顯熱潛熱比

(1)人體的皮膚蒸發散熱量Esk Tcl—人體表面的溫度，K 3．人體皮膚溫度對熱感覺的影響

1．人體熱舒適的影響因素
2．在暖通方案設計時如何結合人體熱舒適的需要
3．人體對動態環境的反應
§5-1人體對熱濕環境反應的生理學和心理學基礎
一、人體的熱平衡
（一）人體的基本生理要求：
1、代謝率：
人體在化學反應中釋放能量的速率。人體各部分的溫度不同
代謝率高的器官溫度較高
2、人體熱平衡方程式
M－W － C － R － E ＝ S
式中：M——人體能量代謝率，W/㎡；
W——人體所做的機械功，W/㎡ ；
C——人體外表面向周圍環境通過對流形式散發的熱量，W/㎡ ；
R——人體外表面向周圍環境通過輻射形式散發的熱量，W/㎡ ；
E——汗液蒸發和呼出的水蒸氣所帶走的熱量，W/㎡ ；
S——人體蓄熱率，W/㎡
（式中各項均以人體單位表面積的產熱和散熱表示）
3、裸身人體皮膚表面積的計算：
AD=0.202mb0.425H0.725
式中： AD—人體皮膚表面積,m2；
H—身高,m；
mb—體重,kg；
4、人體最大的生理性變動範圍為35～40℃；
· S=0，表明人體正常；
· S>0，表明體溫上升，人體不舒適；
· 當體溫≥45℃，人死亡
· S<0, 表明在冷環境中，人體散熱量增多。
當體溫<36℃，稱體溫過低；
當體溫<28℃，有生命危險；
當體溫<20℃，一般不能復甦；
5、人體平均皮膚溫度：
四點模型法：
人體的核心溫度：是由人體的運動強度即代謝率決定的。代謝率越高,人體的核心溫度就越高。但人體的核心溫度必須維持在一個相當窄的範圍內才能保證其正常功能。
人的皮膚溫度：隨外界溫度的變化而變化，而且與人體的核心溫度一樣,各部位之間存在一定差別。
為了確定人的平均皮膚溫度,Ramanathan(1964)提出了一個四點模型。
即通過測試人體胸部、上臂、大腿、小腿，皮膚溫度，按照權係數 0.3，0.3，0.2，0.2，進行加權平均。這樣求得的平均皮膚溫度對於多數用途來說是合適的。
（二）人體與外界的熱交換
熱交換形式：對流、輻射、蒸發。這幾種不同類型的換熱方式都受人體的衣著影響。
對流：環境空氣的溫度決定了人體表面與環境的對流換熱，溫差因而影響了對流換熱量。周圍的空氣流速影響了對流熱交換係數。氣流速度大時,人體的對流散熱量增加,因此會增加人體的冷感。
輻射：周圍物體的表面溫度決定了人體輻射散熱的強度。例如,在同樣的室內空氣參數的條件下,圍護結構內表面溫度高會增加人體的熱感，否則會增加人的冷感。
蒸發：潛熱交換。主要是通過皮膚蒸發和呼吸散濕帶走身體的熱量。決定於空氣相對濕度的大小與空氣流速
皮膚蒸發：包含汗液蒸發和通過皮膚的濕擴散兩部分；
空氣流速：除了影響人體與環境的顯熱和潛熱交換速率以外,還影響人體的皮膚的觸覺感受。
“吹風感(Draft)”：是一種氣流增大引起皮膚及黏膜蒸發量增加以及氣流衝力產生的不愉快的感覺。
（三）影響人體與外界顯熱交換的幾個環境因素
1．平均輻射溫度：
其中： ——平均輻射溫度，℃
Fn ——周圍環境各表面可看到的面積，m2
tn ——周圍環境各表面的溫度，℃
