建筑环境学课件

第四章人体对热湿环境的反应§4-1人体对热湿环境反应的生理学和心理学基础

一.人体的热平衡thermalbalance

二.人体的温度感受系统sensationsystemofwarmth

三.热感觉thermalsensation

四.热舒适thermalcomfort

一、人体的热平衡

1.人体的基本生理要求

(1)代谢率：食物通过化学反应过程被分解氧化，实现人体的新陈代谢,在化学反应中释放能量的速率叫做代谢率（MetabolicRate）。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！人体各部分的温度不同。代谢率高的器官温度比较高，例如代谢率比较高的肝脏温度约为38℃。但由于全身血液在不断循环，把热量由温度较高处带到较低处，所以人体各部分温度不会相差很大。一昼夜之中，人体体温有周期性波动，波动幅度不超过1℃。我国正常成年人静止时的体温（℃）

bodytemperature

平均量变动范围腋温36.836.0～37.4口温37.236.7～37.7肛温37.536.9～37.9人体和环境的热交换

（2）人体热平衡方程式

M－W－C－R－E－S

＝0式中：M——人体能量代谢率，W/㎡；

W——人体所做的机械功，W/㎡；

C——人体外表面向周围环境通过对流形式散发的热量，W/㎡；

R——人体外表面向周围环境通过辐射形式散发的热量，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/㎡（式中各项均以人体单位表面积的产热和散热表示）

（3）裸身人体皮肤表面积的计算：

AD=0.202mb0.425H0.725式中，AD为人体皮肤表面积,m2；H为身高,m；mb—为体重,kg；如果一个人身高为1.78m，体重为90kg，则皮肤表面积为2.08m2左右。如果一个人身高为1.78m，体重为65kg，则皮肤表面积为1.8m2左右。如果一个人身高为1.6m，体重为50kg，则皮肤表面积为1.5m2左右。Skintemperature人体的核心温度是由人体的运动强度即代谢率决定的，人体的核心温度必须维持在一个相当窄的范围内才能保证其正常功能，而人的皮肤温度却随外界温度的变化而变化，而且与人体的核心温度一样，各部位之间存在一定差别。为了确定人的平均皮肤温度，Ramanathan（1964）提出了一个四点模型，即可通过测试人体胸部、上臂、大腿以及小腿的皮肤温度，按照权系数0.3、0.3、0.2和0.2进行加权平均。这样求得的平均皮肤温度对于多数用途来说是合适的。(4)人体最大的生理性温度变化变动范围为35～40℃；

S=0，表明人体正常；S>0，表明体温上升，人体不舒适;当体温≥40℃,称体温过高；当体温≥45℃，人死亡;S<0,表明在冷环境中，人体散热量增多。当体温<36℃，称体温过低；当体温<28℃，有生命危险；当体温<20℃，一般不能复苏；人体皮肤所能够适应的温度范围在29℃～37℃之间。

人体皮肤温度与人体热感觉的关系皮肤温度状态45℃以上皮肤组织迅速损伤，热痛阈41℃～39℃疼感阈39℃～37℃热的感觉34℃～33℃休息时处于热中性状态，热舒适32℃～30℃较大（3-6met）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5℃（手）伴随疼感的冷感觉2人体与外界的热交换形式对流、辐射、蒸发；对流：环境空气的温度决定了人体表面与环境的对流换热，温差因而影响了对流换热量。周围的空气流速影响了对流热交换系数。气流速度大时,人体的对流散热量增加,因此会增加人体的冷感。辐射：周围物体的表面温度决定了人体辐射散热的强度。蒸发：潜热交换。主要是通过皮肤蒸发和呼吸散湿带走身体的热量。决定于空气相对湿度的大小与空气流速

皮肤蒸发：包含汗液蒸发和通过皮肤的湿扩散两部分；空气流速：除了影响人体与环境的显热和潜热交换速率以外,还影响人体的皮肤的触觉感受。吹风感（draught）是一种气流增大引起皮肤及粘膜蒸发量增加以及气流冲力产生的不愉快的感觉。3影响人体与外界显热交换的几个环境因素

(1)平均辐射温度：MRT(MeanRadiantTemperature)

平均辐射温度的意义是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。

式中----平均辐射温度，K；

Fnj----周围环境第j个表面的角系数；

Tnj----周围环境第j个表面的温度，K；

εj----周围环境第j个表面的黑度；

ε0----假想围合面的黑度；

四次方关系并采用绝对温标，实际使用时有一定的困难，对于人体所处的实际环境温差来说，简化的一次方表达式的结果比实际平均辐射温度会略小一些，但已经足够精确了。另外，在实际的建筑室内环境里，室内各主要表面的黑度一般差别并不大，因此可假定人体周围各非等温围合面的黑度均等于假想合围的黑度ε0，则有采用摄氏温标的平均辐射温度近似表达式：其中----平均辐射温度，℃；

tnj——周围环境第j个表面的温度，℃。测量平均辐射温度最早、最简单，且仍是最普遍的方法是使用黑球温度计。它是一个由一个涂黑的薄壁铜球内装有一个温度计组成，温度计的感温包包在铜球的中心。使用时把黑球温度计悬挂在测点处，使其与周围环境达到热平衡，此时测得的温度为黑球温度Tg(blackglobetemperature)。如果同时测出了空气的温度Ta，则当平均辐射温度与室温差别不是很大时，可求出平均辐射温度为：

