建筑环境学-第4章-人体对热湿环境的反应课件

第四章

人体对热湿环境的反应1第四章

人体对热湿环境的反应1第一节人体对热湿环境反应的生理学和心理学基础食物分解氧化热量人体的基本生理要求：维持体温基本恒定！代谢率(MetabolicRate)：人体新陈代谢反应过程中能量释放的速率。2第一节人体对热湿环境反应的生理学和心理学基础食物分解氧人体的热平衡热平衡方程MWCRES=0

皮肤表面积AD＝0.202mb

0.425H0.725

身高1.78m体重65kgAD为1.8m23人体的热平衡热平衡方程MWCR人体温度核心(Core)温度核心层：通常包括脑、脊椎、心脏、肝脏、消化器官等内脏部分。直肠温度最接近。外层(Shell)温度

皮肤表面到10mm以内的部分，通常包括皮肤，皮下脂肪和表层的肌肉。4人体温度核心(Core)温度4人体体温范围肝脏：最高，38℃各部分温差不会太大皮肤：与外界环境有关日夜有1℃以内的波动代表温度：核心温度5人体体温范围肝脏：最高，38℃5人体外层温度皮肤温度 状态

45

℃以上 皮肤组织迅速损伤 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

℃ 2-4met的(中等)运动量时感觉舒适32~30

℃ 3-6met的(较大)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6人体外层温度皮肤温度 状态 6人体与外界的热交换人体与外界的热交换显热交换对流散热辐射散热潜热交换皮肤散湿出汗蒸发皮肤湿扩散呼吸散湿7人体与外界的热交换人体与外界的热交换7影响人体与外界热交换的因素环境空气温度：对流换热环境表面温度：辐射换热水蒸汽分压力（空气湿度）：对流质交换高温环境：增加热感低温环境：增加冷感！风速：对流热交换和对流质交换吹风感：Draft，冷感和对皮肤的压力冲击服装热阻：影响所有换热形式8影响人体与外界热交换的因素环境空气温度：对流换热8关于热湿环境的术语

平均辐射温度或近似式：准确的应该是四次方黑球温度Tg操作温度：反映了环境空气温度ta和平均辐射温度 的综合作用9关于热湿环境的术语平均辐射温度或9平均辐射温度:

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。=10平均辐射温度:

一个假象的等温围合面的表面温热质交换系数的确定对流换热系数：专门针对人体的实验数据受迫对流hc=Cvn自然对流：三种主要形式

hc=常数

hc=CT0.25

hc=C(M-50)

0.39对流质交换系数：传质与传热比拟

LR=he

/hc=16.5℃/kPa11热质交换系数的确定对流换热系数：专门针对人体的实验数据11服装的作用：保温和阻碍湿扩散服装的性能：

服装的热阻Icl

服装的透湿性

服装的表面积12服装的作用：保温和阻碍湿扩散服装的性能：12服装的热阻Icl一般指显热热阻单位m2K/W和clo，其中1clo=0.155m2K/W已知单件服装热阻：Icl=0.161+0.835Iclu,i

13服装的热阻Icl一般指显热热阻13服装的热阻Icl

人运动时由于人体与空气之间存在相对流速，会降低服装的热阻。 Icl=0.504Icl+0.00281Vwalk–0.24椅子给人增加0.15clo以下热阻 Icl=0.748Ach–0.1步速90步/min1clo0.48clo14服装的热阻Icl人运动时由于人体与空气之间存在相对流速，会舒适服装热阻与环境温度、相对风速、活动强度的关系15舒适服装热阻与环境温度、相对风速、活动强度的关系15服装的透湿性服装的存在增加了皮肤的蒸发换热热阻：服装对皮肤表面的水蒸气扩散有一个附加的阻力。服装吸收部分汗液，只有剩余部分汗液蒸发冷却皮肤。使得需要更大蒸发量才能在皮肤表面上形成同样的散热量。16服装的透湿性服装的存在增加了皮肤的蒸发换热热阻：16服装的潜热热阻服装的蒸发换热热阻(干燥服装)： Ie,cl

=Icl

/LR=Icl

/16.5(kPam2/W)服装被汗湿润后热阻会下降，显热换热加强，又增加了潜热换热，故总传热系数增加：17服装的潜热热阻服装的蒸发换热热阻(干燥服装)：17服装的表面积

服装的面积系数fcl

定义：人体着装后的实际表面积Acl和人体裸身表面积AD之比。有实验数据。

表达式：fcl=Acl/AD

与服装热阻的近似关系

fcl=1.0+0.3Icl

18服装的表面积服装的面积系数fcl18人体的能量代谢率影响因素多：

肌肉活动强度：绝对的影响环境温度：偏高、偏低都增加代谢率性别：男性高于女性年龄：少年高于老人神经紧张程度：紧张则代谢率高进食后时间的长短等：进食后代谢率增加，蛋白质代谢率高，糖和脂肪类代谢率低。代谢率单位met：1met=58.2W/m2，即成年男子静坐时的代谢率。19人体的能量代谢率影响因素多：196~10%基础代谢率：参照基础基础代谢率(BMR，BasalMetabolicRate):未进早餐前，保持清醒静卧半小时，室温条件维持在18~25℃之间测定的代谢率。46met。BMR变化范围：10~15％。超过20％为病态。206~10%基础代谢率：参照基础基础代谢率(BMR，Bas肌肉活动与代谢率肌肉活动强度对代谢率起决定性的影响一般室内运动代谢率多在5met以下21肌肉活动与代谢率肌肉活动强度对代谢率起决定性的影响21人体是高效的能量转化系统吗？否！机械效率

