第四章 建筑环境学人体对热湿环境的反应

没有排汗时
Edif = 0.06 Emax
有正常排汗时
Edif = 0.06 (Emax – Ersw)

体表全部被汗湿润：
Emax
( Psk Pa ) I e ,cl 1 /( f cl he )
23

皮肤湿润度 w = Esk/Emax
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
½¢«» ÔÀµÄ ø߯ ¶ ¬¶ 0.4 Ϭ ß 3.2 km/h 0.4 Ϭ ß 4.8 km/h 0.35 Ϭ ß 6.4 km/h 0.3
1 clo · Ó «¬ª¹ É Ç ¹ µ Ç ¬ È ï ú ©º ¸ ª ó ó à è î¯¾Ç º¶Æ¶ ú ¬Ç ¬(clo) «© è ½ ¬ ¬Ê É º ² ÷ ÷ ¬Û õ 0.6 0.4 ½¢Ûõ ÔÀɺ 0.5
一般指显热热阻

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 Icl (clo)
0.36 0.57 0.61 0.96 1.34 1.5 0.37 0.63 0.32 0.2 0.4
短袖衬衣，短裤 长裤，短袖衬衫 长裤，长袖衬衫 长裤，长袖衬衫加短外衣 厚大衣，长袖衬衫，保暖内 衣，长内裤 厚三件套西衣服, 长内衣裤 厚毛衣 厚 长大 衣 厚裤子 工作服 夹克
＝W/M

大部分室内劳动
机械效率近似0
22
人体的潜热散热量：皮肤蒸发

汗液蒸发的三种情况：隐性出汗、显性出汗、介于上述两 者 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 ) 皮肤湿扩散散热量


服装热阻(c lo)
1
步行6.4km / h
v = 7.1 m / s v = 5.1 m / s 0.5 v = 3.6 m / s v = 2.5 m / s
0 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
15
25
环境温度( ℃)
服装的透湿性
服装的存在增加了皮肤的
蒸发换热热阻：
24
人体的辐射散热

人体与外界的辐射换热方程
4 R fcl feff (Tcl Tr4 )
0.8
0.4
0.7
0.78
0.72
0.7
25
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。
第四章 人体对热湿环境的反应
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
身高1.78m 体重65kg AD为1.8m2
2
人体对热湿环境反应的生理学 和心理学基础

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！

服装对皮肤表面的水蒸 气扩散有一个附加的阻力。

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。
16
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：

Baidu Nhomakorabea
潜热交换

皮肤散湿
出汗蒸发 皮肤湿扩散


呼吸散湿
7
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

服装热阻：影响所有换热形式

代谢率(Metabolic Rate)： 人体新陈代谢反应过程中能 量释放的速率。
3
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。
4
人体体温范围
17
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。有实验数据。
表达式：fcl = Acl / AD
与服装热阻的近似关系
fcl = 1.0 + 0.3 Icl
18
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
² ÷ ½ ¬
ª Æ Ç (W) ¢ ª È É (g/h) Ó Î Ç (W)
« á Ì ¯ » Æ ¿ ¶
ª Æ Ç (W) ¢ ª È É (g/h) Ó Î Ç (W)
á Ç Ì ¯ Æ ¶ ¿ ¶
ª Æ Ç (W) ¢ ª È É (g/h) Ó Î Ç (W)
Ï Ç Ì ¯ Õ µ ¿ ¶
º ½ Í ¶ (¡ ) « ³ Á Ç æ 24 71 37 56 70 64 96 70 112 167 88 147 219 145 262 391 25 67 41 61 65 69 102 64 117 175 83 152 227 140 267 400 26 63 45 68 61 73 109 58 123 184 74 161 240 134 273 408 27 58 50 75 57 77 115 51 130 194 67 168 250 128 279 417 28 53 55 82 51 83 123 47 135 203 61 174 260 122 285 425 29 48 60 90 45 89 132 40 142 212 52 183 273 116 291 30 43 65 97 41 93 139 35 147 220 45 190 283 110 297
13
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 = 7.48 10 – 5 CSAC – 0.1
步速 3.7km/h 1clo 0.48 clo

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” 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？
50mV


