人体对热湿环境的反应教学教程

第五章人体对热湿环境的反应

本章学习要点：

1.人体热舒适的意义及其影响因素

2.如何结合人体热舒适的需要进行暖通空调方案设计

3.人体对动态热环境的反应

第五章人体对热湿环境的反应

§5-1人体对热湿环境反应的生理学和心理学基础

§5-2人体对稳态热环境的反应描述

§5-3人体对动态热环境的反应

§5-4其他热湿环境的物理度量§5-1人体对热湿环境反应的生理学和心理学基础

一.人体的热平衡二.人体的温度感受系统三.热感觉四.热舒适

一、人体的热平衡（一）人体的基本生理要求：

1.代谢率：人体在化学反应中释放能量的速率。人体各部分的温度不同代谢率高的器官温度较高2.人体热平衡方程式

M－W－C－R－E＝S

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；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≥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；5、人体平均皮肤温度：四点模型法：即通过测试人体胸部、上臂、大腿、小腿，皮肤温度，按照权系数0.3，0.3，0.2，0.2，进行加权平均。（二）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。例如,在同样的室内空气参数的条件下,围护结构内表面温度高会增加人体的热感，否则会增加人的冷感。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。（三）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：其中：——平均辐射温度，℃

Fn——周围环境各表面可看到的面积，m2

tn

——周围环境各表面的温度，℃

物理意义：一个假象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。2.操作温度t0(OperationTemperature)

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4．对流质交换系数he(即蒸发换热系数）

LR=he/hc

LR称为“刘易斯系数”，对于一般的室内空气环境有：LR=16.5

（四）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

（1）常用的单位有：㎡·K/W和clo

1clo=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。

2.服装热阻的影响因素

(1)椅子对热阻的影响

取决于椅子与人体接触的面积

(2)行走对热阻的影响

与行走步速有关

(3)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。

(4)服装的表面积服装面积系数：

fcl=Acl/AD

估算值

：fcl=1.0+0.3Icl（五）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：

2.人体的机械效率

η=W/M3.人体蒸发散热量

(1)人体的皮肤蒸发散热量Esk

Emax=(Psk－Pa)/[Ie,cl＋1/(fclhe)]=he′(Psk－Pa)(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

R=

fclfeff

(T4cl－T4r)5.不同环境条件和活动强度下，人体的散热和散湿量二、人体的温度感受系统（一）人体皮肤存在冷点和热点

1、人体皮肤中存在温度感受器

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有神经元。（二）根据反应特性，分类：冷感受器数目多于热感受器。

三.热感觉

1．定义：热感觉是人体对周围环境是“冷”还是“热”的主观描述。

2．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

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

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:问卷调查方式四.热舒适的影响因素：

(1)空气湿度：

人体的粘着性增加，不舒适感增加。

(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。

(3)吹风感

(4)其他因素：例如：人体年龄、生活背景及个人爱好的差异等。

§5-2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

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：

6个影响人体热舒适的变量的因素为：

M、Pa、ta、tr、Icl、va之间的定量关系。

二.预测平均评价PMVTL=M－W－C－R－ETL为正，人体产生热感觉；TL为负，则产生冷感觉。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。

PPD指标表示对热环境不满意的百分数

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的定义：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。数值上等于产生相同感觉的静止饱和空气的温度。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。

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。

菱形面积。适用条件：身着服装热阻为0.6～0.8clo,静坐的人.

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.

两块舒适区重叠处是被推荐的室内空气设计条件.

上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。

§5-3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。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。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

§5-4其他热湿环境的物理度量一.热应力指数HIS(HeatStressIndex)

二.风冷却指数WCI(Win