＝W/M

大部分室内劳动机械效率近似022人体是高效的能量转化系统吗？否！机械效率22人体的潜热散热量：皮肤蒸发

体表全部被汗湿润：

Esk=Ersw+Edif=wEmax接近热舒适条件下的出汗潜热散热量 Ersw=0.42(M–W–58.2)皮肤湿润度w=Esk/Emax皮肤湿扩散散热量没有排汗时Edif=0.06Emax

有正常排汗时Edif=0.06(Emax–Ersw)

23人体的潜热散热量：皮肤蒸发

体表全部被汗湿润：

23人体的潜热散热量：呼吸蒸发显热散热量 Cres=0.0014M(34ta)W/m2

潜热散热量 Eres=0.0173M(5.867Pa)W/m2

24人体的潜热散热量：呼吸蒸发显热散热量24人体的辐射散热人体与外界的辐射换热方程0.80.40.70.780.720.725人体的辐射散热人体与外界的辐射换热方程0.8人体散热、散湿量的影响因素全热：主要决定于肌肉活动强度，受其它因素影响在应用上可以忽略。显热：决定于温度，随温度上升而减少。潜热(散湿)：决定于温度，随温度上升而增加。26人体散热、散湿量的影响因素全热：主要决定于肌肉活动强度，受2727人体排汗率散湿量决定因素环境温度核心温度(代谢率)28人体排汗率散湿量决定因素28人体的温度感受系统20世纪初发现人的皮肤上存在对冷敏感的区域“冷点”和对热敏感的区域“热点”人体各部位的冷点数目明显多于热点为什么人对冷更敏感？50mV29人体的温度感受系统20世纪初发现人的皮肤上存在对冷敏感的区人体各部位冷点和热点分布密度(个/cm2)参考文献：H.Hensel,ThermoreceptionandTemperatureRegulation,London:AcademicPress,198130人体各部位冷点和热点分布密度(个/cm2)参考文献：H.H冷、热感受器冷、热感受器存在于：外周温度感受器皮肤粘膜内脏中枢性温度敏感神经元脊髓延髓脑干网状结构31冷、热感受器冷、热感受器存在于：31冷、热感受器的位置32冷、热感受器的位置32人体的体温调节系统下丘脑具有调节代谢、体温和内分泌功能，前部主要促进散热来降温，后部促进产热抵御寒冷。散热调节方式血管扩张，增加血流，提高表皮温度出汗御寒调节方式血管收缩，减少血流，降低表皮温度通过冷颤增加代谢率33人体的体温调节系统下丘脑具有调节代谢、体温和内分泌功能，前人体的体温调节系统下丘脑前后部是相互制约起作用的，需要同时利用核心温度和皮肤温度信号来决定调节方式。34人体的体温调节系统下丘脑前后部是相互制约起作用的，需要同时人的体温设定值随肌肉活动强度而改变在体温调节系统正常工作时，增加环境温度并不能提高人体的核心温度（直肠温度）。只有改变代谢率才能改变人体核心温度。35人的体温设定值随肌肉活动强度而改变在体温调节系统正常工作时体温调节系统的工作原理36体温调节系统的工作原理36热感觉研究方法：心理学定义：人对周围环境“冷”“热”的主观描述。特点：尽管人描述环境的冷热，实际上只能感觉到自己皮肤下神经末梢的温度。所以“冷”“热”与感受者的身体状态有关，不是完全客观的。“中性”的定义：不冷不热，人用于体温调节消耗的能量最小。37热感觉研究方法：心理学37感觉热

感觉冷热感觉的影响因素冷热刺激的存在刺激的延续时间人体原有的状态38感觉热感觉冷热感觉的影响因素冷热刺激的存在38热感觉的适应性2830323436384039热感觉的适应性28303核心温度对热感觉的影响温暖热！核心温度作用中性皮肤温度作用40核心温度对热感觉的影响温暖热！中性40热感觉的测量：问卷调查41热感觉的测量：问卷调查41什么是热舒适?观点1：

舒适＝中性

?42什么是热舒适?观点1：?42什么是热舒适?观点2：

舒适＝中性×舒适产生于不适的消除过程中。“舒适”比“中性”更主观。Cool&Comfort!43什么是热舒适?观点2：×舒适产生于不适的消除过程中。Coo热舒适与热中性的背离体温过低体温过高体温正常手的温度(℃)很不愉快正常很愉快44热舒适与热中性的背离体温过低体温过高体温正常手的温度(℃)很影响热舒适的因素

空气湿度

垂直温差

气流与吹风感辐射不均匀性

年龄、性别、季节、人种45影响热舒适的因素空气湿度45空气湿度中性－热环境中，为什么潮湿的空气使人不舒服？空气湿度对人体排汗量有影响吗？在皮肤没有完全湿润的情况下，增加空气湿度会减少人体散热量吗？潮湿为什么不舒服？皮肤湿润度增高皮肤黏着性增加不适46空气湿度中性－热环境中，为什么潮湿的空气使人不舒服？46垂直温差尽管受试者处于热中性状态，头足温差仍然使人感到不舒适。20℃28℃47垂直温差尽管受试者处于热中性状态，头足温差仍然使人感到不舒垂直温差48垂直温差48垂直温差ASHRAEHandbook：地板温度和不满意度的关系49垂直温差ASHRAEHandbook：地板温度和不满意度气流与

吹风感draught

定义：人体所不希望的局部降温但在“中性－热”环境下吹风往往是愉快的其它不舒适的原因

局部压力干扰冷颤出现50气流与

吹风感draught定义：人体所不希望的局部降温有效送风温度(有效吹风感)影响吹风感的因素：气流速度及温度、人体所处的热状态、气流的分布状态针对气流引起的吹风感评价，反映了气流速度和空气温度的共同作用霍顿1938年的实验，里德伯格尔等1949年总结，内文斯1971年提出公式：

