第五章 人体对热湿环境的反应.docx
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第五章人体对热湿环境的反应
第四章人体对热湿环境的反应
第一节人体对热湿环境反应的生理学和心理学基础
4.1.1人体的热平衡
4.1.1.1人体的基本生理要求
人体靠摄取食物维持生命。
在人体细胞中，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）。
化学反应中大部分化学能最终都变成了热量，因此人体不断地释放热量；同时，人体也会通过对流、辐射和汗液蒸发从环境中获得或失掉热量。
但是，人体的生理机能要求体温必须维持近似恒定才能保证人体的各项功能正常，所以人体的生理反应总是尽量维持人体重要器官的温度相对稳定。
人体各部分温度并不相同。
身体表面由于散热的作用，温度要比深部组织的温度低，而且易随环境温度的变化而变化。
深部组织由于不同器官组织的代谢率不同，温度也各不相同，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℃。
表4-1是我国正常成年人静止时的体温[2]。
表4-1我国正常成年人的体温（℃）
平均量
变动范围
腋温
36.8
36.0~37.4
口温
37.2
36.7~37.7
肛温
37.5
36.9~37.9
人体为了维持正常的体温，必须使产热和散热保持平衡。
图4-1是人体的热平衡示意图，它用一个多层圆柱断面来表示人体的核心部分、皮肤部分和衣着。
因此人体的热平衡又可用下式表示：
MWCRES=0（4-1）
其中：
M人体能量代谢率，决定于人体的活动量大小，W/m2；
W人体所做的机械功，W/m2；
C人体外表面向周围环境通过对流形式散发的热量，W/m2；
R人体外表面向周围环境通过辐射形式散发的热量，W/m2；
E汗液蒸发和呼出的水蒸汽所带走的热量，W/m2；
S人体蓄热率，W/m2。
式（4-1）中各项均以人体单位表面积的产热和散热表示。
裸身人体皮肤表面积可以用下式计算[1]：
AD＝0.202mb0.425H0.725（4-2）
其中：
AD人体皮肤表面积，m2；
H身高，m；
mb体重，kg。
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。
图4-1人体和环境的热交换
人体的核心温度是由人体的运动强度即代谢率决定的，代谢率越高，人体的核心温度就越高。
但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。
人体最大的生理性体温变动范围为35～40℃。
在稳定的环境条件下，式（4-1）中的人体蓄热率S应为零，这时人体能够保持能量平衡。
当人体的余热量难以全部散出时，就会在体内蓄存起来，于是式（4-1）中的人体蓄热率S变成正值，导致体温上升，人体就会感到不舒适。
在非感染性病理发热的条件下，体温上升到38.3℃以上则为轻症中暑。
体温升到40℃时，称作体温过高，此时出汗停止，出现重症中暑，如果不采取措施，则体温将迅速上升。
体温升到42℃以上，身体组织开始受到损伤。
一般认为人的最高致死体温为45℃。
在冷环境中，人体的散热增多，可能导致式（4-1）中的人体蓄热率S为负值。
如果人体比正常热平衡时多散87W的热量，则睡眠的人会被冻醒，这时人的皮肤平均温度相当于下降了2.8℃，人会感到不适，甚至会导致生病。
核心体温下降最初出现的症状是呼吸和心率加快，出现头痛等不适反应。
当核心温度下降到34℃以下时，症状达到严重的程度，产生健忘、呐吃和定向障碍；当核心体温下降到30℃时，全身剧痛，意识模糊；降至28℃以下就会出现瞳孔反射、随意运动丧失、深部腱反射和皮肤反射全部消失，濒临死亡。
尽管现在还不能确定人的最低致死体温，因为已经有核心体温降到26.5℃保持24小时仍然能够正常复苏而没有后遗症的实例，但已证实当体温下降到20℃时，通常就不能复苏。
图4-2是人类体温范围变化示意图。
表4-2给出了人体皮肤温度与人体热感觉的关系。
皮肤所能够适应的温度范围在29～37℃之内。
表4-2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
43~41℃
被烫伤的疼痛感
41~39℃
疼感域
39~37℃
热的感觉
37~35℃
开始有热的感觉
34~33℃
休息时处于热中性状态,热舒适
33~32℃
中等（2-4met）运动量时感觉舒适
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
20℃（手）
非常不快的冷感觉
15℃（手）
极端不快的冷感觉
5℃（手）
伴随疼感的冷感觉
4.1.1.2人体与外界的热交换
人体与外界的热交换形式包括对流、辐射和蒸发。
这几种不同类型的换热方式都受人体的衣着影响。
衣服的热阻大则换热量小，衣服的热阻小则换热量大。
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，周围的空气流速则影响对流热交换系数。
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。
人体除了对外界有显热交换外，还有潜热交换，主要是通过皮肤蒸发和呼吸散湿带走身体的热量。