29
人体各部位冷点和热点分布密度(个/cm2)
¾ º ² Í ©î Æ ¶ Æ Ò ª¬ ì ¼ ¬´ À ² Å Ê ² º ³ ¾ ä ø ¾ Í Ö ¾ Ï ² ¸ ¾ · ² ó ³ ¹ ª Î Û È ª ©Û Æ ª ä ã ¿ µ 5.5-8.0 8.0 16.0-19.0 8.5-9.0 9.0-10.2 8.0-12.5 7.8 5.0-6.5 6.0-7.5 0.3-0.4
Ç µ ã 0.5 0.4 1.7 1.6 0.4
参考文献：H. Hensel, Thermoreception and Temperature Regulation, London: Academic Press, 1981
率。 代谢率单位 met：1 met
= 58.2 W/m2，即成年男子静 坐时的代谢率。 BMR变化范
围：10~15％。超过20％为病态。
6~10%
20
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
21
人体是高效的能量转化系统吗？否！

机械效率
8
关于热湿环境的术语
平均辐射温度 t r 或 Tr

近似式： 准确的应该是四次方
( Fnj t nj )
tr
j 1
k
Fnj
j 1
k


黑球温度 Tg
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 t r 的综合作用
hr t r hc t a to hr hc
ª Æ Ç (W) ¢ ª È É (g/h) Ó Î Ç (W)
Ö Ç Ì ¯ Õ ¶ ¿ ¶
ª Æ Ç (W) ¢ ª È É (g/h)
27 434 443
人体排汗率 散湿量



核 心 温 度 代 谢 率
环 境 温 度 （ 皮 肤 温 度 ）
决 定 因 素
( )
28
人体的温度感受系统
14
舒适服装热阻与环境温度、相对风速、活动 强度的关系
2
步行3.2km / h
v = 5.1 m / s v = 3.6 m / s 1.5 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
30
Ç µ ã 1.0 1.7 0.3
¾ º ² Í Õ ³ É ª Õ Å É Ô Õ · ³ É Õ ª Õ · Æ É Õ ¶ ó Ç ´ Ì ¡ Ç Ï Ì Ä ³ ¼ ª Ä ¬ ¼ µ
ä ã ¿ µ 7.4 1.0-5.0 7.0-9.0 2.0-4.0 4.5-5.2 4.3-5.7 5.6 3.4
9
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。
tr
( Fnj t nj ) / Fnj
j 1 j 1
k
k
=
10
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

h c= C v n



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
Ñ ú ù £ È ê Ê Ã å Á æ Í ¸ Ô ³ ³ Ã Ç µ Ë Í (¡ ) ¼ ù ¾ Å ½ À ä ¯ ¶ § ª¶ «Í 36.0~37.4 36.7~37.7 36.9~37.9
5
Ñ Í · Á ¾ Í Ú Á · Í Ö Á
36.8 37.2 37.5
皮肤温度
状 态
皮肤组织迅速损伤 被烫伤的疼痛感 疼感域 热的感觉 开始有热的感觉 休息时处于热中性状态, 热舒适 2-4met 的(中等)运动量时感觉舒适 3-6met 的(较大)运动量时感觉舒适 坐着时有不愉快的冷感 皮肤丧失感觉 非常不快的冷感觉 极端不快的冷感觉 伴随疼感的冷感觉
hc=常数 hc= C T 0.25 hc= C (M-50) 0.39

自然对流：三种主要形式


对流质交换系数：传质与传热比拟

LR = he / hc = 16.5 ℃/kPa
11
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
12
服装的热阻Icl



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 白质代谢率高，糖和脂肪类代谢率低。
19
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
6
人 体 外 层 温 度
45 ℃ 以上 43~ 41 ℃ 41~39 ℃ 39~37 ℃ 37~35 ℃ 34~33 ℃ 33~32 ℃ 32~30 ℃ 31~29 ℃ 25℃ (局部) 20 ℃(手) 15 ℃(手) 5 ℃(手)
人体与外界的热交换

人体与外界的热交换

显热交换
对流散热 辐射散热
26
î ¯ ¾ Ç º ¶ Æ ¶
¢ ¢ ª È Ç È É 20 Ó Î Ç (W) 84 26 38 90 47 69 93 90 134 117 118 175 169 238 356 21 81 27 40 85 51 76 87 94 140 112 123 184 163 244 365 22 78 30 45 79 56 83 81 100 150 104 131 196 157 250 373 23 74 34 50 75 59 89 76 106 158 97 138 207 151 256 382