物理意義：一個假象的等溫圍合面的表面溫度，它與人體間的輻射熱交換量等於人體周圍實際的非等溫圍合面與人體間的輻射熱交換量。
黑球溫度計：是由一個塗黑的薄壁銅球，內裝有一個溫度計組成，溫度計的感溫包包在銅球的中心。
2. 操作溫度to(Operation Temperature)
反映了環境溫度ta和平均輻射溫度tr的綜合作用；
式中： hr——輻射換熱係數，W/(㎡·℃)
hc——對流換熱係數，W/(㎡·℃)
3．對流換熱係數hc
自然對流：
受迫對流：與風速有關；
4．對流質交換係數he
(即蒸發換熱係數） LR= he/hc
LR稱為“劉易斯係數”，對於一般的室內空氣環境有：LR=16.5
（四）服裝的作用：
保溫；阻礙濕擴散。
1、服裝熱阻Icl：指的是顯熱熱阻Iclo
常用的單位有：㎡·K/W和clo
1clo=0.155 ㎡·K/W
1clo定義為：一個靜坐者在21℃空氣溫度、空氣流速不超過0.05m/s，相對濕度不超過50%的環境中感到舒適所需要的服裝熱阻。
如： 夏季服裝一般為：0.5clo (0.08 ㎡·K/W)
工作服裝一般為：0.7clo (0.11 ㎡·K/W)
正常室外穿的冬季服裝：1.5～2.0clo
北極地區的服裝：4.0clo
2.服裝熱阻的影響因素
（1）椅子對熱阻的影響
取決於椅子與人體接觸的面積。
座椅的熱阻的增值可進行估算
△Icl=7.48×10－5 A－0.1
（2）行走對熱阻的影響
△Icl=0.504 Icl +0.00281Vwalk－0.24
如果一個人靜立時，服裝熱阻為1clo,若行走步速為：90步/min（約3.7km/h),則△Icl=0.504 Icl +0.00281Vwalk－0.24
=0.504 +0.00281×90－0.24=0.52
（3）服裝透濕性
一方面：服裝對皮膚的表面的水蒸氣擴散有一個附加的阻力；
另一方面：服裝吸收部分汗液，使得只有剩餘部分汗液蒸發冷卻皮膚；
服裝吸收了汗液後，會使人涼快。
（4）服裝的表面積
服裝面積係數： fcl=Acl/AD
估算值 ：fcl=1.0+0.3Icl
（五）人體的能量代謝
1．人體的能量代謝率：
基礎代謝率（BMR，Basal Metabolic Rate)
基礎代謝和基礎代謝率
（1）基礎代謝：人體在基礎狀態下的能量代謝。
基礎代謝率：單位時間內的基礎代謝。
（2） 基礎狀態：
1） 清晨、清醒、靜臥半小時
2） 禁食12小時以上
3） 室溫18～25°C
4） 精神安寧、平靜
在以上狀態下，機體只維持最基礎（血液循環、呼吸）的代謝狀態，此時單位時間所測量的機體產熱量，即為基礎代謝率。
（3）影響能量代謝的因素
肌肉活動、精神活動、食物的特殊動力效應、年齡、性別、環境溫度是影響能量代謝的因素。
1）精神活動：因為腦的能量來源主要靠糖氧化釋放能量，安靜思考時影響不大，但精神緊張時，產熱量增多，能量代謝率增高。
2）食物的特殊動力效應：進食之後的一段時間內，機體內可以產生額外熱量的作用,稱為食物的特殊動力效應。其中蛋白質最強，脂肪次之，糖類最少。
3）環境溫度：人在安靜狀態下，在22.5～35°C的環境中最為穩定。環境溫度過低可使肌肉緊張性增強，能量代謝增高。環境溫度過高，可使體內物質代謝加強，能量代謝也會增高。
