建筑环境学课后习题答案朱颖心版.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章,人体对热湿环境的反应,1,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,第一节 人体对热湿环境反应的生理学和心理学基础,3,人体的热平衡,热平衡方程,M,W,C,R,E,S=0,皮肤表面积,A,D,0.202,m,b,0.425,H,0.725,身高1.78m,体重65kg,A,D,为1.8m,2,5,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。,(一)人体温度及自身热平衡,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,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,4139,疼感域,3937,热的感觉,3735,开始有热的感觉,3433,休息时处于热中性状态,热舒适,3332,2-4met 的(,中等)运动量时感觉舒适,3230,3-6met 的(较,大)运动量时感觉舒适,3129 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,(三)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,10,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。,=,12,(四)服装的作用：保温和阻碍湿扩散,服装的性能：,服装的热阻,I,cl,服装的透湿性,服装的表面积,14,服装的热阻,I,cl,一般指显热热阻,单位m,2,K/W和clo，其中1clo=0.155 m,2,K/W,已知单件服装热阻：,I,cl,=0.161+0.835,I,clu,i,15,服装的热阻,I,cl,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。,I,cl,=0.504,I,cl,+0.00281V,walk,0.24,椅子给人增加,0.15 clo,以下热阻,I,cl,=0.748,A,ch,0.1,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,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。,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,服装的表面积,服装的面积系数,f,cl,定义：人体着装后的实际表面积,A,cl,和人体裸身表面积,A,D,之比。有实验数据。,表达式：,f,cl,=,A,cl,/,A,D,与服装热阻的近似关系,f,cl,=1.0+0.3,I,cl,皮肤表面积,A,D,0.202,m,b,0.425,H,0.725,20,(五)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/m,2,，即成年男子静坐时的代谢率。,21,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,人体的呼吸散热量：,呼吸显热散热量,C,res,=0.0014 M(34,t,a,)W/m,2,呼吸潜热散热量,E,res,=0.0173 M(5.867,P,a,)W/m,2,26,人体与外界的辐射换热方程,长波辐射,对太阳辐射的吸收,0.8 0.4 0.7,0.78 0.72 0.7,人体对长波辐射的发射率和吸收率在0.95左右,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,决定人体排汗率的主要因素,环境温度,核心温度(代谢率),30,4.1.2 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”,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,31,人体各部位冷点和热点分布密度,(,个/,cm,2,),参考文献：H.Hensel,Thermoreception and Temperature Regulation,London:Academic Press,1981,32,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,腹腔内脏,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,34,4.1.3 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,35,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。,36,体温调节系统的工作原理,37,4.1.4 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。,38,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,感觉热,感觉冷,5,变热,39,热感觉的适应性,28 30 32 34 36 38 40,温度的变化(),适应温度（）,40,热但舒适！,刚刚进入,温暖,非稳定,热且不舒适！