第五章人体对热湿环境的反应 本章学习要点 1.人体热舒适的影响因素 2.在暖通方案设计时如何结合人体热舒适的需要 3.人体对动态环境的反应 §5-1人体对热湿环境反应的生理学和心理学基础 人体的热平衡 (一)人体的基本生理要求 1、代谢率 人体在化学反应中释放能量的速率。人体各部分的温度不同 代谢率高的器官温度较高 我国正常成年人的体温(℃)表11 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 环境表面 对流散热(C) 辐射散热(R) 外表面 汗液蒸发和呼吸散热(E) 图5-1人体和环境的热交
第五章 人体对热湿环境的反应 本章学习要点 1．人体热舒适的影响因素 2．在暖通方案设计时如何结合人体热舒适的需要 3．人体对动态环境的反应 §5-1 人体对热湿环境反应的生理学和心理学基础 一、人体的热平衡 （一）人体的基本生理要求： 1、代谢率： 人体在化学反应中释放能量的速率。人体各部分的温度不同 代谢率高的器官温度较高
2、人体热平衡方程式 M-W一C-R一E=s 式中:M一人体能量代谢率,W/m W-一人体所做的机械功,W/m2 C——人体外表面向周围环境通过对流形式散发的热量,Wm: 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气所带走的热量,W/m2 S——人体蓄热率,W/m2 (式中各项均以人体单位表面积的产热和散热表示) 3、裸身人体皮肤表面积的计算 AD=0.202m0425h0235 式中:An人体皮肤表面积,m2 H一身高,m: 一体重 4、人体最大的生理性变动范围为35~40℃ 表明人体正常: S>0,表明体温上升,人体不舒适 当体温≥45℃,人死亡 S<0,表明在冷环境中,人体散热量增多。 当体温<36℃,称体温过低 当体温<28℃,有生命危险 当体温<20℃,一般不能复苏; 5、人体平均皮肤温度: 四点模型法 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。 人的皮肤温度: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。 即通过测试人体胸部、上臂、大腿、小腿,皮肤温度,按照权系数0.3,0.3,0.2, 0.2,进行加权平均。这样求得的平均皮肤温度对于多数用途来说是合适的。 (二)人体与外界的热交换 热交换形式:对流、辐射、蒸发。这几种不同类型的换热方式都受人体的衣着影响 对流: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 周围的空气流速影响了对流热交换系数。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
2、人体热平衡方程式 M－W － C － R － E ＝ S 式中：M——人体能量代谢率，W/㎡； W——人体所做的机械功，W/㎡ ； C——人体外表面向周围环境通过对流形式散发的热量，W/㎡ ； R——人体外表面向周围环境通过辐射形式散发的热量，W/㎡ ； E——汗液蒸发和呼出的水蒸气所带走的热量，W/㎡ ； S——人体蓄热率，W/㎡ （式中各项均以人体单位表面积的产热和散热表示） 3、裸身人体皮肤表面积的计算： AD=0.202mb 0.425H0.725 式中： AD—人体皮肤表面积,m2 ； H—身高,m； mb—体重,kg； 4、人体最大的生理性变动范围为 35～40℃； • S=0，表明人体正常； • S>0，表明体温上升，人体不舒适； • 当体温≥45℃，人死亡 • S<0, 表明在冷环境中，人体散热量增多。 当体温<36℃，称体温过低； 当体温<28℃，有生命危险； 当体温<20℃，一般不能复苏； 5、人体平均皮肤温度： 四点模型法： 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。 人的皮肤温度：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。 即通过测试人体胸部、上臂、大腿、小腿，皮肤温度，按照权系数 0.3，0.3，0.2， 0.2，进行加权平均。这样求得的平均皮肤温度对于多数用途来说是合适的。 （二）人体与外界的热交换 热交换形式：对流、辐射、蒸发。这几种不同类型的换热方式都受人体的衣着影响。 对流：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。 周围的空气流速影响了对流热交换系数。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
