GB∕ T 40233-2021 热环境的人类工效学 物理量测量仪器（正式版）

热环境的人类工效学物理量测量仪器国家标准化管理委员会国家市场监督管理总局发布国家标准化管理委员会I Ⅲ 1 1 13.1舒适与应激环境 13.2表征环境的物理量 14测量仪器 24.1测量的物理量 2 4 75.1一般原则 7 7 8附录A(资料性附录)空气温度的测量 9附录B(资料性附录)平均辐射温度的测量 附录C(资料性附录)平面辐射温度测量 23附录D(资料性附录)空气绝对湿度的测量 附录E(资料性附录)空气速度测量 附录F(资料性附录)表面温度测量 42附录G(资料性附录)操作温度测量 附录H(资料性附录)参考文献 45Ⅲ——GB/T18049—2017热环境的人类工效学通过计算PMV和PPD指数与局部热舒适准则12GB/T40233—2021/ISO7726:1998d)空气流速(va),单位为m/s;lMW空气空气空气绝对湿度(水蒸气部分蒸汽压)发阻力√√√√√√√√√√√√呼吸对流，Cre√√“对流传热也受身体运动的影响。在皮肤上产生的空气速度称为相对空气速度(vm)。热传导(表面温度)对总3GB/T40233—2021/ISO7726:1998任何能够测量或计算辐射温度不对称性或平面辐射温度的仪器或方法，只要球温度和空气温度)间接得到(参见附录D)。干湿球温度计是一种常用的湿度测量装置。它能够从空气温度的测量值ta和湿球温度的测量值空气流速(矢量)是由大小和方向决定的。在热环境中考虑的矢量的大小(参见附录E)。空气流速va,在空间中的任意点都随时间变化，需记录速度波动。气流可以用平均速度v。来描4GB/T40233—2021/ISO772va——测量周期内“i”时刻的速度，单位为米每秒(m/s)。气流的湍流强度TU,定义为标准偏差除以平均速度，通常用百分数表示：表面温度是指给定表面的温度。通常用来评估人体由于平均辐射/平面辐射温度产生的与环境的换热。也可以用于评估身体与特定表面之间直接接触的效果。表面温度可以用附录F中给出的方法——接触式温度计，传感器与表面直接接触。这种传感器可能会改变测量点的热流量，进而影响测量结果。——红外传感器，测量表面辐射热通量并将其转换为温度。这种测量方法可能受到待测物体表面发射率的影响。4.2测量仪器4.2.1基本物理量测量仪器的特性表2总结出了各个基本物理量传感器的测量范围，测量精度和90%响应时间。这些特性被认为是设备的最低要求。根据需要和技术制造的难度，可以指定更为精确的技术指标要求。因此，对于某些非常精确的热应激测量可能需要使用具有S级测量范围和C级精度的仪器。本标准中，传感器的时间常数被认为在数值上等于传感器输出所需的时间，以响应被测环境量的阶跃变化达到其最终稳态值的63%而无超调。响应时间是指在实际测量中，被测物理量(例如温度计的温度)可以被认为足够接近真值的确切数字之后的时间，可以用时间常数来计算。经过2倍～3倍时间常数的时间后，达到90%的响应时间。在进行测量之前，等待时间至少需要相表2测量仪器的特性量符号C类(舒适)S类(热应激)范围响应时间范围响应时间空气10℃~要求：±0.5℃保证偏差短。被指—40℃~要求：—40℃~0℃:士(0.5+>0℃~50℃:±0.5℃>50℃~120℃:±[0.5+0.04(ta一理想：要求精度/2差|t,—ta|=20℃能短空气温度传地防止来自的热辐射的1min内的5GB/T40233—2021/ISO7表2(续)量符号C类(舒适)S类(热应激)范围响应时间范围响应时间10℃~要求：±2℃理想：±0.2℃达到如此水平。当无法实现时，请表明实际的测量精度短。