第1章 人因工程学概论

1第五章盐城工学院机械工程学院马如宏微气候环境9.202盐城工学院机械工程学院本章内容微气候要素及其相互关系1人体的热交换与平衡2微气候环境对人的影响3改善微气候环境的措施43盐城工学院机械工程学院一微气候要素及其相互关系微气候：指生产、生活过程中现场所处的局部环境中的气候状况，包括下列4个最重要的参数：

1、空气气温

2、空气湿度

3、气流速度（风速）

4、热辐射条件状况微气候环境直接影响人的情绪、疲劳程度、健康、舒适感觉和工作效率。3/664盐城工学院机械工程学院1、空气温度（气温）空气的冷热程度叫做气温。人们生产或生活所处局部环境的气温除受大气温度影响外，还受现场设备、产品、加工零件和原材料等冷热源和人体散热的影响。气温通常由干球温度计（寒暑表）测定，称为干球温度。气温的标度分摄氏温标（℃）和华氏温标（℉）。我国法定采用摄氏温标（℃），而美国则常采用华氏温标（℉），两种温标的换算关系为5盐城工学院机械工程学院2、空气湿度湿度:空气的干湿程度，分为绝对湿度和相对湿度。(1)绝对湿度:每立方米（m3）空气内所含的水蒸汽克数。(2)相对湿度:某气温、压力条件下空气的水蒸汽压强与相同温度、压力条件下饱和水蒸汽压强的百分比。生产与生活环境场所的湿度常用相对湿度表示。相对湿度在70%以上称为高气湿，低于30%称为低气湿。相对湿度可用通风干湿表或干湿球温度计测量。干湿球温度计中，湿球温度计指示的温度叫湿球温度，湿球温度略低于干球温度。5/666智能湿度测量技术的发展

6/66便携式温湿度计1便携式温湿度计2图5-1便携式温湿度计

单片微机的广泛应用和半导体存储器件技术的发展促进了智能湿度测量技术的发展。几种基于半导体温度、湿度传感器，微型计算机完成计算，半导体记忆器件存储数据的便携式实时测量系统已得到广泛使用。如便携式温湿度计（见图7-1）、智能湿度测量仪和单片微机测湿系统。它们都无须人工干预，实时性强，可以处理较多的数据；有的还可配多种探头以适应不同测量要求，实现在线数据记录、图形记录等；同时，配备报警功能以视觉、听觉、电子邮件形式发出报警信号。73、气流速度（风速）气流速度：空气的流动速度（m/s）。人类作业或生活起居场所中的气流速度除风力影响外，主要是由于冷热空气对流所致。冷热温差越大，产生的气流也越大。气流速度的大小对人体散热速度产生直接影响，因此它是评价微气候条件的主要因素之一。

7/668湖南科技大学工业工程系测定气流速度的仪器测定室内气流速度一般用热球微风仪，这是一种测量低风速（测量范围：0.05~1m/s）的仪器。现在各种便携式电子（热球）微风仪（如图5-2、图5-4所示）、手持式风向风速仪（如图5-3所示）和智能热风式风速仪都已经诞生，大大方便了测试工作。图5-4便携式风速仪99/66图5-2电子（热球）微风仪

图5-3手持式风向风速仪

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4、辐射热热辐射：物体在绝对温度大于0K(-273.16℃)时的辐射能量。热辐射是一种红外线，它不能加热气体，但能被周围物体所吸收而转变成热能，从而使物体升温，成为二次辐射源。人体也向外界辐射热量。当周围物体表面温度超过人体表面温度时，周围物体向人体辐射热能使人体受热，称为正辐射；反之，称为负辐射。10/6611热辐射强度：热辐射体单位时间、单位面积上所辐射出的热量（J/cm2·min）。图7-5黑球温度计

