第四章 人体对热湿环境的反应 本章主要讲述人体对热湿环境 的生理及心理反应，由于各种科学的 研究与发展，最终是为人类服务的， 所以人对客观环境的主观或客观反应 ，应该是我们建筑环境学研究的 重要内容之一。下面我们先来了解人 体对热湿环境的生理学和心理学基础 知识。 第一节 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 1.人体的基本生理要求 n人体是在不断地释放着热量的。 v通常我们将人体在进行新陈代谢时释放能量的 速率称之为代谢率。 v人体的生理反应总是努力地去维持人体重要器 官的温度相对稳定。 第一节 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 1.人体的基本生理要求 v一方面人体在源源不断地产生热量，另一方面又 要维持体温的相对恒定，所以人体就必须不断地把 新陈代谢所产生的余热以对流、辐射和汗液蒸发等 形式释放出去。 v人体各部分温度并不都是一致的 ，但各部分温 度不会相差很大。其皮肤平均温度常通过测试人体 胸部，上臂、大腿及小腿的皮肤温度，按照加权系 数0.3、0.3、0.2和0.2进行加权平均求得。 第一节 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 1.人体的基本生理要求 人体为了维持正常的体温， 就必须使产热和散热量保持平衡 。人体的热平衡可用下式表示： M-W-C-R-E-S=0 （4-1） 式中：M-人体能量代谢率 ；W-机械功；C-对流散热量 ；R-辐射散热量；E-汗液蒸 发和呼出的水蒸汽所带走的热量 ；S-人体蓄热率。单位均为： W/m2 第一节 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 1.人体的基本生理要求 一般裸身人体的全表面积常用 下列经验公式进行计算： AD=0.202mb0.425H0.725 （4-2） 式中：AD为人体皮肤表面积；H 为身高，单位为m；mb为体重，单位 为kg。身高为1.78m，体重为65kg， 用上式计算可知此人的皮肤表面积 约为1.8m2左右。 身高身高1.78m1.78m 体重体重65kg65kg A AD D 为为1.8m1.8m 2 2 第一节 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 1.人体的基本生理要求 n人体的蓄热率S近似为0时，人感觉正常、舒适。 n人体蓄热率S为正，将导致体温上升，当体温升至38.3 时，则轻症中暑，当体温升至40时，称作体温过高，此 时出汗停止，表现为重症中暑，若不采取措施，体温将迅 速攀升，至45时将导致死亡。 n人体蓄热率S为负时，体温下降，一般当体温下降至36 以下时，称作体温过低，当体温降至28以下时，会导致 严重的心室纤颤，并有死亡的危险。尽管现在还不能够准 确地确定人的最低致死体温，但已证实当体温下降至20 时，通常就不能复苏。 第一节 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 2.人体与外界的热交换 l显热交换 u对流散热 u辐射散热 l潜热交换 u皮肤散湿 出汗蒸发 皮肤湿扩散 u呼吸散湿 第一节 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 2.人体与外界的热交换 影响人体与外界的热交换强度的因素通常有: n衣着：人体着衣的服装热阻大小； n环境空气温度：决定着换热温差； n空气相对湿度：在相同的高温环境下，空气湿度越高就越 增加人体的热感。另外在低温环境下如果空气湿度过高， 会衣物的热阻下降，强化人体与衣物的传热，同样也会增 加人体的冷感。 n周围物体的表面温度： n空气的流速:不仅强化人体与外界的换热，还引起人体“ 吹风感(Draft)”等一系列不愉快的感觉。 第一节 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 3.影响人体与外界热交换的几个环境指标 平均辐射温度 :用来考虑周围物体表面温度对人体辐射 散热强度的影响，实际上，它是假设将人置于一个内表面 温度均相等的假想的封闭空腔内（空腔与内包凸表面）， 人与这个壁面温度均等于平均辐射温度的空腔进行辐射换 热。其数学表达式为： 平均辐射温度通常采用黑球温度计来进行测量，若同 时测量出空气的温度Ta，且当平均辐射温度与室内气温差 别不大时，可求出此时的平均辐射温度为（式中：Tg为黑 球温度，为室内空气流速）： 第一节 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 3.影响人体与外界热交换的几个环境指标 操作温度to（Operation Temperature）：用来反映室内 环境空气温度ta与平均辐射温度的综合作用，其表达式为 ： 式中：hr为辐射换热系数，hc为对流换热系数。 对流换热系数hc： 对流质交换系数he：据刘伊斯准则有： 对于典型的室内空气环境通常可取Le=16.5 第一节 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 4.服装的影响： 服装热阻Icl：常指其显热热阻，常用单位为clo ，且有下列关系： 1 clo=0.155 m2K/W（or:m2/W） （4-8 ） 通常夏季服装热阻为0.5clo， 冬季为1.52.0clo， 工作服为0.7clo， 北极着装为4.0clo。 第一节 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 4.服装的影响： 服装热阻Icl： 人坐在椅子上时会增加热阻，一般单人软体沙 发增加的热阻最大，其值约0.15clo。