被指征值—40℃~要求：—40℃~0℃:士(5+>0℃~50℃:±5℃>50℃~150℃:±[5+0.08(t,—50)]℃理想：—40℃~0℃:士(0.5>0℃~50℃:±5℃>50℃~150℃:士[0.5+0.04(t,一能短当测量是以一个黑色的时，根据环境和va,ta准确性，有关平均辐射温度的误差可以为C类的±5℃和±20℃0℃~要求：士0.5℃保证偏差|tpr一短。被指性值0℃~要求：—60℃~0℃:士(0.1十0.1|tprl)℃0℃~50℃:±1℃50℃~200℃:±[1+理想：要求精度/2差|tpr-tal<20℃能短空气理想：士(0.02角内流动的方向要求：~要求：士(0.1+0.05va)理想：±(0.05+0.05va)值。为了要一个小的响应时间，尽可能短除了不定向气流的情况外，无论空何，空气速度传感器都3min内的平均值和标准偏差保证偏差|t,一短。被指性值差|t,—ta|≥20℃能短6GB/T40233—2021/ISO7726:1998表2(续)量符号C类(舒适)S类(热应激)范围响应时间范围响应时间0℃~要求：±1℃理想：±0.5℃短。被指仪器的特—40℃~要求：—10℃~50℃:±1℃理想：要求精度/2能短定向十35W/m²士5W/m—300℃~100℃~要求：理想：的影响。因此，表2中规定的精度应符合表3中规定的环境条件。t空气温度任何集成多个变量测量的测量仪器，其测量间隔、响应时间和精度都应等于或优于相应的单个7GB/T40233—2021/ISO间平均数值之间的偏差不超过测量精度(表2中所要求的)乘以系数X(在表4中列出)得到的数值。C类(舒适)S类(热应激)空气温度34222323蒸汽压力23各单项量与其平均值之间的偏差应小于通过本表中的适当因子X乘以所需测量精度(表2)所得到的偏定在评估舒适度或热应激时要考虑的量的平均值。结合以前对于工推荐高度(仅供参考)同质环境111112118导出物理量应根据表5中提供的信息来选择。平面辐射温度、平均辐射温度和绝对湿度通常仅在不同的传感器应放置在表5所示的人体正常进行活动的高度。当不可能中断正在进行的活动时，b)由于不同环境中人体的移动(例如，靠近机器的温暖环境和舒适的休息环境),物理量也会发些参数的波动相对于平均时间值不超过所需测量精度(表2中所要求的)乘以相应因子(表4中列出的)9GB/T40233—2021/ISO7726:1998b)减少传感器和相邻墙壁之间的温差。由于不可能改变外壳壁面的温度，所以在传如果没有强制通风，最内侧的屏应与传感器隔开一个足够大的空间，使c)通过强制通风(机械式或电动风机)增加传感器周围空气流速以及减小传感器尺寸(热敏电阻、图A.1显示了空气速度和传感器尺寸对未屏蔽辐射情况下空气温度测试结果的相对影响规律。测量的温度可以表示为X×ta+(1-X)×t,,其中X是空气温度的相对影响。图A.1中表面传感器尺寸(直径)和空气速度均对测试结果有显著影响。该图基于球体的热交换计算(参见附录B)。计算中假空气流速/(m/s)GB/T40233—2021/ISO7726:1998空气流速/(m/s)125——与环境的热交换越好。在传感器的水平位置上通过增加对流传热系数可以1)液体膨胀温度计(水银温度计);1)可变电阻温度计：GB/T40233—2021/ISO7726:1998B.1概述人体所接收或失去的净辐射热量是其暴露部位与周围各种热源交换的所有辐射换热量的代数和。个辐射换热量进行计算。然而，一旦辐射热源的数量很多或形状复杂时，这种方法就会变得复杂和黑色球体应放置在要测量平均辐射温度T,的实际腔体中。