住房及室温对人体舒适度的影响

周雨浓　戴嘉豪　戴蒋千易

【中图分类号】R83 【文献标识码】A 【文章编号】2095-6851（2017）11-0-01

前言

随着时代的不断发展，当代人对于生活的舒适度提出了更高的要求，对人体舒适度的评价也愈发成为了社会热点。人体的生理功能受到包括大气温度、湿度、气压、光照、风、个体差异、服装等多种因素的影响。研究表明，气温适中时温度对人体影响并不显著[1]。湿度主要影响人体热代谢和水盐代谢，尤其在温度相对较高或较低时影响显著[2]。高温高湿影响人体汗液蒸发，机体热平衡受破坏，且随温度升高更趋明显。在冬天的相对湿度较高的日子里，身体的热辐射易被空气中的水汽吸收，此时衣服的导热性也会增加，从而加速机体散热。而风在气温低于皮肤温度时加快散热，风越大散热越快[3]。

有效温度指数ET（Effective Temperature Index）， 该指标以受试者对冷暖的主观感受作为评价依据[4]， 在决定此项指标的实验中， 受试者在气温和相对湿度不同的两个房间来回走动， 调节一个房间的环境参数， 当受试者在两个房间内获得相同的热感觉时， 就把房间A的温度作为房间B的有效温度。后来有人将风速考虑进来， 并根据香港实际情况对经典ET公式进行修正， 提出了“净有效温度” NET（Net Effective Temperature）， NET已成为香港气象观测中心每天发布的常规气象服务指标之一[5]。

进入21世纪以后， 伴随着多学科的高度交叉与融合， 人类可以更全面、更精确地描述人体的热量传输与能量代谢过程， 相比之下， 以往的热量平衡模型显得理论基础薄弱、陈旧、太过理想化。在世界气象组织（WMO）气候学委员会的倡导之下，建立了一个基于多结点模型的通用热气候指数UTCI（Universal Thermal Climate Index）[6]， 该模型将人体明确分为具有热调节功能的主动系统和人体内部传热过程的被动系统， 主动系统用来模拟人体代谢、皮肤血液流动的减弱（血管收缩）和加强（血管舒张）、发汗、发抖等；被动系统需要考虑人体不同部位表皮、真皮、骨骼、肌肉、内脏等组分的差别，模拟各区段中血液循环、新陈代谢、热量传导与累积等人体内部传热过程。UTCI结构复杂，考虑细致周全，拟真度高，可以广泛应用于气象服务、公众健康预警、城市规划、旅游娱乐等诸多领域[7，8]。

2 研究方法：

2.1 模型假设和模型建立求解

为了研究住房和室温对人体舒适的影响，我们不妨把住房简化为一个高度适宜且空间充足长方体，且房屋四面装有可通风的窗户，确保空气充分流通。忽略海拔高度对压强的影响，假设一个65公斤重的健康的人体补充适宜且充足的食物，保证人体产热量能有效供给散热，且不在室内剧烈运动影响排汗系统。

首先我们不考虑服装的影响，假设人为裸体

若温度适中，在23℃左右时，在这一空间内压强可视为定值，人体的热代谢和水盐代谢正常，不进行排汗，排尿等正常代谢适量且健康，根据2017全国中学生建模竞赛试题，相对湿度对人体汗液蒸发和服装吸附影响忽略不计，人体不会感到不适。根据，人体工作强度直接决定了人体的舒适与否。温度适宜的条件下，人体必需生命活动产生废热在健康状态下为定值，我们在此用Q表示，人体比热容近似于水的比热容C=4.02×103，人体保持T?=37℃恒温，环境温度为T，人体质量M=65kg，其中平均散热效率为60%。当温度适宜，自然条件下人体辐射散热和产生废热相等，于是近似有：Q=O.6*c△TM=0.6c（T?-T）M=0.6*4020*（37-23）*65J=2194920J。规定人体工作强度为P=│Q-0.6c△TM│/t=0（存在T=T时，等号成立）

