標(biāo)準(zhǔn)有效溫度二節(jié)點(diǎn)模型

從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)來看，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?？刂葡到y(tǒng)指人體隨環(huán)境條件的變化通過血管舒張和收縮、肌肉運(yùn)動、汗腺活動等行為快速地調(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。

1971年，Gagge提出了二節(jié)點(diǎn)人體體溫調(diào)節(jié)模型 。這個模型中人體被分為兩層，即核心層和皮膚層。在核心層中會產(chǎn)生新陳代謝熱量，接著代謝熱量從核心層傳到環(huán)境。在這個過程中會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再損失一部分，最后剩下的熱量透過衣服傳到衣服表面，然后通過輻射和對流傳給周圍環(huán)境。

這些控制連同人體的熱流量及熱質(zhì)方程一起，建立了一個溫度隨時間變化的模型，并能預(yù)測皮膚溫度和皮膚濕度，它們是計算SET的兩個主要參數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)在于無論是何種環(huán)境條件下，人體皮膚溫度和濕潤度都能過能夠二節(jié)點(diǎn)模型計算出來。Gagge等人根據(jù)該模型的計算結(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)模型編制的計算程序非常簡單，而且對計算機(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)過程的模型中最簡單的一個。

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，其余的熱量通過衣服傳到衣服表面，然后通過輻射和對流散失到環(huán)境中。傳熱過程被視為是一維的。如表1所示。

這類模型的環(huán)境參數(shù)不隨時間改變，并把人體看作是外界熱刺激的被動接受者。一定的熱環(huán)境參數(shù)對人體的作用，是通過兩者之間的熱濕交換來影響人體的生理參數(shù)，進(jìn)而產(chǎn)生不同的熱感覺 。依據(jù)上述模型的理論基礎(chǔ)，通過對已有氣象數(shù)據(jù)的計算處理，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)值所對應(yīng)的人體熱舒適程度，包括熱感覺、不舒適程度、人體的溫度調(diào)節(jié)和健康狀態(tài)。

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水平兩個人體因素，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)有效溫度是通過對傳熱的物理過程分析而得到的，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)，是從主觀評價推導(dǎo)而出的。眾所周知，合理的舒適指標(biāo)往往是把環(huán)境變量通過某種方式組合起來，使人們在這個指標(biāo)值下經(jīng)歷著一種同樣的特殊熱狀態(tài)。接下來需要考慮的問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度相結(jié)合來描述人的熱狀態(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，人體為了保持熱平衡所以排汗量不會改變。但是，人體熱感覺隨濕度增加而感到更暖和、排汗更多。經(jīng)過研究，Gagge等人提出將皮膚濕潤度用作標(biāo)準(zhǔn)有效溫度的指標(biāo)，預(yù)測人體的不舒適感。

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。當(dāng)w較小時的排汗量比w較大時的排汗量高，皮膚濕度的大小不能決定人的排汗能力，對應(yīng)的是人的排汗感覺和熱的不舒適感。

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的一個預(yù)測指標(biāo)之一。

在確定了標(biāo)準(zhǔn)有效溫度中包含的兩個生理指標(biāo)后，將標(biāo)準(zhǔn)有效溫度定義如下：某個環(huán)境溫度下，空氣溫度與平均輻射溫度相等，相對濕度為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)境中身穿著某個服裝熱阻條件下有相同的皮膚濕潤度和平均皮膚溫度，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)境下活動量相同，則判定標(biāo)準(zhǔn)服裝熱阻為活動量的函數(shù)。人總是需要一段時間適應(yīng)新的熱環(huán)境，大約在1h之后才會處于熱平衡狀態(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人的皮膚濕潤度w和皮膚溫度t，然后再求出如產(chǎn)生相同皮膚濕潤度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。

對標(biāo)準(zhǔn)有效溫度最初的設(shè)計動機(jī)僅僅是用來預(yù)測人體排汗時的不舒適感，但經(jīng)過深入研究，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。它能用來應(yīng)付各式服裝衣著條件、不同活動量和環(huán)境變量的情況。由于較舊指標(biāo)ET只能應(yīng)付坐著活動的情況，不適用于其他的活動形式，因而未能得到廣泛的應(yīng)用。計算機(jī)的幫助使得計算皮膚溫度和皮膚濕潤度而最終求得有效溫度的過程變得更簡單方便。2100433B

根據(jù)皮膚感覺、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。許多致病菌在過干或過濕的環(huán)境中壽命都較長，在高濕度環(huán)境中壽命更長。研究表明，在相對濕度為35%～50%時細(xì)菌的存活時間減少，因潮濕而引起的皮膚病也相對減少。

影響人體熱舒適的因素很多，其中空氣溫度、平均輻射溫度、相對濕度、氣流速度等四個環(huán)境變量與人體活動量、衣著兩個人體變量是主要因素。將其中幾個或六個變量綜合成單一定量參數(shù)對熱環(huán)境評價，用以預(yù)測人的主觀熱感覺。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、熱感覺平均標(biāo)度預(yù)測值、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。