環(huán)境對(duì)人體的影響

環(huán)境對(duì)人體的影響

幾十年來(lái)，人類生物理學(xué)的主要目標(biāo)之一是對(duì)熱環(huán)境對(duì)人體的影響。在初始階段,評(píng)價(jià)人體舒適狀況一般都運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式,其中最典型也是使用最普遍的是Yaglou提出的實(shí)感溫度ET(EffectiveTemperature)。然而經(jīng)驗(yàn)公式的缺點(diǎn)在于沒(méi)有考慮所有相關(guān)的氣象參數(shù)、活動(dòng)、衣著以及個(gè)人參數(shù)如身高、體重、年齡、性別等,而克服以上缺陷的途徑就是估算人體熱量平衡。最早提出利用模型計(jì)算人體熱量平衡的是Buttner(1935),當(dāng)時(shí)已經(jīng)具備了量化人體與環(huán)境間熱量流的物理基礎(chǔ),但因熱量平衡模型的計(jì)算非常復(fù)雜,所以缺少計(jì)算機(jī)成為該模型應(yīng)用的最大障礙。60年代末期,隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,丹麥學(xué)者Fanger提出的熱舒適方程,開(kāi)創(chuàng)了熱量平衡模型在人類生物氣象學(xué)應(yīng)用的先河,隨后有大量學(xué)者應(yīng)用了人體熱量平衡模型。由于計(jì)算能力不再是限制因子,而且有可能考慮更加復(fù)雜的熱生理反饋過(guò)程,因此,相對(duì)于經(jīng)驗(yàn)指數(shù),熱量平衡模型具有更重要的意義,它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在人體舒適度、室內(nèi)氣候適宜性評(píng)價(jià)、環(huán)境溫度控制、城市規(guī)劃等許多方面。近年來(lái),我國(guó)各地人體舒適度研究和預(yù)報(bào)也在逐步興起,但仍多為經(jīng)驗(yàn)公式。本文旨在介紹熱量平衡模型及其在人體舒適度預(yù)報(bào)中的應(yīng)用。1食物作為人體的能量在自然界,任何物體之間總是相互不斷地進(jìn)行著能量的傳遞和交換。人作為有機(jī)生命體,與其他物體或周圍環(huán)境的能量交換比較復(fù)雜。人攝入食物經(jīng)氧化轉(zhuǎn)化為能量,一部分用于人體各器官的運(yùn)動(dòng)和對(duì)外作功,另一部分轉(zhuǎn)化為維持一定體溫所需的熱量,如果有多余的熱量還要釋放到周圍環(huán)境。以下簡(jiǎn)要介紹人體與環(huán)境的熱物理和熱生理過(guò)程。1.1人體熱量平衡模型人體新陳代謝率是熱平衡方程式中的主要得熱項(xiàng),這些能量一方面被用于維持人體各器官的生理活動(dòng)以及補(bǔ)償各種情況下所造成的熱量損失,使體溫維持恒定,另一方面被用于完成各種工作。在人體熱量平衡模型中僅考慮體內(nèi)凈得熱Η=Μ-W=Μ×(1-η)。(1)H=M?W=M×(1?η)。(1)式中,H為體內(nèi)凈得熱;M為代謝率(依不同的活動(dòng)量而發(fā)生變化);W為人體所作的機(jī)械功;η為機(jī)械效能系數(shù)(0%~20%)。1.2周圍空氣的熱量人體表面(皮膚或衣服)與周圍環(huán)境空氣之間存在對(duì)流熱交換,當(dāng)人體表面溫度高于環(huán)境溫度時(shí),發(fā)生對(duì)流散熱;反之,人體通過(guò)對(duì)流從周圍空氣獲得熱量。對(duì)流熱交換可以定量為C=AD×fcl×hc×(Τa-Τs)。(2)C=AD×fcl×hc×(Ta?Ts)。(2)式中,C為對(duì)流熱交換;AD是人體裸露部分表面積,可根據(jù)身高體重來(lái)推算;fcl為服裝的面積系數(shù)(取1.15);hc為熱量交換系數(shù)(與氣流速度有關(guān),取4.0W·m-2·℃-1);Ta為環(huán)境空氣溫度;Ts為皮膚溫度。1.3人體輻射熱交換量化ls輻射熱交換描述了人體和環(huán)境之間的輻射熱量交換,當(dāng)人體表面溫度高于環(huán)境壁面(如墻面、地面、天花板等)溫度時(shí),熱量會(huì)以輻射能的形式傳給環(huán)境,人體失熱;反之,則人體得熱。輻射熱交換由斯蒂芬-波爾茲曼定律可量化為R=AD×fcl×feff×εp×σ×(Τ4mrt-Τ4s)。(3)R=AD×fcl×feff×εp×σ×(T4mrt?T4s)。(3)式中,R為輻射熱交換;feff為有效輻射表面系數(shù),與人的性別、體重、身高、體型關(guān)系不大,對(duì)于坐態(tài)的人feff約為0.696;εp為人體輻射率(取皮膚和服裝的輻射系數(shù)的平均值0.97);σ為斯波常數(shù);Tmrt為環(huán)境的平均輻射溫度(取決于環(huán)境中的長(zhǎng)波和短波輻射量)。