由于来自空间内不同热源的辐射以及q,+qe=0GB/T40233—2021/ISO772外界壁面与球体之间的辐射传热，通过平均辐射温度表示如下：式中：eg——黑色球体的发射率(无量纲);σ——斯忒藩-玻耳兹曼常数，单位为瓦特每平方米四次方开尔文[(W/(m²·K⁴)],σ=5.67×T,——平均辐射温度，单位为开尔文(K);空气在外壳和球体之间的对流热交换量通过式(B.3)给出：qc=hcg(Ta—Tg)式中：hc——黑球表面对流换热系数，单位为瓦特每平方米开尔文[W/(m²·K)]。自然对流情况下：强制对流情况下：在C类环境中，采用能够给出最大值的对流换热系数。在S类环境中，可以采用与之前相同的方黑球与环境的热平衡方程表示如下：平均辐射温度由下式给出：在标准球体D=0.15m,eg=0.95(亚光黑漆)的情况下式(B.6)变为：t.=[(tg+273)⁴+0.4×10⁸|tg-t₄|¹/4×(tg-ta)]1/4-273……在标准球体情况下：t,=[(tg+273)⁴+2.5×10⁸×va0.6(tg-ta)]14-273实际上，这是最常用的计算平均辐射温度的表达式。它仅适用于标准球体的强制对流。图B.1显示了球体上空气温度和平均辐射温度的相对影响。例如：对于一个球体直径为100mm,空气流速为0.35m/s,球体温度为：GB/T40233—2021/ISO77图B.1不同风速和球体直径下，空气温度和平均辐射温度对球体温度的相对影响在使用标准黑球温度计获得环境参数如下：球体表面的交换系数计算如下：-—自然对流情况下：因此将使用强制对流的交换系数。根据式(B.9)计算平均辐射温度：t,=[(55+273)⁴+2.5×10⁸×va0.6(55-30)]1/如果使用具有以下特征的黑球进行测量：黑球测量温度为53.2℃。然后根据式(B.8)计算平均辐射温度：B.2.3.1由于外部热环境的辐射经常是热应激的主要因素之一，因此不正确的平均辐射温B.2.3.2在非均匀辐射的情况下，有必要使用三个黑球温度计。当辐射不均匀时，测量单个点上的黑B.2.3.4使用黑球计测量平均辐射温度的准确性在很大程度上取决于环境的其他特征值。在每一种B.2.3.5使用黑球温度计来评估人体接受的平均辐射温度是一个近似投影面积系数如表B.1所示的椭球体可以认为更接近人体的形状。表B.1显示了人体，椭圆体和表B.1投影面积系数上/下左/右前/后GB/T40233—2021/ISO772B.3其他测量方法B.3.1双球辐射计P.感器的必要加热量(冷却量),单位为瓦特每平方米(W/m²);B.4平均辐射温度的计算方法T,4=T₁⁴Fp-1+T₂⁴Fp_2+…+Tn⁴FpN由于角系数的总和为1,因此平均辐射温度的四次方将被视为等于周围表面温度四次方根据各个T,=T₁Fp-1+T₂Fp-2+…+T~Fp-=0.5)的温度比另一半高10K,则根据式(B.12)和式(B.13)计算的平均辐射温度之间的差异只有中的温差为100K,则根据式(B.13)计算的平均辐射温度约低10K。B.4.2根据平面辐射温度计算——六个方向的平面辐射温度tp(参见附录C);坐姿t,=0.13(tp[上]+tp[下])+0.185(tp[右]+tpr[左]+tpr[前]+tp[后])站立t,=0.06(tp[上]+tp[下])+0.220(tp[右]+tpr[左]+tp[前]+tpr[后])B.5其他辐射热流量GB/T40233—2021/ISO772σ——斯特藩-玻尔兹曼常数，单位为瓦特每平方米四次方开尔文[W/(m²·K⁴)],σ=5.67×常用有效辐射热流来测量和描述人体在给定的封闭环境中接收到的辐射，以瓦特每平方米表示有效辐射热流定义为外壳墙壁与人体之间的辐射换热。