人因工程第3章微气候.ppt

第三章 微气候环境 本章重点 微气候要素及其相互关系人体的热交换与平衡微气候环境对人的影响改善微气候环境的措施 第一节微气候要素及其相互关系 微气候是指生产 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 空气气温空气湿度气流速度 风速 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 一 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 3 1 3 2 二 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 空气内所含的水汽克数 2 相对湿度 某气温 压力条件下空气的水汽压强与相同温度 压力条件下饱和水汽压强的百分比 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 智能湿度测量技术的发展 图3 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3 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 三 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 图图3 4便携式风速仪 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3 2 图3 4所示 手持式风向风速仪 如图3 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3 2电子 热球 微风仪 图3 3手持式风向风速仪 四 辐射热 热辐射 物体在绝对温度大于0K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 四 辐射热 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3 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3 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 五 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 其中重要的组合有 空气温度和周围表面温度 空气温度 周围表面温度和气流速度 空气温度 周围表面温度 气流速度和相对湿度 空气温度 气流速度和相对湿度 空气温度和相对湿度 第二节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 一 人体的基本热平衡方程式 人体单位时间向外散发的热量 取决于人体外表面与周围环境的四种热交换方式 即辐射热交换 对流热交换 蒸发热交换和传导热交换 人体的热平衡方程为Qs Qm W Qc Qr Qe Qk 3 3 式中 Qs 人体的热积蓄或热债变化率 J m2 h W 人体为维持生理活动及肌肉活动所做的功 J m2 h Qm 人体的新陈代谢产热率 J m2 h Qc为人体外表面与周围环境的对流换热率 J m2 h Qr 人体外表面向周围环境的传导换热率 J m2 h Qk 人体外表面向周围环境的辐射热传递率 J m2 h Qe 人体汗液蒸发和呼出水蒸气的蒸发热传递率 J m2 h 表示人体得热 表示人体散热 一 人体的基本热平衡方程式 人体的热平衡是动态的当Qs 0时 人处于热平衡状态 此时 人体皮肤温度在36 5 左右 人感到舒适 当Qs 0时 人感到热 当Qs 0时 人感到冷 人体单位时间对流热交换量 取决于气流速度 皮肤表面积 对流传热系数 服装热阻值 气温及皮肤温度等 人体单位时间传导热交换量取决于皮肤与环境 包括所接触的物体 空气等 的温差以及所接触物体的面积大小及其导热系数 人体单位时间辐射热交换量 取决于热辐射强度 面积 服装热阻值 反射率 平均环境温度和皮肤温度等 人体单位时间蒸发热交换量 取决于皮肤表面积 服装热阻值 蒸发散热系数及相对湿度等 一 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的密闭式防护服中必备的服装系统 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 二 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 一般认为 舒适 有两种含义 一种是指人主观感到的舒适 另一种是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 一 人体对微气候环境的主观感受 1 舒适温度及其影响因素在实践中 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的舒适温度 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3 1为在室内湿度为50 某些劳动的舒适温度指标 3 衣服 穿厚衣服对环境舒适温度的要求较低 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 一 人体对微气候环境的主观感受 一 人体对微气候环境的主观感受 表3 1不同劳动条件下的舒适温度指标 一 人体对微气候环境的主观感受 