4) 性別、年齡
5)肌肉活動：它對能量代謝的影響最為顯著。主要以增加肌肉耗氧量而做功，使能量代謝率升高。
2、人體的機械效率
η=W/M
在空調負荷計算時，人體的機械效率常看作0
（1）大部分的辦公室勞動機械效率為0；
（2）人體代謝率估算本身有誤差；
（3）偏於安全考慮。
3、人體蒸發散熱量
(1)人體的皮膚蒸發散熱量Esk
EMax=( Psk－Pa)/[ Ie,cl＋1/(fcl he)] =he′(Psk－Pa)
（此式為完全被汗液潤濕的人體潛熱散熱量）
式中：he′—服裝表面的對流質交換係數。
Pa—環境空氣中的水蒸氣分壓力，kPa;
Psk—皮膚表面的飽和水蒸氣分壓力，kPa；Psk =0.254tsk－3.335
Ie,cl—服裝的潛熱換熱熱阻
人體皮膚實際蒸發散熱量：
Esk=Ersw＋EDIF=wEmax
式中：Ersw—汗液蒸發散熱量；
Edif—皮膚濕擴散散熱量；
w—皮膚濕潤度； w = Esk /Emax
其中皮膚濕擴散散熱量Edif
a) 若環境濕度增加，如果皮膚未排汗； Edif =0.06Emax
b) 若有正常排汗時； Edif =0.06（Emax－Ersw）
皮膚汗液蒸發量Ersw由體溫調節系統控制的
人體處於不冷不熱狀態時；
tsk=35.7－0.0275(M－W)
Ersw=0.42(M－W－58.2)
w =(M－W－58.2)/46he[5.733－0.007(M－W)－Pa]＋0.06
(2)人體的呼吸散熱散濕量
顯熱散熱： Cres=0.0014M(34-ta) W/㎡
潛熱散熱： Eres=0.0173M(5.867－Pa) W/㎡
4、人體與外界的輻射換熱量
R=efclfeff s (T4cl－T4r)
式中：e —人體表面的發射率
s—5.67×10－8W/㎡K4
feff —人體姿態影響有效表面積的修正係數
Tcl—人體表面的溫度，K
Tr—環境的平均輻射溫度，K
5、不同環境條件和活動強度下，人體的散熱和散濕量
二、人體的溫度感受系統
(一)人體皮膚存在冷點和熱點，但位置不同。冷點數目多於熱點。
1、人體皮膚中存在溫度感受器
2、人體體內某些黏膜和腹腔內臟等處也存在溫度感受器。
3、人體的脊髓、腦幹網狀結構中也存有神經元。
(二）根據反應特性，分類：
1、分類：
（1）熱感受器：
只對熱刺激產生衝動，在冷刺激下被抑制。
（2）冷感受器：
只對冷刺激產生衝動，在熱刺激下被抑制。
冷感受器的數目多於熱感受器。
三、人體的體溫調節系統
人體與非生物體的熱變化過程的區別在於人體的溫度和散熱量並不完全由環境因素決定,因為人體的體溫調節系統在一定環境參數範圍內具有主動調節這些參數的能力。恆溫動物包括人，與非生物體相比,有完善的體溫調節機制（體溫調節主要是依靠神經調節和體液調節來完成的）。在外界環境溫度改變時，通過調節產熱過程和散熱過程，維持體溫相對穩定。
對體溫調節系統最重要的輸入量是：核心溫度；平均皮膚溫度。當核心溫度與設定值之間出現偏差,體溫調節系統開始工作。但人體的體溫設定值不是恆定的,而要取決於工作強度,在較高代謝率下體溫設定值會升高。
