建筑环境学第四章-人体反应

单位m2K/W和clo，其中1clo = 0.155 m2K/W
已知单件服装热阻： Icl = 0.161+0.835 Iclu,i
类型
短袖衬衣，短裤
Icl (clo)
0.36
长裤，短袖衬衫
0.57
长裤，长袖衬衫
0.61
长裤，长袖衬衫加短外衣 0.96
厚大衣，长袖衬衫，保暖内
衣，长内裤
1.34
厚三件套西衣服, 长内衣裤 1.5
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
7
人 体 外 层 温 度
皮肤温度
状态
45 ℃ 以上
皮肤组织迅速损伤
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 ℃
少人体散热量吗？ 潮湿为什么不舒服？ 皮肤湿润度增高皮肤黏着性增加不适 可能引起不舒适的皮肤湿润度的上限
w < 0.0012 M + 0.15
48
垂直温差
尽管受试者处于热中性状态，头足温差仍然 使人感到不舒适。
中枢性温度敏感神经元
脊髓 延髓 脑干网状结构
33
冷、热感受器的位置
34
人体的体温调节系统
下丘脑具有调节代谢、体温和内分泌功能， 前部主要促进散热来降温，后部促进产热 抵御寒冷。
散热调节方式
血管扩张，增加血流，提高表皮温度 出汗
御寒调节方式
血管收缩，减少血流，降低表皮温度 通过冷颤增加代谢率
Cool & Comfort !
45
热舒适与热中性的背离
很愉快
体温过高
体温过低
正常
体温正常
很不愉快
手的温度(℃)
46
影响热舒适的因素
空气湿度 垂直温差 气流与吹风感 辐射不均匀性 年龄、性别、季节、人种
47
空气湿度
中性－热环境中，为什么潮湿的空气使人不舒服？ 空气湿度对人体排汗量有影响吗？ 在皮肤没有完全湿润的情况下，增加空气湿度会减
数据。
表达式：fcl = Acl / AD
与服装热阻的近似关系
fcl = 1.0 + 0.3 Icl
20
人体的能量代谢率
影响因素多：
肌肉活动强度：绝对的影响 环境温度：偏高、偏低都增加代谢率 性别：男性高于女性 年龄：少年高于老人 神经紧张程度：紧张则代谢率高 进食后时间的长短等：进食后代谢率增加，蛋
Emax
(Psk Pa ) Ie,cl 1 /( fclhe )
Esk= Ersw + Edif = wEmax
接近热舒适条件下的出汗潜热散热量
Ersw = 0.42 ( M – W – 58.2 ) 皮肤湿润度 w = Esk/Emax
皮肤湿扩散散热量
没有排汗时 Edif = 0.06 Emax 有正常排汗时 Edif = 0.06 (Emax – Ersw)
第四章
人体对热湿环境的 反应
主要内容
人体对热湿环境反应的生理学和心理学基础
人体热平衡 温度感受系统与调节系统 热感觉与热舒适
人体对稳态热环境的反应 人体对动态热环境的反应 其他热湿环境的物理度量 热环境与工作效率 二节点模型
2
人体对热湿环境反应的生 理学和心理学基础
1. 人体的热平衡
体温调节系统的工作原理
大脑
设定点
＋
＋ －
下丘脑前部
－
＋ 下丘脑后部
冷信号
热信号
热
冷
皮肤 (接收机构)
血管收缩、冷颤 血管扩张、出汗
执行机构
38
3.热感觉与热舒适
热感觉
研究方法：心理学 定义：人对周围环境“冷”“热”的主观描
述。 特点：尽管人描述环境的冷热，实际上只能
感觉到自己皮肤下神经末梢的温度。所以 “冷”“热”与感受者的身体状态有关，不 是完全客观的。 “中性”的定义：不冷不热，人用于体温调 节消耗的能量最小。
休息时处于热中性状态, 热舒适
33~32 ℃
2-4met 的(中等)运动量时感觉舒适
32~30 ℃