测量热辐射可用黑球温度计。黑球温度计是一种球形温度计，如图7-5所示。它是在直径为15.7mm的铜制球形表面涂上黑颜色（为无光泽黑球），球内插一支水银温度计制成。其平均辐射系数为0.95，铜球越薄越好。测量范围为20～120℃，精度为±1℃。打开热辐射源，黑球温度上升，关闭热辐射源，黑球温度下降，其差值为实际辐射温度。

125、微气候各要素之间的相互关系在人类作业或起居环境中，气温、湿度、热辐射和气流速度对人体的影响是可以相互替代的。某一参数的变化对人体的影响，可以由另一参数的相互变化所补偿。我们把微气候参数以及对冷热感觉有显著影响的微气候参数的各种组合的综合指标，称之为微气候指标，在下列环境中，人们有着相同的热环境感觉。１）气温17.7℃，相对湿度100％，风速0ｍ/ｓ。２）气温22.4℃，相对湿度70％，风速0.5ｍ/ｓ。３）气温25.0℃，相对湿度20％，风速2.5ｍ/ｓ。13二、人体的热交换与平衡人体是一个开放的复杂的巨系统，人体和外界环境存在着各种复杂的关系。从工程的观点看，人体可以看作一个热机，人体的功能就是把食物的化学能转化为功和热量。人体必须同周围环境之间处于相对稳定的热平衡，人才能进行正常的生理行为活动，周围环境的温湿度对人体的皮肤温度和核心温度都有较大的影响。人体可以看成是一个能够基本保持恒温（36.5℃）的温度自动调节器。

13/66人体的基本热平衡方程式为：

S＝M－W－H式中： S――人体内单位时间贮热量（W，即热流量，以下同）；

M――人体内单位时间能量代谢量（W）；

W――人体单位时间所做的功（W）；

H――人体单位时间向体外散发的热量（W）。二、人体的热交换与平衡1、人体的基本热平衡方程式人体内单位时间蓄热量S可以通过体内平均温度求得

S＝1.15mCp(BT1-BT2)/t式中m――身体重量（kg）；

Cp――人体比热容常数（3.475kJ/(kg·K)）；

BT1――初始体内平均温度(℃)；

BT2――终末体内平均温度(℃)；体内平均温度BT＝0.33皮温＋0.67直肠温度；

t――经历的时间（h）。二、人体的热交换与平衡1、人体的基本热平衡方程式人体单位时间向体外散发的热量H，取决于辐射热交换、对流热交换、蒸发热交换、导热热交换，即

H＝R＋C＋E＋K（kJ／s）式中R――单位时间辐射热交换量（kJ／s）；

C――单位时间对流热交换量（kJ／s）；

E――单位时间蒸发热交换量（kJ／s）；

K――单位时间传导热交换量（kJ／s）。二、人体的热交换与平衡1、人体的基本热平衡方程式17湖南科技大学工业工程系人体的体温控制是一个完善的温度调节系统。人体本身也是一个热源。若人体的能量代谢为M，向体外做功为W，向体外散发的热量为H。当M＝H＋W时，人体处于热平衡状态，此时人体皮温在36.5℃左右，人感到舒适；当M＞H＋W时，人感到热；当M＜H＋W时，人感到冷。17/661、人体的基本热平衡方程式181、人体的基本热平衡方程式衣内微气候理论指衣服与皮肤之间微小空间的温度、湿度和风速的总称。影响衣内微气候的因素有很多，比如衣服的款式、厚度和面料的特性等。

微气候冷却系统在高温高湿环境下的工作人员穿着密闭式防护服是必备的服装系统，其主要功能是吸收人体的热负荷，维持体心温度的恒定，减少热损伤，以提高人在高热环境中的工作效率，延长工作时间。18/66192、人体对微气候的主观感受人体对微气候环境的主观感觉，即心理上是否感到满意、舒适，是进行微气候环境评价的重要指标之一。

