建筑环境学4.ppt
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1、第四章第四章 人体对热湿环境的反应人体对热湿环境的反应4-14-1人体对热湿环境反应的生理人体对热湿环境反应的生理 学和心理学基础学和心理学基础 一一.人体的热平衡人体的热平衡 thermal balance 二二.人体的温度感受系统人体的温度感受系统sensation system of warmth 三三.热感觉热感觉 thermal sensation 四四.热舒适热舒适 thermal comfort 一、人体的热平衡 1.人体的基本生理要求 (1)代谢率:食物通过化学反应过程被分解氧化,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(Metabolic Rate)。食物食物
2、食物食物分解氧化分解氧化分解氧化分解氧化热量热量热量热量 人体的基本生理要求:人体的基本生理要求:人体的基本生理要求:人体的基本生理要求:维持体温基本恒定!维持体温基本恒定!维持体温基本恒定!维持体温基本恒定!人体各部分的温度不同。代谢率高的器官温度比较高,例如代谢率比较高的肝脏温度约为38。但由于全身血液在不断循环,把热量由温度较高处带到较低处,所以人体各部分温度不会相差很大。一昼夜之中,人体体温有周期性波动,波动幅度不超过1。我国正常成年人静止时的体温(我国正常成年人静止时的体温()body temperature 平均量变动范围腋 温36.836.037.4口 温37.236.737.7
3、肛 温37.536.937.9人体和环境的热交换人体和环境的热交换(2)人体热平衡方程式 MW C R E S 0式中:式中:MM人体能量代谢率,人体能量代谢率,W/W/;WW人体所做的机械功,人体所做的机械功,W/W/;CC人体外表面向周围环境通过对流形人体外表面向周围环境通过对流形式散发的热量,式散发的热量,W/W/;RR人体外表面向周围环境通过辐射形人体外表面向周围环境通过辐射形式散发的热量,式散发的热量,W/W/;EE汗液蒸发和呼出的水蒸气所带走的汗液蒸发和呼出的水蒸气所带走的热量,热量,W/W/;SS人体蓄热率,人体蓄热率,W/W/(式中各项均以(式中各项均以人体单位表面积的产热和散
4、热表示)人体单位表面积的产热和散热表示)(3)裸身人体皮肤表面积的计算:AD=0.202mb0.425H0.725 式中,AD为人体皮肤表面积,m2;H为身高,m;mb为体重,kg;n n如果一个人身高为 1.78m,体重为 90kg,则皮肤表面积为 2.08m2左右。n n如果一个人身高为 1.78m,体重为 65kg,则皮肤表面积为 1.8m2左右。n n如果一个人身高为 1.6m,体重为 50kg,则皮肤表面积为 1.5m2左右。Skin temperaturen n人体的核心温度是由人体的运动强度即代谢率人体的核心温度是由人体的运动强度即代谢率决定的,人体的核心温度必须维持在一个相当决
5、定的,人体的核心温度必须维持在一个相当窄的范围内才能保证其正常功能,窄的范围内才能保证其正常功能,n n而人的皮肤温度却随外界温度的变化而变化,而人的皮肤温度却随外界温度的变化而变化,而且与人体的核心温度一样,各部位之间存在而且与人体的核心温度一样,各部位之间存在一定差别。为了确定人的平均皮肤温度,一定差别。为了确定人的平均皮肤温度,RamanathanRamanathan(19641964)提出了一个四点模型,)提出了一个四点模型,即可通过测试人体胸部、上臂、大腿以及小腿即可通过测试人体胸部、上臂、大腿以及小腿的皮肤温度,按照权系数的皮肤温度,按照权系数0.30.3、0.30.3、0.20.
