人体对热湿环境的反应.doc

人体对热湿环境的反应专业：建筑环境与设备工程 学号：20100110070214 班级：二班 姓名：王旭一、人体对热湿环境反应的生理学和心理学基础1.1人体的热平衡人体靠摄取食物维持生命。在人体细胞中，食物通过化学反应过程分解氧化，实现人体的新陈代谢，在化学反应中释放能量的速率叫做代谢率。化学反应中大部分化学能最终变成了热量，因此人体不断地释放热量；同时，人体也会通过对流、辐射和汗液蒸发从环境中获得或失掉热量。但是，人体的生理机能要求体温必须维持近似恒定才能保证人体的各项功能正常，所以人体的生理反应总是尽量维持人体重要器官的温度相对稳定。人体各部分温度并不相同。人体为了维持正常的体温，必须使产热和散热保持平衡。因此人体的热平衡又可用下式表示： M-W-C-R-E-S=0式中 M-人体能量代谢率，决定于人体的活动量大小； W-人体所做的机械功； C-人体外表面向周围环境通过对流形式散发的热量； R-人体外表面向周围环境通过辐射形式散发的热量； E-汗液蒸发和呼出的水蒸气所带走的热量； S-人体蓄热率。1.2人体与外界的热交换人体与外界的热交换形式包括对流、辐射和蒸发。这几种不同类型的换热方式都受人体衣着的影响。衣服的热阻大则换热量小，衣服的热阻小则换热量大。环境空气温度决定了人体表面与环境的对流换热温差因而影响了对流换热量，周围的空气流速则影响对流交换系数。气流速大时，人体的对流散热量增加，因此会增加人体冷觉。人体除了对外界有显热交换外还有潜热交换。主要是通过皮肤蒸发和呼吸散湿带走身体的热量。皮肤蒸发又包括汗液蒸发和皮肤的湿扩散两部分。因为除了人体体温调节系统可以控制汗液的分泌外，水分还可以从皮下组织直接散发到较干燥的环境空气中去。在一定温度下，相对湿度越高，空气中的水蒸气分压力越大，人体皮肤表面单位面积的蒸发量越少，可以带走的热量就越少。因此在高温环境下，空气湿度偏高会增加人体的热感。1.3影响人体与外界显热交换的几个环境因素平均辐射温度：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。操作温度 t0（Operation Temperature）：反映了环境空气温度ta和平均辐射温度的综合作用，其表达式为：hr辐射换热系数，W(m2) ；hc对流换热系数，W(m2)。 对流换热系数 hc 在无风或风速很小的条件下，人体周围的自然对流就变得十分重要。在比较高风速下人体表面的受迫对流换热系数可以通过风洞实验测定。 对流质交换系数 he 为了确定对流质交换系数he，引入了传质与传热的比拟方法。Lewis指出对流质交换系数he（即蒸发换热系数）与对流换热系数hc是相关的，二者存在固定的关系： LR=hehc 其中LR称作刘易斯系数，单位为kPa。 对于典型的室内空气环境有： LR=16.5 1.4服装的作用在人体热平衡过程中，服装的作用是保温和阻碍湿扩散。因此在考虑人体与外界的热交换时，必然要考虑到服装的影响。服装热阻Icl 是指显热热阻，单位有 m2K/W和clo。1 clo=0.155 m2K/W1clo的定义是一个静坐者在21空气温度、空气流速不超过0.05m/s、相对湿度不超过50%的环境中感到舒适所需要的服装的热阻，相当于内穿衬衣外穿普通外衣时的服装热阻。服装透湿性：首先，服装的存在影响了皮肤表面的蒸发。服装对皮肤表面的水蒸气扩散有个附加的阻力。服装借助毛细现象吸收和传输汗液，这部分汗液不是在皮肤表面蒸发，而是在服装表面或服装内部蒸发。这需要更大的蒸发量才能在皮肤表面上形成同样的散热量，故服装增加了皮肤的蒸发换热热阻。服装吸收汗液，使只有部分汗液蒸发冷却皮肤。其次，服装吸收了汗液后也会使人感到凉。这是因为显热换热增大，导致导热系数增加，并且多了潜热换热：也可看作服装原有的热阻下降。下表给出1clo干燥服装在被汗润湿后的热阻值与一些活动状态之间关系。 服装的表面积 用服装的面积系数fcl来表示人体着装后的实际表面积Acl和人体裸身表面积AD之比： fclAclAD 面积系数fcl可通过文献获得；最可靠的获取方法fcl是照相法；若没有合适的参考数据，就只能采用粗估算公式：fcl1.00.3Icl 这反映了服装的面积系数与服装的热阻间的关系。1.5人体的能量代谢人体的能量代谢率M ：人体的能量平衡比较复杂，与非生物体的能量平衡存在根本的区别。