同的姿态必然影响人体对外暴露的表面的大小，因此需要根据人体不同姿态对人体的表面积进行修正。表 4-10 给出的是 Fanger（1972）以及 Guibert 和 Taylor（1952）通过照相获得的人体姿态影响有效表面积的修正系数 feff。表 4-9 人体表面吸收率 a 的推荐实用值[11] 辐射源温度电炉 1100 K 钨丝 2200 K 太阳 6000 K 中间色服装 0.9 0.8 0.7 裸体（高加索人） 0.95 0.65 0.4 裸体（黑人） 0.95 0.9 0.8 表 4-10 人体的有效辐射面积修正系数 feff[11] Fanger（1972） Guibert 和 Tayler（1952）坐着 0.7 0.7 站者 0.72 0.78 半立着 0.72 4.1.1.5.5 不同环境条件和活动强度下人体的散热和散湿量前面已经介绍了决定人体代谢率的最显著因素是肌肉活动强度。因此，当活动强度一定时，人体的发热量在一定温度范围内可以近似看作是常数。但随着环境空气温度的不同，人体向环境散热量中显热和潜热的比例是随着环境空气温度变化的。环境空气温度越高，人体的显热散热量就越少，潜热散热量越多。环境空气温度达到或超过人体体温时，人体向外界的散热形式就全部变成了蒸发潜热散热。表 4-11 是我国成年男子在不同环境温度条件和不同活动强度条件下向外界散热、散湿量的分配。表中没有给出环境的平均辐射温度，因此可以认为平均辐射温度与环境空气温度相同，而着装则是该环境温度和活动强度条件下人们的常规衣着。表 4-11 成年男子在不同环境温度条件下的散热、散湿量[4] 活动强度散热散湿环境温度 (℃)

13 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 静坐显热(W) 84 81 78 74 71 67 63 58 53 48 43 潜热(W) 26 27 30 34 37 41 45 50 55 60 65 散湿(g/h) 38 40 45 50 56 61 68 75 82 90 97 极轻劳动显热(W) 90 85 79 75 70 65 61 57 51 45 41 潜热(W) 47 51 56 59 64 69 73 77 83 89 93 散湿(g/h) 69 76 83 89 96 102 109 115 123 132 139 轻度劳动显热(W) 93 87 81 76 70 64 58 51 47 40 35 潜热(W) 90 94 100 106 112 117 123 130 135 142 147 散湿(g/h) 134 140 150 158 167 175 184 194 203 212 220 中等劳动显热(W) 117 112 104 97 88 83 74 67 61 52 45 潜热(W) 118 123 131 138 147 152 161 168 174 183 190 散湿(g/h) 175 184 196 207 219 227 240 250 260 273 283 重度劳动显热(W) 169 163 157 151 145 140 134 128 122 116 110 潜热(W) 238 244 250 256 262 267 273 279 285 291 297 散湿(g/h) 356 365 373 382 391 400 408 417 425 434 443 4.1.2 人体的温度感受系统用一个小而尖的凉或热的金属探针探测皮肤，可以发现大部分皮肤表面触及探针时并不产生冷或热的感觉，只有很少的探测点有冷热感觉反应。20 世纪初就有很多研究者发现人的皮肤上存在着“冷点”和“热点”，即对冷敏感的区域和对热敏感的区域。文献[7]介绍了 Strughold 和 Porz（1931）以及 Rein（1925）等研究者发表的人体各部位皮肤冷点和热点分布密度的实测结果。其研究表明人体各部位的冷点数目明显多于热点，而且冷点和热点的位置不相同。表 4-12 人体各部位冷点和热点分布密度(个/cm2 )[7] 部位冷点热点部位冷点热点前额 5.4-8.0 手背 7.4 0.5 鼻子 8.0 1.0 手掌 1.0-5.0 0.4 嘴唇 16.0-19.0 手指背 7.0-9.0 1.7 脸部其他部位 8.4-9.0 1.7 手指肚 2.0-4.0 1.6 胸部 9.0-10.2 0.3 大腿 4.4-5.2 0.4 腹部 8.0-12.5 小腿 4.3-5.7 后背 7.8 脚背 5.6 上臂 5.0-6.5 脚底 3.4 前臂 6.0-7.5 0.3-0.4 人体能够感受外界的温度变化是因为在人体皮肤层中存在温度感受器，当它们受到冷热刺激时，就会产生冲动，向大脑发出约 50mV 左右的脉冲信号，信号的强弱由脉冲的频率决定。如果将一个微电极插入一个神经元的轴突中或单个神经纤维中，就可以直接记录下这些脉冲，同时可以考

