第四章人体热湿反应(10。3)

第四章人对热湿环境的反应与评价4-1人体对热湿环境的反应4-2人对热湿环境的度量和评价4-3热湿环境与工作效率4-1人体对热湿环境的反应一、热湿中的人体生理1、人体的基本生理要求：•新陈代谢：•使散热和产热达到平衡，以维持体温基本恒定，保证各机能正常。人体的热平衡方程为：MWCRES=0（4-1）S＞0?S=O?S＜O?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（肛温）。•外层(Shell)温度–皮肤表面到10mm以内的部分，通常包括皮肤，皮下脂肪和表层的肌肉。2、人体与环境的热湿交换•人体与环境的热湿交换形式：对流、辐射、蒸发（皮肤、呼吸）。–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•呼吸散湿影响因素•衣着（衣服热阻）：影响所有换热形式~成反比•环境空气的温度：对流换热•风的流速：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•周围物体的表面温度：辐射换热•人体的能量代谢（率）：单位met（1met=58.2W/m2，即成年男子静坐时的代谢率）。一般＞5met时，人会非常疲劳。•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！3、人体的冷热感受系统•人的皮肤上存在不同的对冷敏感的区域“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，且在皮肤下的位置也浅。•冷热感受器的密度和位置分布使人体对冷感觉的反应更敏感。4、人体的体温自调控系统下丘脑前部下丘脑后部设定点大脑冷热皮肤(接收机构)执行机构冷信号热信号血管收缩、冷颤血管扩张、出汗＋＋－＋－需要同时利用核心温度和皮肤温度信号来决定调节方式。5、（冷）热感觉•定义：人对周围环境“冷”或“热”的主观描述。•“中性”状态：不冷不热，人用于体温调节所消耗的能量最小的热感觉。•特点：尽管人经常描述环境的冷热，但实际上只能感觉到自己皮肤下神经末梢的温度或冷热刺激。所以“冷”“热”与感受者的身体状态有关，非完全客观的。•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•无法直接测量，只有采取心理学的研究方法：对受试者发放问卷，让其按照某种等级标度来描述其热感觉。6、热舒适•通过自身的热平衡和感觉到的环境状况，且综合起来后获得的人体是否舒适的感觉。•是由生理和心理综合决定的，而且更偏重于心理上的感受。与“中性”的热感觉不同，存在分离现象！•影响因素：空气湿度；垂直温差(＜3℃）；气流与吹风感；辐射的不均匀性；其他如年龄、性别、季节、人种等因素。•生理和心理上，较高要求是在室内的不同姿态时，通过自身的热平衡条件和感受到的环境状况（生理）并综合起来都获得舒适的感觉（心理）。•引起热不舒适的生理原因：皮肤温度、核心温度(较高、且须维持在相当窄的温度内)、人体皮肤润湿度。4-2人对热湿环境的度量和评价•人们对热湿环境的舒适感主要来自人体的热平衡。•而一般民用建筑空调属于舒适性空调，所以必须考虑如何保持人体的热平衡。•热平衡也是研究人体热舒适感的数学基础。基本热平衡方程M-（±W）-（±R）-（±C）-E-（±K）=S（4-2）单位都是W/m2式中：M~人体能量代谢率（新陈代谢量）；S~人体蓄热率；W~人体对外做功；E~出汗和呼出水蒸气的散热量；R、C~各是人体外表面向周围环境以辐射、对流形式的散热；K~人体外表面向周围环境以导热形式的散热（特别热环境中身穿干冰服）；S=0是达到人体热舒适的必要条件•但方程式中各项可以在较大范围内变动，其多种组合虽然都可满足上式，但人体的热感觉却可能有较大差异。所以，还应使人体与环境的各种换热限制在人体能接受的范围内。