《人体反应》PPT课件.ppt

第四章 人体对热湿环境的反应,2,主要内容,人体对热湿环境反应的生理学和心理学基础 人体热平衡 温度感受系统与调节系统 热感觉与热舒适 人体对稳态热环境的反应 人体对动态热环境的反应 其他热湿环境的物理度量 热环境与工作效率 二节点模型,第一节 人体对热湿环境反应的 生理学和心理学基础,4,1. 人体的基本生理要求,食物分解氧化热量,一、 人体的热平衡基本概念,1）人体的基本生理要求：维持体温相对稳定 人体摄取食物以维持生命 食物通过人体新陈代谢被分解，大部分化学能变成热量 人体不断释放热量，也从环境中通过对流、辐射和汗液蒸发获得或失掉热量 人体的生理机能决定了必须维持体温相对稳定以保证人体各项功能正常。,代谢率(Metabolic Rate)：人体新陈代谢反应过程中能量释放的速率,5,人体各部分的温度不同 身体表面温度比深部组织低，易随着环境温度变化； 代谢率高的器官温度较高。,从中你发现了什么？,感谢血液循环，帮助我们将热量从高温处带到低温处,6,体温,量测体内温度的有利位置,a）核心温度,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,7,b）人体平均皮肤温度 外层(Shell)温度 皮肤表面到 10 mm 以内的部分，通常包括皮肤，皮下脂肪和表层的肌肉,8,式中M人体能量代谢率,决定于人体活动量大小，W/ W人体所做的机械功，W/； C人体外表面向周围环境散发的对流热量,W/； R人体外表面向周围环境散发的辐射热量,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/。,3.人体热平衡,9,10,现在来分析一下热平衡方程吧 S=0： S0： S0：,Think，S=0就表示人体处于舒适状态吗？,表明人体正常，能量平衡；,表明体温上升，人体不舒适；,表明在冷环境中，人体散热量增多。,注意： S=0并不一定表示人体处于舒适状态。因为各种热量之间可能有许多不同组合都可使S=0，但只有能使人体按正常比例散热的热平衡才是舒适的。,11,当劳动强度或室内热环境要素发生变化时，人体通过调节机能争取新的热平衡，这时的热平衡称为“负荷热平衡”，虽然S仍然=0，但人体已不在舒适状态（但是可以忍受）。 由于人体物质代谢调节能力有一定限度，终将出现S0。,结论：室内空气温度、湿度、气流速度、环境辐射温度是室内热环境的四项构成要素，它们与人体产热量及衣着情况的不同组合，使得室内热环境大致可分为舒适的、可以忍受的和不能忍受的三种情况。,12,式中,人体皮肤表面积，m2；,H身高，m；,体重，kg。,4.裸身人体皮肤表面积的计算,看看自己的皮肤有多大吧!再想想这么大的一张皮子是做什么用的呢?,13,皮肤的作用,保护身体避免受伤和被病菌感染,14,二、人体与外界的热交换,1.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,15,2.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） 风速 服装热阻：影响所有换热形式,16,环境表面温度,平均辐射温度 或 近似式： 准确的应该是四次方 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,周围物体的表面温度：决定人体辐射散热强度 其温度高会增加人体热感； 其温度低会引起过多的辐射热损失（如坐在冷玻璃窗旁所感到的辐射吹风感）。,17,平均辐射温度: 一个假想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。,=,18,我国对不同建筑性质的t（外墙或屋顶内表面与室内空气之间的允许温差）取值规定是根据卫生和建造成本等因素确定的，一般保证不结露，不形成过分冷辐射。,19,空气相对湿度： 一定温度下，空气相对湿度高则人体皮肤表面的蒸发量少，散热量小； 高温环境下相对湿度大增加人体热感； 低温环境下相对湿度大会使衣物潮湿，降低衣服热阻而增加人体冷感。