＝(Tj-Ta)-8(v-0.15)舒适标准为：-1.7<<1.1，v<0.35m/s现用于风口性能评价的ADPI指标51有效送风温度(有效吹风感)影响吹风感的因素：气流速度及温度、辐射不均匀性向量辐射温度：室内两部分的平均壁面温度差Tv=Fpc(Tc-T∞)向量辐射温度超过10℃，人就感到不舒适52辐射不均匀性向量辐射温度：室内两部分的平均壁面温度差52辐射不均匀性辐射吹风感：房间内局部低温辐射导致人体所不希望的局部降温面对冷表面的平均辐射温度比其它部分部分的平均辐射温度低8K以上，将使人感到不舒适8K53辐射不均匀性辐射吹风感：房间内局部低温辐射导致人体所不希望其它因素：Fanger的实验结论人种：非洲人比北欧人喜欢热环境吗？热舒适感觉一样，只是热带人对热环境有较强适应力，寒带人对冷环境有较强适应力。年龄：老年人比年轻人更喜欢热环境吗？不是，只是老年人活动量小。性别：女性比男性更喜欢热环境吗？不是，只是女性喜欢穿较轻薄的衣服。季节和一天中的时间会影响热舒适感吗？尽管人体温有波动，但热舒适感没有明显变化54其它因素：Fanger的实验结论人种：非洲人比北欧人喜欢热感觉投票和热舒适投票ThermalComfortVote&ThermalSensationVote55热感觉投票和热舒适投票ThermalComfortVo第二节人体对稳态热环境的反应描述

理论建立者：P.O.Fanger热舒适方程 令人体热平衡方程中蓄热率S＝0，得出：(M-W)=fclhc

(tcl-ta)

+3.9610-8

fcl[(tcl+273)4

(+273)4]+3.05[5.7330.007(MW)

Pa]+0.42(MW58.2)+1.7310-2

M(5.867

Pa)+0.0014M(34

ta)对流散热辐射散热汗液蒸发散热呼吸潜热和显热散热皮肤扩散蒸发散热56第二节人体对稳态热环境的反应描述

理论建立者：P.O.预测平均评价PMV(PredictedMeanVote)PMV=(0.303e–0.036M+0.0275)TL =(0.303e–0.036M+0.0275)

{M–W–3.05[5.733–0.007(M–W)–Pa] –0.42(MW58.15)–1.7310-2M(5.867Pa) –fclhc(tcl

ta)–0.0014M(34ta) –3.9610-8fcl[(tcl+273)4

(+273)4]}S57预测平均评价PMV(PredictedMeanVotePMV指标的7级分度分度方法和TSV基本一致PMV指标只代表了同一环境下绝大多数人的感觉，不能代表所有个人的感觉。58PMV指标的7级分度分度方法和TSV基本一致58预测不满意百分比PPD

(PredictedPercentDissatisfied)PPD是通过概率分析确定某环境条件下人群不满意的百分数

PPD＝100–95exp[–(0.03353PMV4+0.2179PMV2)]即便达到PMV＝0，仍然有5％的人不满意。59预测不满意百分比PPD

(PredictedPercent热舒适方程与PMV指标特点总结只适用于接近热舒适的状态（tsk和Ersw与环境温度完全无关），所以变量中除由人体活动强度确定的代谢率外只有外部参数。舒适程度由对热中性的偏移程度确定，与偏移的时间长短没有关系，与人体的热状态变化没有关系。PMV的计算是完全客观的，但指标的含义却是由主观感觉统计确定的。60热舒适方程与PMV指标特点总结只适用于接近热舒适的状态（ts在曼谷、新加坡、Athens、布里斯班做的

3200组非空调环境的测试结果：PMV与实际TSV的偏差。61在曼谷、新加坡、Athens、布里斯班做的3200组非空其它稳态热反应评价指标：(1)有效温度ET1919开始研究，1967前的ASHRAE手册采用有效温度ET定义：“这是一个将干球温度、湿度、空气流速对人体温暖感或冷感的影响综合成一个单一数值的任意指标。它在数值上等于产生相同感觉的静止饱和空气的温度。”对于正常穿着：ET=0.492Ta+0.19Pa+6.47对于半裸者:(二式条件均为va<0.15m/s)ET=(0.944Ta+0.056Twb)/[1+0.22(Ta-Twb)]