6、2和和0.20.2进行加权平均。这样求得的平均皮肤温度对于进行加权平均。这样求得的平均皮肤温度对于多数用途来说是合适的。多数用途来说是合适的。(4)(4)人体最大的生理性温度变化人体最大的生理性温度变化变动范围为变动范围为35354040;n nS=0S=0,表明人体正常;,表明人体正常;n nS0S0,表明体温上升,人体,表明体温上升,人体不舒适不舒适;当体温当体温 4040,称体温称体温过高;过高;n n当体温当体温 4545,人死亡,人死亡 ;n nS0,S0,表明在冷环境中,人体表明在冷环境中,人体散热量增多。散热量增多。n n当体温当体温3636,称体温过低;,称体温过低;n n当体
7、温当体温2828,有生命危险;,有生命危险;n n当体温当体温2020,一般不能复,一般不能复苏苏;人体皮肤所能够适应的温度范围在人体皮肤所能够适应的温度范围在2937之间。之间。人体皮肤温度与人体热感觉的关系人体皮肤温度与人体热感觉的关系皮肤温度状态45以上皮肤组织迅速损伤,热痛阈4139疼感阈3937热的感觉3433休息时处于热中性状态,热舒适3230较大(3-6met)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5(手)伴随疼感的冷感觉2 人体与外界的热交换形式 对流、辐射、蒸发;对对流流:环境空气的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
8、围的空气流速影响了对流热交换系数。气流速度大时,人体的对流散热量增加,因此会增加人体的冷感。辐辐射射:周围物体的表面温度决定了人体辐射散热的强度。蒸蒸发发: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。决定于空气相对湿度的大小与空气流速 皮肤蒸发:包含汗液蒸发和通过皮肤的湿扩散两部分;空气流速:除了影响人体与环境的显热和潜热交换速率以外,还影响人体的皮肤的触觉感受。吹风感(draught)是一种气流增大引起皮肤及粘膜蒸发量增加以及气流冲力产生的不愉快的感觉。3 影响人体与外界显热交换的几个环境因素影响人体与外界显热交换的几个环境因素 n n(1)(1)平均辐射温度:平均辐射温度:MRT
9、(Mean Radiant MRT(Mean Radiant Temperature)Temperature)平均辐射温度的意义是一个假想的等温围合平均辐射温度的意义是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。的辐射热交换量。n n式中 -平均辐射温度,K;n n Fnj-周围环境第j个表面的角系数;n n Tnj-周围环境第j个表面的温度,K;n n j-周围环境第j个表面的黑度;n n 0-假想围合面的黑度;n n四次方关系并采用绝对温标,实际使用
10、时有一定的困难,对于人体所处的实际环境温差来说,简化的一次方表达式的结果比实际平均辐射温度会略小一些,但已经足够精确了。另外,在实际的建筑室内环境里,室内各主要表面的黑度一般差别并不大,因此可假定人体周围各非等温围合面的黑度均等于假想合围的黑度0,则有采用摄氏温标的平均辐射温度近似表达式:n n其中其中 -平均辐射温度,平均辐射温度,;n n tnjtnj周围环境第周围环境第j j个表面的温度,个表面的温度,。n n测量平均辐射温度最早、最简单,且仍是最普遍的方法是使用黑球温度计。它是一个由一个涂黑的薄壁铜它是一个由一个涂黑的薄壁铜球内装有一个温度计组成,温度计的感球内装有一个温度计组成,温度
11、计的感温包包在铜球的中心。使用时把黑球温温包包在铜球的中心。使用时把黑球温度计悬挂在测点处,使其与周围环境达度计悬挂在测点处,使其与周围环境达到热平衡,此时测得的温度为到热平衡,此时测得的温度为黑球温度黑球温度Tg(black globe temperature)Tg(black globe temperature)。如果同时测出了空气的温度Ta,则当平均辐射温度与室温差别不是很大时,可求出平均辐射温度为:(2)操作温度操作温度t0(Operative Temperature)反映了环境温度反映了环境温度t ta a和平均辐射温度和平均辐射温度t tr r的综合作用;的综合作用;式中:式中:h
12、 hr r辐射换热系数,辐射换热系数,W/(W/()h hc c对流换热系数,对流换热系数,W/(W/()(3)(3)对流换热系数对流换热系数对流换热系数对流换热系数h hc c 自然对流自然对流;受迫对流受迫对流(与风速有关与风速有关)人体表面的对流换热系数人体表面的对流换热系数 对流换热系数hc(m2)提 出 者适应条件受迫对流8.6v0.612.1v0.58.6v0.538.3v0.5D.Mitchell(1974)Winslow等(1939)Gagge等(1969)Kerslake(1972)最好的平均值用于Fanger舒适方程用于SET公式中推荐来用自然对流3.01.16(M-50)
