標(biāo)準(zhǔn)有效溫度

從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，人體體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)分為被控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，被控系統(tǒng)指人體的物理構(gòu)成、代謝產(chǎn)熱、熱量的傳輸、體表和環(huán)境的熱交換。控制系統(tǒng)指人體隨環(huán)境條件的變化通過(guò)血管舒張和收縮、肌肉運(yùn)動(dòng)、汗腺活動(dòng)等行為快速地調(diào)節(jié)產(chǎn)熱和散熱。體溫調(diào)節(jié)的最終目的是維持體內(nèi)溫度的穩(wěn)定，保證人類正常的生命活動(dòng)。

1971年，Gagge提出了二節(jié)點(diǎn)人體體溫調(diào)節(jié)模型 。這個(gè)模型中人體被分為兩層，即核心層和皮膚層。在核心層中會(huì)產(chǎn)生新陳代謝熱量，接著代謝熱量從核心層傳到環(huán)境。在這個(gè)過(guò)程中會(huì)有一部分熱量由于人體呼吸作用直接散失在環(huán)境中，剩下的熱量將繼續(xù)向皮膚表面?zhèn)鞑?。由于蒸發(fā)作用，傳到皮膚表面的熱量還會(huì)再損失一部分，最后剩下的熱量透過(guò)衣服傳到衣服表面，然后通過(guò)輻射和對(duì)流傳給周圍環(huán)境。

這些控制連同人體的熱流量及熱質(zhì)方程一起，建立了一個(gè)溫度隨時(shí)間變化的模型，并能預(yù)測(cè)皮膚溫度和皮膚濕度，它們是計(jì)算SET的兩個(gè)主要參數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)論是何種環(huán)境條件下，人體皮膚溫度和濕潤(rùn)度都能過(guò)能夠二節(jié)點(diǎn)模型計(jì)算出來(lái)。Gagge等人根據(jù)該模型的計(jì)算結(jié)果，提出了標(biāo)準(zhǔn)有效溫度指標(biāo)的定義。Gagge的二節(jié)點(diǎn)模型編制的計(jì)算程序非常簡(jiǎn)單，而且對(duì)計(jì)算機(jī)要求不高，因此在工程上得到了比較廣泛的應(yīng)用。實(shí)際上還有很多可用于溫度調(diào)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，但二節(jié)點(diǎn)模型是其中考慮人體溫度調(diào)節(jié)過(guò)程的模型中最簡(jiǎn)單的一個(gè)。

標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET在新有效溫度ET*主要內(nèi)容的基礎(chǔ)上，綜合考慮了不同的衣服熱阻和活動(dòng)水平兩個(gè)人體因素，又使新有效溫度的定義有了進(jìn)一步擴(kuò)展。另外的一個(gè)不同于早期有效溫度的進(jìn)步是，標(biāo)準(zhǔn)有效溫度是通過(guò)對(duì)傳熱的物理過(guò)程分析而得到的，早期的有效溫度指標(biāo)屬于經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)得出的指標(biāo)，是從主觀評(píng)價(jià)推導(dǎo)而出的。眾所周知，合理的舒適指標(biāo)往往是把環(huán)境變量通過(guò)某種方式組合起來(lái)，使人們?cè)谶@個(gè)指標(biāo)值下經(jīng)歷著一種同樣的特殊熱狀態(tài)。接下來(lái)需要考慮的問(wèn)題就是如何定義這一熱狀態(tài)。

標(biāo)準(zhǔn)有效溫度的核心是提出了利用平均皮膚溫度和皮膚濕潤(rùn)度相結(jié)合來(lái)描述人的熱狀態(tài)的一種方法。在一定的可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，人體能夠通過(guò)排汗，使熱損失量等于新陳代謝自由能產(chǎn)熱量。在其他變量保持不變的情況下，即使空氣濕度發(fā)生變化，排汗量也是不變的。這是由于當(dāng)新陳代謝產(chǎn)熱量和顯熱損失保持不變時(shí)，人體為了保持熱平衡所以排汗量不會(huì)改變。但是，人體熱感覺(jué)隨濕度增加而感到更暖和、排汗更多。經(jīng)過(guò)研究，Gagge等人提出將皮膚濕潤(rùn)度用作標(biāo)準(zhǔn)有效溫度的指標(biāo)，預(yù)測(cè)人體的不舒適感。

皮膚濕度w是皮膚實(shí)際蒸發(fā)熱損失與在相同環(huán)境下可能出現(xiàn)的最大蒸發(fā)熱損失的比值，w的值越接近1，皮膚表面越接近完全濕潤(rùn)。當(dāng)w較小時(shí)的排汗量比w較大時(shí)的排汗量高，皮膚濕度的大小不能決定人的排汗能力，對(duì)應(yīng)的是人的排汗感覺(jué)和熱的不舒適感。

平均皮膚溫度t是決定熱損失的另一項(xiàng)重要參數(shù)，將其包括在標(biāo)準(zhǔn)有效溫度中是非常必要的。隨周圍空氣溫度的變化，皮膚溫度在人體蒸發(fā)調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)緩慢變化。在人體感覺(jué)涼爽的區(qū)域內(nèi)，血管開始收縮，皮膚溫度和周圍空氣溫度關(guān)系更密切。因此皮膚溫度也是熱感覺(jué)的一個(gè)預(yù)測(cè)指標(biāo)之一。

