人因工程学(王雁)第3章微气候环境.ppt
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1、第三章 微气候环境,本章基本要求,了解微气候环境的构成要素,各要素测定方法,微气候环境对人的影响的综合性。通过人体热平衡方程式掌握人体与外界热交换方式,各种热交换的影响因素,为维持人体热平衡提供改进方向。了解人对微气候环境的主观感受,掌握微气候环境的评价方法。掌握特殊环境(高温和低温)对人的影响,及微气候环境改进措施。,本章主要内容,微气候要素及其相互关系人体的热交换与平衡微气候环境对人的影响改善微气候环境的措施,第一节 微气候要素及其相互关系,微气候是指生产、生活过程中现场所处的局部环境中的气候状况,包括下列4个最重要的参数:空气温度 空气湿度 气流速度(风速)热辐射微气候环境直接影响人的情
2、绪、疲劳程度、健康、舒适感觉和工作效率。,一、空气温度(气温),气温:空气的冷热程度。人们生产或生活所处局部环境的气温除受大气温度影响外,还受现场设备、产品、加工零件和原材料等冷热源和人体散热的影响。气温通常由干球温度计(寒暑表)测定,称为干球温度。气温的标度分摄氏温标()和华氏温标()。两种温标的换算关系为:(3-1)(3-2),二、空气湿度,湿度:空气的干湿程度,分为绝对湿度和相对湿度。(1)绝对湿度:每立方米(m3)空气内所含的水汽克数。(2)相对湿度:某气温、压力条件下空气的水汽压强与相同温度、压力条件下饱和水汽压强的百分比。生产与生活环境场所的湿度常用相对湿度表示。相对湿度在70%以
3、上称为高气湿,低于30%称为低气湿。相对湿度可用通风干湿表或干湿球温度计测量。干湿球温度计中,湿球温度计指示的温度叫湿球温度,干球温度计指示的温度叫干球温度,根据湿球温度和干球温度找出相对湿度。,二、空气湿度,图3-1便携式温湿度计,单片机的广泛应用和半导体存储器件技术的发展促进了智能湿度测量技术的发展。几种基于半导体温度、湿度传感器,微型计算机完成计算,半导体记忆器件存储数据的便携式实时测量系统已得到广泛使用。如便携式温湿度计(见图3-1)、智能湿度测量仪和单片微机测湿系统。它们都无须人工干预,实时性强,可以处理较多的数据;有的还可配多种探头以适应不同测量要求,实现在线数据记录、图形记录等;
4、同时,配备报警功能以视觉、听觉、电子邮件形式发出报警信号。,三、气流速度(风速),气流速度:空气的流动速度(m/s)。人类作业或生活起居场所中的气流速度除风力影响外,主要是由于冷热空气对流所致。冷热温差越大,产生的气流也越大。气流速度的大小对人体散热速度产生直接影响,因此它是评价微气候条件的主要因素之一。,三、气流速度(风速),测定室内气流速度一般用热球微风仪,这是一种测量低风速(测量范围:0.051m/s)的仪器。如图3-2、图3-3、图3-4所示。,图3-4便携式风速仪,图3-2 电子(热球)微风仪,图3-3 手持式风向风速仪,四、热辐射,热辐射:物体在绝对温度大于0K时的辐射能量。热辐射
5、是一种红外线,它不能加热气体,但能被周围物体所吸收而转变成热能,从而使物体升温,成为二次辐射源。人体也向外界辐射热量。当周围物体表面温度超过人体表面温度时,周围物体向人体辐射热能使人体受热,称为正辐射;反之,称为负辐射。热辐射强度:热辐射体单位时间、单位面积上所辐射出的热量(J/cm2min)。,四、热辐射,测量热辐射可用黑球温度计。黑球温度计是一种球形温度计,如图3-5所示。它是在直径为15.7mm的铜制球形表面涂上黑颜色(为无光泽黑球),球内插一支水银温度计制成。其平均辐射系数为0.95,铜球越薄越好。测量范围为20120,精度为1。打开热辐射源,黑球温度上升,关闭热辐射源,黑球温度下降,
6、其差值为实际辐射温度。,图3-5 黑球温度计,五、微气候各要素之间的相互关系,在人类作业或起居环境中,气温、湿度、热辐射和气流速度对人体的影响是可以相互替代的。例如:在相同热辐射条件下,下面三种不同环境中,人体具有相同的热环境感觉:气温17.7,相对湿度100%,风速0m/s;气温22.4,相对湿度70%,风速0.5m/s;气温25.0,相对湿度20%,风速2.5m/s;我们把微气候参数以及对冷热感觉有显著影响的微气候参数的各种组合的综合指标,称之为微气候指标,其中重要的组合有:空气温度和周围表面温度;空气温度、周围表面温度和气流速度;空气温度、周围表面温度、气流速度和相对湿度;空气温度、气流
7、速度和相对湿度;空气温度和相对湿度。,第二节 人体的热交换与平衡,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。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,即对流、传导、辐射和蒸发。,人体热交换方式及其影响因素,对流,一般指人体将热量传递给(温度较低的)空气,空气流动将热量带走。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。当气温达到34.5以上,对流基本失效。传导,当人体接触低于体温的物体时