体表平均温度为32℃,人体发射率为t,=(tp+273)(1+2.146×10-³×Ee)0.2tr=(tb+273)(1+2.146×10-³×Eei)0.GB/T40233—2021/ISO7Fp-NFp-NFp-N5323232b/c图B.2当人体围绕垂直轴旋转时，坐着的人与垂直矩形(高于或低于他的中心)之间的角系数的平均值(在知道人体位置而不知道人体朝向时使用)a=4m;b=3m;c=5m;b/c=0.6;a/c=0.8;图B.3当人体围绕垂直轴旋转时，坐着的人与水平矩形(在天花板或地板上)之间的角系数的平均值例如：a=3m;b=6m;c=2m;b/c=3.0;a/c=1.5;Fp-x图B.4当人体围绕垂直轴旋转时，站立的人与垂直矩形(高于或低于他的中心)之间的角度系数的平均值(在知道人体位置而不知道人体朝向时使用)a=4.5m;b=2.0m;c=3.0m;b/c=0.67;a/c=1GB/T40233—2021/ISO图B.5当人体围绕垂直轴旋转时，站立的人与水平矩形(在天花板或地板上)之间的角度系数的平均值(在知道人体位置而非人体朝向时使用)a=1.0m;b=15m;c=1.5m式中ABCDEGB/T40233—2021/ISO772(资料性附录)平面辐射温度测量C.1概述在各种环境中，人可能会受到不对称的热辐射。为了评估辐射的不对称性，提出了辐射温度不对称性(△tpr)的概念，数量上等于两个相对小平面单元上的平面辐射温度(tp)之差(见4.1.3)。本附录描述了一种通过净辐射计测量平面辐射温度和辐射温度不对称性的方法。还介绍了另外两种测量和计算平面辐射温度和辐射温度不对称性的方法。C.2平面辐射温度测量C.2.1加热传感器由反射盘和吸收盘组成平面辐射温度可以通过加热传感器来测量，该传感器由反射盘(镀金)和吸收盘(亚光黑漆)组成。镀金圆盘几乎完全通过对流散热，而黑色圆盘则通过对流和辐射散热。如果两个盘加热到相同的温度，则两个盘的热流差异等于黑色盘与环境之间的辐射传热。由式(C.1)计算平面辐射温度：式中：Pp——抛光盘的热量供应量，单位为瓦特每平方米(W/m²);eb——黑色盘的发射率；σ——斯忒藩-玻耳兹曼常数，单位为瓦特每平方米四次方开尔文[W/(m²·K⁴)],σ=5.67×C.2.2恒温空气盘在这种方法中，一个小平面单元控制在与周围空气相同的温度下。没有对流热损失，所需提供的热量(冷却)等于辐射换热(冷却交换)量。由式(C.2)计算平面辐射温度：式中：GB/T40233—2021/ISO772Es——盘的发射率；σ——斯忒藩-玻耳兹曼常数，单位为瓦特每平方米四次方开尔文[W/(m²·K⁴)],σ=5.67×净辐射计是一个夹在两个平面之间的黑色小平面单元热流计(热电堆)测量元件通常用薄的聚乙烯壳覆盖，以降低空气流速的影响，有时，净辐射计配有单向测量适C.3.2测量P=σ(Tprl⁴+Tpr24)……σ——斯忒藩-玻耳兹曼常数，单位为瓦特每平方米四次方开尔文[W/(m²·K⁴)],σ=5.67×P=4oTn³(Tpri—Tpr2)GB/T40233—2021/ISO772P₁=σTprt⁴—σe.Tn4Tpr1—平面1的辐射温度，单位为开尔文(K);σ——斯忒藩-玻耳兹曼常数，单位为瓦特每平方米四次方开尔文[W/(m²·K⁴)],σ=5.67×Tp⁴=T₁⁴Fp-1+T₂⁴Fp_2+…+Tn⁴Fp-N………由于角系数的总和为1,所以平面辐射温度的四次方将被视为等于半球的表面温度四次方乘以各境的一半(N=0.5)的温度比另一半高10K,则根据式(C.9)和式(C.10)计算的平均辐射温度之间的差辐射温度不对称性用两个相对小平面单元上平面辐射温度之间的差异来计算。