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。
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Qs > 0时，人感到热；
当Qs < 0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。
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℃。
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 | 18～24 18～23 17～22 15～21 14～20 |
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0.3 m/s；而在拥挤的房间里为0.4 m/s。室内温度和湿度很高时，空气流速最好是l~2 m/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。
表3-2 工作场所允许风速
室内温度湿度基数 | 允许风速 /（m/s） | |
温度/℃ | 湿度/% | |
18 20 22 24 26 | 40～60 40～60 40～60 40～60 40～60 | 0.2 0.25 0.3 0.4 0.5 |
（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 = 188－7.2t 12.2℃＜t＜26℃ ）
例如室针对这个情况，J．E．Bosen提出了一个不舒适指数DI(Discomfort index)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。
温 t＝20℃时，湿度H=188－7.2 × 20＝44，即44％。
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
不适指数 | 不适主诉率/ % | |
美国人 | 日本人 | |
70 75 79 86 | 10 50 100 难以忍受 | 35 36 70 100 |
2.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℃。
有效温度有效温度高时，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。对人感觉及工作效率的影响
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
表3-4 有效温度对人体热感觉的影响
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 |
* 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）
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/℃ | 15.5~18.3 26.7 | 12.7~18.9 23.9 | 10～16.9 21.1~23.9 |
3.三球温度指数（WBGT）
三球温度指数也称为湿球黑球温度(wet bulb globe temperature index，WBGT)，是综合考虑了干球温度、相对湿度、平均辐射温度和风速等4个环境因素的综合温标，也是综合评价人体接触作业环境热负荷的一个基本参量。这里热负荷（heat stress）是 WBGT指数计算要考虑不同的气候条件。室内外无太阳 辐射时，采用自然湿球温度(WB)和黑球温度(GT)计算，室
外有太阳辐射时要把干球温度(DT)考虑进去。其计算公式如下：
室内外无太阳辐射时(室内、阴天或夜间)
WBGT=0.7WB+0.3GT
室外有太阳辐射时
WBGT=0.7WB+0.2GT+0.1DT
指人该法的特征是不用直接测量气流速度(其值已在自然湿球温度上反映了)。应该注意的是，在WBGT相同，但辐射热、湿度和空气流速不同时，人的生理反应不同。
当湿度很高、空气流速很低时，使用WBGT方法较差。表3-6为美国工业卫生委员会推荐的各种不同的劳动休息制度的三球温度指数阈值，该种方法比较直观，应用起来比较方便。
体在热环境中作业时的受热程度，取决于体力劳动的产热量和环境与人体间热交换的特性。
表3-6 允许接触高温的阈值/ ℃
作业种类 | 轻劳动 | 中等劳动 | 重劳动 |
持续劳动 75%劳动，25%休息 50%劳动，50%休息 25%劳动，75%休息 | 30 30.6 31.4 32.2 | 26.7 28.0 29.4 31.1 | 25.0 25.9 27.9 30.0 |
目前，我国也制定了运用WBGT指数对作业人员热负荷进行评价的标准（GB／T 17244—1998）。该标准由中国国家技术监督局于1998年3月10日批准、1998年10月1日正式实施。该标准以工人8小时工作日平均能量代谢率（单位：kJ／min·m2）为基础进行劳动强度的等级划分，然后给出了不同劳动强度下，人体各种感觉状态（好，中、差、很差）的WBGT指数值。具体请参阅标准
表3-7 WBGT指数评价标准
4.卡他度
卡他度是指由被加热36.5℃时的卡他温度计的液球，在单位时间、单位面积上所散发的热量，单位为mcal/cm2•s。
卡他度一般用来评价劳动条件舒适程度。
卡他温度计是一种测定气温、湿度和风速三者综合作用的仪器。卡他度H可通过测定卡他温度计的液柱由38℃降到35℃时所经过的时间（T）而求得。
H = F/T
式中，H-卡他度（mcal/cm2•s）；
F-卡他计常数；
T-由38℃降至35℃所经过的时间（s）。
卡他度分为干卡他度和湿卡他度两种。干卡他度包括对流
和辐射的散热效应。湿卡他度则包括对流、辐射和蒸发三者综合的散热效果。一般H值越大，散热条件越好。工作时感到比
较舒适的卡他度如表3-7和表3-8所示。
表3-7 较舒适的卡他度
劳动状况 卡他度 | 轻劳动 | 中等劳动 | 重劳动 |
干卡他度 湿卡他度 | >6 >18 | >8 >25 | >10 >30 |
表3-8 不同卡他度下的人的感觉
热感觉 | 卡他度 | |
干式 | 湿式 | |
很热 热 令人愉快 凉爽 冷 | 3 3～4 4～6 8～9.5 >9.5 | 10 10~12 12~18 18~20 >20 |