皮肤蒸发又包含汗液蒸发和皮肤的湿扩散两部分，因为除了人体体温调节系统可以控制汗液的分泌外，水分还可以从皮下组织直接散发到较干燥的环境空气中去。
在一定温度下，相对湿度越高，空气中的水蒸汽分压力越大，人体皮肤表面的蒸发量越少，可以带走的热量就越少。
因此在高温环境下，空气湿度偏高会增加人体的热感。
但是在低温环境下如果空气湿度过高，就会使衣物变得潮湿，从而降低衣物的热阻，强化了衣物与人体的传热，反而会增加人体的冷感。
空气流速同样会影响人体表面的对流质交换系数。
气流速度大会提高汗液的蒸发速率从而增加人体的冷感。
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，反之会增加冷感。
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。
人们把气流造成的不舒适的感觉叫做“吹风感（draught）”。
如前所述，在较凉的环境下，吹风会强化冷感觉，对人体的热平衡有破坏作用，因此“吹风感”相当于一种冷感觉。
然而，尽管在较暖的环境下，吹风并不导致人体热平衡受到破坏，但不适当的气流仍然会引起皮肤紧绷、眼睛干涩、被气流打扰、呼吸受阻甚至头晕的感觉。
因此在较暖的环境下，“吹风感”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。
4.1.1.3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
（MeanRadiantTemperature,MRT）
在考虑周围物体表面温度对人体辐射散热强度的影响时要用到“平均辐射温度”的概念。
平均辐射温度的意义是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。
其数学表达式为：
（4-3）
其中：
¾¾平均辐射温度，K；
Fnj周围环境第j个表面的角系数，m2；
Tnj周围环境第j个表面的温度，K
j周围环境第j个表面的黑度；
0假想围合面的黑度。
上式是一个四次方关系式并采用绝对温标，在实际使用时有一定的困难。
但对于人体所处的实际环境温差来说，把式（4-3）简化为一次方表达式的结果会比实际平均辐射温度会略小一些，但对于实际应用来说已足够精确。
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围合面的黑度0，则有采用摄氏温标的平均辐射温度近似表达式：
（4-4）
其中：
¾¾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就是使用黑球温度计。
它是由一个涂黑的薄壁铜球内装有温度计组成，温度计的感温包位于铜球的中心。
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。
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，可按下式求出平均辐射温度为：
（4-5）
（2）操作温度to（OperativeTemperature）
操作温度to反映了环境空气温度ta和平均辐射温度
的综合作用，其表达式为：
（4-6）
式中：
hr辐射换热系数，W/（m2℃）；
hc对流换热系数，W/（m2℃）。
（3）对流换热系数hc
在无风或风速很小的条件下，人体周围的自然对流就变得十分重要。
在比较高风速下人体表面的受迫对流换热系数可以通过风洞实验测定。
很多研究者通过不同实验方法获得了人体表面的自然对流换热系数和受迫对流换热系数，可针对不同的应用条件选择使用，见表4-2。
表4-2人体表面的对流换热系数[11]
对流换热系数hc（W/m2℃）
提出者
适应条件
受
8.6v0.6
D.Mitchell（1974）
最好的平均值
迫
12.1v0.5
Winslow等（1939）
用于Fanger舒适方程
对
8.6v0.53
Gagge等（1969）
用于SET公式中
流
8.3v0.5
Kerslake（1972）
推荐采用
自
3.0
Nishi和Gagge（1977）
静止空气中的静止人体
然
1.16（M-50）0.39
Nishi和Gagge（1977）
静止空气中的活动人体
对
1.18T0.25
Birkebak（1966）
2米高的圆柱体
流
2.38T0.25
Nelson和Peterson（1952）
用于Fanger舒适方程
4.0
Rapp（1973）
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（4-7）
其中LR称作刘易斯系数（LewisRatio），单位为℃/kPa。
对于典型的室内空气环境有：
LR=16.5（4-8）
4.1.1.4服装的作用
服装在人体热平衡过程中所起的作用包括保温和阻碍湿扩散。
因此在考虑人体与外界的热交换时必然要考虑到服装的影响。
4.1.1.4.1服装热阻
服装热阻Icl指的是服装本身的显热热阻，常用单位为m2K/W和clo，两者的关系是：
1clo=0.155m2K/W（4-9）
1clo的定义是在21℃空气温度、空气流速不超过0.05m/s、相对湿度不超过50％的环境中静坐者感到舒适所需要的服装的热阻，相当于内穿长袖衬衣、外穿长裤和普通外衣或西装时的服装热阻。
