人体对动态热环境的反应在线视频

好同学们

今天我们来看第四讲的第三节内容

也就是人体对动态热环境的反应

之前我们谈到的都是

稳态均匀的热环境

但是实际上在我们的生活中

动态热环境才是最普遍的存在

那么什么是动态热环境呢

动态热环境就是指

温度 风速 辐射等等参数

随时间在不断变化的环境

而如果人的代谢率在变化的话

同样也会影响人的热舒适感

那么这也属于动态热环境

例如 我们在自然通风的

非空调房间或者在室外

环境参数都是在不断变化的

这就属于动态热环境

人如果在温度不同的空间之间穿行

感受到了不同的热环境参数

对于人来说这也是一种动态热环境

而如果我们使用摇头电风扇

感受到风速在变化

又比如我们如果使用变温变风速的空调

那么它们所营造的环境都属于动态热环境

在第一节我们介绍热生理基础的时候

向大家介绍了人对动态与稳态热环境反应

不同的机理

包括热感觉的适应性

以及核心温度和皮肤温度变化的不一致性

这些就是影响人体在动态热环境下

热感觉与热舒适的生理基础

突变温度环境是最典型的动态热环境

那么早在1967年

有一位学者叫做Gagge

他发现了如果人处在突变的空气温度当中

尽管人体的皮肤温度和核心温度的变化

需要好几分钟

但热感觉却会随着空气温度的变化

马上发生变化

那么这个图中显示的呢

就是Gagge对三位裸体受试者

进行从热中性到偏热环境

再回到热中性的实验

通过实验 Gagge认为

由热中性阶跃到偏冷或偏热环境时

人的热感觉是滞后的

但如果是从偏冷或偏热环境

阶跃回中性热环境的时候呢

热感觉是超前的

清华大学在1992年开展过受试者实验

受试者的服装热阻为0.6clo

实验证实了

Gagge提出的热感觉与皮肤温度的分离现象

但是发现从中性阶跃到偏热环境的时候

人的热感觉是滞后的

而从偏热环境回到中性热环境时呢

才会出现热感觉超前的现象

皮肤温度的测试结果

可以看到与热感觉的差别

尤其是以偏热环境回到中性热环境的时候

差别尤为显著

在大部分的实际生活当中

温度的变化不会那么迅速

但风速却经常会瞬间产生巨大的变化

人体对风速变化的反应又会怎么样呢

人们很早就发现

人对摇摆风扇的接受程度要高于固定风扇

所以摇头风扇就应运而生了

后来有中外学者发现

在平均风速相同的条件下

变动风速的动态风比稳态风使人感到更凉

这在偏冷的环境下是令人感到不舒适的

但如果是偏热环境下呢

能够使人有更好的热舒适感

气流速度的脉动频率

对人体热感觉也有着不可忽视的影响

早在上世纪的70年代

Fanger教授就发现

人体最敏感的气流脉动频率区间是0.3-0.5 Hz

认为空调环境中要避开这个区域

因为欧美国家的空调环境

往往是处于偏冷到热中性的范围

所以明显的脉动风会导致人的不舒适

那么在90年代

美国加州伯克利大学的Arens教授

他发现在偏热的环境里

气流脉动频率在0.7-1 Hz的范围的话

有更好的冷却效果

而2000年清华大学的研究表明

在偏热的环境里

从0.3~0.5Hz 这样一个范围

能让人感觉到更凉爽

尽管不同学者的实验数据有些差别

但是可以确认的是

当风速脉动频率在0.3~1Hz的范围内的时候

人会感受到更强的冷却作用

风速变化的频谱

也会对人的热舒适感产生影响

我们来看看不同类型的风的风速变化特点

在这两张风速序列图上的风速

是以每秒10次的频率进行采样的

上面这张图是固定风扇的

机械风的风速采样数据

下面这张是室外自然风的风速采样数据

光从风速序列曲线上

我们就可以看到二者的区别了

固定风扇的机械风风速

它是围绕一个平均值进行上下脉动

而自然风的风速除了有小的高频脉动以外

还有很大的波动

而且经常会出现风速接近零的状态

对不同风速不同类型风的风速变化曲线

进行傅里叶分解

那么就可以求出与波幅大小正相关的

功率与频率关系的功率谱曲线

在这个图中

我们就可以看到

纯稳态机械风与自然风的功率谱曲线

在人体有感的范围内有着很大的区别

那么清华大学通过开发模拟部分自然风特征的

仿自然风送风末端来进行实验

研究了人体在偏暖环境中

对不同类型脉动风速的接受程度

受试者在盲试的过程当中

自主选择去喜爱的风速的类型

结果表明只有5%的受试者选择了稳态风

而其余的95%的受试者都选择了动态风

最受欢迎的是模拟自然风

这个比例高达61%

到目前为止

稳态热环境下的热舒适评价指标

已经比较成熟了

但是在动态热环境下的

热舒适评价指标的研究却还比较少

目前能够用于工程设计使用的

动态热环境的评价指标

只有美国运输部提出的

用于过渡区的热指标RWI和HDR

这是特地为设计候车空间热环境