(2)操作温度t0(OperativeTemperature)

反映了环境温度ta和平均辐射温度tr的综合作用；式中：

hr——辐射换热系数，W/(㎡·℃)

hc——对流换热系数，W/(㎡·℃)(3)对流换热系数hc

自然对流;受迫对流(与风速有关)人体表面的对流换热系数对流换热系数hc(m2·℃）提出者适应条件受迫对流8.6v0.612.1v0.58.6v0.538.3v0.5D.Mitchell(1974)Winslow等(1939)Gagge等(1969)Kerslake(1972)最好的平均值用于Fanger舒适方程用于SET公式中推荐来用自然对流3.01.16(M-50)0.391.18ΔT0.252.38ΔT0.254.0Nishi和Gagge(1977)Nishi和Gagge(1977)Birkebak(1966)Nelson和Peterson(1952)Rapp(1973)静止空气中的静止人体静止空气中的活动人体2m高的圆柱体用于Fanger舒适方程推荐用于静坐者(4)对流质交换系数he

为了确定对流质交换系数he，引入了传质与传热的比拟方法。Lewis指出对流质交换系数he（即蒸发换热系数）与对流换热系数hc是相关的，二者存在固定的关系：

LR=he/hc

LR称为“刘易斯系数”，（LewisRatio），单位为℃／kPa。对于典型的室内空气环境有：

LR=16.5

4服装的作用

保温；阻碍湿扩散。

(1)服装热阻Icl：指的是显热热阻Iclo

常用的单位有：㎡·K/W和clo1clo=0.155㎡·K/W1clo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。

(服装热阻clothinginsulation)1clo相当于内穿衬衣外穿普通外衣时的服装热阻。夏季服装一般为0.5clo(0.08m2·K/W)，工作服装一般为0.7clo（0.11m2·K/W），正常室外穿的冬季服装一般为1.5～2.0clo，在北极地区的服装可达到4.0clo。如果缺乏成套服装热阻Icl的数据，可以通过单件服装的热阻Iclu,i求得：Icl=0.835∑Iclu,i+0.161对于从皮肤表面到环境空气的传热过程，需要考虑服装表面的对流换热热阻Ia，因此，服装的总热阻It为：

其中fcl是服装的面积系数。

椅子对热阻的影响

取决于椅子与人体接触的面积

行走对热阻的影响

行走时由于人体与空气之间存在相对流速，会降低服装的热阻。其降低的热阻值可用下式估算：

ΔIcl=0.504Icl+0.00281Vwalk

–0.24其中人的行走步速Vwalk的单位是步／min。如果一个人静立的服装热阻是1clo，则当他行走步速为90步／min（约3.7km／h）时，他的服装热阻会下降0.52clo，变成0.48clo。

舒适的服装热阻与温度、活动强度与相对风速v的关系

(2)服装透湿性一方面：服装对皮肤的表面的水蒸气扩散有一个附加的阻力；另一方面：服装吸收部分汗液，使得只有剩余部分汗液蒸发冷却皮肤；服装吸收了汗液后，会使人凉快。表1clo干燥服装被汗湿润后的热阻活动强度静坐坐姿售货站立售货站立但偶尔走动行走3.2km/h行走4.8km/h行走6.4km/h服装热阻clo0.60.40.50.40.40.350.3(3)服装的表面积人体着装后与外界的热质交换面积有所改变，因此常常用服装的面积系数fcl来表示人体着装后的实际表面积Acl和人体裸身表面积AD之比：

服装面积系数：

fcl=Acl/AD粗估算公式：它反映了服装的面积系数与服装的热阻之间是具有一定关系

fcl=1.0+0.3Icl５．人体的能量代谢（1）人体的能量代谢率：影响能量代谢的因素

1）精神活动

2）食物的特殊动力效应：3）环境温度：

4)性别、年龄

5)肌肉活动：

临床上规定未进早餐前，保持清醒静卧半小时，室温条件维持在18～25℃之间测定的代谢率叫做基础代谢率（BasalMetabolicRate，BMR）。由于人体的能量代谢率易受多种因素的影响，基础代谢率可用作为衡量代谢的一个标准。人体的基础代谢率随年龄逐渐下降，少年较高，老年稍低。女性比男性低6％～10％。BMR正常的变动范围是10％～15％之内，如果变动超过20％，则是病理状态。6~10%代谢率用M表示，单位w/m2代谢率单位1met=58.2w/m2，其定义为人静坐时的代谢率。正常健康人20岁时的最大代谢率可以达到12met，但到70岁时就会下降到7me。长跑运动员最高可达到20met。35岁左右的未受专门训练的成人最大代谢率约为10met。代谢率达到5met以上，人就会感到非常疲劳了。成年男子在不同活动强度条件下的代谢率