,稳定,热感觉与热舒适,41,热感觉的测量：问卷调查,贝氏标度,ASHRAE热感觉标度,7,过分暖和,3,热,6,太暖和,2,暖,5,令人舒适的暖和,1,稍暖,4,舒适（不冷不热）,0,正常,3,令人舒适的凉快,-1,稍凉,2,太凉快,-2,凉,1,过分凉快,-3,冷,Bedford和ASHRAE的七点标度,42,4.1.5 热舒适,什么是热舒适,观点,1,：,舒适中性,?,43,什么是热舒适?,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,!,44,热舒适与热中性的背离,体温过低,体温过高,体温正常,手的温度(),很不愉快,正常,很愉快,45,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,46,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？,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,w,0.0012,M,+0.15,47,垂直温差,尽管受试者处于热中性状态，头足温差仍然使人感到不舒适。,20,28,48,垂直温差,地面应该保持的温度是多少？,49,垂直温差,ASHRAE Handbook：地板温度和不满意度的关系,50,气流与吹风感,draught,定义：人体所不希望的局部降温,但在“中性热”环境下吹风往往是愉快的,其它不舒适的原因,局部压力干扰,冷颤出现,51,气流与吹风感,draught,人头顶上的自然对流速度是 0.2 m/s，所以是人体对风速可以觉察到的阈值，往往用来确定室内风速的设计标准。,当空气流速,0.5 m/s，麦金太尔(1979)等研究者的实验表明，只要把空气温度调整得合适（提高空气温度），就可以使空气的流动几乎觉察不到。,52,气流与吹风感,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,霍顿1938年的实验，里德伯格尔等1949年总结，内文斯1971年提出公式：,(,T,j,-,T,a,)-8(,v,-0.15),可接受区为：,-1.7,1.1，,v,0.35 m/s,T,j,：吹风风温,53,气流与吹风感,湍流,度Tu,如果把空气流速表示为平均流速和脉动流速,v,之和：,则有：,不满意度与风速、风温以及湍流度之间的关系：,不满意率15%时的吹风平均速度、温度和湍流,在冷-中性环境下，气流的湍流度,Tu,对吹风感有重要的影响,54,辐射不均匀性,辐射吊顶的位置、尺寸、,表面温度与舒适性的关系,a,a,c,向量辐射温度：,室内两部分的平均壁面温度差：,T,v,=,F,pc,(,T,c,T,),向量辐射温度超过10，人就感到不舒适,T,c,T,r,(K),T,c,T,r,T,Tr：,室内测试点的平均辐射温度,；,T,c,：辐射板表面的温度；,T,：室内其他表面的平均温度,F,p,c,：,辐射板对室内测试点平面微元的角系数,55,辐射不均匀性,辐射吹风感：房间内局部低温辐射导致人体所不希望的局部降温,面对冷表面的平均辐射温度比其它部分的平均辐射温度低,8K,以上，将使人感到不舒适,窗户温度、房间平均温度、窗户尺寸与最小舒适距离的关系,T,w,:窗户的表面温度,T,r,:室内其余部分的平均辐射温度,56,辐射不对称性与满意率的关系,57,其它因素：,Fanger,的实验结论,人种：非洲人比北欧人喜欢热环境吗？,热舒适感觉一样，只是热带人对热环境有较强适应力，寒带人对冷环境有较强适应力。,年龄：老年人比年轻人更喜欢热环境吗？,不是，只是老年人活动量小。,性别：女性比男性更喜欢热环境吗？,不是，只是女性喜欢穿较轻薄的衣服。,季节和一天中的时间会影响热舒适感吗？,尽管人体温有波动，但热舒适感没有明显变化,58,热舒适投票和热感觉投票,Thermal Comfort Vote&Thermal Sensation Vote,59,第二节 人体对稳态热环境的反应,4.2.1,热舒适方程,第一，人体必须处于热平衡状态；,第二，皮肤平均温度应具有与舒适相适应的水平；,第三，为了舒适，人体应具有最适当的排汗率。,60,人体对稳态热环境的反应理论建立者：,P.O.Fanger,4.2.1,热舒适方程,令人体热平衡方程中蓄热率,S=0,，得出：,(,M,W,)=,f,cl,h,c,(,t,cl,-,t,a,),+3.96,10,-8,f,cl,(,t,cl,+273),4,(+273),4,+3.05 5.733,0.007(,M,W,),P,a,+0.42(,M,W,58.2),+1.73,10,-2,M,(5.867,P,a,)+0.0014,M,(34,t,a,),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,影响人体热舒适的,6,个变量：,M,、,I,cl,、,t,a,、,P,a,、v,a,61,4.2.2,预测平均评价,PMV(Predicted Mean Vote),PMV=(0.303 e,0.036 M,+0.0275)TL,=(0.303 e,0.036 M,+0.0275),M W 3.05 5.733 0.007(M W)P,a,0.42(M,W,58.15)1.73,10,-2,M(5.867,P,a,),0.0014 M(34,t,a,)f,cl,h,c,(t,cl,t,a,),3.96,10,-8,f,cl,(t,cl,+273),4,(+273),4,S?,接近热舒适条件下的出汗潜热散热量：,E,rsw,=,0.42,(,M W,58.2),皮肤温度：,t,sk,=35.7,0.0275(,M,W,),62,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。