夏季服装一般为0.5clo（0.08m2K/W），工作服装一般为0.7clo（0.11m2K/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：
（4-10）
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：
（4-11）
其中fcl是服装的面积系数，见4.1.1.4.3。
可以通过ASHRAEHandbook[5]或其它有关文献查得典型成套服装或单件服装的换热热阻。
附表4-1给出了部分成套服装的本身热阻Icl和总传热热阻It，附表4-2给出了部分单件服装的热阻Iclu,i。
当人坐在椅子上时，椅子本身会给人体增加0.15clo以下的热阻，其值大小取决于椅子与人体接触的面积。
网状吊床或沙滩椅与人体接触面积最小，而单人软体沙发的接触面积最大，热阻可增加0.15clo。
对于其他类型的座椅，其热阻的增值Icl可以用以下公式估算[5]：
Icl=0.748Ach–0.1（4-12）
其中Ach是椅子和人体的接触面积，m2。
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：
Icl=0.504Icl+0.00281Vwalk–0.24（4-13）
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。
在做某些空间的空调设计时，往往需要通过研究论证来确定该空间的空气设计参数，此时人的着装热阻往往成为难以确定的因素。
不过由于人有主观能动性，可以根据自己的所处环境与活动的需要来选择服装。
图4-3给出人在室外环境进行一些活动时，感觉比较舒适的状态下所需要的服装热阻[26]。
根据这张图，就可以获得某类状态下人体着装的热阻值作为确定各种设计参数的基础，例如公共交通设施内的设计温度、商店的设计温度等。
图4-3舒适的服装热阻与温度、活动强度与相对风速v的关系[26]
4.1.1.4.2服装透湿性
服装的存在影响了皮肤表面的蒸发。
一方面服装对皮肤表面的水蒸气扩散有一个附加阻力，另一方面服装吸收部分汗液，致使只有剩余部分汗液蒸发冷却皮肤。
服装借助毛细现象吸收和传输汗液，这部分汗液不是在皮肤表面蒸发，而是在服装表面或服装内部蒸发。
这时就需要更大的蒸发量才能在皮肤表面上形成同样的散热量，因此服装的存在增加了皮肤的蒸发换热热阻。
为了描述服装的湿传递特性，同样可以采用刘易斯关系。
但实际的服装的湿传递性能往往显著偏离刘易斯关系。
可以通过服装湿传递性能的修正系数，即水蒸气渗透系数，来求得较精确的服装本身的蒸发换热热阻Ie,cl和总蒸发换热热阻Ie,t：
（4-14）
（4-15）
其中：
icl服装本身的水蒸气渗透系数，仅考虑透过服装的湿传递过程；
im服装的总水蒸气渗透系数，考虑了从皮肤到环境空气的湿传递过程。
icl和im均可以在附表4-1中查到。
另一方面，服装吸收了汗液后也会使人感到凉，原因除了衣物潮湿导致导热系数增加以外，服装层在原有显热传热的基础上又增加了部分潜热换热，也可以看作是服装原有的热阻下降。
表4-3给出了1clo干燥服装在被汗润湿后的热阻值与一些活动状态之间的关系。
表4-31clo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（clo）
0.6
0.4
0.5
0.4
0.4
0.35
0.3
4.1.1.4.3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：
fcl=Acl/AD（4-16）
成套服装的面积系数fcl同样可以通过文献[5]获得。
实际上，其最可靠的获取方法是照相法。
如果没有合适的参考数据，就只能采用McCullough和Jones[9]提出的粗估算公式，它给出了服装的面积系数与服装热阻之间的关系：
fcl=1.0+0.3Icl（4-17）
4.1.1.5人体的能量代谢
4.1.1.5.1人体的能量代谢率
在考虑人体的能量平衡时，应该注意到人体与非生物体的能量平衡存在根本的区别，即人体的能量释放量和释放方式不是固定的，而是受主观和客观环境因素影响并反作用于主观和客观因素的。
因此人体的能量平衡描述比非生物体的能量平衡描述要复杂得多。
人体的能量代谢率受多种因素影响，如肌肉活动强度、环境温度、性别、年龄、神经紧张程度、进食后时间的长短。
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，基础代谢率可用作衡量代谢的一个标准。
当人受刺激引起精神高度紧张时，代谢率往往显著升高，原因是骨骼肌的紧张性增加，另一方面是交感神经兴奋引起儿茶酚大量释放，从而提高代谢率。
人体的代谢率在一定温度范围内是比较稳定的，当环境温度升高或降低时，代谢率都会增加。
实验发现裸身男子静卧于温度处于22.5~35℃范围内的测热小室内，人体的产热量基本不变。
但在22.5℃温度下停留1～2小时后，身体会出现冷颤，同时产热量开始增加。
环境温度升高时，细胞内的化学反应速度增加，发汗、呼吸以及循环机能加强也会导致代谢率增加。
人进食后产热量会逐渐增加，并延续7～8小时。
所增加的热量值取决于食品的性质。
全蛋白质食物可增加热量30％，糖类或脂肪类食物只能增加4～6％，混合食物一般增加产热量10％。