而提出的热环境评价指标

这些指标考虑的是乘客从室外走路

然后进入到候车空间之后产生的热环境变化

和个人代谢率的变化对热舒适的影响

对各种参数做了如下的一些处理

第一 没有考虑热环境改变的过渡过程当中

人体热感觉的“超越”和“滞后”现象

第二 一种活动状态过渡到另一状态时

代谢率要经过6分钟的时间

才能达到最终活动状态下的稳定代谢率

在这个过程中 代谢率与时间呈线性关系

那第三呢 因为出汗以及人的活动引起气流的变化

会导致服装热阻的改变

这个也需要经过6分钟才能达到新的稳定值

在这个过程当中

也认为服装热阻与时间呈线性关系

那相对热指标RWI是针对偏热环境的

它是一个无量纲的指标

是以水蒸气分压力等于2269Pa为界

分为低湿和高湿两个不同的表达式

在湿度偏低的时候

RWI不受湿度的影响

只与空气温度 代谢率 服装热阻

以及辐射热有关

其中辐射热包括长波辐射与太阳辐射

在湿度偏高的时候

则就要考虑到水蒸气分压力的影响了

RWI分度与ASHRAE热感觉标度之间

存在一定的相关关系

可以看这个表

在使用相对热指标的时候

求出各连续过渡空间的RWI值

就可以得到

人员依次进入这些过渡空间时的

相对热感觉

是比前一个空间更凉爽呢 还是更暖和一些

也可以用于确定这些空间的热环境设计参数

针对偏冷热环境的指标是人体热损失率HDR

单位是W/m2

HDR的物理意义是人体在较冷环境下

平均皮肤温度为舒适皮肤温度下限时的

净热损失速率

与空气温度 代谢率 服装热阻

以及辐射热有关

求得了HDR之后

与暴露时间的乘积为热债D

当热债达到约100 kJ/m2的时候

人就会感到冷不适

相当于在HDR≥100 W/m2的条件下

逗留了一千秒钟

当热债 D≤－100 kJ/m2的时候

人体会感到热不适

由于热舒适感与人体逗留的时间有关

因此在设计过渡空间的热环境参数的时候

要考虑人员的平均逗留时间

那么RWI和HDR公式中的代谢率与服装热阻值

也与人员的停留时间有关

如果平均停留时间不到六分钟

那么人员的代谢率与服装热阻值

就要通过线性插值来求得

好 那我们再来看看非空调环境

或者说自然通风环境

夏季的非空调环境往往就是自然通风的环境

室内的温湿度 风速 辐射

都会随着室外参数的变化而变化

尤其是风速的变化对人体的热舒适感

有很大的影响

好 这张图上显示的

是各国的研究者在

曼谷 新加坡 雅典和布里斯班这四个城市

自然通风建筑当中

进行的现场调查的结果

我们可以看到人们的实际热感觉

与PMV模型预测值存在一个剪刀差

也就是说

人们的实际热感觉比PMV算出来的要凉快

而且温度越高偏差会越大

针对这种现象

各国学者给出了不同的解释

主要有期望因子和适应性模型两种

首先是Fanger教授提出的期望因子

他认为人的热感觉取决于期望因子

然后用期望因子e来修正PMV模型

他认为用惯空调的人

对环境的期望值比较高

期望因子相应就比较高

而很少用空调的人

对环境的期望值比较低

期望因子就低

导致他在偏热环境中的热感觉投票TSV就比较低

但是这种解释

不能说明这样的一个客观现象

就是即便用惯空调的人

在自然通风环境当中 他的热感觉

也与稳态环境当中有所不同

第二种解释是适应性热舒适模型

那适应性热舒适理论的观点认为

人不是给定热环境的被动接受者

在实际的建筑环境当中

人和环境二者之间存在一种复杂的交互关系

人体主要是以心理适应 行为调节

生理习服等等形式

通过与环境之间的多重反馈循环作用

尽可能减小产生不适因素的影响

使自身接近或达到热舒适状态

适应性热舒适理论比较好地诠释了

在很多条件下

人体的实际热感觉

与稳态热舒适理论的预测值

存在差异的原因

基于热适应理论

悉尼大学的Richard de Dear教授

在90年代末提出了适应性热舒适模型

他通过全球不同气候区

大量现场调查数据的回归

得出了人们感觉最适宜的室内舒适温度

与室外空气月平均温度的关系

这是一个单变量的线性模型

如这张图所示

而且他还给出了考虑80%和90%的

接受率的室内舒适温度范围

那这个模型已经被收入到

美国的ASHRAE标准当中

用于非空调房间的热舒适评价

那很显然 这个模型是一个黑箱的经验模型

除了室外空气平均温度

对人体热适应性的影响以外

他没有像PMV那样考虑风速 湿度

辐射 代谢率与服装热阻的影响

也没有考虑人的室内热经历的影响

在机理方面还缺乏一定的说服力

相对于传统的稳态热舒适来说

适应性热舒适的研究历史还比较短

那么相应的模型的完善还有待投入更多的研究

实际上 室内热经历对人体热适应