活动类型w/m2met活动类型w/m2met睡眠400.7提重物，打包1202.1躺着460.8驾驶载重车1853.2静坐58.21.0跳交谊舞140-2552.4-4.4站着休息701.2体操/训练175-2353.0-4.0炊事95-1151.6-2.0打网球210-2703.6-4.0用缝纫机缝衣1051.8步行，0.9m/s1152.0修理灯具，家务154.62.66步行，1.2m/s1502.6在办公室静坐阅读551.0步行，1.8m/s2203.8在办公室打字651.1跑步，2.37m/s3666.29站着整理文档801.4下楼2334.0站着，偶尔走动1232.1上楼70712.1

（2）人体的机械效率人体的代谢率取决于活动强度，人体对外所做的功也取决于活动强度。因此人体对外输出的机械功是代谢率的函数。人体对外做功的机械效率η定义为：

η=W/M人体在不同活动强度下机械效率的特点是效率值比较低，一般为5％～10％。对于大多数的活动来说，人体的机械效率η几乎为0，很少能超过20％。因此在空调负荷计算时往往把人体的机械效率η看作0，其原因为：

1）大部分的办公室劳动和室外轻劳动的机械效率近似0；

2）人体代谢率的估算本身带有误差；

3）忽略人体对外所作的机械功对于空调系统设计来说是偏于安全的。人体活动的机械效率

活动强度机械效率η（%）活动强度机械效率η（%）静坐0步行上山，坡度5%，速度4km/h10安静地站着0步行上山，坡度15%，速度4km/h20一般的办公室工作0轻的工业劳动（如汽车修理、钳工）10站着从事轻工作0重的手工劳动（如挖土和铲土）10在平地上步行0（3）人体蒸发散热量

1)人体的皮肤蒸发散热量Esk

（Evaporationskin）人体的皮肤潜热散热量与环境空气的水蒸气分压力Pa、皮肤表面的水蒸气分压力Psk、服装的潜热换热热阻Ie,cl等有关。皮肤表面可能达到的最大潜热换热量Emax（w/m2）为：Emax=(Psk－Pa)/[Ie,cl＋1/(fclhe)]=he′(Psk－Pa)

这里he是着装人体表面即服装表面的对流质交换系数，W／（m2·kPa）。如果把皮肤表面的饱和水蒸气分压力Psk简化为皮肤温度tsk的回归函数，有：

Psk=0.254tsk

－3.335只有总排汗量大大超过蒸发量才可能保证人体的每一部分都是湿润的。但蒸发散热量是用生理学方法根据汗液分泌量确定的，因此除了最极端的一些条件下，实际的蒸发散热量Esk要小于最大可能值，即有：

Esk=Ersw＋Edif=ωEmax式中Ersw是汗液蒸发散热量，Edif是皮肤湿扩散散热量，ω为皮肤湿润度，即皮肤实际蒸发量与在同一环境中皮肤完全湿润而可能产生的最大散热量之比：ω＝Esk／Emax。如果环境的湿度增加，尽管Esk仍为常数，皮肤湿润度ω也会增加。如果没有排汗，皮肤湿扩散散热量应该为：

Edif=0.06Emax而有正常排汗时，皮肤湿扩散散热量为：

Edif=0.06（Emax－Ersw）汗液蒸发散热量Ersw是由体温调节系统控制的。Fanger认为当人体感觉接近“中性”即不太冷也不太热时，人体平均皮肤温度tsk和出汗造成的潜热散热量Ersw取决于人体代谢率和对外所做的功。在接近热舒适条件下有以下根据RohleshNevins实验的回归式：

tsk=35.7–0.0275（M-W）

Ersw=0.42（M-W-58.2）式中的Ersw单位为w／m2。联立方程,并对换热热阻进行一些简化，可得到舒适条件下的皮肤湿润度：呼吸respiration

显热sensibleheat

潜热latentheat

全热totalheat

2)人体的呼吸散热散湿量显热散热：

Cres=0.0014M(34-ta)W/㎡

潜热散热：

Eres=0.0173M(5.867－Pa)W/㎡（4）人体与外界的辐射换热量温度为600K以下的表面，所发射辐射能的波长一般在2μm以上，因此在一般的建筑式内环境中，多数表面只发射长波辐射，可认为人体与环境表面均为灰体。人体与外界的辐射换热方程可表为：

R=

fclfeff

(T4cl－T4r)式中：ε为人体表面的发射率，对于灰体其值等于吸收率；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数（5.67×10-8W/m2K4）；feff

是人体姿态影响有效表面积的修正系数；Tcl是人体表面的温度，K；Tr是环境的平均辐射温度，K。由于人体的表面颜色，包括人着装的颜色和人的肤色影响了人体对辐射热的吸收能力，因此在某种情况下需要了解不同肤色人体的表面吸收率和发射率。

辐射源温度（K）电炉1100钨丝2200太阳6000中间色服装0.90.80.7裸体（高加索人）0.950.650.4裸体（黑人）0.950.90.8人体处于不同的姿态必然影响人体对外暴露的表面的大小，因此需要根据人体不同姿态对人体的表面积进行修正。