（一）表層體溫和深部體溫
1．表層溫度
人體的外周組織即表層，包括皮膚、皮下組織和肌肉等的溫度稱為表層溫度。
表層溫度不穩定。如,在環境溫度為23℃時, 見表
足 手皮膚溫度 軀幹℃ 額部℃
27 30 32 33—34
氣溫達32℃以上時，皮膚各部位溫差將變小，在寒冷環境中，隨著氣溫下降，手、足的皮膚溫降低最顯著，但頭部皮膚溫度變動相對較小。
環境中，隨著氣溫下降，手、足的皮膚溫降低最顯著，但頭部皮膚溫度變動相對較小。
2．深部溫度
機體深部（心、肺、腦和腹腔內臟等處）的溫度稱為深部溫度（core temperature）。深部溫度比表層溫度高，且比較穩定，各部位之間的差異也較小。
（1）在不同環境中，深部溫度和表層溫度的分布會發生相對改變。
（2）在較寒冷的環境中，深部溫度分布區域較縮小，主要集中在頭部與胸腹內臟，而且表層與深部之間存在明顯的溫度梯度。
（3）在炎熱環境中，深部溫度可擴展到四肢。
人體體溫調節方法:
體溫調節是在下丘腦體溫調節中樞控制下，隨機體內外環境刺激信息的變動，通過增減皮膚血流量、發汗、寒顫等生理反應，調節體熱的放散和產生，保持相對恆定的體溫調節方
（二）調節體溫的中樞：
下丘腦是大腦的一部分。
1、下丘腦前部：促進散熱.。
2、下丘腦後部：促進產熱；抵禦寒冷。
人體體溫的調節方法包括：
調節皮膚表層的血流量；
調節排汗量；
提高產熱量。
四、熱感覺
1．定義：
熱感覺是人體對周圍環境是“冷”還是“熱”的主觀描述。
熱感覺感覺不能用任何直接的方法來測量。人們常評價房間的“冷”和“暖”，實際上人是不能直接感覺到環境的溫度的,只能感覺到位於他自己皮膚表面下的神經末梢的溫度。
對感覺和刺激之間關係的研究學科稱為心理物理學(Psychophisics),是心理學最早的分支之一。
“中性”狀態：即人感到不冷不熱的狀態
2．影響熱感覺的因素：
（1）冷熱刺激的存在
（2）刺激的延續時間
（3）人體原有的熱狀態
人體的冷、熱感受器均對環境有顯著的適應性。
3．人體皮膚溫度對熱感覺的影響
在中性區內，皮膚熱感覺與溫度變化率有關
4．人體核心溫度對熱感覺的影響
結論：熱感覺最初取決於皮膚溫度，而後取決於核心溫度。
5．環境溫度迅速變化時，熱感覺的變化比體溫變化要快
所以，常用空氣溫度預測熱感覺。
6．熱感覺的描述
問卷調查方式
圖5-8 皮膚溫度改變引起的感覺與適應溫度
以及變化量之間的關係
五、熱舒適
熱舒適定義：對環境表示滿意的狀態。
有兩種觀點：（1）“不冷不熱”的中性熱感覺
（2）使人高興，愉快，滿意的感覺
熱舒適的影響因素：
（1）空氣濕度： 人體的粘著性增加，不舒適感增加。
（2）垂直溫差： 若頭部周圍的溫度比踝部周圍溫度高的越多，感覺越不舒適。
例如：地板輻射採暖時，比普通的散熱器更舒適。
（3）吹風感
（4）其他因素：例如：人體年齡、生活背景及個人愛好的差異等。
§5-2 人體對穩態熱環境的反應描述
一、熱舒適方程
人體在穩態狀態下，能量平衡的熱舒適方程的前提條件：
人體必須處於熱平衡狀態；
人體皮膚平均溫度應具有與舒適相適應的水平；
人體應有最佳排汗率。
在人體熱平衡方程中，當人體的蓄熱率S=0時，得出人體的熱舒適方程：