,热感觉,热,暖,微暖,适中,微凉,凉,冷,PMV,值,+3,+2,+1,0,-1,-2,-3,TSV,值,+3,+2,+1,0,-1,-2,-3,63,预测不满意百分比PPD,(Predicted Percent Dissatisfied),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,PPD10095exp(0.03353 PMV,4,+0.2179 PMV,2,),即便达到 PMV0，仍然有5的人不满意。,反映了人的个体差异。,64,热舒适方程与,PMV,指标特点总结,只适用于接近热舒适的状态，因为采用的,t,sk,和,E,rsw,与环境温度完全无关，是接近热中性条件下的皮肤温度和出汗量。,在偏离热,中性的条件下,PMV,的预测值与人体的真实感受偏差比较大。,接近热舒适条件下的出汗潜热散热量：,E,rsw,=,0.42,(,M W,58.2),皮肤温度：,t,sk,=35.7,0.0275(,M,W,),65,热舒适方程与,PMV,指标特点总结,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，与人体原有的热状态无关，与人体热状态的变化无关。,只适用于稳态热环境。,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。,是把主观感觉与客观物理条件联系的好办法。,66,在曼谷,、新加坡、,Athens、,布里斯班做的,3200 组非空调环境的测试结果：,PMV,与实际,TSV,的偏,差。,67,兆兰宅PMV,兆兰宅TSV,怀素堂PMV,怀素堂,TSV,成美堂PMV,成美堂TSV,2000,年夏安徽泾县民居,非空调环境热舒适调查,68,4.2.3,其它稳态热反应评价指标：,(1)有效温度ET,1919开始研究，1967前的ASHRAE手册采用,有效温度ET定义：“这是一个将干球温度、湿度、空气流速对人体温暖感或冷感的影响综合成一个单一数值的任意指标。它在数值上等于产生相同感觉的静止饱和空气的温度。”,对于正常穿着：ET=0.492T,a,+0.19P,a,+6.47,对于半裸者:(二式条件均为 v,a,长波辐射，所以在计算白天的室外综合温度可以不考虑其影响，在夜间由于没有太阳辐射作用，天空的背景温度空气温度，因此建筑物向天空的辐射放热量是不可忽略的，尤其是在建筑物与天空之间的角系数比较大的情况，而冬季若忽略其影响会导致估算负荷偏低。,108,3、在相同条件下为什么外遮阳比内遮阳更有利。,因外遮阳可反射部分阳光，吸收部分阳光和透过部分阳光，其中只有透过部分阳光会达到窗玻璃外表面，并部分可能变成了冷负荷，而内遮阳除了反射部分阳光外，吸收和透过部分的阳光均形成了室内冷负荷，只是其得热量的峰值有所延迟和衰减。,4、什么情况下建筑物与环境之间的长波辐射可以忽略？,白天，相对于太阳辐射建筑物与环境之间的长波辐射可以忽略,5、透过玻璃窗的太阳辐射中是否只有可见光，没有红外线和紫外线？,P48,6、透过玻璃窗的太阳辐射是否等于建筑物的瞬时冷负荷？,7、室内照明和设备散热是否直接转变为瞬时冷负荷？,109,8、,何为得热量，冷负荷、热负荷和湿负荷，得热量与冷负荷之间的关系如何？,房间得热量：是指某时刻进入房间的总热量，冷负荷：是为了维持一定的室内热湿环境所需要的在单位时间内从室内除去的热量（包括显热量和潜热量）。热负荷是为了维持一定室内热湿环境所需要的在单位时间内向室内加入的热量。湿负荷：是指维持一定的室内湿环境需要的在单位时间内排除的水分。得热量与冷负荷之间的关系：得热量的对流部分进入室内立刻成为瞬时冷负荷，而得热量的辐射部分首先会传到室内各表面，提高这些表面的温度，当这些表面的温度高于空气温度时，再以对流方式传给室内空气，成为空气冷负荷，因此在多数情况下，冷负荷并不等于得热量，只有在室内各表面温差很小，热源只有对流散热时，冷负荷=得热量。冷负荷与得热量之间存在着相位差和幅度差，其差值取决于房间结构，围护结构的热工特性和热源特性。,110,9,、,为什么冬季往往可以采用稳态算法计算采暖负荷而夏天却一定要采用动态算法计算空调负荷？,因为冬季室内外温差的平均值远远大于室内外温差的波动值，从用平均温差的稳态计算方法带来的误差比较小，这在工程设计中是可以接受的。而在夏季，尽管夏季日间瞬时室外温度可能要比室内温度高很多，但夜间却有可能低于室内温度，因此与冬季相比，室内外平均温差并不大，但波动的幅度却相对比较大。如果采用日平均温差稳态算法，则导致冷负荷计算结果偏小。另一方面，如果采用逐时室内外温差，忽略围护结构的衰减延迟作用，则会导致冷负荷计算结果偏大。因此要采用动态负荷计算法。,111,10、围护结构内表面上的长波辐射对负荷有何影响？,11、夜间建筑物可通过玻璃窗长波辐射把热量散出去吗？,不能,12、如果一个由6面实体墙（包括楼板）围合的房间室内温度恒定，把几面实体墙的得热叠加，再加上室内热源得热与渗风得热，就等于房间的冷负荷吗？,得热：,、假定除所考察的围护结构内表面外，其他各室内表面的温度均与室内空气温度一致,、假定室内没有其他短波辐射热量落在所考察围护结构内表面上”时,112,13、如果有两套户型设计一模一样的公寓，但一个主要窗户朝东，另一个朝西。两套公寓夏季的热环境条件有何区别？,朝东公寓，传热的峰值在下午，太阳辐射得热的峰值在上午，峰值错开使得负荷峰值较小,朝西公寓，传热和太阳辐射的峰值均在下午，峰值叠加后使得总负荷偏大，不空调的话房间温度会特别高,113,