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3 2所示 表3 2工作场所允许风速 二 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 下面介绍三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 1 不舒适指数 以人体对温度和湿度的感觉为例 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 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 DI td tw 0 72 40 6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适指数 就可以掌握其环境特点及对人的影响 不舒适指数不足之处是没有考虑风速 1 不舒适指数 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3 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3 3不同国家对不适指数的不适主诉率 1 不舒适指数 2 有效温度 感觉温度 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 气流温度为参数 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 有效温度图 图3 6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3 6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 图3 6有效温度图 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 如图3 7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 表3 4介绍了有效温度对人体热感觉的影响 图3 7操作误差与有效温度 有效温度对人感觉及工作效率的影响 表3 4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 不同作业种类的有效温度 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 表3 5不同作业的有效温度 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 这里热负荷 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 3 三球温度指数 WBGT 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 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3 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 3 三球温度指数 WBGT 表3 6允许接触高温的阈值 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 注 表中 好 级的WBGT指数值是以最高肛温不超过38 为限 表3 7WBGT指数评价标准 4 卡他度 卡他度是指由被加热36 5 时的卡他温度计的液球 在单位时间 单位面积上所散发的热量 单位为mcal cm2 s 卡他度一般用来评价劳动条件舒适程度 卡他温度计是一种测定气温 湿度和风速三者综合作用的仪器 卡他度H可通过测定卡他温度计的液柱由38 降到35 时所经过的时间 T 而求得 H F T式中 H 卡他度 mcal cm2 s F 卡他计常数 T 由38 降至35 所经过的时间 s 卡他度分为干卡他度和湿卡他度两种 干卡他度包括对流和辐射的散热效应 湿卡他度则包括对流 辐射和蒸发三者综合的散热效果 一般H值越大 散热条件越好 工作时感到比较舒适的卡他度如表3 7和表3 8所示 4 卡他度 4 卡他度 表3 7较舒适的卡他度 表3 8不同卡他度下的人的感觉 第三节微气候环境对人的影响 微气候对人体生理产生很大的影响 特别是在温度 湿度及空气对流异常的气候条件下 会对人产生很大影响 本节将就人体在冷热环境中人体的各种生理和病理反应及其对作业的影响做一介绍 一 高温作业环境对人的影响二 低温环境条件对人的影响三 衣着的温度效应 一 高温作业环境对人的影响 一 高温作业环境的定义及其分类一般将热源散热量大于84kJ m2 h 的环境叫高温作业环境 高温作业环境有三种基本类型 一是高温 强热辐射作业 其特点为气温高 热辐射强度大 相对湿度较低 二是高温 高湿作业 其特点为气温高 湿度大 如果通风不良就会形成湿热环境 三是夏季露天作业 如农民劳动 建筑等露天作业 二 高温作业环境条件下人体的生理特征 热应激效应在高温作业环境条件下 人体通过呼吸 出汗及体表血管的扩张向外散热 当人体产热量大于散热量时 产生热积累 呼吸和心跳加快 皮肤表面血管的血流量激烈增加 有时可达正常值7倍之多 以实现体温调节 这种现象称为热应激效应 热衰竭热衰竭是由热疲劳引起的全身倦怠 食欲不振 体重减少 头痛 失眠 无力等症状 二 高温作业环境条件下人体生理特征 高温作业环境条件下 肠温度表示人体耐受度与人体 核心 温度有关 核心 温度低于38 一般不会引起热疲劳 通常用直体的 