,20,空气流速：影响人体与环境的显热和潜热交换速率，气流速度大时人体对流散热量大，提高汗液蒸发率，从而增加人体冷感；同时还影响人体的皮肤触觉感受。,在较凉环境下，吹风会强化冷感觉，对人体热平衡有破坏作用，相当一种冷感觉。 在较暖环境下，不破坏人体热平衡，是一种气流增大引起皮肤及黏膜蒸发量增加以及气流冲力产生的不愉快的感觉，会引起皮肤紧绷、眼睛干涩、被气流打扰、呼吸受阻甚至头晕的感觉。,21,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,22,服装的热阻Icl,一般指显热热阻 单位m2K/W和clo，其中1clo = 0.155 m2K/W 已知单件服装热阻： Icl = 0.161+0.835 Iclu,i,23,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 = 0.504 Icl + 0.00281Vwalk 0.24 椅子给人增加0.15 clo以下热阻 Icl = 0.748 Ach 0.1,步速 3.7km/h 1clo 0.48 clo,24,服装的透湿性,增加皮肤蒸发换热热阻的原因 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,只有剩余的汗液蒸发冷却皮肤； 大多数服装借助被称为灯芯作用的毛细现象而吸收和传输汗液，使汗液并不在皮肤表面蒸发，而是从服装内部或外表面蒸发，这使排汗效率降低。,影响皮肤表面汗液的蒸发,服装的存在增加了皮肤的蒸发换热热阻,25,服装的透湿性,服装吸收了汗液后，会使人凉快的原因 衣服潮湿导致导热系数增加 衣服原有热阻下降,1clo干燥服装被汗湿润后的热阻,26,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 + 0.3 Icl,27,3.人体的能量代谢,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：1 met = 58.2 W/m2，即成年男子静坐时的代谢率。,28,人体的能量代谢率 人体的机械效率 人体的蒸发散热量 人体与外界的辐射换热量 不同环境条件和活动强度下人体散热和散湿量,29,610%,（1）基础代谢率：参照基础,基础代谢率(BMR ) 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：46 W/m2 BMR变化范围：1015%。超过20为病态。,30,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5 met 以下,31,（ 2）机械效率 W / M 大部分室内劳动机械效率近似0,32,（3）人体的潜热散热量,1)人体皮肤实际蒸发散热量：,式中 Ersw汗液蒸发散热量，w/m2； Edif皮肤湿扩散散热量； 皮肤湿润度。,可用实验量测出来,反映了汗液能够蒸发的难易程度，极好地客观反映不舒适程度，如环境湿度增加，皮肤湿润度也将提高。,33,2)人体的呼吸散热散湿量,显热散热量 Cres = 0.0014 M (34 ta ) W/m2 潜热散热量 Eres = 0.0173 M (5.867 Pa ) W/m2,34,（4）人体与外界的辐射,周围物体向人体辐射称为正辐射，即人体得到热量 人体向周围物体辐射称为负辐射，即人体失去热量 人对正辐射较敏感(夏季)，对负辐射较迟钝，这就是严寒时人容易因负辐射不知不觉地失热而受冷的原因。,式中人体表面的发射率，对灰体其值等于吸收率； 斯蒂芬玻尔兹蔓常数，5.67108W/K4 ； feff 人体姿态影响有效表面积的修正系数； Tcl人体表面的温度，K； 环境的平均辐射温度，K。,35,成年男子在不同环境温度条件下的散热散湿量,（5）人体散热、散湿量的影响因素,36,活动强度一定时，人体发热量在一定温度范围内可近似看作是常数； 随环境空气温度的不同，人体向环境散热量中显热和潜热的比例随环境空气温度变化： 环境空气温度越高，人体的显热散热量越少，潜热散热量越多； 环境空气温度达到或超过人体体温时，人体向外界的散热形式全部变成蒸发潜热散热。,37,1.