缺点：低温条件下湿度的影响不准确62其它稳态热反应评价指标：(1)有效温度ET1919开始研究(1)有效温度ET诺谟图风速(m/s)干球温度(℃)普通衣着，坐姿轻劳动条件。湿球温度(℃)63(1)有效温度ET诺谟图风速干球温度(℃)普通衣着，坐(2)新有效温度ET*(Gagge)ASHRAE标准55-74，ASHREA手册1977版参考空气环境：身着0.6clo服装静坐，空气流速0.15m/s，相对湿度50％，干球温度T0如果同样服装和活动的人在某环境中的冷热感与上述参考空气环境中的冷热感相同，则此环境的ET*＝T0该指标只适用于着装轻薄、活动量小、风速低的环境。64(2)新有效温度ET*(Gagge)ASHRAE标准55-(3)标准有效温度SET*特点：综合考虑了不同的活动水平和衣服热阻定义：某个空气温度等于平均辐射温度的等温环境中的温度，其相对湿度为50%，空气静止不动，在该环境中身着标准热阻服装的人若与他在实际环境和实际服装热阻条件下的平均皮肤温度和皮肤湿润度相同时，则必将具有相同的热损失，这个温度就是上述实际环境的SET*。皮肤总散热量皮肤温度皮肤湿润度SET*下饱和水蒸汽分压力皮肤表面饱和水蒸汽分压力65(3)标准有效温度SET*特点：综合考虑了不同的活动水平和ASHRAE舒适区对于穿轻薄服装，坐着工作，空气流速较低的情况，SET*就等于ET*。坎萨斯州立大学实验条件：0.6~0.8clo坐着55-74条件：0.8~1clo坐着但活动稍大66ASHRAE舒适区对于穿轻薄服装，坐着工作，空气流速较低的(3)标准有效温度SET*SET*=24℃22.5℃，100％24℃，50%SET*＝20℃67(3)标准有效温度SET*SET*=24℃22.5℃，100第三节人体对动态热环境的反应什么是动态热环境？非空调环境在温度不同的空间之间穿行使用摇头电风扇变温变风速的空调方式人对动态与稳态热环境反应不同的机理热感觉的适应性核心温度和皮肤温度变化的不一致性68第三节人体对动态热环境的反应什么是动态热环境？68Gagge的发现：人处于突变的环境空气温度时，尽管皮肤温度和核心体温的变化需要好几分钟，但热感觉却会随空气温度的变化马上发生变化。由中性－冷/热，感觉滞后由冷/热－中性，感觉超前对突变温度环境的反应69Gagge的发现：人处于突变的环境空气温度时，尽管皮肤温清华实验，证实了热感觉与皮肤温度的分离现象：中性－热，感觉滞后热－中性，感觉超前对突变温度环境的反应突变温度对TSV和皮肤温度的影响实验(clo=0.6)70清华实验，证实了热感觉与皮肤温度的分离现象：对突变温度环境0.30.5频率(Hz)人体对变化风速的反应现有的研究成果对摇摆风扇的接受程度优于固定风扇动态风能够改善“中性－热”环境下人体热感觉气流的脉动频率对人体热感觉有影响710.30.5频率(Hz)人体对变化风速的反应现有的研究成果不同类型风的风速变化固定风扇的机械风自然风72不同类型风的风速变化固定风扇的机械风自然风72人体对不同类型脉动风速的接受程度实验（清华）73人体对不同类型脉动风速的接受程度实验（清华）73过渡区热指标RWI/HDR

美国运输部提出的人体在过渡空间环境的热舒适指标，适用于候车空间环境设计。对一种活动状态过渡到另一状态的处理：

未考虑过渡过程热感觉的“超越”和“滞后”现象代谢率M要经过6分钟才能达到最终活动状态下的稳定代谢率。其间代谢率与时间呈线性关系。出汗状态以及人的活动扰动气流的变化会导致服装热阻改变，要经过6分钟才能达到新的稳定值，其间服装热阻与时间呈线性关系。74过渡区热指标RWI/HDR美国运输部提出的人体在过渡空间环过渡区热指标RWI/HDR相对热指标RWI：针对较热环境

当Pa

2269Pa时当Pa

2269Pa时人体从不包括与空气等温的墙表面的外界获得的辐射热75过渡区热指标RWI/HDR相对热指标RWI：针对较热环境过渡区热指标RWI/HDR人体热损失率HDR(W/m2)：针对较冷环境热债D＝HDR当热债D≤－100kJ/m2，人体感到冷不适

当热债D≥100kJ/m2，人体感到热不适在过渡空间中，适宜的HRD值与人员的逗留时间成反比76过渡区热指标RWI/HDR人体热损失率HDR(W/m2)：在自然通风环境中人体的热舒适在曼谷、新加坡、Athens、布里斯班做的

3200组非空调环境的测试结果：PMV与实际TSV的偏差。77在自然通风环境中人体的热舒适在曼谷、新加坡、Athens、布出现“剪刀差”的原因期望因子PMVe=e×PMV适应性模型Tcomf=0.31Tout,m+17.878出现“剪刀差”的原因78第四节其他热湿环境的物理度量不需调节可调区失调区疲劳极限HeatStressThermalStrain79第四节其他热湿环境的物理度量不需调节可调区失调区疲劳极限H热舒适指标够用吗？在具有热失调危险的、远偏离热舒适区的状态下，前面的热舒适指标是不够的，例如：高温车间寒冷工作空间典型指标高温环境：热应力指数低温环境：风冷却指数80热舒适指标够用吗？在具有热失调危险的、远偏离热舒适区的状态热应力指数HSI(HeatStressIndex)Belding&Hatch,1955假定皮肤温度恒定在35℃的基础上，在蒸发热调节区内，认为所需要的排汗量为Ereq等于代谢量减去对流和辐射散热量，呼吸散热不计，Emax的上限值为390W/m2：HSI=Ereq/Emax

10081热应力指数HSI(HeatStressIndex)B湿黑球温度WBGTWet-Bulb-GlobeTemperature适用于室外炎热环境，考虑了室外炎热条件下太阳辐射的影响，广泛用于评价户外作业热环境与空气温度、空气湿度、平均辐射温度及空气运动有关表达式标准定义回归公式自然湿球温度黑球温度82湿黑球温度WBGTWet-Bulb-GlobeTemper8383风冷却指数WCI(WindChillIndex)

Siple&Passel,1945皮肤温度在33℃时皮肤表面的冷却速率84风冷却指数WCI(WindChillIndex)