3-6met 的(较大)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
8
人体与外界的热交换
服装吸收部分汗液， 只有剩余部分汗液蒸发 冷却皮肤。使得需要更 大蒸发量才能在皮肤表 面上形成同样的散热量
18
服装的潜热热阻
服装的蒸发换热热阻(干燥服装)：
Ie,cl = Icl / LR = Icl / 16.5 (kPa m2/W)
服装被汗湿润后热阻会下降，显热换热加强， 又增加了潜热换热，故总传热系数增加：
人体对长波辐 射的发射率和吸 收率在0.95左右
0.8 0.4 0.7
0.78 0.72 0.7
27
人体散热、散湿量的影响因素
全热：主要决定于肌肉活动强度，受其它因 素影响在应用上可以忽略。
显热：决定于温度，随温度上升而减少。 潜热(散湿)：决定于温度，随温度上升而增
加。
28
29
(
决定人体排汗率的主要因素
5.6 3.4
参考文献：H. Hensel, Thermoreception and Temperature Regulation, London: Academic Press, 1981
热点 0.5 0.4 1.7 1.6 0.4
32
冷、热感受器的位置
冷、热感受器存在于：
外周温度感受器
皮肤 粘膜 内脏
白质代谢率高，糖和脂肪类代谢率低。
代谢率单位 met：1 met = 58.2 W/m2，即成 年男子静坐时的代谢率。
21
基础代谢率：参照基础
基础代谢率(BMR ，Basal Metabolic Rate)
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：46 W/m2
身高1.78m 体重65kg AD为1.8m2
5
人体温度
核心(Core)温度
核心层：通常包括脑、脊椎、心脏、肝脏、 消化器官等内脏部分。
直肠温度最接近。
外层(Shell)温度
皮肤表面到 10 mm 以内的部分，通常包括 皮肤，皮下脂肪和表层的肌肉。
6
人体体温范围
肝脏：最高，38℃ 皮肤：与外界环境有关 各部分温差不会太大 日夜有1℃以内的波动 代表温度：核心温度
25
人体的潜热散热量：呼吸蒸发
显热散热量 Cres = 0.0014 M (34 ta ) W/m2
潜热散热量 Eres = 0.0173 M (5.867 Pa ) W/m2
26
人体与外界的辐射换热方程
长波辐射
R fcl feff (Tc4l Tr4 )
对太阳辐射的吸收 R a fcl feff I
活动强度
服装热阻 (clo)
1 clo干燥服装被汗湿润后的热阻
静坐
站立但偶 行走 坐姿售货 站立售货
尔走动 3.2 km/h
行走 4.8 km/h
行走 6.4 km/h
0.6
0.4
0.5
0.4
0.4
0.35
0.3
19
服装的表面积
服装的面积系数 fcl
定义：人体着装后的实
际 表 面 积 Acl 和 人 体裸 身 表面积AD 之比。有实验
BMR变化范围：10~15%。 超过20％为病态。
6~10%
22
肌肉活动与 代谢率
肌肉活动强度对
代谢率起决定性
的影响 一般室内运动代
谢率多在5 met 以 下
23
人体是高效的能量转化系统 吗？否！
机械效率
＝W/M
大部分室内劳动 机械效率近似0
24
人体的潜热散热量：皮肤蒸发
体表全部被汗湿润：
贝氏标度
ASHRAE 热感觉标度
7
过分暖和
7
6
太暖和
6
5 令人舒适的暖和
5
4 舒适（不冷不热）
4
3 令人舒适的凉快
3
2
太凉快
2
1
过分凉快
1
热 暖 稍暖 正常 稍凉 凉 冷
43
什么是热舒适?
观点1：
? 舒适＝中性
44
什么是热舒适?