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？,50mV,三、温度感受系统与调节系统,38,人体各部位冷点和热点分布密度(个/cm2),39,冷、热感受器的位置,冷感受器：皮肤表面下0.150.17mm的生发层中; 热感受器：位于皮肤表面下约0.30.6mm处。,用显微镜是无法辨识感受器的，冷热感受器在皮肤中的距离是根据实验推断出的结论。,40,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,2. 人体的体温调节系统,41,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。,对体温调节系统最重要的输入量,结论：人体的御寒能力很弱，不如防止过热能力，因此人体对冷刺激的反应要比对热刺激的反应敏感。,42,一、热感觉,四、热感觉与热舒适,1）什么是热感觉 2）热感觉的影响因素 3）热感觉的适应性 4）皮肤温度、核心温度对热感觉的影响 5）热感觉的描述（投票）,43,1. 什么是热感觉,人体对温度是敏感的，但这对于温度测量来说是不可靠的。大脑常依靠热量传入传出体内的速度来判断温度,不能用任何直接方法测量感觉,热感觉：人对周围环境是“冷”还是“热”的主观描述。,热“中性”状态：即人感到不冷不热的状态。,44,5,2. 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,感觉热 感觉冷,变热,当变化率在0.1/s以上时，皮肤温度只要升高0.5就会感到温暖，而在0.01/s的较小变化率下，在皮肤温度升高3以前却没有任何感觉。,45,3. 热感觉的适应性,28 30 32 34 36 38 40,温度的变化(),适应温度（）,当皮肤局部已经适应某一温度后,改变皮肤温度,一定范围内不会引起皮肤有任何热感觉的变化。,46,4 .皮肤温度、核心温度对热感觉的影响,温暖,中性 皮肤温度作用,热！ 核心温度作用,热感觉最初取决于皮肤温度，而后取决于核心温度,47,举例1：,当人置于突然变化的温度环境之中，热感觉随空气温度的变化而立即发生变化，尽管皮肤温度和深部体温的变化需要好几分钟. 在空气温度中感觉抢先发生变化，使受试者会感到象在稳态的空气温度下一样地暖和，尽管他的生理温度远远偏离稳态值。 因此，在瞬变状况下，常用空气温度预测热感觉，比根据皮肤温度和核心温度确定可能更准确。,瞬变状况下，热感觉的变化比体温变化要快,48,举例2：,舒适感通常在静坐状态下出现，此时既不出汗，温度调节的工作量也最小。 在运动期间，深部体温升高且皮肤通常出汗以保持平衡，降低了对外界刺激的灵敏度，使一个运动着的人对温度变化的感受不及静坐的人灵敏，这是因为他正处于体力活动之中，无暇顾及热刺激。如果他正在出汗，强有力的蒸发系统只需较小的力量就可补偿环境温度的变化。,运动对感觉的影响,49,5 . 热感觉的描述（投票）,问卷调查方式，了解受试者对环境的热感觉，要求其按某种等级标度描述其热感。,目前最广泛使用的是以下两种标度(可相互比较)： 贝氏标度（英国Thomas Bedford于1936年提出） ：将热感觉和热舒适合二为一； ASHRAE七级热感觉标度（ASHRAE thermal sensation scale）：精确指出了热感觉。,50,投票选择方式,51,二、什么是热舒适?,因为人与人之间的差异，导致在任何一个热环境中要想使50%以上的人同时认为这个环境是舒适的，这是一件很难的事情，但这是我们的目标。,ASHRAE Standard 54-1992认为是：对环境表示满意的意识状态； Bedford、Gagge、Fanger等认为是：“不冷不热”的中性热感觉； Hensel认为是：使人高兴，愉快、满意的感觉； Cabanac认为是：随着热不舒适的部分消除而产生的； Ebbecke（1917年）认为是：假定依赖于来自调节中心的热调节反应，而热感觉是假定与皮肤热感受器的活动有联系。,1.定义,52,观点1： 舒适中性,?,53,观点2： 舒适中性,理由：身体酷热时洗冷水澡，舒适凉快 身体寒冷时洗热水澡，舒适暖和 舒适必然伴随着不适的消除,54,2.