Sip第五节热环境与工作效率大量现场调查证实高温会降低劳动的效率寒冷影响肢体的灵活性温度偏离最佳值会增加事故发生率机理：激发的概念，工作本身＋物理环境中等激发时效率最高低激发导致人不清醒高激发导致不能全神贯注85第五节热环境与工作效率大量现场调查证实85理论效能与温度关系曲线T0为最小激发温度，接近、略高于热中性温度86理论效能与温度关系曲线T0为最小激发温度，接近、略高于热中体力劳动与热环境87体力劳动与热环境87脑力劳动与热环境不降低脑力劳动效率的温度与暴露时间的关系气温对效率与相对差错的影响88脑力劳动与热环境不降低脑力劳动效率的温度与暴露时间的关系气8989冷应力和手工操作效能实验发现手的皮肤温度低于15℃时，关节变得僵硬灵巧性明显下降实验发现手的皮肤温度低于6℃时出现麻木感觉冷风有涣散精神作用，分散工作注意力体温过低导致人过于激奋，降低需要持续集中注意力的工作的效能90冷应力和手工操作效能实验发现手的皮肤温度低于15℃时，关节分别将两部分按集总参数计算温度动态变化人体平均温度为两部分温度的加权平均体温低于36.34℃就不会出汗皮肤温度低于34℃，核心温度同时低于37℃会出现冷颤，增加代谢率二节点模型，Gagge，1970中心层新陈代谢皮肤层散热91分别将两部分按集总参数计算温度动态变化二节点模型，Gagg二节点模型，Gagge，1970中心层热平衡皮肤层热平衡皮肤表面总散热，包括对流、辐射和蒸发传热系数，血流量和比热传热系数，血流量和比热冷颤增加代谢率92二节点模型，Gagge，1970中心层热平衡皮肤表面总散热二节点模型的应用排汗率有前面的Emax关系可求出w：

w=(Ersw+Edif)/Emax=[Ersw+0.06(Emax-Ersw)]/Emax由于应用了二节点模型，实际上SET*可以考虑动态过程中的人体热状况。但由于舒适的主观评价实验是在稳态环境下做的，所以仍然不能用于评价动态热环境。93二节点模型的应用排汗率93思考题人的代谢率主要是由什么因素决定的？人体的发热量和出汗率是否随环境空气温度的改变而改变？“冷”与“热”是什么概念？单靠环境温度能否确定人体的热感觉？湿度在人体热舒适中起什么作用？某办公室设计标准是干球温度26℃，相对湿度65％，风速0.25m/s。如果最低只能使温度达到27℃，相对湿度仍然为65％，有什么办法可以使该空间能达到与设计标准同等的舒适度？94思考题人的代谢率主要是由什么因素决定的？人体的发热量和出汗思考题国外常用带内电热源manikin（人体模型）作热舒适实验，manikin的发热量由输入的活动强度决定，材料的导热系数与人体肌肤基本相同。实验时测量皮肤温度来确定人体的热舒适度。这种做法有什么局限？人体处于非热平衡时的过渡状态时是否适用热舒适方程？其热感觉描述是否适用PMV指标？PMV在描述偏离热舒适状况时有何局限？95思考题国外常用带内电热源manikin（人体模型）作热舒适思考题为什么要有TSV和TCV两种人体热反应评价投票？HIS、WCI与PMV、PPD应用上有什么区别？动态热环境与稳态热环境对人的热感觉影响有何差别，原理是什么？你自己对“舒适”和“中性”之间的关系有何切身体会？

96思考题为什么要有TSV和TCV两种人体热反应评价投票？96演讲完毕，谢谢观看！演讲完毕，谢谢观看！第四章

人体对热湿环境的反应98第四章

人体对热湿环境的反应1第一节人体对热湿环境反应的生理学和心理学基础食物分解氧化热量人体的基本生理要求：维持体温基本恒定！代谢率(MetabolicRate)：人体新陈代谢反应过程中能量释放的速率。99第一节人体对热湿环境反应的生理学和心理学基础食物分解氧人体的热平衡热平衡方程MWCRES=0

皮肤表面积AD＝0.202mb

0.425H0.725

身高1.78m体重65kgAD为1.8m2100人体的热平衡热平衡方程MWCR人体温度核心(Core)温度核心层：通常包括脑、脊椎、心脏、肝脏、消化器官等内脏部分。直肠温度最接近。外层(Shell)温度

皮肤表面到10mm以内的部分，通常包括皮肤，皮下脂肪和表层的肌肉。101人体温度核心(Core)温度4人体体温范围肝脏：最高，38℃各部分温差不会太大皮肤：与外界环境有关日夜有1℃以内的波动代表温度：核心温度102人体体温范围肝脏：最高，38℃5人体外层温度皮肤温度 状态

45

℃以上 皮肤组织迅速损伤 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

℃ 2-4met的(中等)运动量时感觉舒适32~30

℃ 3-6met的(较大)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103人体外层温度皮肤温度 状态 6人体与外界的热交换人体与外界的热交换显热交换对流散热辐射散热潜热交换皮肤散湿出汗蒸发皮肤湿扩散呼吸散湿104人体与外界的热交换人体与外界的热交换7影响人体与外界热交换的因素环境空气温度：对流换热环境表面温度：辐射换热水蒸汽分压力（空气湿度）：对流质交换高温环境：增加热感低温环境：增加冷感！风速：对流热交换和对流质交换吹风感：Draft，冷感和对皮肤的压力冲击服装热阻：影响所有换热形式105影响人体与外界热交换的因素环境空气温度：对流换热8关于热湿环境的术语

平均辐射温度或近似式：准确的应该是四次方黑球温度Tg操作温度：反映了环境空气温度ta和平均辐射温度 的综合作用106关于热湿环境的术语平均辐射温度或9平均辐射温度:

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。=107平均辐射温度:

一个假象的等温围合面的表面温热质交换系数的确定对流换热系数：专门针对人体的实验数据受迫对流hc=Cvn自然对流：三种主要形式

hc=常数

hc=CT0.25

hc=C(M-50)

0.39对流质交换系数：传质与传热比拟

LR=he

/hc=16.5℃/kPa108热质交换系数的确定对流换热系数：专门针对人体的实验数据11服装的作用：保温和阻碍湿扩散服装的性能：

服装的热阻Icl

服装的透湿性

服装的表面积109服装的作用：保温和阻碍湿扩散服装的性能：12服装的热阻Icl一般指显热热阻单位m2K/W和clo，其中1clo=0.155m2K/W已知单件服装热阻：Icl=0.161+0.835Iclu,i