M－W－C－R－E=0
把熱平衡方程式中每個變數的計算公式帶入方程可以得出：
6個影響人體熱舒適的變數的因素M 、 Pa 、 ta 、 tr、 Icl 、 va之間的定量關係。
二.預測平均評價PMV（Predicted Mean Vote）
若人體通過對流、和輻射散熱能滿足舒適方程，人體處於舒適狀態。
反之，若人體在某種熱環境下，通過對流、輻射散熱不能滿足舒適方程，人體會產生一個“負荷”TL。
TL定義：人體產熱量與人體保持舒適條件下的平均皮膚溫度,和出汗造成的潛熱散熱時，向外界散出的熱量之間的差值。
TL=M－W－C－R－E
TL為正，人體產生熱感覺；TL為負，則產生冷感覺。
Fanger對1396名受試者進行調查。
條件：四種不同的活動強度，相同的衣量（均為0.6clo）,風速有變化時，人體的反應；
結論：人體反應是活動量和“負荷”的函式
得出
PMV=[0.303exp(－0.036M)+0.0275]TL
PMV指標的7級分度如下表所示：
PMV指標代表了對同一環境絕大多數人的舒適感覺。
PPD（Predicted Percent Dissatisfied）指標，表示對熱環境不滿意的百分數。
PPD=100－95exp[－(0.03353PMV4＋0.2179PMV2)]
由圖可見：當PMV=0時，PPD=5%。既意味著在室內處於最佳的熱舒適狀態時，仍然有5％的人感到不滿意。因此ISO7730對PPV-PPD指標的推薦值在－0.5－＋0.5之間，相當於人群中允許有10％的人感覺不滿意。
三、有效溫度ET(Effective Temperature)與ASHRAE舒適區
有效溫度ET的定義：將幹球溫度、濕度、空氣流速對人體溫暖感或冷感的影響綜合成一個單一數值的任意指標。
數值上等於產生相同感覺的靜止飽和空氣的溫度。
新有效溫度ET＊：改變了有效溫度過高的估計了濕度在低溫下對涼爽和舒適狀態的影響，把皮膚濕潤度的概念引進來。
標準有效溫度SET＊：(綜合考慮了不同的活動水平,和衣服熱阻,這樣的一個最通用的指標)是一個等效的幹球溫度。即SET＊把真實環境下的空氣溫度、相對濕度、和平均輻射溫度規整為一個溫度參數，使具有不同空氣溫度、相對濕度、和平均輻射溫度的環境能用一個SET＊值相互比較。
具體的講，如果在環境溫度為SET＊；平均輻射溫度與環境溫度相同；相對環境溫度為50%的等溫假想熱環境中；人體的皮膚濕度和通過皮膚的換熱量與真實環境下的值相同；那么，就可以用SET＊來表示這一真實環境的溫度。
如圖5-12所示:斜畫的一組虛線即為等有效溫度線,它的數值是在Φ=50%的相對濕度線所標註的對應的溫度值。如t=25℃,Φ=50%兩線交點的虛線即為25℃等有效溫度線，這些等有效溫度線是在室內空氣流速為0.15m/s,對靜坐著、服裝熱阻為0.6clo的人員實測所得。
美國坎薩斯州立大學實驗所得的菱形面積。
適用條件：身著服裝熱阻為0.6～0.8clo,靜坐的人.
ASHRAE推薦的舒適標準55-74舒適區，平行四邊形面積。
適用條件：身著服裝熱阻為0.8～1.0clo,坐著的人,活動量較大些.
兩塊舒適區重疊處是被推薦的室內空氣設計條件.
