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第三章微气候环境本章重点微气候要素及其相互关系人体的热交换与平衡微气候环境对人的影响改善微气候环境的措施第一节微气候要素及其相互关系微气候是指生产、生活过程中现场所处的局部环境中的气候状况，包括下列4个最重要的参数：空气气温空气湿度气流速度（风速）热辐射条件状况微气候环境直接影响人的情绪、疲劳程度、健康、舒适感觉和工作效率。一、空气温度（气温）空气的冷热程度叫做气温。人们生产或生活所处局部环境的气温除受大气温度影响外，还受现场设备、产品、加工零件和原材料等冷热源和人体散热的影响。气温通常由干球温度计（寒暑表）测定，称为干球温度。气温的标度分摄氏温标（℃）和华氏温标（℉）。我国法定采用摄氏温标（℃），而美国则常采用华氏温标（℉），两种温标的换算关系为（3-1）（3-2）二、空气湿度湿度:空气的干湿程度，分为绝对湿度和相对湿度。(1)绝对湿度:每立方米（m3）空气内所含的水汽克数。(2)相对湿度:某气温、压力条件下空气的水汽压强与相同温度、压力条件下饱和水汽压强的百分比。生产与生活环境场所的湿度常用相对湿度表示。相对湿度在70%以上称为高气湿，低于30%称为低气湿。相对湿度可用通风干湿表或干湿球温度计测量。干湿球温度计中，湿球温度计指示的温度叫湿球温度，湿球温度略低于干球温度。智能湿度测量技术的发展便携式温湿度计1便携式温湿度计2图3-1便携式温湿度计单片微机的广泛应用和半导体存储器件技术的发展促进了智能湿度测量技术的发展。几种基于半导体温度、湿度传感器，微型计算机完成计算，半导体记忆器件存储数据的便携式实时测量系统已得到广泛使用。如便携式温湿度计（见图3-1）、智能湿度测量仪和单片微机测湿系统。它们都无须人工干预，实时性强，可以处理较多的数据；有的还可配多种探头以适应不同测量要求，实现在线数据记录、图形记录等；同时，配备报警功能以视觉、听觉、电子邮件形式发出报警信号。三、气流速度（风速）气流速度：空气的流动速度（m/s）。人类作业或生活起居场所中的气流速度除风力影响外，主要是由于冷热空气对流所致。冷热温差越大，产生的气流也越大。气流速度的大小对人体散热速度产生直接影响，因此它是评价微气候条件的主要因素之一。图图3-4便携式风速仪测定气流速度的仪器测定室内气流速度一般用热球微风仪，这是一种测量低风速（测量范围：0.05~1m/s）的仪器。现在各种便携式电子（热球）微风仪（如图3-2、图3-4所示）、手持式风向风速仪（如图3-3所示）和智能热风式风速仪都已经诞生，大大方便了测试工作。图3-2电子（热球）微风仪图3-3手持式风向风速仪四、辐射热热辐射：物体在绝对温度大于0K时的辐射能量。热辐射是一种红外线，它不能加热气体，但能被周围物体所吸收而转变成热能，从而使物体升温，成为二次辐射源。人体也向外界辐射热量。当周围物体表面温度超过人体表面温度时，周围物体向人体辐射热能使人体受热，称为正辐射；反之，称为负辐射。四、辐射热热辐射强度：热辐射体单位时间、单位面积上所辐射出的热量（J/cm2·min）。图3-5黑球温度计测量热辐射可用黑球温度计。黑球温度计是一种球形温度计，如图3-5所示。它是在直径为15.7mm的铜制球形表面涂上黑颜色（为无光泽黑球），球内插一支水银温度计制成。其平均辐射系数为0.95，铜球越薄越好。测量范围为20～120℃，精度为±1℃。打开热辐射源，黑球温度上升，关闭热辐射源，黑球温度下降，其差值为实际辐射温度。五、微气候各要素之间的相互关系在人类作业或起居环境中，气温、湿度、热辐射和气流速度对人体的影响是可以相互替代的。某一参数的变化对人体的影响，可以由另一参数的相互变化所补偿。我们把微气候参数以及对冷热感觉有显著影响的微气候参数的各种组合的综合指标，称之为微气候指标，其中重要的组合有：空气温度和周围表面温度；空气温度、周围表面温度和气流速度；空气温度、周围表面温度、气流速度和相对湿度；空气温度、气流速度和相对湿度；空气温度和相对湿度。