辐射:周围物体的表面温度决定了人体辐射 异常 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,否则会增加人 的冷感 蒸发: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。决定于空气 相对湿度的大小与空气流速 皮肤蒸发:包含汗液蒸发和通过皮肤的湿 肌肉运动 扩散两部分 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静范眠 皮肤的触觉感受 吹风感( Draft)”:是一种气流增大引起皮肤 体粗过低亡 冬疗法 及粘膜蒸发量增加以及气流冲力产生的不愉快的 低温麻醉 (三)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: (F L) F明 其中:t——平均辐射温度,℃ Fn—一周围环境各表面可看到的面积,m2 ln——周围环境各表面的温度,℃ 物理意义: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。 黑球温度计:是由一个涂黑的薄壁铜球,内装有一个温度计组成,温度计的感温包包在 铜球的中心。 T+244yv(T。-7) 2.操作温度to( Operation Temperature) 反映了环境温度t和平均辐射温度lr的综合作用
辐射：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，否则会增加人 的冷感。 蒸发：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。决定于空气 相对湿度的大小与空气流速 皮肤蒸发：包含汗液蒸发和通过皮肤的湿 扩散两部分； 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。 “吹风感(Draft)”：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。 （三）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： 1 1 ( ) k nj nj j r k nj j F t t F = = = 其中： r t ——平均辐射温度，℃ Fn ——周围环境各表面可看到的面积，m2 tn ——周围环境各表面的温度，℃ 物理意义：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。 黑球温度计：是由一个涂黑的薄壁铜球，内装有一个温度计组成，温度计的感温包包在 铜球的中心。 ( ) T = T +2.44 v T T r g g a − 2. 操作温度 to(Operation Temperature) 反映了环境温度 ta 和平均辐射温度 tr 的综合作用；
hh 式中:h辐射换热系数,W/m2℃) h—对流换热系数,w/(m·℃) 3.对流换热系数hc 自然对流: 受迫对流:与风速有关 4.对流质交换系数he (即蒸发换热系数)LR=hlhc LR称为“刘易斯系数”,对于一般的室内空气环境有:LR=16.5 (四)服装的作用 保温;阻碍湿扩散, 1、服装热阻L:指的是显热热阻lo 常用的单位有:m2K/W和cl clo=0. 155 mK/W lclo定义为:一个静坐者在21℃空气温度、空气流速不超过0.05m/s,相对湿度不超过 50%的环境中感到舒适所需要的服装热阻 夏季服装一般为:0.5clo(0.08mK/) 作服装一般为:0.7clo(0.1m2K/w) 正常室外穿的冬季服装:1.5~20cl 北极地区的服装:40clo 2服装热阻的影响因素 (1)椅子对热阻的影响 取决于椅子与人体接触的面积。 座椅的热阻的增值可进行估算 △l=748×10-5A-0.1 (2)行走对热阻的影响 △1=0.504lc1+0.00281Vak-0.24 如果一个人静立时,服装热阻为1co若行走步速为:90步/min(约3.7km/h,则 △Cc1=0.504lc1+00028 Walk-0.24 =0.504+0.00281×90-0.24=0.52 (3)服装透湿性 方面:服装对皮肤的表面的水蒸气扩散有一个附加的阻力
