建筑环境学04第4章人体反应

28 30 32 34 36 38 40
适应温度（℃）
42
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
43
热感觉的测量：问卷调查
Bedford 和 ASHRAE 的七点标度
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
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。
40
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
冷热感觉阈℃
感觉热 感觉冷
41
热感觉的适应性
温度的变化(℃)
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
47
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
48
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
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
38
2.温度感受系统与调节系统
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
39
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
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
35
下丘脑
Hypothalamus
下丘脑
下丘脑
36
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。
37
人的体温设定值随肌肉活动强度 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。
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
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
3
2
太凉快
2
1
过分凉快
1
热 暖 稍暖 正常 稍凉 凉 冷
44
什么是热舒适?
观点1：
? 舒适＝中性
45
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。
Cool & Comfort !
46
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(℃)
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
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
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：
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
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
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来自百度文库
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：
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
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。
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
清华大学 建筑学院 建筑技术科学系
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
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 ℃
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
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
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
1. 人体的热平衡
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
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
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
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
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
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：
k
tr (Fnjtnj )
准确的应该是四次方
黑球温度 Tg
j 1
k
(Fnj jTn4j )
4
Tr
j1
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