§5-3人體對動態熱環境的反應
上述關於熱舒適的指標、評價都在穩態熱平衡條件下得出的，實際上，人類大多處於多變的動態熱環境中。研究對非穩態溫度或風速下的人體反應很有必要。
Gagge等人發現：人體在溫度出現階躍變化時，皮膚和熱感覺的變化有一個過渡過程。
實驗表明：
1.當人體由中性環境突變到冷或熱環境時，熱感覺的變化有一個“滯後”。
2.從冷或熱環境中突變到中性環境時，則會出現熱感覺短時間的“超前”，即所感覺到的冷熱感指標比穩定時要更低。
一、 人體對階躍溫度變化的反應
舉例：把一隻手放在溫水盆，另一隻手放在涼水盆，一段時間後，把兩隻手同時放在具有中間溫度的第三個水盆里。那么，第一隻手感到涼，另一隻手感到暖合，儘管此時處於同一溫度的水中。
分析：當人體的溫度出現階躍變化時，皮膚溫度和熱感覺的變化有一個過渡過程，皮膚溫度因熱慣性的存在而滯後。
結論:
1.人體對環境突變的生理調節十分迅速,並不會對人體產生不良後果;
2.人體在環境突變的生理調節周期中,皮膚溫度並不能獨立地作為熱感覺的評價尺度,因為此時人體正在與周圍熱環境之間發生激烈的熱交換，皮膚溫度的變化由於熱慣性的存在是滯後的。
二、 人體對變化風速的反應
決定環境因素的風速（量）、溫度、濕度三大因素綜合起來最舒服的環境狀況又稱為熱中性，即PPD＜10％，PMV＝±0.5。其中起決定因素的即為風速（量）。如人們在大海邊、草原、森林的感覺不一樣，最主要的因素是風速（量）不同所致。
舉例：固定風扇與搖頭風扇對人體熱舒適的對比
結論：1.搖擺風扇的接受程度優於固定風扇，氣流脈動頻率對人體熱感覺有著不可忽視的影響
2.動態風在較暖環境中對人體致冷效果更強於穩定氣流。
套用：1、在空調設計中的氣流脈動頻率在0.7-1.0Hz時有更好的冷卻效果，更舒適。
2.空調送風的頻率、風速要更接近於自然風，才更舒適。
三、 過度活動狀態的熱舒適指標
例如：一些人員需短暫停留的區間，如：捷運車站站台、站廳、列車空調，該過渡區間連線著兩個不同的溫度和濕度等熱環境參數的空間。
美國運輸部提出的考慮人體在過渡空間環境的熱舒適指標：
相對熱指標RWI(Relative Warmth Index)：適用於較暖環境
熱損失率HDR(Heat Deficit Rate)：適用於冷環境
它對動態過程的考慮反映在：
1. 認為人在一種活動狀態過渡到另一種狀態時,要經過6min的過程,代謝率M才能達到最終活動狀態下的穩定代謝率。
2. 人的活動會導致出汗,並濕潤服裝,同時,人的活動擾動周圍氣流,導致服裝熱阻有所改變。
§5-4其他熱濕環境的物理度量
前面介紹的熱濕環境的各種評價指標均是在預測熱感覺或主觀熱舒適感。但在具有熱失調危險的環境中，如：高溫車間或野外作業，用感覺作為生理應變的指標不夠，需要新指標加以評價。
熱應力：一個具有潛在危險的、不舒適
的環境會形成一個強烈刺激，稱熱應力。
熱過勞：(thermal strain) 由於熱應力
的存在導致使人體出現的排汗量、及
心跳速度、及人體核心溫度的變化，
稱熱過勞。
一、 熱應力指數HIS(Heat Stress Index)
1、 概念：把環境變數中的溫度、濕度綜合成一個單一的指數，用於定量表示熱環境對人體的作用應力。
2、 套用：在高溫、低濕與低溫、高濕環境中若熱應力指數相同，則熱過勞相同。
3、 意義：用於具有熱失調危險的環境中，用熱應力評價環境，衡量熱過勞。
4、 熱應力指數的測定條件：
假定皮膚溫度恆定在35℃基礎上；
在蒸發熱調節區內；
呼吸散熱不計；
認為所需要的排汗量為Ereq等於代謝量減去對流和輻射散熱量；
熱應力指數為 HSI= Ereq/ Emax×100
二、 風冷卻指數WCI(Wind Chill Index)
1、 在高寒地區，影響人體熱損失的主要因素是：空氣流速、空氣溫度。
2、 概念：綜合空氣流速、空氣溫度綜合成一個單一的指數。
3、 意義：表示在皮膚溫度為33℃時某一皮膚表面的冷卻速率。
WCI=(10.45+10√Va － Va )(33－ta) kcal/㎡·h