Fanger(1972)Guibert和Tayler(1952)坐着0.70.7站着0.720.78半立着0.72（5）不同环境条件和活动强度下，人体的散热和散湿量活动强度散热散湿环境温度（℃）2021222324252627282930静坐显热（W）潜热（W）散湿（g/h）842638812740783045743450713756674161634568585075535582486090436597极轻劳动显热（W）潜热（W）散湿（g/h）904769855176795683755989706496656910261731095777115518312345891324193139轻度劳动显热（W）潜热（W）散湿（g/h）93901348794140811001507610615870112167641171755812318451130194471352034014221235147220中等劳动显热（W）潜热（W）散湿（g/h）1171181751121231841041311969713820788147219831522277416124067168250611742605218327345190283重度劳动显热（W）潜热（W）散湿（g/h）169238356163244365157250373151256382145262391140267400134273408128297417122285425116291434110297443成年男子在不同环境温度条件下的散热、散湿量二、人体的温度感受系统（一）人体皮肤存在冷点和热点

1、人体皮肤中存在对冷敏感的区域和对热敏感的区域，冷点和热点。

2、人体体内某些粘膜和腹腔内脏等处也存在温度感受器。

3、人体的脊髓、脑干网状结构中也存在着能感受温度变化的神经元。称作人体的中枢性温度敏感神经元。

（二）根据反应特性，分为：

冷感受器和热感受器冷感受器数目多于热感受器。可向大脑发出50mV左右的脉冲信号。人体各部位冷点和热点分布密度（个/cm2）

部位冷点热点部位冷点热点前额5.4～8.0手背7.40.5鼻子8.01.0手掌1.0～5.00.4嘴唇16.0～19.0手指背7.0～9.01.7脸部其他部位8.4～9.01.7手指肚2.0～4.01.6胸部9.0～10.20.3大腿4.4～5.20.4腹部8.0～12.5小腿4.3～5.7后背7.8脚背5.6上臂5.0～6.5脚底3.4前臂6.0～7.50.3～0.4冷感受器处的皮肤结构

冷感受器位于贴近皮肤表面下0.15～0.17mm的生发层中，而热感受器则位于皮肤表面下约0.3～0.6mm处。三、人体的体温调节系统

人体与非生物体的热变化过程的区别在于人体的温度和散热量并不完全由环境因素决定，因为人体的体温调节系统在一定环境参数范围内具有主动调节这些参数的能力。体温调节的主要功能是将人体的核心温度维持在一个适合于生存的较窄的范围内。调节体温的中枢主要在下丘脑。它是大脑的一部分，在食物摄入、水分平衡、体温调节等一些自主功能中起主要作用。下丘脑由几个分区组成，其中两个分区控制着温度调节，称为下丘脑前部和后部。一些实验观察到下丘脑前部的主要作用是促进散热，而后部的主要作用是促进产热以达到御寒的目的。但也有实验发现下丘脑前部也对产热有影响作用，因此下丘脑是一个整体分层次的体温调节的中枢整合机构。人体体温的调节方法包括调节皮肤表层的血流量、调节排汗量和提高产热量。人体的皮肤表层的血流量能够在很大范围内变动，可以从几乎为零直至得到心脏输出量的12％。人体出汗进行体温调节是靠小汗腺起作用。在温度调节系统正常工作时，提高环境温度不改变人体的核心温度或直肠温度，只能增加排汗速率。不同空气温度下排汗率与核心温度（直肠温度）的关系曲线

核心温度coretemperature下丘脑的后部执行着抵御寒冷的功能。当人体处于冷环境下，下丘脑的后部从冷感受器接受温度信号，然后指示皮下血管收缩来减少身体表层的血流量，通过这种方式可以降低皮肤温度以减少人体辐射和对流热损失。为了调节温度而改变血流量和皮肤表面细胞的大小的机能叫做血管收缩调节。如果人体内部温度仍不能维持恒定，人体体温调节系统就会自动通过冷颤等方式增加代谢率。如果人体产热量不能抵偿热损失，体温就不可避免地要下降。因此，人体的御寒能力是很弱的，相对而言，人体防止过热的能力却要强得多。这也可能是为什么人体对冷刺激的反应要比对热刺激的反应敏感的原因。冷颤是骨骼肌的一种不随意收缩活动，是由皮肤冷感受器引起的反射活动。骨骼肌收缩时产生大量的热，气温越低，冷颤越强，产热越多，因而可以保持体温不变。人在温暖环境中休息时，内脏产热量为总产热量的57.6％，而肌肉活动时，这种产热量分配比例产生根本的变化。例如，中等强度的运动，总产热量增加3倍，此时骨骼肌的产热量占总量的75％～80％。因此在寒冷环境中使手脚经常活动，也可以增加产热，达到抵抗寒冷的目的。

人体体温调节系统

四.热感觉thermalsensation

感觉不能用任何直接的方法来测量。对感觉和刺激之间关系的研究学科称为心理物理学（Psychophysics），是心理学最早的分支之一。

1定义：热感觉是人体对周围环境是“冷”还是“热”的主观描述。

裸身人体安静时在29℃的气温中，代谢率最低；如适当着衣，则在气温为18～25℃的情况下代谢率低而平稳。在这些情况下，人体不发汗，也无寒意，仅靠皮肤血管口径的轻度改变，即可使人体产热量和散热量平衡，从而维持体温稳定。此时，人体用于体温调节所消耗的能量最少，人感到不冷不热，这种热感觉称之为“中性”状态。

