室内热湿环境对人体影响分析及营造系统热学分析

室内热湿环境对人体影响分析及营造系统热学分析【摘要】从生理学、心理学角度分析室内热湿环境参数；从热平衡的角度引入人体热舒适概念；提出改善室内热湿环境、提高人体热舒适的措施;分析室内热湿环境对人体舒适性的影响和理论研究中存在的问题和不足，并提出了一些个人建议;根据室内外温差合理配置传热能力是利用围护结构传热的关键；室温与热源或热汇的温差驱动空调系统的热量传递，选取热源或热汇时在满足热量传递需求的基础上减少各环节的温差消耗是降低系统能耗的问题所在；通过分析各环节温差消耗的影响因素，得到了降低温差消耗的可能途径；讨论了湿度传递驱动力( 湿度差) 与热量传递驱动力( 温差) 之间的相互转换。

【关键词】热湿环境;热舒适;影响;热湿环境营造;围护结构;空调系统;温差;降低能耗前言：人的一生中大部分时间都在室内度过，因此良好的室内环境对人的健康至关重要。

随着社会生产力的飞速发展，工业化现代化程度不断扩大，人民生活水平日益提高，人们对室内热湿环境的要求也越来越强烈，毕竟热湿环境对人体的健康、工作学习效率等等都具有显著影响，因此有必要针对具体建筑或人工气候室就室内热湿环境对人体舒适性的影响进行研究。

一、室内热湿环境对人体舒适性的影响分析1、室内热湿环境和热舒适分析(1) 室内热湿环境室内热湿环境（也称室内气候）由室内空气温度、湿度、风速和室内热辐射四要素综合形成，以人的热舒适程度作为评价标准。

室内热湿环境质量的高低对人们的身体健康、生活水平、工作学习效率将产生重大影响。

研究室内热湿环境旨在创造健康舒适的室内热湿环境，以保证人的正常生活和工作，维护人体的健康。

影响室内热湿环境的因素包括室内外热湿作用、建筑围护结构热工性能以及暖通空调设备措施等等。

室内气温是表征室内热环境的主要指标，它的高低影响人的冷热感。

根据调查研究表明[1]：空气温度在25℃左右时，脑力劳动的工作效率最高；低于18℃或高于28℃，工作效率急剧下降。

如以25℃时的工作效率为100%，则35℃时只有50%，10℃时只有30%。

卫生学将12℃作为建筑热环境的下限。

空气湿度直接影响人体皮肤表面的蒸发散热，从而影响人体的舒适感。

湿度过低，人体皮肤因缺少水分而变得粗糙甚至开裂，人体的免疫系统也会受到伤害导致对疾病的抵抗力大大降低甚至丧失。

室内湿度过高，不仅影响人体的舒适感，还为室内环境中的细菌、霉菌及其他微生物创造了良好的生长繁殖条件，加剧室内微生物的污染，这些微生物容易导致患上呼吸道或消化道疾病。