其它类型的 椅子等物体，其热阻的增值Icl可用下式进行估 算： Icl=0.748Ach-0.1 （4-9） Ach是人体与椅子的接触面积，单位为平方米 。 人在行走时会降低服装的热阻。降低的热阻值 可用下式估算: Icl=0.504Icl+0.00281Vwalk-0.24 （4-10 ） 式中：Vwalk为行走的步数，单位为：步/min。 第一节 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 4.服装的影响： 服装的透湿性：着装一方面会增加皮肤的蒸发换热热阻 。另一方面，服装吸收了汗液以后使衣物潮湿而导致衣物 的导热系数增加，且服装层在原来的显热传热基础上又增 加了部分潜热换热，相当于此时服装原有的热阻值下降。 服装的表面积：着装后的人体与外界的热交换面积将发 生改变，常用着装后的人体实际表面积Acl与人体裸身时的 表面积AD之比的服装面积系数fcl来表示这种变化： fcl=Acl/AD (4-11) fcl可通过有关文献获得。若没有合适的参考数据， 可采用它与服装热阻之间的关系用下式进行估算: fcl=1.0+0.3Icl (4-12) 第一节 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 5.人体的能量代谢 人体的能量代谢率： n能量代谢率受多种因素影响，如肌肉活动强度、环境温度 、性别、年龄、神经紧张程度、进食后时间的长短等。 n规定未进早餐前，保持清醒静卧半小时，室温条件维持在 1825之间测定的代谢率叫着基础代谢率(Basal Metabolic Rate,BMR)。 n人体的代谢率在一定的温度范围内是比较稳定的 。 n人在进食后产热量会逐渐增加，并延续至8小时。 n人体的基础代谢率随年龄增加逐渐下降。 n基础代谢率女性比男性低百分之六至百分之十 。 第一节 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 5.人体的能量代谢 人体的能量代谢率： 活动人体的代谢率确定通常通过测量人体的耗氧量和 二氧化碳的排出量来进行计算，且有： M=21（0.23RQ+0.77）VO2/AD （4-13 ） 式中：M为代谢率，单位为W/m2； RQ为呼吸商，无量 纲，定义为单位时间内呼出二氧化碳与吸入氧气的摩尔数 之比； V02为单位时间内消耗的氧气在标准状态下的体积 ，单位为：L/min。 另外代谢率的单位也可以采用met来表示，且通常有： 1 met=58.2 W/m2 第一节 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 5.人体的能量代谢 人体的机械效率:指人体对外所作的功W与人体代谢率M的 比值。即：=W/M。它与人体的活动强度有关。一般来说 人体的机械效率的数值都比较低，在百分之五至百分之十 的范围内，很少能超过百分之二十，因此在空调负荷计算 时通常把人体机械效率看作是0。这主要是因为： n大部分的办公室劳动和室外轻体力劳动的机械效率近似为 零； n人体代谢率的估算本身带有误差； n忽略人体对外所作的机械功对于空调系统设计来说是偏于 安全的。 第一节 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 5.人体的能量代谢 人体蒸发散热量 人体皮肤的蒸发散热量Esk 皮肤表面可能达到的最大潜热换热量Emax为: 式中he/表示人体服装表面的对流质交换系数，且Psk可 简化为皮肤温度tsk的函数： Psk=0.254tsk-3.335 （4-16 ） 式4-15表示的完全被汗液润湿的人体潜热量，这只有 在总排汗量大大超过蒸发量时才能达到，故实际蒸发散热 量Esk比Emax小，且有： 第一节 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 5.人体的能量代谢 人体蒸发散热量 人体皮肤的蒸发散热量Esk Esk=Ersw+Edif=Emax (4-17) 式中是Ersw汗液蒸发量，Edif是皮肤湿扩散散热量， 为皮肤湿润度，即皮肤的实际蒸发量与同一环境中皮肤完 全湿润而可能产生的最大散热量之比：= Esk/Emax。若皮 肤无排汗，皮肤湿扩散散热量为： Edif=0.06Emax (4-18) 当皮肤正常排汗时，皮肤湿扩散散热量为： Edif=0.06(Emax-Ersw) (4-19) 第一节 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 5.人体的能量代谢 人体蒸发散热量 人体皮肤的蒸发散热量Esk 在接近热舒适的条件下，人体平均皮肤温度tsk和出汗 造成的潜热散热量Ersw取决于人体的代谢率和对外所作的功 ，且据Rohlesh Nevins实验的回归式它们之间有如下关系 ： tsk=35.7-0.0275(M-W) (4-20) Ersw=0.42(M-W-58.2) (4-21) 联立方程5-15，16，17，l9，20，21，并对换热热阻 进行一定的简化处理后，可得到舒适条件下的皮肤湿润度 ： 第一节 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 5.人体的能量代谢 人体蒸发散热量 人体的呼吸散热散湿量 人体的呼吸散热包括显热散热Cres和潜热散热 Eres两部分，显热散热为： Cres=0.0014M（34-ta） W/m2 （4-23） 潜热散热为： Eres=0.0173M（5.867-Pa） W/m2（4-24） 第一节 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 5.人体的能量代谢 人体与外界的辐射换热量 ： 人