Thermalneutrality2．影响热感觉的因素：

(1)冷热刺激的存在

(2)刺激的延续时间

(3)人体原有的热状态热凉中等3.人体皮肤温度对热感觉的影响

在中性区内，皮肤热感觉与温度变化率有关

温度变化率对冷阈和暖阈的作用

皮肤温度改变引起的感觉与适应温度以及变化量之间的关系

4.人体核心温度对热感觉的影响结论：热感觉最初取决于皮肤温度，而后取决于核心温度。

5.环境温度迅速变化时，热感觉的变化比体温变化要快

所以，常用空气温度预测热感觉。

6.热感觉的描述:问卷调查方式ASHRAE(AmericanSocietyofHeating,RefrigeratingandAir-conditioningEngineers)热感觉投票TSV(ThermalSensationVote）贝氏标度ASHRAE热感觉标度

seven-pointscale7过分暖和+3热6太暖和+2暖5令人舒适的暖和+1稍暖4舒适（不冷不热）0正常3令人舒适的凉快-1稍凉2太凉快-2凉1过分凉快-3冷五、热舒适thermalcomfort人体通过自身的热平衡条件和感觉到的环境状况并综合起来获得是否舒适的感觉。舒适的感觉是生理和心理上的。热舒适在ASHRAEStandard55－1992中定义为对环境表示满意的意识状态。热舒适是随着热不舒适的部分消除而产生的。当人获得一个带来快感的刺激时，并不能肯定他的总体热状况是中性的。

由于热舒适与热感觉有分离的现象存在，因此在实验研究人体热反应时往往也设置评价热舒适程度的热舒适投票TCV（ThermalComfortVote）。这是一个由0至4的5级分度指标.热舒适投票TVC热感觉投票TSV热舒适投票TVC热感觉投票TSV4不可忍受+3热0舒适-1稍凉3很不舒适+2暖-2凉2不舒适+1稍暖-3冷1稍不舒适0正常热舒适的影响因素：

(1)空气湿度：在某个偏热的环境中人体需要出汗来维持热平衡，空气湿度的增加并不能改变出汗量，但却能改变皮肤的湿润度。

人体的黏着性增加，不舒适感增加。潮湿的环境令人感到不舒适的主要原因就是皮肤的“黏着性”增加了。．引起不舒适的皮肤湿润度的上限：

W

＜0.0012M＋0.15

(2)垂直温差若头部周围的温度比踝部周围温度高的越多，感觉越不舒适。例如：地板辐射采暖时，比普通的散热器更舒适。

不同地板材料的舒适温度地板面层材料不满意度<15%的地面温度（℃）地板面层材料不满意度<15%的地面温度（℃）木23～28橡木地板24.5～28混凝土26～28.52mm聚氯乙烯26.5～28.5毛织地毯21～28大理石28～29.55mm软木23～28(3)吹风感吹风感是最常见的不满问题之一，吹风感的一般定义为人体所不希望的局部降温。但吹风对某个处于“中性一热”状态下的人来说，吹风是愉快的。

有效吹风感（有效吹风温度θ）的定义：θ=（Tj-Ta）-8(v-0.15)建议的舒适标准是：-1.7<θ<1.1v<0.35m/sTj-吹风的风温，℃比例小于20％的人感到不舒适的颈部最大吹风速度平均风速、温度与不满意率Fanger等研究者发现，在中性-冷环境下湍流度对人体对吹风感的敏感性有很重要的影响。如果用PD表示不满意率：PD=(34-ta)(v-0.05)0.62(0.37vTu+3.14)Tu-湍流度，无量纲。如果空气流速表为平均流速和脉动流速v’之和：v=+v’

，则有：不满意率为15％时的吹风平均速度、温度和湍流度(4)辐射不均匀性对于大多数房间来说，环境辐射温度都会或多或少有一些不均匀。例如，由于窗的保温一般比墙体保温差，所以坐在窗前的人，会明显感到身体局部受到的来自窗户表面的冷热辐射；采用辐射板空调，也会使人体靠辐射板过近的部分感到不舒适。这种过高的辐射不均匀度会使室内人员感到不舒适。对于热辐射来说，辐射不均匀度可以用向量辐射温度Tv来描述。假定采用辐射板采暖，室内其他表面均处于平均温度T∞，则有：Tv=Fpc(Tc-T∞)Tr=FscTc+(1-Fsc)T∞式中Tc