室内空气的流动影响人体的对流换热和蒸发换热，同时也促进室内空气的更新。

当室内空气流动性较低时，室内环境中的空气得不到有效的通风换气，各种有害化学物质不能及时排到室外，造成室内空气质量恶化。

而且，由于室内气流小，人们在室内生活中所排出的各种微生物相对聚集于空气中或在某些角落大量增生，致使室内空气质量进一步恶化。

化学性污染物和有害微生物共同作用，将损害人体健康。

风速大有利于人体散热、散湿，提高热舒适度。

但风速过大，也会有损健康，特别是在睡眠时，容易导致感冒。

室内热辐射的强弱通常用“平均辐射温度T mrt”表示，即室内对人体辐射热交换有影响的各表面温度的平均值。

平均辐射温度是一个相当复杂的概念，虽然这是一个描述环境特性的参数，却又与人在室内所处的位置、着装及姿态有关。

在工程实际中，平均辐射温度可用下式[2]计算：其中 1 T 、1 T 、n L T 是各表面温度， 1 A 、2 A 、n L A 为各表面面积。

若建筑外围护结构内表面的温度过低或过高，将对人体产生冷、热辐射，使人感觉不适，因此可以通过改善围护结构热工性能来提高热舒适水平。

(2) 人体热舒适所谓人体热舒适，指人体对热湿环境感到满意的主客观评价。

随着人民生活水平的日益提高，如何创造舒适的室内热湿环境越来越受到人们的重视。

近年来由于各种新型建筑方案的采用，出现了人的热感觉与对房间微气候的传统要求不相适应的情形，从而使得人们对人体舒适性方面的研究更为深入。

人的热舒适感主要建立在人和周围环境正常的热交换上，以人体热平衡为前提，并且要求人体皮肤表面温度t s 和皮肤表面汗液蒸发热损失E sw 在一定的范围内。

为了保持体温恒定，人体内部产热量必须等于向外散失的热量，通过人体体温调节系统自动调节平衡。

人体和外界环境之间的热平衡关系式【3】为H-E d-E sw-E re-L=R+C其中H 为人体内部产热量（W/m2），E d 为人体皮肤呼吸热损失（W/m2），E sw 为皮肤表面汗液蒸发热损失（W/m2），E re 为呼吸潜热热损失（W/m2），L 为呼吸显热热损失（W/m2），R 为通过人体着装外表的辐射热损失（W/m2），C 为通过人体着装外表的对流热损失（W/m2）。

目前国际上用于评价人体热舒适的指标有Fanger 教授的PMV-PPD 指标、ASHRAE标准有效温度SET、PD（predicted dissatisfied due todraft）、Winslow 的DISC 指标。

(3) 室内热湿环境对人体舒适性的影响影响人体热舒适感觉的因素有空气温度、相对湿度，空气流速、平均辐射温度、人的新陈代谢率和衣服热阻，前四个因素为室内物理因素，后两个因素为个人因素。

前四要素对人体的热平衡产生影响且在各要素间很大程度上是可以互换的，某一要素的变化所造成的影响常常可以为另一要素相应的变化所补偿。

人体产热量是不可控制的，但是人体散热量受到上述六个因素的共同影响，其中最主要的是温度变量，因此热舒适性研究的主要工作是确定热舒适温度变量。

人体热平衡一旦被打破，人体的体温调节机构便开始起作用。

人的体温调节根据其机制可以分为生理性体温调节（physiological temperatureregulation ）和行为性体温调节（behaviortemperature regulation）两大类，调节过程如图[4]所示。

生理性体温调节即通过体内体温调节系统使体温保持在相对稳定状态；行为性体温调节即通过体外调节以改变换热系数，如穿衣或有目的地利用外界能量以减轻外界环境温度对机体的生理热应激（physiological heat strain）作用，从而使体温保持在正常范围以内[5]。

当室内环境温度较高时，由散热中枢发出指令，汗腺分泌、血管扩张、增大呼吸量以增强散热；当温度较低时，人体的发热中枢发出指令，肌肉收缩、血管收缩、减小呼吸量以减少散热。