•能使人体保持适宜比例散热的环境，是人体感到热舒适的充分条件：总散热量中，对流换热约占25~30%；辐射散热量占45~50%；无感觉蒸发散热和呼吸占25~30%。•减少人体对流换热：环境温度＜35℃，降低空气在皮肤表面的流动速度（室内流速＜0.6m/S时，每降低0.1m/s，相当于环境温度提高0.15℃）；•隔辐射热：衣服增加0.1clo，相当于环境温度增加0.6℃；在人与热源间增设固定屏障•有助人的蒸发散热：降低空气中的湿度（＜60%）热舒适投票TCV与热感觉投票TSV热舒适投票TCV热感觉投票TSV4不可忍受+3热3很不舒适+2暖2不舒适+1稍暖1稍不舒适0正常0舒适-1稍凉-2凉-3冷热感觉投票和热舒适投票•ThermalComfortVote&ThermalSensationVote人体对稳态热环境的反应描述理论及其创立者：丹麦的P.O.Fanger教授•热舒适方程令人体热平衡方程中蓄热率S＝0，得出：(MW)=fclhc(tcl-ta)+3.9610-8fcl[(tcl+273)4(+273)4]+3.05[5.7330.007(MW)Pa]+0.42(MW58.2)+1.7310-2M(5.867Pa)+0.0014M(34ta)rt对流散热辐射散热汗液蒸发散热呼吸潜热和显热散热皮肤扩散蒸发散热预测平均评价PMV(PredictedMeanVote)PMV=(0.303e–0.036M+0.0275)TL=(0.303e–0.036M+0.0275){M–W–3.05[5.733–0.007(M–W)–Pa]–0.42(MW58.15)–1.7310-2M(5.867Pa)–fclhc(tclta)–0.0014M(34ta)–3.9610-8fcl[(tcl+273)4(+273)4]}PMV指标的7级分度•分度方法和TSV基本一致•PMV指标只代表了同一环境下绝大多数人的感觉，不能代表所有个人的感觉。•国际标准化组织的ISO7730标准中推荐的指标值为：PMV在-0.5~+0.5之间。相当于人群中允许有10%的人不满意。热感觉热暖微暖适中微凉凉冷PMV值+3+2+10-1-2-3预测不满意百分比PPD(PredictedPercentDissatisfied)•PPD是通过概率分析确定某环境条件下人群不满意的百分数PPD＝100–95exp[–(0.03353PMV4+0.2179PMV2)]即便达到PMV＝0，仍然有5％的人不满意。热舒适方程与PMV-PPD指标特点总结•只适用于接近热舒适的状态，所以变量中除由人体活动强度确定的代谢率外只有外部参数。即在明确人体活动强度或人体能量代谢率的前提下，影响PMV-PPD指标的参数主要有环境参数（空气温度、水蒸气分压力或相对湿度、空气风速、环境平均辐射温度）及人的衣着。•舒适程度由对热中性的偏移程度确定，与偏移的时间长短没有关系，与人体的热状态变化没有关系。•PMV的计算是完全客观的，但指标的含义却是由主观感觉统计确定的。•由于人的生理差别，在室内热环境处于最佳的热舒适状态时，允许有5%的人感到不满意（即PMV=0，PPD=5%）。（1）新有效温度ET*(Gagge)•ASHRAE标准55-74，ASHREA手册1977版•参考空气环境：身着0.6clo服装静坐，空气流速0.15m/s，相对湿度50％，干球温度T0•如果同样服装和活动的人在某环境中的冷热感与上述参考空气环境中的冷热感相同，则此环境的ET*＝T0•该指标只适用于着装轻薄、活动量小、风速低的环境。其它稳态热反应评价指标：（2）标准有效温度SET*•特点：综合考虑了不同的活动水平和衣服热阻•定义：某个空气温度等于平均辐射温度的等温环境中的温度，其相对湿度为50%，空气静止不动，在该环境中身着标准热阻服装的人若与他在实际环境和实际服装热阻条件下的平均皮肤温度和皮肤湿润度相同时，则必将具有相同的热损失，这个温度就是上述实际环境的SET*。)5.0(*)(''SETskeSETskcSETskPPwhSETThQ皮肤总散热量皮肤温度皮肤湿润度SET*下饱和水蒸汽分压力皮肤表面饱和水蒸汽分压力其它热环境评价指标•合成温度：包含了辐射的影响（ET未考虑），但未考虑空气流动的影响。