观点2：
舒适×＝中性
舒适产生于不适的消除过程中。 “舒适”比“中性”更主观。
步速 3.7km/h 1clo 0.48 clo
16
舒适服装热阻与环境温度、相对风速、 活动强度的关系
服装热阻(clo)
2
步行3.2km / h
v =5.1 m/s v =3.6 m/s 1.5 v =2.5 m/s
1
步行6.4km / h
v =7.1 m/s
v =5.1 m/s
0.5
v =3.6 m/s
冷点
5.4-8.0 8.0
16.0-19.0 8.4-9.0 9.0-10.2 8.0-12.5
7.8 5.0-6.5 6.0-7.5
热点 1.0 1.7 0.3
0.3-0.4
部位 手背 手掌 手指背 手指肚 大腿 小腿 脚背 脚底
冷点
7.4 1.0-5.0 7.0-9.0 2.0-4.0 4.4-5.2 4.3-5.7
核环 心境 温温 度度 代 谢 率
30
)
2.温度感受系统与调节系统
人体的温度感受系统
20世纪初发现人的皮肤
上存在对冷敏感的区域
“冷点”和对热敏感的区
域“热点”
50mV
人体各部位的冷点数目
明显多于热点
为什么人对冷更敏感？
31
人体各部位冷点和热点分布密度 (个/cm2)
部位 前额 鼻子 嘴唇 脸部其他部位 胸部 腹部 后背 上臂 前臂
人体与外界的热交换
显热交换
对流散热 辐射散热
潜热交换
皮肤散湿
出汗蒸发 皮肤湿扩散
呼吸散湿
9
影响人体与外界热交换的因素
环境空气温度：对流换热 环境表面温度：辐射换热 水蒸汽分压力（空气湿度）：对流质交换
高温环境：增加热感 低温环境：增加冷感！
风速：对流热交换和对流质交换
吹风感：Draught，冷感和对皮肤的压力冲击
to
hr tr hr
hc ta hc
11
平均辐射温度:
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。
k
tr
(Fnj tnj )
j1
=
12
热质交换系数的确定
对流换热系数：专门针对人体的实验数据
受迫对流
hc= C v n
自然对流：三种主要形式
v =2.5 m/s
站立 v =2.5 m/s
v =1.5 m/s v =1.0 m/s v =0.5 m/s v =0.25 m/s
0
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
环境温度(℃)
10
15
20
25
17
服装的透湿性
服装的存在增加了皮肤 的蒸发换热热阻：
服装对皮肤表面的水 蒸气扩散有一个附加的 阻力。
39
热感觉的影响因素
冷热刺激的存在 刺激的延续时间 人体原有的状态
5℃ 变热
感觉热 感觉冷
40
热感觉的适应性
温度的变化(℃)
28 30 32 34 36 38 40
适应温度（℃）
41
核心温度对热感觉的影响
温暖
中性 皮肤温度作用
热！ 核心温度作用
42
热感觉的测量：问卷调查
Bedford 和 ASHRAE 的七点标度
厚毛衣
0.37
厚长大衣
0.63
厚裤子
0.32
工作服
0.2
夹克
0.4
15
服装的热阻Icl
人运动时由于人体与空气之间存在相对流速， 会降低服装的热阻。
Icl = 0.504 Icl + 0.00281Vwalk – 0.24
椅子给人增加0.15 clo以下热阻
Icl = 0.748 Ach – 0.1
hc=常数 hc= C T 0.25 hc= C (M-50) 0.39 对流质交换系数：传质与传热比拟 LR = he / hc = 16.5 ℃/kPa
13
服装的作用：保温和阻碍湿 扩散
服装的性能：
服装的热阻Icl 服装的透湿性 服装的表面积
14
服装的热阻Icl
一般指显热热阻
人体的基本生理要求
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！ 代谢率(Metabolic Rate)：
人体新陈代谢反应过程中 能量释放的速率
4
人体的热平衡
热平衡方程 M W C R E S = 0 皮肤表面积 AD ＝ 0.202 mb 0.425 H 0.725
服装热阻：影响所有换热形式
10
关于热湿环境的术语
平均辐射温度 tr 或 Tr
近似式： 准确的应该是四次方
黑球温度 Tg
k
tr (Fnjtnj )
j 1
k
(Fnj jTn4j )
4
Tr
j 1
0
Tr Tg 2.44 v (Tg Ta )
操作温度：反映了环境空气温度ta和平均辐
射温度 tr 的综合作用
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人体的体温调节系统
下丘脑前后部是相互制约起作用的，需要同 时利用核心温度和皮肤温度信号来决定调节 方式。
36
人的体温设定Biblioteka Baidu随肌肉活动强度 而改变
在体温调节系统正常 工作时，增加环境温 度并不能提高人体的 核心温度（直肠温 度）。
只有改变代谢率才能 改变人体核心温度。
37
2.温度感受系统与调节系统