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正常的变动范围在10～15％之内，如果变动超过20％，则处于病理状态。
肌肉活动对代谢率的影响极显著，最好的确定方式是测量活动人体的耗氧量和二氧化碳的排出量。
实验式有[17]：
M=21（0.23RQ+0.77）VO2/AD（4-18）
其中：
M¾¾代谢率，W/m2；
RQ¾¾呼吸商，单位时间内呼出二氧化碳和吸入氧气的摩尔数比，无量纲；
VO2¾¾在0℃、101.325kPa条件下单位时间内消耗氧气的体积，mL/s，见附表4-3。
一般成人在静坐和轻劳动（M<1.5met）时RQ=0.83，而在重劳动（M=5.0met）时RQ达到1.0，中间状态可以采用线性插值求得。
10％的RQ估算误差造成的代谢率计算误差最多为3％。
表4-7给出的成年男子在不同活动强度下保持连续活动的代谢率。
代谢率单位为met，1met=58.2W/m2，是人静坐时的代谢率。
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7met。
35岁左右的未受专门训练的成人最大代谢率约为10met，而长跑运动员最高可达到20met。
代谢率达到5met以上，人就会感到非常疲劳。
如果人交替从事不同强度的劳动，比如有部分时间在打字，又有部分时间在走来走去，则其代谢率可根据表4-7选取的不同活动类型的代谢率和劳动时间来进行加权平均。
表中代谢率在3met以上的活动由于活动强度难以准确定义，且可以通过不同方式来完成同一种劳动，所以应用表中数值可能会带来50％的误差。
表4-7成年男子在不同活动强度条件下的代谢率[11][26]
活动类型
W/m2
met
活动类型
W/m2
met
睡眠
40
0.7
提重物，打包
120
2.1
躺着
46
0.8
驾驶载重车
185
3.2
静坐
58.2
1.0
跳交谊舞
140-255
2.4-4.4
站着休息
70
1.2
体操/训练
174-235
3.0-4.0
炊事
94-115
1.6-2.0
打网球
210-270
3.6-4.0
用缝纫机缝衣
105
1.8
步行，0.9m/s
115
2.0
修理灯具，家务
154.6
2.66
步行，1.2m/s
150
2.6
在办公室静坐阅读
55
1.0
步行，1.8m/s
220
3.8
在办公室打字
65
1.1
跑步，2.37m/s
366
6.29
站着整理文档
80
1.4
下楼
233
4.0
站着，偶尔走动
123
2.1
上楼
707
12.1
4.1.1.5.2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h定义为：
=W/M（4-19）
人体机械效率的特点是效率值比较低，在不同活动强度下一般为5～10％[11]。
对于大多数的活动来说，人体的机械效率几乎为0，很少超过20％。
因此在空调负荷计算时往往把人体的机械效率视为0，其原因为：
（1）大部分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是偏于安全的。
表4-8人体活动的机械效率[11]
活动强度
机械效率（%）
静坐
0
安静地站着
0
一般的办公室工作
0
站着从事轻工作
0
在平地上步行
0
步行上山，坡度5%，速度4km/h
10
步行上山，坡度15%，速度4km/h
20
轻的工业劳动（如汽车修理、钳工之类）
10
重的手工劳动（如挖土和铲土）
10
4.1.1.5.3人体蒸发散热量
（1）人体皮肤的蒸发散热量Esk
人体皮肤的潜热散热量与环境空气的水蒸汽分压力Pa、皮肤表面的水蒸汽分压力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：
（4-20）
其中he是着装人体表面即服装表面的对流质交换系数，W/（m2kPa），水蒸汽分压力的单位均为kPa。
如果把皮肤表面的饱和水蒸汽分压力Psk简化为皮肤温度tsk的回归函数，有：
Psk=0.254tsk-3.335（4-21）
实际上式（4-20）反映的是完全被汗液润湿的人体潜热散热量，而只有在总排汗量大大超过蒸发量时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，因此除了在一些最极端的条件下，实际的蒸发散热量Esk要小于最大可能值，即有：
（4-22）
其中Ersw是汗液蒸发散热量，Edif是皮肤湿扩散散热量，w为皮肤湿润度。
皮肤湿润度是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，相当于湿皮肤表面积所占人体皮肤表面积的比例：
w=Esk/Ema（4-23）x
如果环境的湿度增加，尽管Esk仍为常数，皮肤湿润度w也会增加。
如果没有排汗，皮肤湿扩散的散热量应该为：
Edif=0.06Emax（4-24）
而有正常排汗时，皮肤湿扩散散热量为：
Edif=0.06（Emax–Ersw）（4-25）
汗液蒸发散热量Ersw是由体温调节系统控制的。
Fanger[12]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
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