在確定了標(biāo)準(zhǔn)有效溫度中包含的兩個(gè)生理指標(biāo)后，將標(biāo)準(zhǔn)有效溫度定義如下：某個(gè)環(huán)境溫度下，空氣溫度與平均輻射溫度相等，相對(duì)濕度為50%，且空氣靜止。若在該環(huán)境中身著標(biāo)準(zhǔn)熱阻服裝的人，與其在實(shí)際環(huán)境中身穿著某個(gè)服裝熱阻條件下有相同的皮膚濕潤(rùn)度和平均皮膚溫度，則視為具有相同的熱損失，稱這樣的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境的溫度為此時(shí)實(shí)際環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET。實(shí)際環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下活動(dòng)量相同，則判定標(biāo)準(zhǔn)服裝熱阻為活動(dòng)量的函數(shù)。人總是需要一段時(shí)間適應(yīng)新的熱環(huán)境，大約在1h之后才會(huì)處于熱平衡狀態(tài)，不能迅速達(dá)到平衡的環(huán)境中。

確定某一狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)有效溫度值首先要求出一個(gè)人的皮膚濕潤(rùn)度w和皮膚溫度t，然后再求出如產(chǎn)生相同皮膚濕潤(rùn)度w和皮膚溫度t的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度值。皮膚溫度skt和皮膚濕潤(rùn)度w一般利用Gagge的二節(jié)點(diǎn)體溫調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型即可求出。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)有效溫度最初的設(shè)計(jì)動(dòng)機(jī)僅僅是用來(lái)預(yù)測(cè)人體排汗時(shí)的不舒適感，但經(jīng)過(guò)深入研究，研究者發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)有效溫度的適用范圍有了極大的擴(kuò)展。它能用來(lái)應(yīng)付各式服裝衣著條件、不同活動(dòng)量和環(huán)境變量的情況。由于較舊指標(biāo)ET只能應(yīng)付坐著活動(dòng)的情況，不適用于其他的活動(dòng)形式，因而未能得到廣泛的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)的幫助使得計(jì)算皮膚溫度和皮膚濕潤(rùn)度而最終求得有效溫度的過(guò)程變得更簡(jiǎn)單方便。2100433B

標(biāo)準(zhǔn)有效溫度(SET)的理論基礎(chǔ)是Gagge提出的人體溫度調(diào)節(jié)的兩節(jié)點(diǎn)模型 。該模型將人體看作兩層，即核

心層和皮膚層。新陳代謝在核心層產(chǎn)生的一部分熱量，通過(guò)呼吸直接散失在環(huán)境中，其余的熱量傳到皮膚表面。傳到皮膚表面的熱量一部分由汗液蒸發(fā)散失掉，其余的熱量通過(guò)衣服傳到衣服表面，然后通過(guò)輻射和對(duì)流散失到環(huán)境中。傳熱過(guò)程被視為是一維的。如表1所示。

這類模型的環(huán)境參數(shù)不隨時(shí)間改變，并把人體看作是外界熱刺激的被動(dòng)接受者。一定的熱環(huán)境參數(shù)對(duì)人體的作用，是通過(guò)兩者之間的熱濕交換來(lái)影響人體的生理參數(shù)，進(jìn)而產(chǎn)生不同的熱感覺(jué) 。依據(jù)上述模型的理論基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)已有氣象數(shù)據(jù)的計(jì)算處理，依照熱舒適圖中所得的標(biāo)準(zhǔn)有效溫度數(shù)值以及人對(duì)標(biāo)準(zhǔn)有效溫度的熱反應(yīng)（表1），可以得到不同標(biāo)準(zhǔn)有效溫度數(shù)值所對(duì)應(yīng)的人體熱舒適程度，包括熱感覺(jué)、不舒適程度、人體的溫度調(diào)節(jié)和健康狀態(tài)。

根據(jù)皮膚感覺(jué)、生理反應(yīng)和熱效應(yīng)獲得“標(biāo)準(zhǔn)有效溫度指數(shù)”，它表明相對(duì)濕度在20%～50%范圍內(nèi)、干球溫度在23～25℃范圍內(nèi)，是人體感覺(jué)舒適的最佳溫濕度環(huán)境。

不合適的濕度容易使人生病，影響人體健康。許多致病菌在過(guò)干或過(guò)濕的環(huán)境中壽命都較長(zhǎng)，在高濕度環(huán)境中壽命更長(zhǎng)。研究表明，在相對(duì)濕度為35%～50%時(shí)細(xì)菌的存活時(shí)間減少，因潮濕而引起的皮膚病也相對(duì)減少。

影響人體熱舒適的因素很多，其中空氣溫度、平均輻射溫度、相對(duì)濕度、氣流速度等四個(gè)環(huán)境變量與人體活動(dòng)量、衣著兩個(gè)人體變量是主要因素。將其中幾個(gè)或六個(gè)變量綜合成單一定量參數(shù)對(duì)熱環(huán)境評(píng)價(jià)，用以預(yù)測(cè)人的主觀熱感覺(jué)。早期的熱舒適指標(biāo)是有效溫度、合成溫度、修正有效溫度、當(dāng)量溫度等。70年代提出了新有效溫度、標(biāo)準(zhǔn)有效溫度、熱感覺(jué)平均標(biāo)度預(yù)測(cè)值、主觀溫度等。這些指標(biāo)與早期的指標(biāo)相比所綜合的因素更全面、更合理。