有着更大的影响的

例如在冬天

我国的北方地区的室外虽然很冷

但由于供暖设施的完备

室内很暖和

而在夏热冬冷地区

尽管室外并不是很冷

但是室内温度却往往低于15℃

冬季的南北方人群的不同室内热经历

就会导致他们的

舒适室内温度有着很大的不同

那么为了对冬季适应北方室内高温的人群

和适应南方室内低温的人群

进行实验对比

清华大学选取了北京和上海的人群

作为受试者

验证民间关于

“北方人怕冷，南方人不怕冷”这样的说法

实验发现

在服装热阻同为1.1clo的条件下

在每一个温度工况下

北京人群都要比上海人群感到更冷

感到更不舒服

二者达到同样的热感觉时 室温要相差2.5℃

也就是说在着装相同的情况下

比如上海人群感到不冷不热的温度

是20℃的话

那北京人群就需要到22.5℃才行

这种热适应的差别在生理适应上有反映

我们发现供暖适应组进入12-16℃的

偏冷环境之后

平均皮肤温度比非供暖适应组下降得少

因为他们的平均皮肤温度高

散热就多了

表现出来是保温调节的能力相对较弱

另外供暖适应组的胸足温差

一直都比非供暖组的胸足温差大

相当于他们的肢端更冷

这也是导致他们感觉更不舒适的原因

另外在偏冷环境下

供暖适应组的生理代偿反应更加强烈

包括肌肉紧张度和冷颤的发生率

说明他们需要通过这样的方式来

获得额外的产热量 来维持必要的体温

而非供暖适应组由于自身的热调节能力强

比较容易的自主提升代谢率

所以比较少的需要这种额外产热的方式

上述这种热适应过程

产生的时间尺度有多长呢

为了了解这个问题

在清华大学冬季教室内

进行了一些现场调查

把受访者分为来自没有集中供暖的南方人群

和来自长期生活在有集中供暖的北方人群

了解他们的服装类型和热阻

调查结果发现

来北京不到一年的南方人群的服装热阻

明显比北方人少

但是到北京超过一年的南方人群呢

他们的服装热阻与北方人的服装热阻

相差无几

因此这种长期热适应的时间

应该是以年为尺度的

文献调研的数据表明

西方发达国家的冬季室内温度

随着时代一直在不断的上升

那么英国著名的学者

Fergus Nicol和Michael Humphreys两位先生

他们分析了一些西方国家的全年室内温度数据

大家可以看这两张图

可以从图上看到 从上世纪70年代到90年代的变迁

在1970年代

自然通风建筑的室温范围是18~32℃

空调供暖建筑的室温范围是20~24℃

但是到了1990年代

自然通风建筑的室温范围收缩到了20~30℃

而空调供暖建筑的室温范围是23~24℃

几乎就是全年的恒温了

对于我国来说

即便在南方地区

冬季室内温度多维持在15℃以下的时候

像北方的哈尔滨 冬季的室内温度已经超过了22℃

长期有供暖和空调的恒温环境

的确能给人们带来舒适

但这种舒适

是不是一定就只有正面的作用呢

2000-2001年期间

中国疾控中心在华东地区

采用流行病学调查法

研究了病态建筑综合征与空调使用的关系

是把所有的调查样本分为了四组人群

家里和办公室都有空调 仅办公室有空调

仅家里有空调和家里办公室都没有空调

这四类人群

调查的12类不适症状发生在皮肤 黏膜

呼吸系统 神经系统和消化系统等等

调查的结果表明

各种不适症状的发生与空调使用都有关

特别明显地表现在暑期的

伤风 咳嗽 流鼻涕的发病率上

全空调组不适症状的发生率

显著的高于无空调组

特别是神经和精神类的不适感最为显著

另外呢 进行了神经反应测试

结果表明

缺乏热适应经历的人群在注意力 反应速度

视觉记忆和抽象思维方面的表现均比较差

其实 适当的冷热刺激

对于人体的健康是有好处的

荷兰热生理领域的研究者Lichtenbel 教授

他选取了两组受试者进行了为期10天

每天6个小时的轻度冷暴露实验

也就是室温在14~15℃

服装热阻1clo

这样的一个条件下

那么实验当中受试者不会出现冷颤

实验的第一组受试者是比较瘦的年轻人

9女8男

10天冷暴露适应之后

他们的感觉从很不舒适提升到了刚好舒适

体内促进产热的棕色脂肪量增加了

当然代谢产热也就增加了

这就是他们对冷环境适应的原因

而第二组是8名男性二型糖尿病患者

除了以上的收获以外

他们血液中的胰岛素的敏感性

也显著提高了

这个实验就说明了

经常通过冷热暴露

来锻炼人体的热调节能力

对于健康来说是很有意义的

尽管关于动态热环境的研究历史还比较短

但是基于上述的研究成果

我们应该思考一下

我们要追求的热舒适环境

应该往什么方向走呢

是营造稳态的热环境

还是去营造动态的热环境呢

这张照片就给出了一个强烈的冷热对比

雪地与温泉

这应该对我们有更多的启示