第二节人体的热交换与平衡人体是一个开放的复杂的巨系统，人体和外界环境存在着各种复杂的关系。从工程的观点看，人体可以看作一个热机，人体的功能就是把食物的化学能转化为功和热量。人体必须同周围环境之间处于相对稳定的热平衡，人才能进行正常的生理行为活动，周围环境的温湿度对人体的皮肤温度和核心温度都有较大的影响。人体可以看成是一个能够基本保持恒温（36.5℃）的温度自动调节器。一、人体的基本热平衡方程式人体单位时间向外散发的热量，取决于人体外表面与周围环境的四种热交换方式，即辐射热交换、对流热交换、蒸发热交换和传导热交换。人体的热平衡方程为Qs＝Qm－W±Qc±Qr－Qe±Qk（3-3）式中，Qs-人体的热积蓄或热债变化率（J/m2•h）；W-人体为维持生理活动及肌肉活动所做的功（J/m2•h）；Qm-人体的新陈代谢产热率（J/m2•h）；Qc为人体外表面与周围环境的对流换热率（J/m2•h）；Qr-人体外表面向周围环境的传导换热率（J/m2•h）；Qk-人体外表面向周围环境的辐射热传递率（J/m2•h）；Qe-人体汗液蒸发和呼出水蒸气的蒸发热传递率（J/m2•h）；“＋”表示人体得热，“－”表示人体散热。一、人体的基本热平衡方程式人体的热平衡是动态的当Qs=0时，人处于热平衡状态，此时，人体皮肤温度在36.5℃左右，人感到舒适；当Qs0时，人感到热；当Qs0时，人感到冷。人体单位时间对流热交换量，取决于气流速度、皮肤表面积、对流传热系数、服装热阻值、气温及皮肤温度等。人体单位时间传导热交换量取决于皮肤与环境（包括所接触的物体、空气等）的温差以及所接触物体的面积大小及其导热系数。人体单位时间辐射热交换量，取决于热辐射强度、面积、服装热阻值、反射率、平均环境温度和皮肤温度等。人体单位时间蒸发热交换量，取决于皮肤表面积、服装热阻值、蒸发散热系数及相对湿度等。一、人体的基本热平衡方程式衣内微气候理论指衣服与皮肤之间微小空间的温度、湿度和风速的总称。影响衣内微气候的因素有很多，比如衣服的款式、厚度和面料的特性等。微气候冷却系统在高温高湿环境下的工作人员穿着的密闭式防护服中必备的服装系统，其主要功能是吸收人体的热负荷，维持体心温度的恒定，减少热损伤，以提高人在高热环境中的工作效率，延长工作时间。二、人体对微气候的主观感受人体对微气候环境的主观感觉，即心理上是否感到满意、舒适，是进行微气候环境评价的重要指标之一。一般认为，“舒适”有两种含义，一种是指人主观感到的舒适；另一种是指人体生理上的适宜度。比较常用的是以人的主观感觉作为标准的舒适度，它往往会影响到工作效率。（一）人体对微气候环境的主观感受1.舒适温度及其影响因素在实践中，所谓舒适温度是指某一温度范围而言。生理学上常用的规定是：人坐着休息，穿着薄衣服，无强迫热对流，未经热习服的人所感到的舒适温度。按照这一标准测定的温度一般是21℃±3℃。影响舒适温度的因素很多，主要有：（1）季节。舒适温度在夏季偏高，冬季偏低。（2）劳动条件。不同劳动条件下的舒适温度也不同。表3-1为在室内湿度为50％，某些劳动的舒适温度指标。（3）衣服。穿厚衣服对环境舒适温度的要求较低。（4）地域。人由于在不同地区的冷热环境中长期生活和工作，对环境温度习服不同。习服条件不同的人，对舒适温度的要求也不同。（5）性别、年龄等。女子的舒适温度比男子高0.55℃；40岁以上的人比青年人约高0.55℃。（一）人体对微气候环境的主观感受（一）人体对微气候环境的主观感受表3-1不同劳动条件下的舒适温度指标作业姿势作业性质工作举例舒适温度/℃坐姿坐姿站姿站姿站姿脑力劳动轻体力劳动轻体力劳动重体力劳动很重体力劳动办公室、调度台操纵，肖零件分类车工、铣工沉重零件安装伐木18～2418～2317～2215～2114～20（一）人体对微气候环境的主观感受2.舒适湿度舒适的湿度一般为40％~60％。