110服装的热阻Icl一般指显热热阻13服装的热阻Icl

人运动时由于人体与空气之间存在相对流速，会降低服装的热阻。 Icl=0.504Icl+0.00281Vwalk–0.24椅子给人增加0.15clo以下热阻 Icl=0.748Ach–0.1步速90步/min1clo0.48clo111服装的热阻Icl人运动时由于人体与空气之间存在相对流速，会舒适服装热阻与环境温度、相对风速、活动强度的关系112舒适服装热阻与环境温度、相对风速、活动强度的关系15服装的透湿性服装的存在增加了皮肤的蒸发换热热阻：服装对皮肤表面的水蒸气扩散有一个附加的阻力。服装吸收部分汗液，只有剩余部分汗液蒸发冷却皮肤。使得需要更大蒸发量才能在皮肤表面上形成同样的散热量。113服装的透湿性服装的存在增加了皮肤的蒸发换热热阻：16服装的潜热热阻服装的蒸发换热热阻(干燥服装)： Ie,cl

=Icl

/LR=Icl

/16.5(kPam2/W)服装被汗湿润后热阻会下降，显热换热加强，又增加了潜热换热，故总传热系数增加：114服装的潜热热阻服装的蒸发换热热阻(干燥服装)：17服装的表面积

服装的面积系数fcl

定义：人体着装后的实际表面积Acl和人体裸身表面积AD之比。有实验数据。

表达式：fcl=Acl/AD

与服装热阻的近似关系

fcl=1.0+0.3Icl

115服装的表面积服装的面积系数fcl18人体的能量代谢率影响因素多：

肌肉活动强度：绝对的影响环境温度：偏高、偏低都增加代谢率性别：男性高于女性年龄：少年高于老人神经紧张程度：紧张则代谢率高进食后时间的长短等：进食后代谢率增加，蛋白质代谢率高，糖和脂肪类代谢率低。代谢率单位met：1met=58.2W/m2，即成年男子静坐时的代谢率。116人体的能量代谢率影响因素多：196~10%基础代谢率：参照基础基础代谢率(BMR，BasalMetabolicRate):未进早餐前，保持清醒静卧半小时，室温条件维持在18~25℃之间测定的代谢率。46met。BMR变化范围：10~15％。超过20％为病态。1176~10%基础代谢率：参照基础基础代谢率(BMR，Bas肌肉活动与代谢率肌肉活动强度对代谢率起决定性的影响一般室内运动代谢率多在5met以下118肌肉活动与代谢率肌肉活动强度对代谢率起决定性的影响21人体是高效的能量转化系统吗？否！机械效率

＝W/M

大部分室内劳动机械效率近似0119人体是高效的能量转化系统吗？否！机械效率22人体的潜热散热量：皮肤蒸发

体表全部被汗湿润：

Esk=Ersw+Edif=wEmax接近热舒适条件下的出汗潜热散热量 Ersw=0.42(M–W–58.2)皮肤湿润度w=Esk/Emax皮肤湿扩散散热量没有排汗时Edif=0.06Emax

有正常排汗时Edif=0.06(Emax–Ersw)

120人体的潜热散热量：皮肤蒸发

体表全部被汗湿润：

23人体的潜热散热量：呼吸蒸发显热散热量 Cres=0.0014M(34ta)W/m2

潜热散热量 Eres=0.0173M(5.867Pa)W/m2

121人体的潜热散热量：呼吸蒸发显热散热量24人体的辐射散热人体与外界的辐射换热方程0.80.40.70.780.720.7122人体的辐射散热人体与外界的辐射换热方程0.8人体散热、散湿量的影响因素全热：主要决定于肌肉活动强度，受其它因素影响在应用上可以忽略。显热：决定于温度，随温度上升而减少。潜热(散湿)：决定于温度，随温度上升而增加。123人体散热、散湿量的影响因素全热：主要决定于肌肉活动强度，受12427人体排汗率散湿量决定因素环境温度核心温度(代谢率)125人体排汗率散湿量决定因素28人体的温度感受系统20世纪初发现人的皮肤上存在对冷敏感的区域“冷点”和对热敏感的区域“热点”人体各部位的冷点数目明显多于热点为什么人对冷更敏感？50mV126人体的温度感受系统20世纪初发现人的皮肤上存在对冷敏感的区人体各部位冷点和热点分布密度(个/cm2)参考文献：H.Hensel,ThermoreceptionandTemperatureRegulation,London:AcademicPress,1981127人体各部位冷点和热点分布密度(个/cm2)参考文献：H.H冷、热感受器冷、热感受器存在于：外周温度感受器皮肤粘膜内脏中枢性温度敏感神经元脊髓延髓脑干网状结构128冷、热感受器冷、热感受器存在于：31冷、热感受器的位置129冷、热感受器的位置32人体的体温调节系统下丘脑具有调节代谢、体温和内分泌功能，前部主要促进散热来降温，后部促进产热抵御寒冷。散热调节方式血管扩张，增加血流，提高表皮温度出汗御寒调节方式血管收缩，减少血流，降低表皮温度通过冷颤增加代谢率130人体的体温调节系统下丘脑具有调节代谢、体温和内分泌功能，前人体的体温调节系统下丘脑前后部是相互制约起作用的，需要同时利用核心温度和皮肤温度信号来决定调节方式。131人体的体温调节系统下丘脑前后部是相互制约起作用的，需要同时人的体温设定值随肌肉活动强度而改变在体温调节系统正常工作时，增加环境温度并不能提高人体的核心温度（直肠温度）。只有改变代谢率才能改变人体核心温度。132人的体温设定值随肌肉活动强度而改变在体温调节系统正常工作时体温调节系统的工作原理133体温调节系统的工作原理36热感觉研究方法：心理学定义：人对周围环境“冷”“热”的主观描述。特点：尽管人描述环境的冷热，实际上只能感觉到自己皮肤下神经末梢的温度。所以“冷”“热”与感受者的身体状态有关，不是完全客观的。“中性”的定义：不冷不热，人用于体温调节消耗的能量最小。134热感觉研究方法：心理学37感觉热