——辐射扳表面温度，K；

T∞——室内其他表面的平均温度，K；

Tr——室内测试点的平均辐射温度，K；

Fpc——辐射板对室内测试点平面微元的角系数；

Fsc——辐射板对室内测试点小球面的角系数。实验证明，当向量辐射温度超过10K，人们就会感到不舒适。热辐射吊顶的位置、尺寸、表面温度与舒适性冷辐射造成的不均匀性，则会给人带来类似“吹风感”的不舒适感觉，即有“人体所不希望的局部降温”。人逗留的某个位置，如果面对冷表面的平面辐射温度Tpr比房间其余部分的平均辐射温度低8K以上，则该位置就会使人感到不舒适。该结论的适用条件是室内主要部分是舒适的，室内低风速，人员标准着装。如果人很靠近窗，要求有：Tr-Tpr=Tr–Tf+Fpw(Tf-Tw)<8窗户温度、房间平均温度、窗户尺寸与最小舒适距离的关系室内其余部分的平均辐射温度Tr-窗户的表面温度Tw辐射不对称性和人体舒适性之间的关系

对人体的热感觉来说，哪种辐射相对比较舒适?(５)其他因素有一些因素普遍被人们认为会影响人的热舒适感。例如：人体年龄、性别、季节、人种、生活背景及个人爱好的差异等。研究结论与人们的一般看法是不一致的

实验研究发现年龄对热舒适没有显著影响，老年人代谢率低的影响被蒸发散热率低所抵销。老年人往往比年轻人喜欢较高室温的现象的一种解释是因为他们的活动量小。

长期在热带地区生活的人并不比在寒冷地区生活的人更喜欢较暖的环境，结论认为对热舒适条件的要求是全世界相同的，不同的只是他们对不舒适环境的忍受能力。对不同性别的对比实验发现在同样条件下男女之间对环境温度的好恶没有显著差别。人体一天中有内部体温的节律波动：下午最高，早晨最低。研究发现人体一天中对环境温度的喜好没有什么明显变化，只是在午餐前有喜欢稍暖一些的倾向。

§4-2人体对稳态热环境的反应描述

一.热舒适方程

二.预测平均评价PMV

三.有效温度ET与ASHRAE舒适区一.热舒适方程

thermalequation由于早期的舒适指标是以大量实验观察结果为依据，实验中的各有关参数可改变的数量有限，再加上各参数之间存在很多耦合关系，结论难以推广。因此为了推出综合的舒适指标，P.O.Fanger于1982年提出了描述人体在稳态条件下能量平衡的热舒适方程，它的前提条件是：第一，人体必须处于热平衡状态；第二，皮肤平均温度应具有与舒适相适应的水平；第三，为了舒适，人体应具有最佳的排汗率。在人体热平衡方程中，当人体蓄热率S=0时，有

M－W－C－R－E=0

把热平衡方程式中每个变量的计算公式带入方程可以得出热舒适方程。式中：M——人体能量代谢率，W/㎡；

W——人体所做的机械功，W/㎡；

C——人体外表面向周围环境通过对流形式散发的热量，W/㎡；

R——人体外表面向周围环境通过辐射形式散发的热量，W/㎡；

E——汗液蒸发和呼出的水蒸气所带走的热量，W/㎡；

（M－W）=fclhc(tcl-ta）＋3.96×10-8fcl[（tcl+273）4－（＋273）4］＋3.05[5.733－0.007（M－W）一Pa]＋0.42（M－W－58.2）＋1.73×10-2M（5.867－Pa）＋0.0014M（34－ta）热舒适方程反映了人体处于热平衡状态时，是6个影响人体热舒适的变量的因素

M、Pa、ta、tr、Icl、v之间的定量关系。二.预测平均评价PMV(PredictedMeanVote)PMV指标就是将反映人体对热平衡的偏离程度的人体热负荷TL得出的。

TL=M－W－C－R－ETL为正，人体产生热感觉；TL为负，则产生冷感觉。其绝对值越大，人体偏离热舒适的状态就越远。预测平均评价PMV代表了对同一环境绝大多数人的舒适感觉。

PMV=[0.303exp（-0.036M）＋

0.0275]TL

式中人体热负荷TL的定义为人体产热量与人体向外界散出的热量之间的差值。PMV指标同样采用了7级分度。

PMV热感觉标尺

热感觉热暖微暖适中微凉凉冷PMV值+3+2+10-1-2-3预测不满意百分比PPD（PredictedPercentDissatisfied）

PPD指标表示人群对热环境不满意的百分数。利用概率分析方法，给出PMV与PPD之间的定量关系：

PPD＝100-95exp［-（0.03353PMV4＋0.2179PMV2）］1984年国际标准化组织提出了室内热环境评价与测量的新标准化方法ISO7730。在ISO7730标准中就采用PMV-PPD指标来描述和评价热环境。

由图可见：当PMV=0时，PPD=5%。既意味着在室内处于最佳的热舒适状态时，仍然有5％的人感到不满意。因此ISO7730对PPV-PPD指标的推荐值在－0.5－＋0.5之间，相当于人群中允许有10％的人感觉不满意。