13、0.391.18T0.252.38T0.254.0Nishi和Gagge(1977)Nishi和Gagge(1977)Birkebak(1966)Nelson和Peterson(1952)Rapp(1973)静止空气中的静止人体静止空气中的活动人体2m高的圆柱体用于Fanger舒适方程推荐用于静坐者(4)对流质交换系数对流质交换系数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=he/hc LR称为“刘易斯系数”,(Lewis Ratio),单位为kPa。对于典型的室内空气环境
14、有:LR=16.5 4 4 服装的作用服装的作用 保温;阻碍湿扩散。(1)(1)服装热阻服装热阻服装热阻服装热阻I Ic cl l:指的是显热热阻:指的是显热热阻I Icloclo 常用的单位有:常用的单位有:K/WK/W和和clo clo 1clo=0.155 1clo=0.155 K/W K/W 1clo1clo定定义义为为:一一个个静静坐坐者者在在2121空空气气温温度度、空空气气流流速速不不超超过过0.05m/s0.05m/s,相相对对湿湿度度不不超超过过50%50%的的环环境境中中感感到到舒舒适适所所需需要要的的服服装装热热阻。阻。(服装热阻服装热阻clothing insulati
15、on)clothing insulation)n n1clo相当于内穿衬衣外穿普通外衣时的服装热阻。夏季服装一般为0.5clo(0.08m2K/W),工作服装一般为0.7clo(0.11m2K/W),正常室外穿的冬季服装一般为 1.52.0 clo,在北极地区的服装可达到4.0clo。n n如果缺乏成套服装热阻Icl的数据,可以通过单件服装的热阻Iclu,i求得:n nIcl=0.835Iclu,i+0.161n n对于从皮肤表面到环境空气的传热过程,需要考虑服装表面的对流换热热阻Ia,因此,服装的总热阻It为:n n n n其中fcl是服装的面积系数。椅子对热阻的影响椅子对热阻的影响椅子对热
16、阻的影响椅子对热阻的影响 取决于椅子与人体接触的面积取决于椅子与人体接触的面积 行走对热阻的影响行走对热阻的影响行走对热阻的影响行走对热阻的影响 n n行走时由于人体与空气之间存在相对流速,会行走时由于人体与空气之间存在相对流速,会降低服装的热阻。其降低的热阻值可用下式估降低服装的热阻。其降低的热阻值可用下式估算:算:n n IIcl cl=0.504I=0.504Icl cl+0.00281 V+0.00281 Vwalkwalk 0.24 0.24n n其中人的行走步速其中人的行走步速V Vwalkwalk的单位是步的单位是步minmin。如果。如果一个人静立的服装热阻是一个人静立的服装热
17、阻是1clo1clo,则当他行走步速,则当他行走步速为为9090步步minmin(约(约3.7km3.7kmh h)时,他的服装热)时,他的服装热阻会下降阻会下降0.52clo0.52clo,变成,变成0.48clo0.48clo。舒适的服装热阻与温度、活动舒适的服装热阻与温度、活动强度与相对风速强度与相对风速v的关系的关系(2)(2)(2)(2)服装透湿性服装透湿性服装透湿性服装透湿性 一一方方面面:服服装装对对皮皮肤肤的的表表面面的的水水蒸蒸气气扩扩散散有有一个附加的阻力;一个附加的阻力;另另一一方方面面:服服装装吸吸收收部部分分汗汗液液,使使得得只只有有剩剩余余部部分分汗汗液液蒸蒸发发冷
18、冷却却皮皮肤肤;服服装装吸吸收收了了汗汗液液后后,会使人凉快。会使人凉快。n n 表表 1clo1clo干燥服装被汗湿润后的热阻干燥服装被汗湿润后的热阻 活动强度静坐坐姿售货站立售货站立但偶尔走动行走3.2km/h行走4.8km/h行走6.4km/h服装热阻clo0.60.40.50.40.40.350.3(3)(3)服装的表面积服装的表面积 人体着装后与外界的热质交换面积有所改变,因此常常用服装的面积系数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:服装面积系数:fcl=Acl/AD粗估算公式:它反映了服装的面积系数与服装的热阻之间是具有一定关系 fcl=1.0+0.3I