察到它们的频率随温度刺激的改变而改变。目前科学家就是用这种手段来研究人体和动物的冷热感觉和体温调节的生理机制。除人体皮肤中存在温度感受器外,人体体内的某些粘膜和腹腔内脏等处也存在温度感受器。这些均可称作人体的外周温度感受器。而人体的脊髓、延髓和脑干网状结构中也存在着能感受温度变化的神经元,称作人体的中枢性温度敏感神经元。下丘脑局部温度改变O.L℃,这些神经元的放电频率就会有所改变,而且没有适应现象。延髓和脑干网状结构中的温度敏感神经元还对传入的温度信息有不同程度的整合处理功能。冷感受器的位霄根据温度感受器对动态刺激的反粒层角质层应特性,可以将它们分为热感受器和冷感受器两种。不管初始温度如何, 表皮层热感受器总是对热刺激产生一个大的激越脉冲,或者说当温度高于30C时开始产生脉冲;而在冷刺激下,应激性短暂地被抑制。与此相反,冷感受皮下紅织器只对冷刺激产生冲动,即当温度低保于30°C时开始产生脉冲,在热刺激下真皮乳头被抑制。当皮肤温度和人体核心温度改变时,温度感受器感受到这种变化, 图4-4冷感受器处的皮肤结构产生瞬态的冷热感觉,同时发放脉冲信号,通过脊髓传递到大脑。热感受器与冷感受器的信号在传输过程中是分开传送的,在中枢神经系统的不同层次进行整合,产生对应的冷感觉和热感觉,同时对产热和散热的过程进行促进或抑制虽然迄今用显微镜还无法识别冷热感受器,但现代生理学的发展使人们对皮肤的机构有了更清晰的认识。1930年 Bazett等人已经发现冷感受器位于贴近皮肤表面下0.15~0.17mm的生发层中而热感受器则位于皮肤表面下约0.3~06mm处。图4-48给出了冷感受器处的皮肤结构。冷感受器与热感受器在皮肤中的分布密度是不同的,冷感受器的数目要多于热感受器。冷热感受器的这种位置分布和密度分布决定了人体对冷感觉的反应比对热感觉的反应更敏感。 413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。体温调节的主要功能是将人体的核心温度维持在一个适合于生存的较窄的范围内。体温调节系统的机能是相当复杂的迄今尚未完全搞清楚。某些体温调节过程是用激素控制的,例如,由甲状腺所产生的甲状腺酸起着増加人体内产热量的作用,它在冷环境中会有所增加,而在热环境中则减少。总的来说,体温调节主要是依靠神经调节和体液调节来完成的。对体温调节系统最重要的输入量是核心温度和平均皮肤温度。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