“舒适”有两种含义，一、指人主观感到的舒适；二、指人体生理上的适宜度。比较常用的是以人的主观感觉作为标准的舒适度，它往往会影响到工作效率。

19/6620（一）人体对微气候环境的主观感受

（1）舒适温度 在实践中，所谓舒适温度是指某一温度范围而言。生理学上常用的规定是：人坐着休息，穿着薄衣服，无强迫热对流，未经热习服的人所感到舒适的温度。按照这一标准测定的温度一般是21℃±3℃。影响舒适温度的因素很多，主要有：

1）季节。舒适温度在夏季偏高，冬季偏低。

2）劳动条件。不同劳动条件下的舒适温度也不同。表5-1为在室内湿度为50％，某些劳动的舒适温度指标。

20/6621作业姿势作业性质工作举例舒适温度/℃坐姿坐姿站姿站姿站姿脑力劳动轻体力劳动轻体力劳动重体力劳动很重体力劳动办公室、调度台操纵，零件分类车工、铣工沉重零件安装伐木18～2418～2317～2215～2114～20表5-1不同劳动条件下的舒适温度指标2222/66

3）衣服。衣服的厚度影响舒适稳定的高低，厚衣服的舒适温度较低，薄衣服的舒适温度高。

4）地域。人由于在不同地区的冷热环境中长期生活和工作，对环境温度习服不同。习服条件不同的人，对舒适温度的要求也不同。

5）性别、年龄等。女子的舒适温度比男子高0.55℃；40岁以上的人比青年人约高0.55℃。

23湖南科技大学工业工程系

（2）舒适湿度舒适的湿度一般为40％-60％。不同的空气湿度下，人的感觉不同，特别是在高温、高湿的空气下对人的感觉和工作效率的消极影响极大。

（3）舒适的风速在工作人数不多的房间里，空气的最佳速度为0.3m/s；而在拥挤的房间里为0.4m/s。室内温度和湿度很高时，空气流速最好是l~2m/s。我国采暖通风和空调设计规范（TJ19-75）中规定的工作场所风速如表5-2所示。

室内温度湿度基数允许风速/（m/s）温度/℃湿度/%182022242640～6040～6040～6040～6040～600.20.250.30.40.5表5-2工作场所允许风速243、微气候环境对人体影响的综合评价

研究微气候环境对人体的影响，不能仅考虑其中某个因素，因为构成微气候环境的各要素之间是相互作用，相互影响的。人进入作业或生活场所时，要受温度、湿度、风速和热辐射等多种因素的综合影响。因此，应综合评价微气候环境。下面介绍4种评价微气候环境的方法：

（1）不舒适指数

（2）有效温度（感觉温度）（3）三球温度指数（WBGT）（4）卡他度

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（1）不舒适指数舒伯特(S．W．Shepperd)和希尔(U．Hill)经过大量研究证明，最合适的湿度(H，%)与气温（t，℃）的关系为：H=188－7.2t12.2℃＜t＜26℃

例如: 室温t＝20℃时， 湿度H=188－7.2×20＝44，即44％。

25/662626/66针对这个情况，J．E．Bosen提出了一个不舒适指数DI(Discomfortindex)来综合表征人体对温度湿度环境的感觉。

式中，td为干球温度（℃）；tw为湿球温度(℃）。通过计算各种作业场所、办公室及公共场所的不舒适指数，就可以掌握其环境特点及对人的影响。27不适指数不适主诉率/%美国人日本人707579861050100难以忍受353670100据实验研究表明，生活在不同国家、不同地区的人们感到舒适的气候条件也有所区别，当不舒适指数在70附近时，人感觉比较舒适。表5-3所示为美国人和日本人对不同的不舒适指数的不适主诉率。

表5-3不同国家对不适指数的不适主诉率28

（2）有效温度（感觉温度）

是由ASHRAE（美国采暖、制冷和空气调节工程师学会）提出的。有效温度是指根据人体在微气候环境下，具有同等主诉温热感觉的最低气流速度和气温的等效温标。它是根据人的主诉温度感受所制订的经验性温度指标。前人（C．P．Yaglou）以干球温度、湿球温度、气流速度为参数，进行了大量实验，绘制成有效温度图。只要测出干球温度、湿球温度和气流速度，就可以求出有效温度。