8、,热量向外传导。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。辐射,人体表面向外辐射出波长较长的红外线。取决于人体环境间的温度差、人体表面积、服装热阻值等。蒸发,皮肤表面出汗和由肺部排出水分散热。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。,几种散热方式的比例,测试条件:春秋季节、轻体力活动,日总排热量3000kcal,一、人体的基本热平衡方程式,人体的热平衡方程为:QsQmWQcQrQkQe(3-3)式中,Qs:人体的热积蓄或热债变化率(J/m2 h);Qm:人体的新陈代谢产热率(J/m2 h);W:人体为维持生理活动及肌肉活动所做的功;
9、Qc:对流换热率;Qr:传导换热率;Qk:辐射热传递率;Qe:蒸发热传递率;“”表示人体得热,“”表示人体散热。Qs=0 人体处于动态热平衡状态 Qs 0 产热多于散热,人体体温升高 Qs 0 散热多于产热,人体体温下降,一、人体的基本热平衡方程式,人体体温一天的变化,人体体温调节过程,人体体温调节过程,人体体温调节过程,二、人体对微气候环境的主观感受,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
10、。,二、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:季节。舒适温度在夏季偏高,冬季偏低。劳动条件。表3-1为在室内湿度为50,某些劳动的舒适温度指标。衣服。穿厚衣服对环境舒适温度的要求较低。,二、人体对微气候环境的主观感受,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。性别、年龄等。女子的舒适温度比男子高0.55;
11、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,二、人体对微气候环境的主观感受,2.舒适湿度 舒适的湿度一般为4060。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。据实验,在相当干燥的空气中,健康人能在50的高温中呆上两个小时,在70的高温中能呆上15分钟,在100的高温中呆上1分钟,而不受任何损害。但如果在45的湿空气中呆上1小时,就会发生中暑昏迷。当气温和湿度达到某一界限时,人体的热量散不出去,体温就要升高,以致超过人的忍耐极限,便会造成死亡事故。,二、人体对微气候环境的主观感受,3.舒适的风速 在工作人数不多
12、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l2m/s。我国采暖通风和空调设计规范中规定的工作场所风速如表3-2所示。,三、微气候环境的综合评价,研究微气候对人体的影响,不能仅考虑某个因素,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。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)。,不舒适指数,以人体对温度和湿度的感觉为例,舒伯特和希尔经过大量研究证明,最合适的湿度(
13、H,%)与气温(t,)的关系为:H=1887.2t(12.2t26)例如,室温t20时,湿度H=1887.22044,即44。针对这个情况,有人提出了一个不舒适指数DI来综合表征人体对温度湿度环境的感觉。DI(td tw)0.7240.6 式中,td为干球温度();tw为湿球温度()。不舒适指数不足之处是没有考虑风速。,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。,不舒适指数,表3-3 不同国家对不适指数的不适主诉率,有效温度,有效温度是指根据人体在微气候环境
14、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(CPYaglou)以干球温度、湿球温度、气流速度为参数,进行了大量实验,绘制成有效温度图。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。,图3-6 有效温度图,有效温度,有效温度对人感觉及工作效率的影响,如图3-7所示:有效温度高时,人的判断力减退,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。,图3-7 操作误差与有效温度,表3-4 有效温度对人体热感觉的影响,*热打击(出现威胁生命的突发事件,身体本
15、身不能充分凉下来),有效温度,人体对微气候环境的主观感觉,除与上述环境条件有关外还与人体的作业种类、作业负荷及着装等因素有关。,表3-5 不同作业的有效温度,三球温度指数(WBGT),三球温度指数也称为湿球黑球温度,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。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
16、WBGT=0.7WB+0.2GT+0.1DT,三球温度指数(WBGT),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。,表3-6 允许接触高温的阈值/,三球温度指数(WBGT),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(GBT172441998)。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。,注:表中“好
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