热舒适投票TCV,55,3.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 其它：年龄、性别、季节、人种,56,（1）空气湿度,空气湿度：对人的舒适性影响很大。,（2）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。,57,58,（3）气流与吹风感,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,59,人头顶上的自然对流速度是 0.2 m/s，所以是人体对风速可以觉察到的，往往用来确定室内风速的设计标准。 当空气流速0.5 m/s，麦金太尔(1979)等研究者的实验表明，只要把空气温度调整得合适（提高空气温度），就可以使空气的流动几乎觉察不到。,60,（4）辐射不均匀性,冷热辐射吊顶的位置、尺寸、 表面温度与舒适性的关系,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.,TcTr (K),Tc,Tr,T,c/a=0.19,61,（5）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,62,主要内容,人体对热湿环境反应的生理学和心理学基础 人体热平衡 温度感受系统与调节系统 热感觉与热舒适 人体对稳态热环境的反应 人体对动态热环境的反应 其他热湿环境的物理度量 热环境与工作效率 二节点模型,第二节 人体对稳态热环境的反应,一、影响热舒适因素 二、预测平均评价PMV 三、有效温度,64,注意：这些变量是相互影响的，改变一个变量对人体舒适感的影响可能与其他变量值有关。,一、热舒适方程,65,范格尔提出：可用一个综合舒适指标来代替以上六个变量表示人体的舒适程度，确定人体舒适状态的物理参数是与人体有关，而不是与环境有关，因为人感觉到的是自己的皮肤温度，而不是周围空气的温度。为此制定了三个前提条件： 人体必须处于热平衡状态，以使人体对环境散热量等于人体体内产生的热量； 平均皮肤温度应具有与舒适相适应的水平。人体的热感觉与皮肤温度有关，当能量代谢率较高时舒适所需的皮肤温度通常低于坐着工作时的皮肤温度； 人体应具有最佳的排汗率，排汗率也是能量代谢率的函数，人们只有坐着工作时才不出汗。,66,热舒适方程 令人体热平衡方程中蓄热率 S0，得出： (M W )=fcl hc (tcl - ta ) + 3.9610-8 fcl (tcl + 273)4 ( + 273)4 +3.05 5.733 0.007(MW ) Pa + 0.42( MW 58.2 ) +1.73 10-2 M (5.867 Pa ) + 0.0014 M (34 ta ),反映了人体处于热平衡状态时，6个影响人体热舒适的变量M、Pa、ta、 、Icl、va之间的定量关系,第二节 人体对稳态热环境的反应,一、影响热舒适因素 二、预测平均评价PMV 三、有效温度,68,二、预测平均评价PMV (Predicted Mean Vote),若人体通过对流和辐射散热能满足舒适方程，人体处于舒适状态； 若人体在某种热环境下，通过对流、辐射散热不能满足舒适方程，人体会产生一个热负荷TL（反映人体对热平衡的偏离程度的人体热负荷）。,69,二、预测平均评价PMV (Predicted Mean Vote),PMV = (0.303 e0.036 M + 0.0275) TL,对1396名受试者进行冷热感觉实验，得出了PMV指标：人的热感觉与人体热负荷TL之间的关系。,人体热负荷:人体产热量与为了维持人体舒适必需向外界散热的差值。,PMV指标：引入反映人体热平衡偏离程度的人体热负荷TL而得出。,70,试验条件：四种不同的活动强度，相同的衣量（标准服装，为0.6clo，包括薄的棉斜纹布裤子和衬衫以及短毛袜，不穿鞋）,风速有变化，人体的反应。 试验结论：人体反应是活动量和“负荷”的函数，即：PMV=0.303exp(0.036M)+0.0275TL,适用于稳态热环境，不适用于动态热环境,71,PMV指标的7级分度,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。