人体散热稳定度影响因素的理论分析_吴清才VIP

1、人体散热稳定度影响因素的理论分析 吴清才 王宪民 摘要 生命活动中人体代谢产生的热量必须及时散发到周围环境 ,才能维持正常的生命 活动 。本文讨论了人体散热的几种方式 ,从理论上分析了各种散热方式对人体散热稳定 度的影响, 及影响人体散热稳定度的各种因素 。结果表明, 温度环境是人体散热稳定度的 主要影响因素。 关键词 人环境相互作用 环境温度人体 散热稳定性 中国图书资料分类法分类号R33 Theoretical Analysis of Factors Affecting Heat Exchange Stability of Human Body with En- vironment . W

2、U Qingcai , WANG Xianmin . Space Medicine 11 ( 3) : 194 197 Abstract Life could not be normal without the heat produced by metabolism of human body being transmitted into environment . This paper discussed the ways of heat exchange of hu- man body with the environment , and analyzed their effects on

3、 the stability of heat exchange theoretically . In addition, factors that affects the stability of heat exchange were studied . The results indicate that the environmental temperature is the most important factor. Key wordsman environment interactionenvironmental temperature human body heat loss sta

4、bility Address reprint requests toWU Qingcai. Institute of Space Medico -Engineering ,Beijing 100094,China 人体是一个开放的巨系统, 和外界环境存 在着各种复杂的关系 。其中人体与外界环境的 热交换 ,即人体散热的稳定与否是关系到人体 生命活动能否正常运转的关键 。人体在不断地 进行新陈代谢, 同时不断地产生热量,在进行人 体自身生理调节的同时 , 必须改善外界温度环 境,保证人体产生的热量及时散发到外界环境 , 维持正常的生命活动及良好的人机工效 。 人体的散热方式及影响因素 生命活动中

5、人体代谢产生热量的散失通路 包括体内传热和体表散热两个环节 1。热量 在体内靠组织传导和血液对流进行传递, 传到 体表的热量按不同的传热方式 ,可分为传导、对 吴清才, 王宪民. 航天医学工程研究所, 北京100094 本文于 1997-09-02 收到, 1998-02-24 修回 流 、 辐射 、 水分蒸发与散失、热转化为功等。本 文主要讨论体表散热方式对人体散热稳定度的 影响。 人体体表散失的热量可分为显热和潜热两 部分 。其中对流 、 传导和辐射所传递的热量称 为显热 。皮肤表面通过汗液蒸发以及呼气携带 水分蒸发 , 借助质量传递而传递的热称为潜 热 。皮肤表面水分被动扩散引起的蒸发称

6、为不 感蒸发。当环境温度较高, 靠显热交换不足以 维持人体热平衡时 , 皮肤主动排汗增加的蒸发 潜热称为有感蒸发。这是人体在热环境条件下 的主要散热途径 2 。但过多的排汗会引起机 体脱水 、 脱盐 ,特别是在航天飞机的密闭舱内环 境的湿度会迅速增加 ,相应引起温湿度控制系 统负担加重 ,因此一般采用增加对流换热的份 量 3 ,4。影响人体散热的主要因素为人体代谢 和温度环境, 温度环境主要包括环境温度、湿 第 11 卷第 3 期 航天医学与医学工程 Vol. 11No. 3 1998 年6 月Space Medicine W 为人体对外做 功; H cond为传导方式交换的热; H conv

7、为对流方 式交换的热; H rad为人体与环境之间的辐射热; H ev为皮肤水分蒸发散失的热量; H bre为呼吸道 水分蒸发散失的热量 ; H breath为呼吸散失的显 热量 ; H fn为粪尿带走的热量; H airi为加温吸入 气、 食物传递的热量 ; H S 为人体热含量变化 率,正值称热积 ,负值称热债。 通常人体对外做功很小, 且不容易度量, 可 忽略不计 ,因此( 1) 式可以简化为: M = H dvr+H ev+H bre+H breath+H fn +H airi+H S( 2) 图 1 所示是一个穿衣静坐的人产热和散热 之间的关系 4。图中 H S 是总的热量损失和 人