14 察到它们的频率随温度刺激的改变而改变。目前科学家就是用这种手段来研究人体和动物的冷热感觉和体温调节的生理机制。除人体皮肤中存在温度感受器外，人体体内的某些粘膜和腹腔内脏等处也存在温度感受器。这些均可称作人体的外周温度感受器。而人体的脊髓、延髓和脑干网状结构中也存在着能感受温度变化的神经元，称作人体的中枢性温度敏感神经元。下丘脑局部温度改变 0.1℃，这些神经元的放电频率就会有所改变，而且没有适应现象。延髓和脑干网状结构中的温度敏感神经元还对传入的温度信息有不同程度的整合处理功能。根据温度感受器对动态刺激的反应特性，可以将它们分为热感受器和冷感受器两种。不管初始温度如何，热感受器总是对热刺激产生一个大的激越脉冲，或者说当温度高于 30C 时开始产生脉冲；而在冷刺激下，应激性短暂地被抑制。与此相反，冷感受器只对冷刺激产生冲动，即当温度低于 30C 时开始产生脉冲，在热刺激下被抑制。当皮肤温度和人体核心温度改变时，温度感受器感受到这种变化，产生瞬态的冷热感觉，同时发放脉冲信号，通过脊髓传递到大脑。热感受器与冷感受器的信号在传输过程中是分开传送的，在中枢神经系统的不同层次进行整合，产生对应的冷感觉和热感觉，同时对产热和散热的过程进行促进或抑制。虽然迄今用显微镜还无法识别冷热感受器，但现代生理学的发展使人们对皮肤的机构有了更清晰的认识。1930 年 Bazett 等人已经发现冷感受器位于贴近皮肤表面下 0.15～0.17 mm 的生发层中，而热感受器则位于皮肤表面下约 0.3~0.6 mm 处。图 4-4 [8]给出了冷感受器处的皮肤结构。冷感受器与热感受器在皮肤中的分布密度是不同的，冷感受器的数目要多于热感受器。冷热感受器的这种位置分布和密度分布决定了人体对冷感觉的反应比对热感觉的反应更敏感。 4.1.3 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。体温调节的主要功能是将人体的核心温度维持在一个适合于生存的较窄的范围内。体温调节系统的机能是相当复杂的，迄今尚未完全搞清楚。某些体温调节过程是用激素控制的，例如，由甲状腺所产生的甲状腺酸起着增加人体内产热量的作用，它在冷环境中会有所增加，而在热环境中则减少。总的来说，体温调节主要是依靠神经调节和体液调节来完成的。对体温调节系统最重要的输入量是核心温度和平均皮肤温度。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图 4-4 冷感受器处的皮肤结构[8]

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。例如在静止时为36.8℃,步行时为 374℃,慢跑时为379℃,剧烈运动时可能高达395℃。调节体温的中枢主要在下丘脑。它是大脑的一部分,在食物摄入、水分平衡、体温调节等些自主功能中起主要作用。下丘脑由几个分区组成,其中两个分区控制着温度调节,称为下丘脑前部和后部。一些实验观察到下丘脑前部的主要作用是促进散热,而后部的主要作用是促进产热以达到御寒的目的。但也有实验发现下丘脑前部也对产热有影响作用,因此下丘脑是一个整体分层次的体温调节的中枢整合机构。人体体温的调节方法包括调节皮肤表层的血流量、调节排汗量和提高产热量。人体的皮肤表层的血流量能够在很大范围内变动,可以从几乎为零直至得到心脏输出量的12%。人体出汗进行体温调节是靠小汗腺起作用。汗液中水分占99%以上,固体成分不足1%,大部分为NaCl。下丘脑前部的作用是调动人体的散热功能。如果周围环境温度(空气、围护结构、周围物体表面的温度)提高,或进行大运动量的活动,热感受器就会向大脑发出信息。只要下丘脑前部的温度稍高于设定值,它就会发送出神经脉冲以引发人体的相关扩张和排汗机能。皮肤表层的血管就会扩张以便增加血液流量,这样血液就能够把更多的热量带到皮肤表面,提髙皮肤温度,从而増加皮肤向环境的散热量。如果这样仍然不能抑制身体内部的温度上升,体温调节系统就会命令皮肤岀汘汗, 通过蒸发来带走身体的热量。图4-5是 Robinson(1949)对人体在不同空气温度下排汗率与核心温度(直肠温度)关系的实验结果l。实验中直肠温度的改变是通过改变工作强度取得的,而排汗速率是由直肠温度和皮肤温度共同决定的。在温度调节系统正常工作时,提高环境温度不会改变人体的核心温度或直肠温度,只能增加排汗速率下丘脑的后部执行着抵御寒冷的功能。当人体处于冷环境下,下丘脑的后部从冷感受器接受温度信号,然后指示皮下血管收缩以减少身体表层的血流量,通过这种方式可以降低皮肤温度以减少人体辐射和对流热损失。为了调节温度而改变血流量和皮肤表面细胞的大小的机能叫做血管收缩调节。如果人体内部温度仍不能维持恒定,人体体温调节系统就会自动通过冷颤等方式增加代谢率如果人体产热量不能抵偿热损失,体温就不可避免地要下降。因此,人体的御寒能力是很弱的,相对而言,人体防止过热的能力却要强得多。这也可能是人体对冷刺激的反应要比对热刺激的反应更敏感的原因。冷颤是骨骼肌的一种不随意收缩活动,是由皮肤冷感受器引起的反射活动。骨骼肌收缩时产生大量的热,气温越低,冷颤越强,产热越多,因而可以保持体温不变。人在温暖环境中休息时, 内脏产热量为总产热量的57.6%,而肌肉活动时,这种产热量分配比例产生根本的变化。例如,中等强度的运动,总产热量增加3倍,此时骨骼肌的产热量占总量的75~80%。因此在寒冷环境中使手脚经常活动,也可以增加产热,达到抵抗寒冷的目的