此处t为自然状况下的散热时间，假设人体没有活性，冷却至室温时间大致为10小时，所以有t=10h，此时人体处于最舒适温度，温度升高，△T减小，Q不变，人体辐射散热不能满足散热量需求，这时人体还要通过排出皮肤中的水汽和汗液蒸发散热，设其散热量为Q?有Q=0.6*c△TM+Q?；Q蒸=αy（0.0174vf+0.0229）（Pb-Pa）A（760/B）=306173.1459*（0.0174*vf+0.0279） 。

在Q蒸

人体工作强度P=│Q-0.6c△TM-0.6cTM|/t

=│Q-0.6c（T-T）M|/t

Q蒸>Q?时，此时人体会感到寒冷，产生热量来维持机体体温

P=（Q蒸-QL）/t

温度降低，△T增大，此时人体为了维持体温产生更多的热量会使人产生寒冷的不舒适感，设Q为人体为了维持体温所产生的更多的热量。

Q=c0.6*△TM

人体工作强度P=k│Q+Q-0.6*c△TM│/t

工作强度越大，人体机能负荷越大，越不舒适，其中越接近0，越靠近舒适温度。再考虑相对湿度。

再考虑服装：当人体穿着透气服装之后，衣服能吸附空气中的水分子，此时增大人体散热。即在冬天和大风天气时，服装会加剧人体寒冷程度，使人体不适。

当人体穿着不透气服装，衣服对热量的保温作用增强，减少人体散热途径。在夏季或少风天气时迫使人体通过排汗散发更多的热量，容易使人体缺水甚至中暑。

3 讨论

该模型有一定的优点。引入了新的关于人体舒适度的判断指标，将主观化的人体舒适度转变为相对客观化的标准[9]。同时在湿度上我们仅改变湿度的对比更加的富有新意。建立的模型的原理简单易懂，簡化了计算，并且切实可行。我们使用软件较少，但保证了图像的直观性，模型逻辑性较强。

模型具有一定的局限性。难以做到将黄白黑三大人种，国内外各地区具体环境，个人对不同环境耐受度等因素对模型的影响考虑进模型中。由于数据、软件等限制，模型无法将湿度与温度建立确切的函数关系式。

参考文献

王丽娟，刘艳峰，刘加平.非均匀非稳态温度对人体散热影响的实验研究[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版）. 2016， 48（2）：274-276+295.

朱学玲，任健.人体舒适度的分析与预报[J].气象与环境科学. 2011， 34（S1）：131-134.

王丽娟，刘艳峰，刘加平.风速对人体散热特性影响的实验研究[J].西安工程大学学报. 2015， 29（05）：567-572.

Morabito M， Crisci A， Messeri A， et al. Environmental temperature and thermal indices： what is the most effective predictor of heat-related mortality in different geographical contexts[J]？ ScientificWorldJournal. 2014， 2014：961750.

Lee KL， Chan YH， Lee TC， et al. The development of the Hong Kong Heat Index for enhancing the heat stress information service of the Hong Kong Observatory[J]. Int J Biometeorol. 2016， 60（7）：1029-1039.

Pappenberger F， Jendritzky G， Staiger H， et al. Global forecasting of thermal health hazards： the skill of probabilistic predictions of the Universal Thermal Climate Index （UTCI）[J]. Int J Biometeorol. 2015， 59（3）：311-323.

Vatani J， Golbabaei F， Dehghan SF， et al. Applicability of Universal Thermal Climate Index （UTCI） in occupational heat stress assessment： a case study in brick industries[J]. Ind Health. 2016， 54（1）：14-19.

Fallah Ghalhari G， Mayvaneh F. Effect of Air Temperature and Universal Thermal Climate Index on Respiratory Diseases Mortality in Mashhad， Iran[J]. Arch Iran Med. 2016， 19（9）：618-624.

李大光，楊凤瑞，任柏合. 气象要素对人体舒适度预报的影响分析[J]. 农业与技术. 2017，37（12）：240.endprint