英国特许建筑设备工程师学会(CIBS)1978年把干球合成温度作为推荐指标。•当量温度：综合空气温度、平均辐射温度和空气流速的影响•主观温度：既考虑了更全面的影响因素，又要有简单的表现形式，同时希望把活动量和衣着条件的影响与物理环境因素分开•有效送风温度(有效吹风感)针对气流引起的吹风感评价，反映了气流速度和空气温度的共同作用。现用于风口性能评价的ADPI指标。人体对动态热环境的反应•什么是动态热环境？–非空调环境–在温度不同的建筑空间之间穿行–变温变风速的空调方式•人对动态与稳态热环境反应不同的机理–热感觉的适应性–核心温度和皮肤温度变化的不一致性•研究发现：人处于突变的环境空气温度时，皮肤温度和核心体温的变化虽需好几分钟，但热感觉却会随空气温度的变化马上发生变化。•由中性－冷/热，感觉滞后•由冷/热－中性，感觉超前对突变温度环境的反应0.30.5频率(Hz)人体对变化风速的反应•现有的研究成果–对摇摆风扇的接受程度优于固定风扇–动态风能够改善“中性－热”环境下人体热感觉–气流的脉动频率对人体热感觉有影响人体对不同类型脉动风速的接受程度实验（清华）5%61%24%10%0%10%20%30%40%50%60%70%稳态方式模拟自然风正弦方式随机方式过渡区热指标RWI/HDR•美国运输部提出的人体在过渡空间环境的热舒适指标，适用于候车空间、列车的环境设计。•对一种活动状态过渡到另一状态的处理：–未考虑过渡过程热感觉的“超越”和“滞后”现象–代谢率M要经过6分钟才能达到最终活动状态下的稳定代谢率。其间代谢率与时间呈线性关系。–出汗状态以及人的活动扰动气流的变化会导致服装热阻改变，要经过6分钟才能达到新的稳定值，其间服装热阻与时间呈线性关系。依靠热舒适指标是否就能完全够用？•在具有热失调危险的、远偏离热舒适区的状态下，前面的热舒适指标是不够的，如：–高温的车间–寒冷的工作空间•典型指标–高温热环境：热应力指数HSI–寒冷的低温环境：风冷却指数WCI不需调节可调区失调区疲劳极限HeatStress4-3热环境与工作效率一、劳动效率与外部刺激的关系：•大量现场调查证实–高温会降低劳动的效率–寒冷影响肢体的灵活性–温度偏离最佳值会增加事故发生率•实验室研究结果及机理：物理环境的激发、刺激！—中等激发时效率最高图4-23—低激发导致人不清醒—高激发反而导致不能全神贯注•工作本身特性（复杂/简单、枯燥/有趣）图4-24—简单枯燥工作时，适当偏离热中性或最小激发温度T0；—复杂困难时，接近热中性或最小激发温度T0。二、热环境对脑力劳动的影响三、热环境对劳动（操作）的影响1、体力劳动：偏离热舒适区域的环境•小事故几率增加、产量下降•非熟练操作工的效率损失比熟练操作工的效率损失更大！2、冷应力和手工操作效能•低温对人的工作效率的影响最敏感的是手指的精细操作。•实验发现手的皮肤温度＜15℃时，关节变得僵硬灵巧性明显下降；手的皮肤温度＜6℃时出现麻木感觉。•冷风有涣散精神作用，分散工作注意力。•体温过低导致人过于激奋，降低需要持续集中注意力的工作的效能。其它研究•2005年全国城镇住宅夏季空调总耗电量为285亿kWh，平均耗电指标是2.65kWh/m2。•前四位的地区是：广东、浙江、江苏、湖北，占全国空调总能耗的51.8%；它们与福建、重庆、上海、广西的空调能耗指标较高~节能重点地区！•在满足室内舒适性的基础上，在一定的温度和湿度范围内，可以通过改变相对湿度来减少空调系统能耗！•湿热区（珠三角地区）：夏季φ＞75%、漫长湿热~被动式降温通风节能！•湿晦区（长江流域地区）：太阳辐射最弱，常年潮湿（年平均φ≥75%）~采暖/制冷、除湿除潮（建筑节能重点地区，建筑维护结构设计要求较高）思辨练习题•1、描述你所理解的建筑环境学，并对其当前所要解决的主要问题加以解释。•2、按照我国民用建筑热工设计分区，北京市应属于哪个分区，设计上有何要求？•3、简析大都市