感觉冷热感觉的影响因素冷热刺激的存在刺激的延续时间人体原有的状态135感觉热感觉冷热感觉的影响因素冷热刺激的存在38热感觉的适应性28303234363840136热感觉的适应性28303核心温度对热感觉的影响温暖热！核心温度作用中性皮肤温度作用137核心温度对热感觉的影响温暖热！中性40热感觉的测量：问卷调查138热感觉的测量：问卷调查41什么是热舒适?观点1：

舒适＝中性

?139什么是热舒适?观点1：?42什么是热舒适?观点2：

舒适＝中性×舒适产生于不适的消除过程中。“舒适”比“中性”更主观。Cool&Comfort!140什么是热舒适?观点2：×舒适产生于不适的消除过程中。Coo热舒适与热中性的背离体温过低体温过高体温正常手的温度(℃)很不愉快正常很愉快141热舒适与热中性的背离体温过低体温过高体温正常手的温度(℃)很影响热舒适的因素

空气湿度

垂直温差

气流与吹风感辐射不均匀性

年龄、性别、季节、人种142影响热舒适的因素空气湿度45空气湿度中性－热环境中，为什么潮湿的空气使人不舒服？空气湿度对人体排汗量有影响吗？在皮肤没有完全湿润的情况下，增加空气湿度会减少人体散热量吗？潮湿为什么不舒服？皮肤湿润度增高皮肤黏着性增加不适143空气湿度中性－热环境中，为什么潮湿的空气使人不舒服？46垂直温差尽管受试者处于热中性状态，头足温差仍然使人感到不舒适。20℃28℃144垂直温差尽管受试者处于热中性状态，头足温差仍然使人感到不舒垂直温差145垂直温差48垂直温差ASHRAEHandbook：地板温度和不满意度的关系146垂直温差ASHRAEHandbook：地板温度和不满意度气流与

吹风感draught

定义：人体所不希望的局部降温但在“中性－热”环境下吹风往往是愉快的其它不舒适的原因

局部压力干扰冷颤出现147气流与

吹风感draught定义：人体所不希望的局部降温有效送风温度(有效吹风感)影响吹风感的因素：气流速度及温度、人体所处的热状态、气流的分布状态针对气流引起的吹风感评价，反映了气流速度和空气温度的共同作用霍顿1938年的实验，里德伯格尔等1949年总结，内文斯1971年提出公式：

＝(Tj-Ta)-8(v-0.15)舒适标准为：-1.7<<1.1，v<0.35m/s现用于风口性能评价的ADPI指标148有效送风温度(有效吹风感)影响吹风感的因素：气流速度及温度、辐射不均匀性向量辐射温度：室内两部分的平均壁面温度差Tv=Fpc(Tc-T∞)向量辐射温度超过10℃，人就感到不舒适149辐射不均匀性向量辐射温度：室内两部分的平均壁面温度差52辐射不均匀性辐射吹风感：房间内局部低温辐射导致人体所不希望的局部降温面对冷表面的平均辐射温度比其它部分部分的平均辐射温度低8K以上，将使人感到不舒适8K150辐射不均匀性辐射吹风感：房间内局部低温辐射导致人体所不希望其它因素：Fanger的实验结论人种：非洲人比北欧人喜欢热环境吗？热舒适感觉一样，只是热带人对热环境有较强适应力，寒带人对冷环境有较强适应力。年龄：老年人比年轻人更喜欢热环境吗？不是，只是老年人活动量小。性别：女性比男性更喜欢热环境吗？不是，只是女性喜欢穿较轻薄的衣服。季节和一天中的时间会影响热舒适感吗？尽管人体温有波动，但热舒适感没有明显变化151其它因素：Fanger的实验结论人种：非洲人比北欧人喜欢热感觉投票和热舒适投票ThermalComfortVote&ThermalSensationVote152热感觉投票和热舒适投票ThermalComfortVo第二节人体对稳态热环境的反应描述

理论建立者：P.O.Fanger热舒适方程 令人体热平衡方程中蓄热率S＝0，得出：(M-W)=fclhc

(tcl-ta)

+3.9610-8

fcl[(tcl+273)4

(+273)4]+3.05[5.7330.007(MW)

Pa]+0.42(MW58.2)+1.7310-2

M(5.867

Pa)+0.0014M(34

ta)对流散热辐射散热汗液蒸发散热呼吸潜热和显热散热皮肤扩散蒸发散热153第二节人体对稳态热环境的反应描述

理论建立者：P.O.预测平均评价PMV(PredictedMeanVote)PMV=(0.303e–0.036M+0.0275)TL =(0.303e–0.036M+0.0275)

{M–W–3.05[5.733–0.007(M–W)–Pa] –0.42(MW58.15)–1.7310-2M(5.867Pa) –fclhc(tcl

ta)–0.0014M(34ta) –3.9610-8fcl[(tcl+273)4

(+273)4]}S154预测平均评价PMV(PredictedMeanVotePMV指标的7级分度分度方法和TSV基本一致PMV指标只代表了同一环境下绝大多数人的感觉，不能代表所有个人的感觉。155PMV指标的7级分度分度方法和TSV基本一致58预测不满意百分比PPD