三.有效温度ET与ASHRAE舒适区

有效温度ET(EffectiveTemperature)的定义：将干球温度、湿度、空气流速对人体温暖感或冷感影响的综合值,数值上等于产生相同感觉的静止饱和空气的温度。它意味着在实际环境和饱和空气环境中衣着和活动强度相同，且平均辐射温度等于空气温度。有效温度通过人体实验获得，并将相同有效温度的点作为等舒适线系绘制在湿空气焰湿图上或绘成诺模图的形式。(1919-1970)有效温度ET诺谟图新有效温度ET﹡：改变了有效温度过高的估计了湿度在低温下对凉爽和舒适状态的影响，把皮肤湿润度的概念引进来。(1971)通过对身着0.6clo服装静坐在流速0.15m／s的空气中的人的热舒适实验，采用相对湿度50％时的空气温度来作为与其冷热感相同环境的有效温度，即同样服装和活动的人在某环境中的冷热感与在相对湿度50％空气环境中的冷热感相同，则后者所处环境的空气干球温度就是前者的ET*。该指标只适用于着装轻薄、活动量小、风速低的环境。标准有效温度SET﹡：(综合考虑了不同的活动水平,和衣服热阻,这样的一个最通用的指标)是一个等效的干球温度。即SET﹡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，使具有不同空气温度、相对湿度和平均辐射温度的环境能用一个SET﹡值相互比较。

StandardEffectiveTemperature标准有效温度SET﹡的定义是：身着标准热阻服装的人,在相对湿度为50%,空气静止不动,空气温度等于平均辐射温度的等温环境下,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，则必将具有相同的热损失，则该温度就是上述实际环境的SET*。即：

Qsk=hcSET’（tsk－SET*）+wheSET’（Psk

－0.5PSET）

新有效温度和ASHRAE舒适区ASHRAE舒适标准55－74的舒适区美国坎萨斯州立大学通过实验得到的舒适区新有效温度线25℃线ASHRAE舒适标准55－74的舒适区(平行四边形面积)适用条件：身着服装热阻为0.8～1.0clo,坐着的人,活动量较大些。美国坎萨斯州立大学通过实验得到的舒适区(菱形面积)适用条件：身着服装热阻为0.6～0.8clo,静坐的人.两块舒适区重叠处是被推荐的室内空气设计条件。而25℃等效温度线正通过重叠区的中心。（温度：25℃，湿度：50%）

图中斜画的一组虚线即为等有效温度线,它的数值是在Φ=50%的相对湿度线所标注的对应的温度值。如t=25℃,Φ=50%两线交点的虚线即为25℃等有效温度线，这些等有效温度线是在室内空气流速为0.15m/s,对静坐着、服装热阻为0.6clo的人员实测所得。

§4-3人体对动态热环境的反应一.人体对阶跃温度变化的反应

二.人体对变化风速的反应

三.过度活动状态的热舒适指标一.人体对阶跃温度变化的反应当人体的温度出现阶跃变化时，皮肤温度和热感觉的变化有一个过渡过程，皮肤温度因热惯性的存在而滞后。图4-18Gagge的阶跃温度变化对人体热感觉影响的实验结论:1.人体对环境突变的生理调节十分迅速,并不会对人体产生不良后果;2.人体在环境突变的生理调节周期中,皮肤温度并不能独立地作为热感觉的评价尺度,因为此时人体正在与周围热环境之间发生激烈的热交换，皮肤温度的变化由于热惯性的存在是滞后的。二.人体对变化风速的反应

1.举例：固定风扇与摇头风扇对人体热舒适的对比

2.结论：摇摆风扇的接受程度优于固定风扇，气流脉动频率对人体热感觉有着不可忽视的影响。动态风在较暖环境中对人体致冷效果更强于稳定气流。气流脉动频率对人体热感觉也有着不可忽视的影响。Fagger的实验证明了当受试者处于“冷一中性”状态时，频率在0.3～0.5Hz范围内变化的气流最容易使人体产生冷吹风感，造成不舒适。而Arens却认为频率在0.7～1.0Hz之间的气流有更好的冷却效果。也有研究者发现当受试者处于“中性一热”状态时，频率0.3～0.5Hz范围内变化的气流使人感到最凉爽。

3.应用

1）在空调设计中的气流脉动频率在0.7-1.0Hz时有更好的冷却效果，更舒适。

2）空调送风的频率、风速要更接近于自然风，才更舒适

三.人体在过渡空间环境的热舒适指标：

1.相对热指标RWI(RelativeWarmthIndex)：适用于较暖环境

2.热损失率HDR(HeatDeficitRate)：适用于冷环境它对动态过程的考虑反映在：

1．认为人在一种活动状态过渡到另一种状态时，要经过6min的过程代谢率M才能达到最终活动状态下的稳定代谢率。在这个过渡过程中，代谢率与时间呈线性关系。

2．人的活动会导致出汗并湿润服装，同时人的活动扰动周围气流，导致服装热阻有所改变。认为一种活动状态过渡到另一种活动状态时，服装热阻要经过6min达到新的稳定值，其间服装热阻与时间呈线性关系。1.相对热指标RWI

(RelativeWarmthIndex)RWI是一个无量纲指标。如果在两种不同的环境条件和活动情况下，具有相同的RWI值，则表明人在这两种情况下的热感觉是近似的。

(Pa≤2269Pa)

(Pa≥2269Pa)