8、体产热量 M 的差值。由图 1 可知, 在较低的 环境温度下,人体散热主要为 Hdvr。在较高的 环境温度下,人体散热主要靠蒸发潜热 。 人体要维持体温的相对恒定, 必须实时地 将代谢产热散发到周围环境。人体代谢产热或 周围环境的变化会破坏正常的体热平衡, 人体 将产生一系列的生理反应及行为措施来对抗这 种干扰、 调节散热速率,以维持人体热平衡。人 体体温调节机制包括生理性调节( 如排汗 、颤 抖、 血管舒缩等) 和行为性调节( 如温湿度控制 、 通风服、液冷服等) 1 。其中生理调节是基本 的调节方式, 但其能力是有限的。行为性调节 可作为生理性调节的补充和保证。 当环境温度较高时, 人体以

9、对流辐射方式 向环境的散热逐渐减少以致为负值 ,人体需大 量排汗以增加蒸发潜热( 图 1) ,来抵销其热量 的传入和人体的产热, 以达到新的热平衡。但 这样会导致机体脱水, 影响正常的人机工效,同 时身体要承受一定的热负荷, 造成一定量的热 积 H S ,导致核心温度升高 。人体的生理耐受 核心温度最高为 39 . 5 9 ; 因此在工程上一般 采用降低气温、增加风速等来增加传导 - 对流 -辐射热换率,以形成新的平衡 ,这种状态称为 相对稳定状态, 可以在较长时间内抑制体温升 高 ,保持一定的工作效率。 图 1RH=45%时人体产热与散热的关系 Fig. 1Relationship of H

10、eat Produced and Lost in Hu - man Body when RH=45% 当环境温度降低时, 人体通过血管收缩等 生理性调节可以维持核心温度不变; 当环境温 度继续降低 ,可以通过人体自发的活动或颤抖 来增加产热量 ; 如果继续下降 , 就会产生热债 H S 。人体生理耐受核心温度最低为 35 9 。 本文所讨论的人体散热稳定度 ,是人体处 于相对舒适状态下的稳定度。 包括如下条 件 9: 皮肤温度为 33 34; H S =0; 不产生明 显的出汗。对应的环境温度为: 21左右 。 数学分析模型 根据以上的物理分析 , 我们可以建立如下 数学分析模型: 假定人体散

11、热方式有 n( n 2) 种, 分别记 为 : x1, x2, , xn。它们的热流率分别为 : H 1, H 2, , H n。则总热流率为 : H = n i H i( 3) 195 第 3 期吴清才 等. 人体散热稳定度影响因素的理论分析 取集合A 为散热方式的集合: A = x1,x2, ,xn ,设 F 为 A 的所有子集合的 全体 。对于任一集合 B F , 以及 B 出现的概率 P 规定如下: B = ( 空集) 时,P( B) =0; B = xi 时 ,P( B) =H i H , i =1,2, , n ; B = x1, x2, xk 时, P( B)= n i =1 H

12、 i/ H = n i =1 P( xi ) , k n 这样( F , B , P) 就构成了一个概率空间: x P( x)热; = x1x2xn P1P2Pn ( 3) 也就是说人体散热方式 xi的概率为 Pi,且 n i=1Pi = 1, 那么 : Q =- n i =1Pilog2Pi ( 4) 称为人体散热统计意义上的不稳定度 ,它的物 理意义是人体的热熵 ,由热力学概念可知: 系统 的熵越大 ,其稳定度越小 ,系统抵御外界温度环 境干扰的能力越低。同时式( 4) 和信息论中的 信息熵的定义式相同, 因此人体散热不稳定度 可以称为人体散热信息熵 。 对于式( 4) ,当 P1=P2=

13、Pn时 , Q 有 最大值: Qmax=log2n 我们把 Q/ Qmax称作人体 实际散热系统的不稳定度。1-Q/ Qmax越大 , 人体散热系统抵御外界温度环境干扰的能力越 强 。为了表征这种能力的大小 , 我们可以引出 人体散热稳定度的概念 ,即 : R =1-Q/ Qmax =1+ 1 log2n n i =1Pilog2Pi ( 5) 对( 5) 式求导可得 : R Pi = 1 log2n lnePi ln2 1/e Pi0( 6) 即散热稳定度随散热方式概率的增加而增 大 ; 0Pi 1/e 时, R Pi 0( 7) 即散热稳定度随散热方式概率的增加而减 小 。对于处于相对稳定