GB/T40233—2021/ISO示GB/T40233—2021/I示cbaa5332--0GB/T40233—2021/ISOa b112b/c=1—5GB/T40233—2021/ISO772D.2湿空气的温湿度特性D.2.1一般原则环境的绝对湿度的值表征了空气中实际的水蒸气含量。通常使用两个值来表征空气的绝对湿度：D.2.2.2含湿量D.2.2.3水蒸气分压湿空气中水蒸气分压pa是在相同温度下水蒸气单独占据湿空气所占据的体积时水蒸气具有的GB/T40233—2021/ISO772式中pa——水蒸气的分压：p——总的大气压在饱和点，这两个值称为饱和含湿量Wa和饱和压力或饱和蒸汽压pas。饱和蒸汽压pas与湿空气混合物的绝对温度T具有一对一的对应关系。D.2.3相对湿度以给定温度下空气中所能容纳的水蒸气最大值为基准给出空气中水含量的值，表征为环境的相对相对湿度e是在相同温度和总压下，湿空气中的水蒸气分压pa与水蒸气饱和压力pas之间的比率。相对湿度通常按照以下关系表示为百分比：关于蒸发过程中人与环境之间的热量传递，需考虑空气的绝对湿度。D.2.4使用焓湿图直接确定湿空气的温湿度特性将湿空气的主要特征组合在一起表示的一个图称为焓湿图(见图D.1)。这个图的坐标如下：a)X轴为空气温度ta,单位为摄氏度(℃);b)Y轴为空气中水蒸气分压pa,单位为千帕(kPa)。给定的湿空气样本可由图上的一个点表示。应该注意的是，在给定的温度下，空气的绝对湿度不能超过对应于相对湿度100%的最大量，称为饱和度。图中给出的是在大气压力为101.3kPa时的温湿度特性，在不同压力下进行湿度测量需要使用用于相应压力下的图表。图D.1焓湿图以一个湿空气样本为例，它对应于焓湿图的粗线交点。该样品的热湿特性如下： D.3湿度计类型混合空气冷却到露点时使空气中的水蒸气凝结在镜子上。D.3.2电导率变化湿度计D.3.2.1氯化锂湿度计(测量绝对湿度)——原理由于不同湿度下传感器电导率变化会引起的温度变化，通过测量该温度变化来确定绝对湿度(见D.3.2.2电容湿度计(测量相对湿度)——原理通过测量传感器电容的变化来确定相对湿度。GB/T40233—2021/ISO7726:1998通过蒸发冷却处于流动空气中的湿球温度计(参见D.4)。表D.1总结了最常见的湿度换算公式。表D.1湿度换算公式一pas,w—6.27×10-4×(ta一tw)*(3)℃℃%p=大气压力“两个质量的比值W。是一个无量纲值。然而，为了确定这些值的正确表达，通常后面加上单位“千克水/千克干一个水容器中。水由毛细作用从容器上升到温度计，然后以与空气湿度有关的速率蒸发。这导致温度计受到更多的冷却，同时蒸发使棉芯变干(这种冷却受到由于空气对流而产生的湿芯包围的温度计所指示的温度被称为湿球温度tw。p=1.7kPatwtD.4.2使用焓湿图直接确定空气的绝对湿度pa=pas,w-Ap(ta-tw)…………(D.4)建议使用A=6.67×10-4℃-¹。pa=-Apta+Aptw+pas,w或pa=—Apta+f(tw)…………(D.6)湿球温度tw直线与空气温度t。垂直线的交点给出然后可以在y轴上直接读取pa。D.4.3注意事项D.4.3.1一般原则：虽然干湿球温度计的测量原理和使用都比较简单，但是在使用过程中也需要严格按照规范使用，如果不遵守，也可能会导致非常大的测量误差。D.4.3.2使用湿球温度计测试时应保证足够的通风速度，通常情况下风速至少为4m/s～5m/s。