15 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。例如在静止时为 36.8℃，步行时为 37.4℃，慢跑时为 37.9℃，剧烈运动时可能高达 39.5℃。调节体温的中枢主要在下丘脑。它是大脑的一部分，在食物摄入、水分平衡、体温调节等一些自主功能中起主要作用。下丘脑由几个分区组成，其中两个分区控制着温度调节，称为下丘脑前部和后部。一些实验观察到下丘脑前部的主要作用是促进散热，而后部的主要作用是促进产热以达到御寒的目的。但也有实验发现下丘脑前部也对产热有影响作用，因此下丘脑是一个整体分层次的体温调节的中枢整合机构。人体体温的调节方法包括调节皮肤表层的血流量、调节排汗量和提高产热量。人体的皮肤表层的血流量能够在很大范围内变动，可以从几乎为零直至得到心脏输出量的 12%。人体出汗进行体温调节是靠小汗腺起作用。汗液中水分占 99％以上，固体成分不足 1%，大部分为 NaCl。下丘脑前部的作用是调动人体的散热功能。如果周围环境温度（空气、围护结构、周围物体表面的温度）提高，或进行大运动量的活动，热感受器就会向大脑发出信息。只要下丘脑前部的温度稍高于设定值，它就会发送出神经脉冲以引发人体的相关扩张和排汗机能。皮肤表层的血管就会扩张以便增加血液流量，这样血液就能够把更多的热量带到皮肤表面，提高皮肤温度，从而增加皮肤向环境的散热量。如果这样仍然不能抑制身体内部的温度上升，体温调节系统就会命令皮肤出汗，通过蒸发来带走身体的热量。图 4-5 是 Robinson（1949）对人体在不同空气温度下排汗率与核心温度（直肠温度）关系的实验结果[11]。实验中直肠温度的改变是通过改变工作强度取得的，而排汗速率是由直肠温度和皮肤温度共同决定的。在温度调节系统正常工作时，提高环境温度不会改变人体的核心温度或直肠温度，只能增加排汗速率。下丘脑的后部执行着抵御寒冷的功能。当人体处于冷环境下，下丘脑的后部从冷感受器接受温度信号，然后指示皮下血管收缩以减少身体表层的血流量，通过这种方式可以降低皮肤温度以减少人体辐射和对流热损失。为了调节温度而改变血流量和皮肤表面细胞的大小的机能叫做血管收缩调节。如果人体内部温度仍不能维持恒定，人体体温调节系统就会自动通过冷颤等方式增加代谢率。如果人体产热量不能抵偿热损失，体温就不可避免地要下降。因此，人体的御寒能力是很弱的，相对而言，人体防止过热的能力却要强得多。这也可能是人体对冷刺激的反应要比对热刺激的反应更敏感的原因。冷颤是骨骼肌的一种不随意收缩活动，是由皮肤冷感受器引起的反射活动。骨骼肌收缩时产生大量的热，气温越低，冷颤越强，产热越多，因而可以保持体温不变。人在温暖环境中休息时，内脏产热量为总产热量的 57.6%，而肌肉活动时，这种产热量分配比例产生根本的变化。例如，中等强度的运动，总产热量增加 3 倍，此时骨骼肌的产热量占总量的 75～80％。因此在寒冷环境中使手脚经常活动，也可以增加产热，达到抵抗寒冷的目的

清华大学建筑学院：《建筑环境学》课程教学资源（讲义）第四章 人体对热湿环境的反应

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