,1396名受试者,由此推出了预测不满意百分比PPD指标,72,预测不满意百分比PPD (Predicted Percent Dissatisfied),PPD是通过概率分析确定某环境条件下人群对热环境的不满意百分数。 PPD10095exp(0.03353 PMV 4 + 0.2179 PMV2),因此，ISO7730对PMV-PPD指标的推荐值范围为：-0.5+0.5，相当于人群中允许有10%的人感觉不满意。,夏季典型状况（当地夏季典型室外热环境条件，0.4clo,室中央静坐） 炎热地区和部分温暖地区：夏季日平均PMV1.5，相当于室温29.8（相对湿度70%，风速0.1m/s，室温=房间平均辐射温度）； 寒冷地区和部分温暖地区：夏季日平均PMV1.2，相当于室温29.1（相对湿度70%，风速0.1m/s，室温=房间平均辐射温度）。,我国住宅室内热环境评价指标,我国住宅室内热环境评价指标,冬季典型状况（当地冬季典型室外热环境条件下，采暖地区1.5clo，非采暖地区2.0clo，室中央静坐） 采暖地区：日平均PMV-1.2； 非采暖地区：日PMV-1.5。,例1在夏季，当人静坐在某居室内，该室气温为30，房间平均辐射温度为29，风速为0.1m/s，相对湿度60%，服装热阻为0.4clo，hc=4， ，请采用PMV-PPD指标评价热环境。,由式4-26得：,由题意可知：M=58.2W/m2，W=0W/m2，ta=30， Pa=2.539kPa，Icl=0.4，hc=4W/（m2），,由fcl=1.0+0.3Icl,解,76,简便算法：,77,78,解决办法1： 如果房间受到强烈辐射，房间平均辐射温度为32，其他条件与例1相同。,解决办法2： 如果使室内风速为0.3m/s，其他条件同上。,可求得：PMV=1.54，PPD=60%，说明即使在强烈热辐射下，只要加强通风，可以改善室内热环境。,按例1做法可求得：PMV=1.96，查PMV-PPD曲线得PPD=80%，表明了热辐射对热感觉的影响。,减少服装热阻； 降低室温，打开空调或电扇,第二节 人体对稳态热环境的反应,一、影响热舒适因素 二、预测平均评价PMV 三、有效温度,1.有效温度ET 定义：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。,三、有效温度,被使用了近50年，目前已不采用了，为什么呢？,未考虑热辐射作用，不能反映逗留较长时间的热感觉，所以实验设计不够合理。,81,2.新有效温度ET*（皮肤湿润度）,相对湿度50%的空气温度作为 与其冷热感相同环境的等效温度而得出,引进皮肤湿润度的概念； 适用于着装轻薄（0.6clo）； 活动量小（坐着工作）； 风速低（0.15m/s）的环境； 与 ET比较， ET*包含了辐射热的作用。,82,ET*=24,22.5，70,23.5，55%,83,3.标准有效温度SET*,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*。,综合考虑了不同的活动水平和衣服热阻，是一个最通用的指标。可用来解决高温高湿对人体的影响，把真实环境下的空气温度、相对湿度和平均辐射温度规整为一个温度参数。,标准环境： 空气温度=平均辐射温度的等温环境； 相对湿度为50%； 空气静止不动。,84,坎萨斯州立大学实验：0.60.8 clo坐着 55-74条件：0.6 clo、静坐、空气流速0.15m/s,第三节 人体对动态热环境的反应,86,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,87,Gagge 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 1,88,人体对变化风速的反应2,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 人体最敏感区： Fanger 0.3-0.5 Hz, Arens 0.7-1 Hz,89,过渡区热指标RWI/HDR 3,美国运输部提出的人体在过渡空间环境的热舒适