[科普中国]-热舒适方程

人体在煤矿井下为了维持正常的体温，必须使产热和散热保持平衡，而这个过程中所遵循的就是热平衡方程。

关于着装人体热舒适方程的计算与分析人体正常体温维持在37℃左右，而正常体温的维持实际是人体产生和散发热量动态平衡的结果。人体的各种生理活动，都必须在体内温度相对稳定的情况下进行，即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会产生较大的影响，因此，为了保证人体正常的生理活动和良好的人机工效，人体在进行自身的生理调节之外，要维持人体热平衡必须控制周围温度环境，保证人体产生的热量能够及时散发到周围环境中，从而达到维持人体热平衡的目的。为此，根据能量转换与守恒定律，主要对人体产热的机理、散热的机制以及影响散热的因素进行了全面分析，讨论了维持人体热平衡的主要影响因素和计算方法。该研究对环境的热舒适评价及特种服装的设计提供了理论依据。

人体热舒适方程 根据能量转换与守恒定律，人体的能量变化可描述为

式中，S为人体蓄热率，W/m²；M为人体代谢量，W/m²；W为人体对外做功，W/m²； 表示着装人体表面与环境的传导换热，W/m²； 表示着装人体表面与环境对流换热，W/m²； 为着装人体表面与环境辐射换热，W/m²； 为人体皮肤扩散蒸发热损失，W/m²； 为人体皮肤表面汗液的蒸发热损失，W/m²； 为呼吸潜热损失，W/m²； 为呼吸显热损失，W/m²；EP为排泄消耗的热损失，W/m²。

由于人体表面的对流散热包含对流和传导，因此，一般不考虑传导散热，可认为 ；另外，由于排泄带走的热量相对较少，只占1.5%，所以通常可忽略不计，即EP=0。人体在体温调节机制的控制下，产热和散热这2个生理过程取得动态热平衡时，体内没有明显的热积蓄，即S=0。所以人体热舒适方程为

式中，K为通过人体表面导热形成的显热损失，它包括服装表面的对流与辐射散热。由于式（2）为人体着装热舒适方程，式中的每一项都受物理法则的支配，可依据自然界中物体散热的定律来计算。

人体着装热舒适方程中各物理项的计算人体与环境对流交换热

着装人体表面的对流换热量为

式中， 表示服装面积系数，是着装的人体表面积与裸体表面积之比；α为人体外表与环境的对流换热系数； 为着装人体外表平均温度； 为人体周围空气温度。由于着装人体外表平均温度 的测定比较困难，所以通常采用加权平均测温法。影响对流换热系数α的因素众多，而计算α的理论公式和实验公式较多，其中，Fanger采用了自然对流和强制对流换热系数的较大值，即

式中，v为环境中的风速，m/s。

人体的表面与环境辐射换热量

人体表面与环境辐射换热量为

式中， 人体有效辐射面积系数，无因次；ε为着装人体外表面平均黑度，即辐射系数，无因次；σ为黑度辐射常数， ； 为环境的平均辐射温度，K。通常情况下，人体的有效辐射面积系数取0.71，人体表面平均黑度取0.97，所以式（5）可变为

人体的蒸发散热

蒸发散热是人体向环境散热的一个重要途径。环境温度愈接近体表温度，由辐射和对流散失的热量愈少，当环境温度高于体表温度时，身体还会从环境得热，这时连同体内产生的热量一起，只有靠蒸发才能散失，蒸发热交换为

式中，为人体平均皮肤温度，℃；为人体周围空气中的水蒸汽分压力，Pa。

人体皮肤表面汗液蒸发热损失

人体汗液蒸发热损失取决于出汗量，而出汗量与活动量、服装环境温度有关，难以直接计算。1970年，Fanger对美国大学年龄的青年男女进行了实验，对数据点回归后得

人体呼吸的潜热损失

人体在呼吸过程中，由于呼吸道水分的蒸发，使呼入空气与呼出空气的含湿量不同，因此，形成呼吸潜热损失，如果将呼吸量归纳为新陈代谢率的线性函数，而将含湿量差归纳为人体周围空气中的水蒸汽分压力和人体周围空气温度的函数，假设人体周围空气温度=20℃，则呼吸潜热损失可近似表示为

人体呼吸造成的热损失

呼吸热损失是指由于人体肺部吸入的空气与呼出的气体温度存在差异而产生的换热。若近似取呼出的空气温度为33℃，则得呼吸热损失为

人体表面导热形成的显热损失

人体的对流和辐射热损失部分是通过服装传导至服装外表面后，再散发到外界环境中。根据傅立叶热传导定律，人体表面导热形成的显热损失为

式中，为服装保暖量，clo。将式（3～（11）代入式（2）中，得人体着装热舒适方程为

由式（12）可以看出，人体着装热舒适方程中包含着与人体、服装和环境有关的3个变量，当人处在一定的环境中时，其热舒适感觉受人本身、服装和环境的影响，是三者综合作用的结果。

结束语根据能量守恒和能量转化原理，分析了人体产热的机理、散热的机制以及影响散热的因素，得到了人体着装热舒适方程；同时，根据自然界中物体散热的定律，给出了热舒适方程中各物理项的数学表达式。分析及计算结果表明，要维持人体正常的生命活动以及必要的工作效率，就必须维持人体的相对热平衡；当人处在一定的环境中时，其热舒适感觉受其本身、服装和环境的影响，是三者综合作用的结果。该方法简单易行，对人体热平衡计算、环境的热舒适评价及特种服装的设计具有一定的指导意义。1

本词条内容贡献者为:

杨明 - 副教授 - 西南大学