RWI的分度与ASHRAE热感觉标度之间的关系

热感觉ASHRAE热感觉标度相对热指标RWI暖20.25稍暖10.15中性00.08稍凉-10.00

RWI满意度曲线2.热损失率HDR

(HeatDeficitRate)热损失率HDR综合考虑了温度、湿度、辐射、风速、人体代谢率、服装等影响人体热舒适的因素，反映了人体单位皮肤面积上的热损失，单位是w/m2。人的平均皮肤温度是随着外界环境的变化而变化的，感觉基本舒适的皮肤温度范围约为30.6-35℃。人体散热量大于发热量，人体出现热债（heatdeficit），达到约100kJ/m2时，会感到冷不适。HDR的定义式如下：式中：D—热债，J/m2Δτ—暴露时间，s

§4-4其他热湿环境的物理度量一.热应力指数HIS(HeatStressIndex)二.湿黑球温度WBGT(Wet-Bulb-GlobeTemperature)三.风冷却指数WCI(WindChillIndex)热应力一个具有潜在危险的、不舒适的环境会形成一个强烈刺激，称热应力。热过劳：(thermalstrain)由于热应力的存在导致使人体出现的排汗量、心跳速度、人体核心温度的变化，称热过劳。图中，B区为可调区，C区为受环境影响区，排汗量不再增加而体温上升。热应力与热过劳的关系

一、热应力指数HIS(HeatStressIndex)1、概念：把环境变量中的温度、湿度综合成一个单一的指数，用于定量表示热环境对人体的作用应力。2、应用：在高温、低湿与低温、高湿环境中若热应力指数相同，则热过劳相同。3、意义：用于具有热失调危险的环境中，用热应力评价环境，衡量热过劳。

热应力指数的测定条件：假定皮肤温度恒定在35℃基础上；在蒸发热调节区内；呼吸散热不计；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；热应力指数为

HSI=Ereq/Emax×100规定Emax的上限值为390w／m2，相当于一个典型男子的排汗量为1L/h。热应力指数的意义

HSI暴露8h的生理和健康情况的描述-20轻度冷过劳0没有热过劳10～30轻度至中度热过劳。对体力工作几乎没有影响，但可能减低技术性工作的效率40～60严重的热过劳，除非身体健壮，否则就免不了危及健康。需要适应环境的能力70～90非常严重的热过劳，必须经体格检查以挑选工作人员。应保证摄入充分的水和盐分100适应环境的健康年轻人所能容忍的最大过劳大于100暴露时间受体内温度升高的限制二.湿黑球温度WBGT

(Wet-Bulb-GlobeTemperature)湿黑球温度WBGT适用于室外炎热环境，考虑了室外炎热条件下太阳的影响，目前在评价户外作业热环境时应用广泛。其标准定义式为：WBGT=0.7Tnwb+0.2Tg+0.1Ta(4-58)当处在阴影下时，方程可简化为：

WBGT=0.7Tnwb+0.3Ta(4-59)黑球温度Tg与空气温度、太阳辐射、平均辐射温度及空气运动有关，而自然湿球温度Tnwb则与空气湿度、空气运动、辐射温度和空气温度有关。事实上WBGT是一个与影响人体环境热应力的所有因素都有关的函数。

ISO标准7243采用了WBGT作为热应力指标表4-17为ISO标准7243推荐的WBGT阈值。新陈代谢水平新陈代谢率M(W/m2)WBGT阈值（℃）热适应好的人热适应差的人0M<11733321117<M<23430292234<M<3602826能否感觉空气流动（不能）（能）能否感觉空气流动（不能）（能）3360<M<468252622234M>46823251820图4-21是NIOSH(1986)提出的WBGT与安全工作时间极限的关系。结论：人们在不同的新陈代谢率下有不同的WBGT安全极限值。当环境的WBGT值较长时间地超过该安全极限值，则应当采取安全保护措施避免人体受到热损伤。三.风冷却指数WCI(WindChillIndex)1.在高寒地区，影响人体热损失的主要因素是：空气流速、空气温度。

2.概念：综合空气流速、空气温度综合成一个单一的指数。

3.意义：表示在皮肤温度为33℃时某一皮肤表面的冷却速率。

WCI=(10.45+10√Va－

Va)(33－ta)kcal/㎡·h表5-14把风冷却指数与人体的生理效应联系起来。表中描述热感觉的词由Siple提出，适合于穿合适衣服的北极探险者，因此不能认为表中的“凉”与ASHRAE热感觉标度中的“凉”是一致的。

风冷却指数kcal/（m2.h）生理效应风冷却指数kcal/（m2.h）生理效应200愉快1200极度寒冷400凉1400裸露的皮肤冻伤800冷1400-2000裸露的皮肤在1分钟内冻伤1000很冷2000以上裸露的皮肤在半分钟内冻伤图4-22风冷却指数的线算图WCI=(10.45+10√1－1)(33－0)=19.45×33=641.85(kcal/㎡·h)第五节热环境与劳动效率

从国内外大量的现场调研结果发现，热环境的水平影响人的劳动效率。其影响程度随劳动类型、紧张程度不同而不同。但现场调研的结果往往受实际环境中多种其他因素诸如噪声、工作压力、颜色等影响。为了深入分析热环境