19、cl人体的能量代谢人体的能量代谢n n(1)人体的能量代谢率:人体的能量代谢率:n n影响能量代谢的因素 n n1)精神活动)精神活动 n n2)食物的特殊动力效应:)食物的特殊动力效应:n n3)环境温度)环境温度:n n4)性别、年龄性别、年龄 n n5)肌肉活动肌肉活动:n n临床上规定未进早餐前,保持清醒静卧半小时,室温条件维持在1825之间测定的代谢率叫做基础代谢率(Basal Metabolic Rate,BMR)。n n由于人体的能量代谢率易受多种因素的影响,基础代谢率可用作为衡量代谢的一个标准。n n人体的基础代谢率随年龄逐渐下降,少年较高,老年稍低。女性比男性低610。BMR
20、正常的变动范围是1015之内,如果变动超过20,则是病理状态。610%610%n n代谢率用M表示,单位w/m2n n代谢率单位1met=58.2w/m2,其定义为人静坐时的代谢率。n n正常健康人20岁时的最大代谢率可以达到12met,但到70岁时就会下降到7me。长跑运动员最高可达到20met。35岁左右的未受专门训练的成人最大代谢率约为10met。代谢率达到5met以上,人就会感到非常疲劳了。成年男子在不同活动强度条件下的代谢率成年男子在不同活动强度条件下的代谢率 活动类型w/m2met活动类型w/m2met睡眠400.7提重物,打包1202.1躺着460.8驾驶载重车1853.2静坐5
21、8.21.0跳交谊舞140-2552.4-4.4站着休息701.2体操/训练175-2353.0-4.0炊事95-1151.6-2.0打网球210-2703.6-4.0用缝纫机缝衣1051.8步行,0.9m/s1152.0修理灯具,家务154.62.66步行,1.2m/s1502.6在办公室静坐阅读 551.0步行,1.8m/s2203.8在办公室打字651.1跑步,2.37m/s3666.29站着整理文档801.4下楼2334.0站着,偶尔走动1232.1上楼70712.1 (2 2)人体的机械效率人体的机械效率人体的机械效率人体的机械效率人体的代谢率取决于活动强度,人体对外所做的功也取决于
22、活动强度。因此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:=W/M人体在不同活动强度下机械效率的特点是效率值比较低,一般为510。对于大多数的活动来说,人体的机械效率几乎为0,很少能超过 20。因此在空调负荷计算时往往把人体的机械效率看作0,其原因为:n 1)大部分的办公室劳动和室外轻劳动的机械效率近似0;n 2)人体代谢率的估算本身带有误差;n 3)忽略人体对外所作的机械功对于空调系统设计来说是偏于安全的。人体活动的机械效率人体活动的机械效率 活动强度机械效率(%)活动强度机械效率(%)静坐0步行上山,坡度5%,速度4km/h10安静地站着0步行上山,坡度15%,速度4
23、km/h20一般的办公室工作0轻的工业劳动(如汽车修理、钳工)10站着从事轻工作0重的手工劳动(如挖土和铲土)10在平地上步行0(3)人体蒸发散热量人体蒸发散热量 1)人体的皮肤蒸发散热量Esk (Evaporation skin)人体的皮肤潜热散热量与环境空气的水蒸气分压力Pa、皮肤表面的水蒸气分压力Psk、服装的潜热换热热阻Ie,cl等有关。皮肤表面可能达到的最大潜热换热量 Emax(w/m2)为:Emax=(PskPa)/Ie,cl1/(fcl he)=he(PskPa)这里he是着装人体表面即服装表面的对流质交换系数,W(m2kPa)。n n如果把皮肤表面的饱和水蒸气分压力如果把皮肤表
24、面的饱和水蒸气分压力PskPsk简化为简化为皮肤温度皮肤温度tsktsk的回归函数,有:的回归函数,有:n n Psk=0.254 tPsk=0.254 tsksk 3.335 3.335 n n只有总排汗量大大超过蒸发量才可能保证人体只有总排汗量大大超过蒸发量才可能保证人体的每一部分都是湿润的。但蒸发散热量是用生的每一部分都是湿润的。但蒸发散热量是用生理学方法根据汗液分泌量确定的,因此除了最理学方法根据汗液分泌量确定的,因此除了最极端的一些条件下,实际的蒸发散热量极端的一些条件下,实际的蒸发散热量EskEsk要小要小于最大可能值,即有:于最大可能值,即有:n n Esk=Ersw Esk=E
25、rsw Edif=Emax Edif=Emax n n式中式中ErswErsw是汗液蒸发散热量,是汗液蒸发散热量,EdifEdif是皮肤湿扩是皮肤湿扩散散热量,散散热量,为皮肤湿润度,即皮肤实际蒸发为皮肤湿润度,即皮肤实际蒸发量与在同一环境中皮肤完全湿润而可能产生的量与在同一环境中皮肤完全湿润而可能产生的最大散热量之比:最大散热量之比:EskEskEmaxEmax。n n如果环境的湿度增加,尽管Esk仍为常数,皮肤湿润度也会增加。n n如果没有排汗,皮肤湿扩散散热量应该为:n n Edif=0.06Emax n n而有正常排汗时,皮肤湿扩散散热量为:n n Edif=0.06(EmaxErsw
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