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下图为穿正常衣服进行轻劳动时的有效温度图。

例如：测得空调大楼某实验室的干球温度为30℃，湿球温度为25℃，风速为0.5m／s；求在该环境中从事轻劳动的有效温度。在图上，分别找出干球温度30℃和湿球温度25℃，通过连接这两点间虚线与风速为0.5m／s曲线的交点，即可求出有效温度26.6℃。

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有效温度图31有效温度对人感觉及工作效率的影响有效温度高时，人的判断力减退，如右图所示。当有效温度超过32℃时，作业者读取误差增加，到35℃左右时，误差会增加4倍以上。下表中介绍了有效温度对人体热感觉的影响。

操作误差与有效温度32有效温度值/℃热感觉生理学作用机体反应41～40很热强烈的热应力影响出汗和血液循环受到极大的热打击*危险妨碍心脏血管的血液循环35热30暖和以出汗方式进行正常的温度调节25舒适靠肌肉的血液循环来调节正常20凉快利用衣服加强显热散热调节作用正常15冷鼻子和手的血管收缩粘膜、皮肤干燥10很冷肌肉疼痛，妨碍表皮的血液循环有效温度对人体热感觉的影响*热打击（出现威胁生命的突发事件，身体本身不能充分凉下来）33

不同作业种类的有效温度作业种类脑力作业轻作业体力作业舒适温度/℃不舒适温度/℃15.5~18.326.712.7~18.023.910～16.921.1~23.9人体对微气候环境的主观感觉，除与上述环境条件有关外还与人体的作业种类、作业负荷及着装等因素有关。不同作业的有效温度表

34（3）三球温度指数（WBGT）三球温度指数也称为湿球黑球温度(wetbulbglobetemperatureindex，WBGT)，是综合考虑了干球温度、相对湿度、平均辐射温度和风速等4个环境因素的综合温标，也是综合评价人体接触作业环境热负荷的一个基本参量。

热负荷（heatstress）是指人体在热环境中作业时的受热程度。取决于体力劳动的产热量和环境与人体间热交换的特性。

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WBGT指数计算要考虑不同的气候条件。室内外无太阳辐射时，采用自然湿球温度(WB)和黑球温度(GT)计算，室外有太阳辐射时要把干球温度(DT)考虑进去。其计算公式如下：室内外无太阳辐射时(室内、阴天或夜间)WBGT=0.7WB+0.3GT室外有太阳辐射时

WBGT=0.7WB+0.2GT+0.1DT

35/66（3）三球温度指数（wetbulbglobetemperatureindexWBGT）3636/66该法的特征是不用直接测量气流速度(其值已在自然湿球温度上反映了)。应该注意的是，在WBGT相同，但辐射热、湿度和空气流速不同时，人的生理反应不同。当湿度很高、空气流速很低时，使用WBGT方法较差。表7-6为美国工业卫生委员会推荐的各种不同的劳动休息制度的三球温度指数阈值，该种方法比较直观，应用起来比较方便。（3）三球温度指数（WBGT）37作业种类轻劳动中等劳动重劳动持续劳动75%劳动，25%休息50%劳动，50%休息25%劳动，75%休息3030.631.432.226.728.029.431.125.025.927.930.0允许接触高温的阈值/℃表（3）三球温度指数（WBGT）3838/66目前，我国也制定了运用WBGT指数对作业人员热负荷进行评价的标准（GB／T17244—1998）。该标准由中国国家技术监督局于1998年3月10日批准、1998年10月1日正式实施。该标准以工人8小时工作日平均能量代谢率（单位：kJ／min·m2）为基础进行劳动强度的等级划分，然后给出了不同劳动强度下，人体各种感觉状态（好，中、差、很差）的WBGT指数值。具体请参阅标准。（3）三球温度指数（WBGT）39平均能量代谢率等级WBGT指数/℃好中差很差0≤33≤34≤35>351≤30≤31≤32>322≤28≤29≤30>303≤26≤27≤28>284≤25≤26≤27>27注：表中“好”级的WBGT指数值是以最高肛温不超过38℃为限。WBGT指数评价标准表565低温环境对人体的影响每分钟操作次数实验时间/min（10℃）123456789102012.4014.2516.3718.2120.5420.6219.6419.7820.0120.623020.1323.4226.2127.3227.3727.4227.4727.5027.4326.58不同操作次数及实验时间下操作错误率/%