(PredictedPercentDissatisfied)PPD是通过概率分析确定某环境条件下人群不满意的百分数

PPD＝100–95exp[–(0.03353PMV4+0.2179PMV2)]即便达到PMV＝0，仍然有5％的人不满意。156预测不满意百分比PPD

(PredictedPercent热舒适方程与PMV指标特点总结只适用于接近热舒适的状态（tsk和Ersw与环境温度完全无关），所以变量中除由人体活动强度确定的代谢率外只有外部参数。舒适程度由对热中性的偏移程度确定，与偏移的时间长短没有关系，与人体的热状态变化没有关系。PMV的计算是完全客观的，但指标的含义却是由主观感觉统计确定的。157热舒适方程与PMV指标特点总结只适用于接近热舒适的状态（ts在曼谷、新加坡、Athens、布里斯班做的

3200组非空调环境的测试结果：PMV与实际TSV的偏差。158在曼谷、新加坡、Athens、布里斯班做的3200组非空其它稳态热反应评价指标：(1)有效温度ET1919开始研究，1967前的ASHRAE手册采用有效温度ET定义：“这是一个将干球温度、湿度、空气流速对人体温暖感或冷感的影响综合成一个单一数值的任意指标。它在数值上等于产生相同感觉的静止饱和空气的温度。”对于正常穿着：ET=0.492Ta+0.19Pa+6.47对于半裸者:(二式条件均为va<0.15m/s)ET=(0.944Ta+0.056Twb)/[1+0.22(Ta-Twb)]

缺点：低温条件下湿度的影响不准确159其它稳态热反应评价指标：(1)有效温度ET1919开始研究(1)有效温度ET诺谟图风速(m/s)干球温度(℃)普通衣着，坐姿轻劳动条件。湿球温度(℃)160(1)有效温度ET诺谟图风速干球温度(℃)普通衣着，坐(2)新有效温度ET*(Gagge)ASHRAE标准55-74，ASHREA手册1977版参考空气环境：身着0.6clo服装静坐，空气流速0.15m/s，相对湿度50％，干球温度T0如果同样服装和活动的人在某环境中的冷热感与上述参考空气环境中的冷热感相同，则此环境的ET*＝T0该指标只适用于着装轻薄、活动量小、风速低的环境。161(2)新有效温度ET*(Gagge)ASHRAE标准55-(3)标准有效温度SET*特点：综合考虑了不同的活动水平和衣服热阻定义：某个空气温度等于平均辐射温度的等温环境中的温度，其相对湿度为50%，空气静止不动，在该环境中身着标准热阻服装的人若与他在实际环境和实际服装热阻条件下的平均皮肤温度和皮肤湿润度相同时，则必将具有相同的热损失，这个温度就是上述实际环境的SET*。皮肤总散热量皮肤温度皮肤湿润度SET*下饱和水蒸汽分压力皮肤表面饱和水蒸汽分压力162(3)标准有效温度SET*特点：综合考虑了不同的活动水平和ASHRAE舒适区对于穿轻薄服装，坐着工作，空气流速较低的情况，SET*就等于ET*。坎萨斯州立大学实验条件：0.6~0.8clo坐着55-74条件：0.8~1clo坐着但活动稍大163ASHRAE舒适区对于穿轻薄服装，坐着工作，空气流速较低的(3)标准有效温度SET*SET*=24℃22.5℃，100％24℃，50%SET*＝20℃164(3)标准有效温度SET*SET*=24℃22.5℃，100第三节人体对动态热环境的反应什么是动态热环境？非空调环境在温度不同的空间之间穿行使用摇头电风扇变温变风速的空调方式人对动态与稳态热环境反应不同的机理热感觉的适应性核心温度和皮肤温度变化的不一致性165第三节人体对动态热环境的反应什么是动态热环境？68Gagge的发现：人处于突变的环境空气温度时，尽管皮肤温度和核心体温的变化需要好几分钟，但热感觉却会随空气温度的变化马上发生变化。由中性－冷/热，感觉滞后由冷/热－中性，感觉超前对突变温度环境的反应166Gagge的发现：人处于突变的环境空气温度时，尽管皮肤温清华实验，证实了热感觉与皮肤温度的分离现象：中性－热，感觉滞后热－中性，感觉超前对突变温度环境的反应突变温度对TSV和皮肤温度的影响实验(clo=0.6)167清华实验，证实了热感觉与皮肤温度的分离现象：对突变温度环境0.30.5频率(Hz)人体对变化风速的反应现有的研究成果对摇摆风扇的接受程度优于固定风扇动态风能够改善“中性－热”环境下人体热感觉气流的脉动频率对人体热感觉有影响1680.30.5频率(Hz)人体对变化风速的反应现有的研究成果不同类型风的风速变化固定风扇的机械风自然风169不同类型风的风速变化固定风扇的机械风自然风72人体对不同类型脉动风速的接受程度实验（清华）170人体对不同类型脉动风速的接受程度实验（清华）73过渡区热指标RWI/HDR

美国运输部提出的人体在过渡空间环境的热舒适指标，适用于候车空间环境设计。对一种活动状态过渡到另一状态的处理：

未考虑过渡过程热感觉的“超越”和“滞后”现象代谢率M要经过6分钟才能达到最终活动状态下的稳定代谢率。其间代谢率与时间呈线性关系。出汗状态以及人的活动扰动气流的变化会导致服装热阻改变，要经过6分钟才能达到新的稳定值，其间服装热阻与时间呈线性关系。171过渡区热指标RWI/HDR美国运输部提出的人体在过渡空间环过渡区热指标RWI/HDR相对热指标RWI：针对较热环境

当Pa

2269Pa时当Pa

2269Pa时人体从不包括与空气等温的墙表面的外界获得的辐射热172过渡区热指标RWI/HDR相对热指标RWI：针对较热环境过渡区热指标RWI/HDR人体热损失率HDR(W/m2)：针对较冷环境热债D＝HDR当热债D≤－100kJ/m2，人体感到冷不适

当热债D≥100kJ/m2，人体感到热不适在过渡空间中，适宜的HRD值与人员的逗留时间成反比173过