核心 温度 据研究 直肠温度 人脑温度 肝脏温度 右心房温度 0 6 口腔温度 0 4 在一定的温度范围内 人体 核心 温度能够保持一定的热平衡机能 而且其 核心 温度取决于作业的负荷 劳动强度 核心 温度tR与作业负荷M的关系式为 tR 37 0 0 0019M式中 tR为核心温度 M为作业负荷 W 二 高温作业环境条件下人体生理特征 三 高温作业环境对人的生理影响 1 对消化系统具有抑制作用 人在高温下 体内血液重新分配 引起消化道相对贫血 由于出汗排出大量氯化物以及大量饮水 致使胃液酸度下降 会引起食欲不振 消化不良和胃肠疾病的增大 2 对中枢神经系统具有抑制作用 高温热环境下大脑皮层兴奋过程减弱 条件反射的潜伏期延长 注意力不易集中 严重时 会出现头晕 头痛 恶心 疲劳乃至虚脱等症状 3 导致水分和盐分大量丧失 在高温下进行重体力劳动时 平均每小时出汗量为0 75 2 0L 一个工作日可达5 10L 人体长时间持续受热 可使下丘脑体温调节功能发生障碍 由于出汗 大量水分丢失 以至水盐代谢失衡 血容量减少 机体热负荷过大 加重了心血管负荷 引起心肌疲劳 数年后可出现高血压 心肌受损及其他方面的慢性疾患 4 高温及噪声联合作用损伤人的听力 有文献对此进行专门报导 高温对人体语言听阈和高频听阈没有影响 但高温与噪声的联合作用不仅能加重噪声对人耳高频听阈的损害 也能提高人耳语频听阈 因此 降低高温环境温度可减轻噪声对工人听力的危害 三 高温作业环境对人的生理影响 四 高温作业环境对工作效率 事故的影响 高温环境影响效率 人在27 32 下工作 其肌肉用力的工作效率下降 并且促使用力工作的疲劳加速 当温度高达32 以上时 需要较大注意力的工作及精密工作的效率也开始受影响 高温作业环境条件下不仅引起人体不适 影响身体健康 而且还使生产效率降低 随着温度提高和气流速度降低 作业效率明显降低 脑力劳动对温度的反应更敏感 当有效温度达到29 5 时 脑力劳动的效率就开始降低 许多学者的实验都表明 有效温度越高 持续作业的时间越短 另外 事故发生率与温度有关 据研究 意外事故率最低的温度为20 左右 温度高于28 或降到10 以下时 意外事故增加30 高温作业分级 GB T4200 1997标准 我国于1997年正式实施了 高温作业分级 GB T4200 1997标准 并于2002年重新修订为 高温作业场所气象条件的卫生学评价标准 该标准采用了国际通用的WBGT指数方法对高温作业进行了分级 如表3 9所示 表3 9中华人民共和国国家标准高温作业分级 二 低温环境条件对人的影响 一 低温环境下人的生理反应人体在低于皮温的环境下 皮肤血管收缩 体表温度降低 使其辐射和对流散热达到最小程度 当外界温度进一步下降 肌肉会因寒冷而剧烈收缩抖动 以增加产热量维持体温恒定的现象 称为冷应激效应 人体在严重的冷暴露中 皮肤血管处于极度的收缩状态 流至体表的血流量显著下降或完全停滞 当局部温度降至组织冰点 5 以下时 组织就发生冻结 造成局部冻伤 二 低温环境条件对人的影响 人体对低温的适应能力远低于热适应能力 低温导致神经兴奋性与传导能力减弱 出现痛觉迟钝和嗜睡状态 很多人就是在这种不知不觉的睡眠中被冻死的 在低温作业环境下人体会经历低温适应初期和不能适应低温环境的两个阶段 在低温适应初期 人体代谢率增高 心率加快 心脏搏出量增加 当人体核心温度降低之后 心率也随之减慢 心脏搏出量减少 这实际上是人体已经不能适应低温环境的信号 人体长期处于低温条件 还会导致循环血量 白细胞 血小板减少 血糖降低 血管痉挛 营养障碍等症状 二 低温环境对人体的影响 低温环境对人体的影响 不仅取决于温度 还取决于湿度 气流速度 在低温高湿条件下 由于湿度的增加 衣服的热阻降低 使衣服起不到御寒作用 会引起人体肌肉痛 发炎 神经痛 神经炎 腰痛 风湿痛等各种疾患 而随着气流速度增加 人体通过空气对流散热量增加 而且温度越低 气流速度影响越大 有效温度降低量越大 低温环境条件下 首先影响人体四肢的灵活性 最常见的是肢体麻木 特别是影响手的精细运动灵巧度和双手的协调动作 手的操作效率和手部皮肤温度及手温有密切关系 手的触觉敏感性的临界皮温是10 左右 操作灵巧度的临界皮肤温度是12 16 之间 长时间暴露于10 以下 手的操作效率会明显降低 二 低温环境对人体的影响 下表是对防空兵某型高炮作业者在不同环境温度及持续时间下装填炮弹工作中进行精细作业的平均操作次数 二 低温环境对人体的影响 表3 11不同操作次数及实验时间下操作错误率 由以上两表可以看出 作业时间越长 试验环境温度越低 作业者的每分钟平均操作次数就越少 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 三 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 三 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 着衣指数 表示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3 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 三 衣着的温度效应 三 衣着的温度效应 表3 12着衣指数的级别划分表 一 人居的微气候环境的改善利用微气候知识 人们进行了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 表3 13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