可以通过在环境中手动快速移动湿球温度计(旋转式干湿球湿度计),或通过由电机或机械马达驱动的微型涡轮机或小型风机吸入空气来增加空气流动。一般来说，较小的温度传感器需要的风速较低。测量的湿球温度不应与自然湿球温度混淆，自然湿球温度是自然通风状态下用湿芯传感器测量的。D.4.3.3干球和湿球温度计应该通过防辐射屏保护免受辐射。当平均辐射温度高于或低于空气温度时，空气温度传感器应使用一个或多个防辐射屏进行保护。由于湿球温度也可能与平均辐射温度不同，因此也需保护湿球温度计。D.4.3.4湿球温度计周围的湿芯应超出传感器的敏感部分，以消除温度计中的热传导导致的误差。如果不采取这种预防措施，通过蒸发冷却的传感器敏感部位一部分处于湿球温度下，而未被湿棉芯包裹的部分处于空气温度，这会导致两部分之间传导的热量传递，并因此导致测量湿球温度时的误差。因此湿芯应该在温度计上延伸得足够远，要超出温度计敏感部分。表D.2列出了推荐用于不同类型温度计的湿芯长度。表D.2湿球温度一湿芯所覆盖的温度计长度单位为毫米热电偶D.4.3.5润湿棉芯的水应该是蒸馏水，因为在盐水溶液中的水蒸气压力小于纯水。D.4.3.6湿球温度计的棉芯应能够让水通过毛细吸引力作用产生循环，特别是当空气的绝对湿度较低时。在后一种情况下，温度计上的水蒸发量增加，要求水从水槽迅速上升。如果脏了就更换棉芯。D.4.3.7当大气压力与标准大气压(101.3kPa)有明显偏离(超过2%)时，有必要测量气压。由于蒸发现象取决于大气压力(压力随高度的变化而变化),因此有必要使用与所测量的气压相对应的图表。D.5使用氯化锂湿度计测量湿度D.5.1操作说明和原则使用氯化锂(LiCl)湿度计测量湿度是基于以下两种现象：a)饱和吸湿盐溶液，特别是氯化锂溶液的饱和压力小于相同温度下水的饱和压力(见图D.3)。b)氯化锂溶液的电导率远高于固体盐。饱和水蒸气分压/kPaGB/T40233—2021/ISO7饱和水蒸气分压/kPa第二种情况下，氯化锂溶液可以通过简单的手段来实现加热，也可以通过调节加热功率控制加绝对湿度/kPa绝对湿度/kPa图D.4氯化锂湿度计的绝对湿度测量范围传感器的测试部分(见图D.5)通常由覆盖有薄壁玻璃纤维的薄绝缘管组成，玻璃纤维浸渍氯化锂溶液。两个贵金属电极并排排列在细布罩上，呈螺旋状，整体由穿孔保护套保护。两个电极连接到低压交流电源。产生的电流导致氯化锂溶液升温，并且使得之前吸收的水蒸发。一旦水分蒸发，溶液结晶。电导率和两个电极之间的强度显著降低，导致温度再次下降。说明：图D.5氯化锂湿度检测器的原理图然后氯化锂溶液可以吸收空气中含有的具有增加其导电性效果的水蒸气。电流增加并导致水再次GB/T40233—2021/ISOD.5.2.1根据用于保护传感器的隔热屏D.5.2.5读数只能在传感器热稳定后进行。氯化锂湿度计的响应时间约为6min。(资料性附录)c)测量周期。平均速度的准确测量取决于仪器的校准。测量标准偏差的准确性，即湍流强度取决于响应时间。响应时间长的仪器不能测量快速的波动。在湍流强度E.3风速仪的类型分量。如果这三个组成部分被称为vz,v,和v₂,则空气的速度va可以表示如下：a)叶片和杯形风速计(定向风速计);b)热线风速计(定向风速计);c)脉冲线风速计(对流动方向不敏感);GB/T40233—2021/ISO7726:19e)超声波风速计(对流向不敏感);f)激光多普勒风速计(对流向不敏感)。E.4带有热球型传感器的风速计E.4.1一般原则具有热球型传感器的风速计在实践中最常用于空间中的速度测量。E.4.2操作说明和原则与所