14、舒适状态的人来说 , H dvr占较大比例, 舒适状态时 H dvr=75%, 一 般都大于 1/e = 36. 8 %。生理调节所占比例较 小 ,一般都小于 36. 8%。月球表面穿登月服的 人散热分配中,服装的辐射热流 、 通风对流移走 的热量以及液冷服带走的热流总数达到 86% 以上 , 而出 汗及其它方 式带走的 热量只有 14 % 3,10 。 表 1 是在轻体力活动下 ,各种散热方式每 表 1各种散热方式散失的热量及所占比例( 轻体力活动, 20 30) Table 1The quantity of heat and its percentage of each way of he

15、at exchange( for light physical exercise, 20 30) 序号散 热 方 式散失的热量( kJ/d)所 占 比 例 1传导、对流、辐射8778. 070. 0% 2皮肤水分蒸发散失的热量1818. 314. 5% 3呼吸道水分蒸发散失的热量1003. 28. 0% 4呼气散失的热量438. 93. 5% 5加温吸入气、食物传递的热量313. 52. 5% 6粪尿带走的热量188. 11. 5% 人每天散失的热量及所占比例 8。 根据以上数学分析和物理分析, 可以把人 体的散热方式归结为 6种 ,记 H dvr为 xi, H ev为 x2, H bre为

16、x3, H breath为 x4, H airi为 x5, H fn为 x6。由表 1 的数据和式( 3) 可以建立如下概率 空间: x P( x) = x1x2x3x4x5x6 0. 70 . 1450. 080. 0350. 0250. 015 人体散热的统计不稳定度为: 196 航天医学与医学工程第 11卷 Q =- n i =1Pilog2Pi =1. 4322 Qmax=log2n = 2. 585 人体散热稳定度为: R = 1-Q/ Qmax=0. 466 讨 论 由( 6) 式可知,当某种散热方式的概率超过 0. 368 时 , 人体散热稳定度是单增的 。从表 1 发现只有 H

17、 dvr的概率为 0. 7, 小于 0. 368, 适当 增加 H dvr, 可以提高人体散热稳定度。比如当 环境温度较高或活动量增加时, 体表的热流增 大,如果只通过人体的生理性调节 ,就会排出大 量的汗以增加蒸发潜热 。从( 7) 式可知蒸发散 热的概率为 0. 145 ,大于 0. 368, 即增加排汗蒸 发会降低人体稳定度 ,同时会导致肌体脱水、脱 盐、 使人疲劳,也影响人-机工效。“双子星座” 9号由于航天服的温控设计能力超出了出舱活 动的工作负荷, 导致航天员出汗过多, 极度疲 劳,航天计划没有完成 11 。因此在工程上一般 采取适当降低环境温度或改善通风条件, 通过 增大 H d

18、vr来实现 。特别是在出舱活动中, 航天 服的温控系统一般采用适当通风+液冷服的方 案来维持人体散热的相对平衡 3。 环境湿度主要影响蒸发潜热, 文献 6 中的 试验结果表明 : 低温环境湿度对人体散热的影 响很小 ; 温度升高时 ,蒸发潜热的比例增大, 此 时如果环境湿度增大便很难维持相对的热平 衡,导致人体核心温度上升, 产生热积, 这种状 态是不稳定的。 在航天活动中 ,人体散热还受到气压和重 力的影响 。 除了环境因素以外, 由式( 1) 可知 , 人体的 代谢产热率 M 也是影响散热稳定度的主要因 素。在相同的散热环境条件下, M 增加( 如增 加活动量 、 提高活动强度等) 会影响

19、散热方式概 率的分布。特别是在出舱活动中, 其强度相当 于运动员剧烈活动的强度 10。为了保证散热 稳定,必须改善散热条件,即改善航天服的温控 能力。 结 论 温度环境是人体散热稳定度最重要的影响 因素。适宜的温度环境可以调整不同散热方式 的概率分布 ,从而提高人体散热稳定度。 随着科学技术的迅猛发展 ,行为性调节对 人体散热稳定度起着越来越重要的作用 ,航天 器座舱的温湿度控制是行为性调节的最高代 表 。但生理调节是人体最基本的调节方式, 任 何行为性调节都应遵循生理性调节规律。二者 的有机结合会对人体散热稳定度的提高具有更 良好的效果 。 参考文献 1张汝果主编. 航天医学工程基础. 北京: 国防工业 出版社, 1991; 8: 67 78 2庞诚等. 个体调温装备的生理学基础. 航天医学 与医学工程, 1988; 1( 1): 12 17 3Burton DR. Performance of water conditioned suit. Aerospace