并且，人体的能量释放量和释放方式不是固定的，受主观和客观环境因素影响并反作用于主观和客观因素。 人体的机械效率W ：人体对外所做的功和人体的代谢率一样，取决于活动强度。人体对外输出的机械功是代谢率的函数。人体对外做功的机械效率 定义为： WM 。 人体蒸发散热量E ：人体的皮肤蒸发散热量Esk 皮肤表面可能达到的最大潜热换热量Emax（W/m2）为：he是着装人体表面即服装表面的对流质交换系数，W/ m2kPa。水蒸气分压力单位均为kPa。如果把皮肤表面的饱和水蒸气分压力Psk简化为皮肤温度 tsk的回归函数，有： Psk0.254tsk-3.335 人体的呼吸散热量Cres和Eres： 人体的呼吸散热损失包括显热散热和潜热散热。显热散热量Cres为：Cres0.0014M（34- ta） Wm2 呼吸时的潜热散热量Eres为：Eres0.0173M（5.867Pa） Wm2 人体与外界的辐射换热量R 人体与外界的长波辐射换热方程可表为： 人体表面的发射率，对于灰体其值等于吸收率a，在一般衣着条件下，人体整体 a 在0.95以上； 斯蒂芬-玻尔兹曼常数（5.6710-8 Wm2K4）；feff人体姿态影响有效表面积的修正系数；Tcl人体表面的温度，K；Tr环境的平均辐射温度，K。不同环境条件和活动强度下人体的散热和散湿量：当活动强度一定时，人体的发热量在一定温度范围内可以近似看作是常数。全热：主要决定于肌肉活动强度，另受其它因素影响。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。1.6人体的的温度感受系统人体能够感受外界的温度变化是因为在人体皮肤层中存在温度感受器，当它们受到冷热刺激时，就会产生冲动，向大脑发出约50mV左右的脉冲信号，信号的强弱由脉冲的频率决定。如果讲一个微电极插入一个神经元的轴突中或单个神经纤维中，就可以直接记录下这些脉冲，同时可以考察到它们的频率随温度刺激的改变而改变。目前科学家就是用这种手段来研究人体和动物的冷热感觉和体温调节的生理机制的。1.7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。散热调节方式包括血管扩张、增加血流、提高表皮温度和出汗。御寒调节方式包括血管收缩、减少血流、降低表皮温度和通过冷颤增加代谢率。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。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。1.8热感觉和热舒适热感觉是人对周围环境 “冷” “热” 的主观描述。实际上人是不能直接感觉到环境的温度的，只能感觉到位于他自己皮肤表面下的神经末梢的温度。裸身人体安静时在29的气温中，代谢率最低；如适当着衣，则在气温为1825的情况下代谢率低而平稳。在这些情况下，人体不发汗，也无寒意，仅靠皮肤血管口径的轻度改变，即可使人体产热量和散热量平衡，从而维持体温稳定。人体用于体温调节所消耗的能量最少，人感到不冷不热，这种热感觉称之为“中性”状态。人体通过自身的热平衡条件和感觉到的环境状况并综合起来获得是否舒适的感觉生理和心理。热舒适在ASHRAE Standard 55-1992中定义为对环境表示满意的意识状态。有些科学家认为：热舒适与热感觉是一致的。Bedford的七点标度把热感觉和热舒适合二为一。Gagge和 Fanger等均认为“热舒适”指的是人体处于不冷不热的“中性”状态，即认为“中性”的热感觉就是热舒适。有些认为：热舒适与热感觉是不同的。Ebbecke指出热感觉是假定与皮肤热感受器的活动有联系，而热舒适是假定依赖于来自调节中心的热调节反应。Hensel认为舒适的含义是满意、高兴和愉快；Cabanac认为“愉快是暂时的”，“愉快实际上只能在动态的条件下观察到”。即认为热舒适是随着热不舒适的部分消除而产生的。当人获得一个带来快感的刺激时，并不能肯定他的总体热状况是中性的；而当人体处于中性温度时，并不一定能得到快适条件。在体温低时，浴盆中的较热的水会使受试者感到舒适或愉快，但热感觉评价是“暖”而不是“中性”；当体温高时，用较凉的水洗澡却会感到舒适，但其热感觉的评价应该是“凉”而不是“中性” 。 