由以上表可以看出，每分钟操作次数一定，实验时间越长，人的准确性越差；相同实验时间情况下，操作次数越多，错误率越高。576、衣着的温度效应保温力：服装具有的保温值或总热阻。服装材料的结构、服装款式、环境温度、风速等的变化都会引起上述一系列热阻的变化，从而影响服装的保温力。保温功效：服装在特定条件下的保温力，或条件改变后保温力提高或抵御降低的能力(或效力)。

保温功效可通过服装材料自身保温力、环境条件的影响力，如防风效力、耐低温效力及空气层热阻效力等来表征。

57/66586、衣着的温度效应热阻：服装的保温作用可用服装热阻描述。热阻（传热系数的倒数）的常用单位为克罗（clo）。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。

58/665959/66着衣指数：为了使人的体表温度保持恒定或使人体保持舒适状态所需的衣服的厚度，其单位也为clo。1clo热阻的衣服相当于1件西服，4clo热阻的衣服相当于1件不太厚的棉衣。着衣指数共分为10级。当指数为负时表示使用电扇、空调等降温措施。它可按不同年龄（如老年人和婴幼儿、中年、青少年）分别给出指标，也可以按不同状态如休息、办公、活动或劳动）分别给出指标。表7-12给出的级别划分暂按成人的不同状态给出指标，其中休息状态的着衣指数相当于老年人和婴幼儿的日常一般状态。

6、衣着的温度效应60等级指数范围/Clo对策建议-2

≤-0.3夏装：着浅色轻薄透气的短装，须使用空调降温-1-0.3～0.0夏装：着浅色轻薄透气的短装，可使用风扇或空调调节00.0～0.5夏装：着短装如短袖上衣、短裤、短裙、短袖薄T恤，可使用风扇调节10.5～1.0夏装：如衬衣、T恤、裙装；或春秋装如西服或夹克，内着薄衬衣21.0～1.5春秋装：如西服、夹克内着衬衣31.5～2.3春秋装：如西服、夹克、夹衣、外套，内着针织长袖衫或衬衣加毛衣42.3～3.0早春/晚秋装：如毛衣、外套、西服、夹克、夹衣，内着棉毛衫或羊毛衫53.0～3.5初冬装：如厚外套、大衣、皮夹克，内着毛衣加棉毛衫63.5～4.5冬装：如棉衣、厚大衣、皮夹克、内着毛衣加棉毛衫7>4.5冬装：如厚棉衣、呢大衣、皮夹克、皮褛，内着毛衣加棉毛衫着衣指数的级别划分表

61四、改善微气候环境的措施气候系统气候特征对建筑影响范围的尺度/km时间范围水平范围竖向范围全球性气候20003～101～6个月地区性气候500～10001～101～6个月局地(地形)气候1～100.01～11～24h微气候0.1～10.124h

1、人居的微气候环境的改善

利用微气候知识，人们进行着不懈的努力来改造自己的人居环境和工作环境，如改进建筑结构及其周边环境来改善人居的微气候环境，下表显示了气候对于建筑的影响，从气候系统分类可以看出，微气候对建筑的影响范围是最为集中的。

气候对于建筑的影响62湖南科技大学工业工程系2、高温作业环境的改善高温作业环境的改善应从生产工艺和技术、保健措施、生产组织措施等