体温调节机构的强度越大，人体感觉不舒适的程度越高。

在一定的活动强度下，人的热感觉与人体热负荷（即人体的蓄热量）的大小有关。

空气湿度是影响人体热舒适的又一重要因素。

室内湿度过大时，人体皮肤周围的水蒸汽分压力比较大，从而抑制了汗液的分泌，导致人体内部热量不能及时散发出去，从而引起人体的不舒适。

湿度很小时人体皮肤变得粗糙干裂，也使人感觉不舒适。

文献[6]指出室内空气相对湿度大于70％时室内人员能够感受到空气湿度的变化，这与室内空气相对湿度小于70％时明显不同。

其原因主要是湿度的变化引起人体散热分布的不同，进而使热舒适感觉有差异。

而且湿度增大时人体表面汗液增多，服装和皮肤的摩擦增大，也致使舒适感觉在不同湿度下有所差异。

湿度的增加，对热舒适有两方面的作用：一是阻碍了人体有效的散热；二是消弱了吹风引起的不适感。

室内气流也是影响人体热舒适的重要因素。

室内气流会对人体产生两大作用：一是增强了人体与周围环境之间的换热；二是风速的加大可能会产生吹风感。

这两种作用共同影响人体的热舒适感觉。

文献[6]指出，室内空气温度越低，空气相对湿度越低，越容易产生吹风感，而且吹风感越强烈。

空气流速小，空气就显得比较沉闷，人体皮肤感受器接受刺激并把此信息反馈到大脑产生认识得出结论——不舒适。

体温调节控制系统示意图(4) 改善室内热湿环境、提高人体热舒适的措施要使人们真正处于舒适的室内环境中，应使人体按正常比例散热，即辐射散热应占总人体散热量的45% -50%，对流散热约占25%-30%，而呼吸和无感觉蒸发散热约占25%-30%【2】。

这就要求在设计过程中充分重视室内空间质量和功能分区问题，注意室内的防热处理，充分利用有利的环境因素而防止不利的环境因素，创造舒适的室内热湿环境。

防热途径有室内外环境绿化、窗户遮阳（内、外遮阳）、自然通风和外围护结构的隔热等防热措施。

个体可通过改变着衣量，开关窗户，启停室内空调采暖设备及改变温度、风速等个人行为调节（behavioral adjustment）措施来改变环境舒适度及个人热舒适感；个体还可从生理上和心理上适应某一热湿环境，生理适应[7]（physiologicaladaptation）指长期暴露在热环境中人体热应力的逐渐减小的一种生理反应，它包括基因适应性和环境适应性；心理适应（psychological adaptation）指根据过去的经历和期望适时改变现在的热环境期望值。

对理论上未达到舒适标准的某一热湿环境，个体换一种心态去评价和感受也许会觉得舒适。

空调设计专家们应高度重视室内气流组织，积极采纳各种新型空调方案，例如：置换式空调、工位调节、背景空调与桌面空调相结合、椅下低速送风及地板送风等等，当然某些空调方案只适合于特定的建筑类型和房间功能，设计师们应慎重选用。

高层建筑物业管理人员应积极配合空调专家定量评价室内气流组织优劣，进一步对空调系统作出总体评价，并适时调查用户室内热湿环境和热舒适性情况，为今后空调设计的改进和优化提供参考。

2、研究存在的问题及其分析国内外关于热湿环境对人体舒适性的影响研究非常之多，涉及的方向和内容比较广，但还是存在一些问题和不足，具体体现在以下几点：（1）热湿环境的各影响因素对人体的影响是复合的，而各因素之间又是互相影响的，因此，我们应该把热湿环境看作一个整体，综合考虑各因素对人体的影响。

然而，热湿环境和人体热舒适的现状研究很多是集中在单一因素或两三个因素对人体的热舒适影响而没有得出综合考虑所有因素的影响结果。

（2）目前的热湿环境对人体热舒适性影响研究主要偏重于物理环境测试分析，而没有考虑人的心理、生理影响，综合考虑主客观因素。

我们今后应侧重于热湿环境对人的心理、生理影响的研究，采取物理测试和问卷调查两种试验方法对室内热湿环境进行考察和分析。

（3）通过调查，目前室内热湿环境相对恶劣的建筑为大型超市、商场、影剧院、体育馆等，其原因是以上建筑空间大，人员密度大加上室内空气流通性不好，导致室内空气污浊沉闷，易引起人的抱怨。

所以，以后我们应着重进行以上建筑的热湿环境对人体舒适性的影响研究，提出一些具有借鉴意义的方案和标准，以供建筑师、暖通空调工程师参考。

（4）国内气候比较特殊的地区（如夏热冬冷地区、湿热地区）的室内热湿环境对人体舒适性的影响尚无人研究。