0 r r c a r c h t h h t h h + = + 式中： hr——辐射换热系数，W/(㎡·℃) hc——对流换热系数，W/(㎡·℃) 3．对流换热系数 hc 自然对流： 受迫对流：与风速有关； 4．对流质交换系数 he (即蒸发换热系数） LR= he /hc LR 称为“刘易斯系数”，对于一般的室内空气环境有：LR=16.5 （四）服装的作用： 保温；阻碍湿扩散。 1、服装热阻 I cl：指的是显热热阻 Iclo 常用的单位有：㎡·K/W 和 clo 1clo=0.155 ㎡·K/W 1clo 定义为：一个静坐者在 21℃空气温度、空气流速不超过 0.05m/s，相对湿度不超过 50%的环境中感到舒适所需要的服装热阻。 如： 夏季服装一般为：0.5clo (0.08 ㎡·K/W) 工作服装一般为：0.7clo (0.11 ㎡·K/W) 正常室外穿的冬季服装：1.5～2.0clo 北极地区的服装：4.0clo 2.服装热阻的影响因素 （1）椅子对热阻的影响 取决于椅子与人体接触的面积。 座椅的热阻的增值可进行估算 △Icl=7.48×10－5A－0.1 （2）行走对热阻的影响 △Icl=0.504 Icl +0.00281Vwalk－0.24 如果一个人静立时，服装热阻为 1clo,若行走步速为：90 步/min（约 3.7km/h),则 △Icl=0.504 Icl +0.00281Vwalk－0.24 =0.504 +0.00281×90－0.24=0.52 （3）服装透湿性 一方面：服装对皮肤的表面的水蒸气扩散有一个附加的阻力；
另一方面:服装吸收部分汗液,使得只有剩余部分汗液蒸发冷却皮肤; 服装吸收了汗液后,会使人凉快。 (4)服装的表面积 服装面积系数:fCF=AcHD 估算值:f=1.0+0.31 (五)人体的能量代谢 1.人体的能量代谢率: 基础代谢率(BMR, Basal metabolic Rate) 基础代谢和基础代谢率 (1)基础代谢:人体在基础状态下的能量代谢。 基础代谢率:单位时间内的基础代谢 (2)基础状态: 1)清晨、清醒、静卧半小时 2)禁食12小时以上 3)室温18~25°C 4)精神安宁、平静 在以上状态下,机体只维持最基础(血液循环、呼吸)的代谢状态,此时单位时间 所测量的机体产热量,即为基础代谢率。 (3)影响能量代谢的因素 肌肉活动、精神活动、食物的特殊动力效应、年龄、性别、环境温度是影响能量代谢的因素。 1)精神活动:因为脑的能量来源主要靠糖氧化释放能量,安静思考时影响不大,但精 神紧张时,产热量增多,能量代谢率增高。 2)食物的特殊动力效应:进食之后的一段时间内,机体内可以产生额外热量的作用, 称为食物的特殊动力效应。其中蛋白质最强,脂肪次之,糖类最少。 3)环境温度:人在安静状态下,在22.5~35°C的环境中最为稳定。环境温度过低可使 肌肉紧张性増强,能量代谢增高。环境温度过高,可使体内物质代谢加强,能量代谢也会増 4)性别、年龄 5肌肉活动:它对能量代谢的影响最为显著。主要以增加肌肉耗氧量而做功,使能量代 谢率升高 2、人体的机械效率 n=W/M 在空调负荷计算时,人体的机械效率常看作0 (1)大部分的办公室劳动机械效率为0; (2)人体代谢率估算本身有误差 (3)偏于安全考虑。 3、人体蒸发散热量
另一方面：服装吸收部分汗液，使得只有剩余部分汗液蒸发冷却皮肤； 服装吸收了汗液后，会使人凉快。 （4）服装的表面积 服装面积系数： fcl=Acl/AD 估算值 ：fcl=1.0+0.3Icl （五）人体的能量代谢 1．人体的能量代谢率： 基础代谢率（BMR，Basal Metabolic Rate) 基础代谢和基础代谢率 （1）基础代谢：人体在基础状态下的能量代谢。 基础代谢率：单位时间内的基础代谢。 （2） 基础状态： 1） 清晨、清醒、静卧半小时 2） 禁食 12 小时以上 3） 室温 18～25°C 4） 精神安宁、平静 在以上状态下，机体只维持最基础（血液循环、呼吸）的代谢状态，此时单位时间 所测量的机体产热量，即为基础代谢率。 （3）影响能量代谢的因素 肌肉活动、精神活动、食物的特殊动力效应、年龄、性别、环境温度是影响能量代谢的因素。 1）精神活动：因为脑的能量来源主要靠糖氧化释放能量，安静思考时影响不大，但精 神紧张时，产热量增多，能量代谢率增高。 2）食物的特殊动力效应：进食之后的一段时间内，机体内可以产生额外热量的作用, 称为食物的特殊动力效应。其中蛋白质最强，脂肪次之，糖类最少。 3）环境温度：人在安静状态下，在 22.5～35°C 的环境中最为稳定。环境温度过低可使 肌肉紧张性增强，能量代谢增高。环境温度过高，可使体内物质代谢加强，能量代谢也会增 高。 4) 性别、年龄 5)肌肉活动：它对能量代谢的影响最为显著。主要以增加肌肉耗氧量而做功，使能量代 谢率升高。 2、人体的机械效率 η=W/M 在空调负荷计算时，人体的机械效率常看作 0 （1）大部分的办公室劳动机械效率为 0； （2）人体代谢率估算本身有误差； （3）偏于安全考虑。 3、人体蒸发散热量