二、人体对稳态热环境反应的描述2.1热舒适方程令人体热平衡方程中蓄热率S0，得出:(M - W)=fcl hc(tcl - ta) + 3.9610-8 fcl (tcl + 273)4-(tr + 273)4 +3.055.733 -0.007(M-W) -Pa + 0.42(M-W - 58.2) +1.7310-2M(5.867-Pa)+0.0014M(34 -ta)2.2预测平均评价PMV(Predicted Mean Vote)PMV=(0.303e0.036M+0.0275)TL=(0.303e0.036M+0.0275)MW3.055.7330.007(MW)Pa0.42(M-W-58.15)1.7310-2M(5.867-Pa) fcl hc (tcl - ta)0.0014 M(34 - ta)3.96 10-8 fcl (tcl + 273)4 - (+ 273)4 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 PMV2) 2.3有效温度ET*与ASHRAE舒适区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*。即：三、人体对动态热环境的反应31人体对阶跃温度变化的反应研究发现：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，而由冷/热中性，感觉超前。3 2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四、热环境对人的劳动效率的影响从国外大量的现场调研结果发现，热环境的水平影响人的劳动效率。其影响程度随劳动类型、紧张程度不同而不同。但现场调研的结果往往受实际环境中多种其他因素诸如噪声、工作压力、颜色等影响。为了深入分析热环境的独立环境，研究者们不得不在实验室内进行实验研究与分析。41劳动效率与外部刺激的关系激发的概念可以用来解释环境应力对劳动效率的影响。相同的环境应力可能会提高某些工作的劳动效率，但却会降低另一些工作的劳动效率。某种工作的最高效率出现在中等激发水平上，因为在较低激发水平上，人尚未清醒到足以正常工作，而在较高激发水平上，由于过度激动，人不能全神贯注于手头的工作。因此效率和激发呈一个倒U字关系。我们可以看出，人们在从事复杂困难的工作时，希望环境温度越接近热中性或最小激发温度T。越好；而当人们在从事简单枯燥的工作时，环境温度适当偏离最小激发温度T。反而能够获得更高的劳动效率。4.2热环境对脑力劳动的影响实验研究发现，做脑力工作的能力在标准有效温度高于33度以上开始下降，也就是空气温度33度，相对湿度50%、穿薄衣服的人的有效温度。体温降低对简单的脑力劳动的影响比较轻微，但在有冷风的情况下会涣散人对工作的注意力。如果身体冷得厉害，人会变得过于激奋，从而影响需要持续集中注意力和短期记忆力的脑力劳动的工作效率。例如潜水员在10度左右的水温中工作，需要对潜水员的智力能力提出较高的要求。4.3热环境对体力劳动的影响 研究表明，在偏离热舒适区域的环境温度下从事体力劳动，小事故和缺勤的发生机率增加，产量下降。当环境温度超过有效温度27度时，需要运用神经操作、警戒性和决断技能的工作效率会明显降低。非熟练操作工的效率损失比熟练操作工的损失更大。 低温对人的工作效率的影响最敏感的是手指的精细操作。当手部皮肤温度降到15.5度以下时，手部的操作灵活性会急剧下降，手的肌力和肌动感觉能力都会明显变差，从而导致劳动生产率的下降。五、自我认识 从以上四个方面，我们可以认识到人体对热湿环境的反应是很大的。它不仅影响到人体的各个感觉、舒适度，严重的甚至影响人的身体健康，而且还会影响到人的工作效率或者劳动效率。很明显的是当建筑热湿环境的温度、湿度等各个条件都在人体感官和器官的舒适温度之下时，人的工作或劳动效率也会有一定的提升。相反，则会降低人的工作或劳动效率。所以我们在考虑热湿环境的时候，应该充分考虑到人在其中的舒适度、热舒适。只有这样才既不会伤害人的身体，并且因为能够让人充分感觉到舒适，这样人的劳动或工作效率也会相应的有所提高。社会也会因此而更加进步、蓬勃发展，人们的生活水平才会得以提高，环境质量才会得以改善。 （注：专业文档是经验性极强的领域，无法思考和涵盖全面，素材和资料部分来自网络，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）