不同的空气湿度下，人的感觉不同，特别是在高温、高湿的空气下对人的感觉和工作效率的消极影响极大。3.舒适的风速在工作人数不多的房间里，空气的最佳速度为0.3m/s；而在拥挤的房间里为0.4m/s。室内温度和湿度很高时，空气流速最好是l~2m/s。我国采暖通风和空调设计规范（TJ19-75）中规定的工作场所风速如表3-2所示。室内温度湿度基数允许风速/（m/s）温度/℃湿度/%182022242640～6040～6040～6040～6040～600.20.250.30.40.5表3-2工作场所允许风速（二）微气候环境对人体影响的综合评价研究微气候环境对人体的影响，不能仅考虑其中某个因素，因为构成微气候环境的各要素之间是相互作用，相互影响的。人进入作业或生活场所时，要受温度、湿度、风速和热辐射等多种因素的综合影响。因此，应综合评价微气候环境。下面介绍三种评价微气候环境的方法：1、不舒适指数2、有效温度（感觉温度）3、三球温度指数（WBGT）1、不舒适指数以人体对温度和湿度的感觉为例，舒伯特(S．W．Shepperd)和希尔(U．Hill)经过大量研究证明，最合适的湿度(H，%)与气温（t，℃）的关系为H=188－7.2t12.2℃＜t＜26℃）例如室温t＝20℃时，湿度H=188－7.2×20＝44，即44％。针对这个情况，J．E．Bosen提出了一个不舒适指数DI(Discomfortindex)来综合表征人体对温度湿度环境的感觉。DI＝（td＋tw）×0.72＋40.6式中，td为干球温度（℃）；tw为湿球温度（℃）。通过计算各种作业场所、办公室及公共场所的不适指数，就可以掌握其环境特点及对人的影响。不舒适指数不足之处是没有考虑风速。1、不舒适指数据实验研究表明，生活在不同国家、不同地区的人们感到舒适的气候条件也有所区别，当不舒适指数在70附近时，人感觉比较舒适。表3-3所示为美国人和日本人对不同的不舒适指数的不适主诉率。表3-3不同国家对不适指数的不适主诉率1、不舒适指数不适指数不适主诉率/%美国人日本人707579861050100难以忍受3536701002.有效温度（感觉温度）有效温度是指根据人体在微气候环境下，具有同等主诉温热感觉的最低气流速度和气温的等效温标。它是根据人的主诉温度感受所制订的经验性温度指标。前人（C．P．Yaglou）以干球温度、湿球温度、气流温度为参数，进行了大量实验，绘制成有效温度图。只要测出干球温度、湿球温度和气流速度，就可以求出有效温度。有效温度图图3-6为穿正常衣服进行轻劳动时的有效温度图。例如测得空调大楼某实验室的干球温度为30℃，湿球温度为25℃，风速为0.5m／s；求在该环境中从事轻劳动的有效温度，在图3-6上，分别找出干球温度30℃和湿球温度25℃，通过连接这两点间虚线与风速为0.5m／s曲线的交点，即可求出有效温度26.6℃。图3-6有效温度图有效温度对人感觉及工作效率的影响有效温度高时，人的判断力减退，如图3-7所示。当有效温度超过32℃时，作业者读取误差增加，到35℃左右时，误差会增加4倍以上。表3-4介绍了有效温度对人体热感觉的影响。图3-7操作误差与有效温度有效温度对人感觉及工作效率的影响有效温度值/℃热感觉生理学作用机体反应41～40很热强烈的热应力影响出汗和血液循环受到极大的热打击*危险妨碍心脏血管的血液循环35热30暖和以出汗方式进行正常的温度调节25舒适靠肌肉的血液循环来调节正常20凉快利用衣服加强显热散热调节作用正常15冷鼻子和手的血管收缩粘膜、皮肤干燥10很冷肌肉疼痛，妨碍表皮的血液循环表3-4有效温度对人体热感觉的影响*热打击（出现威胁生命的突发事件，身体本身不能充分凉下来）不同作业种类的有效温度人体对微气候环境的主观感觉，除与上述环境条件有关外还与人体的作业种类、作业负荷及着装等因素有关。表3-5不同作业的有效温度作业种类脑力作业轻作业体力作业舒适温度/℃不舒适温度/℃15.5~18.326.712.7~18.923.910～16.921.1~23.93.三球温