1.4熱損失的計(jì)算通過(guò)水分蒸發(fā)散熱是人體調(diào)節(jié)體溫的有效手段,總的蒸發(fā)熱損失分成兩部分:一部分是呼吸造成的熱損失;另一部分則是皮膚造成的蒸發(fā)熱損失。一般地,從呼吸道表面(粘膜)到呼出氣體,呼出氣體比吸入空氣具有較高的溫度和濕度。呼吸造成的潛熱損失可以表示為ERel=V×r×(pVa-pSVΤek)/p(4)式中,ERel為呼吸潛熱損失;V為呼出的氣體量(為人體代謝率M的函數(shù));r為水的汽化熱;pVa為環(huán)境水汽壓;pSVTek為呼吸溫度時(shí)的飽和水汽壓;p為大氣壓。呼吸從人體帶走水分,造成潛熱損失,同時(shí)由于環(huán)境空氣的溫度與人體溫度不一致,吸入的空氣經(jīng)過(guò)呼吸道被加熱,也會(huì)造成顯熱損失,這項(xiàng)熱損失可以計(jì)算為ERes=V×cp×(Τa-Τex)。(5)式中,ERes為呼吸顯熱損失;cp為空氣的定壓比熱;Tex為人體呼出的氣體溫度(通常取34℃)。皮膚蒸發(fā)也是熱量散失的重要方面,人體通過(guò)出汗,并使汗液在皮膚表面完全蒸發(fā)可以帶走汽化潛熱。事實(shí)上,汗液的蒸發(fā)可以分成以下幾種情況。(1)人體皮膚表面看上去是干燥的,沒(méi)有汗液造成的濕潤(rùn)情況,但事實(shí)上人體的一部分水份仍然通過(guò)皮膚表層直接蒸發(fā)到周圍空氣中去,稱為“隱汗”?？梢粤炕癁镋D=m×r×(pVa-pSVsk)。(6)式中,ED為隱汗熱損失;m為皮膚表面水蒸汽的滲透系數(shù)(在舒適條件下約為1.271×10-6);pSVsk為皮膚表面的飽和水汽壓。簡(jiǎn)化為ED=3.054(0.256×Τs-3.37-p)。(2)當(dāng)人體處于熱的環(huán)境條件或者高的新陳代謝率(如重體力勞動(dòng))引起的熱緊張狀態(tài)時(shí),出汗是最有效的熱調(diào)節(jié)過(guò)程,在許多模型中開(kāi)始出汗由平均體溫的函數(shù)來(lái)參數(shù)化。出汗率的方程為SW=8.47×10-5×[(0.1×Τs+0.9×Τc)-36.6]。(7)式中,SW為出汗率;Tc為體內(nèi)溫度。因此,在計(jì)算汗液蒸發(fā)Esw時(shí),有兩種情況必須分開(kāi),一是產(chǎn)生的汗液少于人體表面可以蒸發(fā)的量,也就是說(shuō)所產(chǎn)生汗液都將被蒸發(fā),即Esw=SW×r。(8)二是身體的潛在蒸發(fā)小于產(chǎn)生的汗液量,這說(shuō)明有部分汗滴落下來(lái),對(duì)帶走體內(nèi)人體熱量沒(méi)有貢獻(xiàn)。這時(shí)潛在蒸發(fā)的熱量損失Esw可量化為Esw=(AD×r×hc×0.622/p)×(pVa-pSVΤek)。(9)1.5血液循環(huán)流量vb的參數(shù)化人體熱量平衡不僅僅是物理問(wèn)題,還必須考慮重要的熱生理過(guò)程。除了出汗外,外圍血管的收縮和舒張、顫栗也是人體調(diào)節(jié)熱量平衡的重要手段。根據(jù)環(huán)境的熱狀況,人體外圍血管舒張或收縮,通過(guò)這種熱量調(diào)節(jié)來(lái)影響熱量散失。當(dāng)血管舒張,更多的血液從體內(nèi)流向體表,導(dǎo)致皮膚溫度上升,體表和環(huán)境的溫度梯度增加,因而人體有更多的能量散失。當(dāng)環(huán)境溫度高于人體表面溫度,血管收縮導(dǎo)致相反的效果,節(jié)約人體熱量。為了考慮熱量平衡中的血管舒張和收縮規(guī)律,必須對(duì)它們進(jìn)行參數(shù)化。從體內(nèi)到體表的血液循環(huán)流量vb可參數(shù)化為vb=[6.3+75×(Τc-36.6)]/[1+0.5×(34.0-Τs)]。(10)1.6顫板栗時(shí)增設(shè)33倍的熱在非常冷的環(huán)境中,盡管血管收縮體內(nèi)溫度還是下降,當(dāng)體內(nèi)溫度下降到某一閾值就開(kāi)始顫栗,顫栗時(shí)新陳代謝率可以增加2~3倍,這一附加的熱量增加過(guò)程可以參數(shù)化為Μshiv=19.4×(34.0-Τs)×(37.0-Τc)。(11)其中,Mshiv為顫栗產(chǎn)生熱量。如果Mshiv為負(fù)值,則設(shè)其為0。1.7人體溫s計(jì)算由以上討論的熱量獲取或散失,熱量平衡方程可以表示為Η+C+R+ED+ERes+ERel+Esw=S。(12)式中,S為人體蓄熱。當(dāng)人體產(chǎn)熱和散熱相等時(shí),S=0;若產(chǎn)熱多于散熱,S>0,可導(dǎo)致體溫上升;散熱多于產(chǎn)熱時(shí),S<0,可導(dǎo)致體溫下降。2熱平衡模型以熱量平衡方程為基礎(chǔ)可以推導(dǎo)出很多熱量平衡模型,以下介紹幾種的熱量平衡模型以及相應(yīng)的衡量舒適狀況的指標(biāo)。2.1皮膚熱舒適標(biāo)準(zhǔn)在(12)式中假定氣象參數(shù)、衣著特征和活動(dòng)已知,仍然有4個(gè)未知量,即皮膚溫度(Ts)、衣服表面溫度(Tcl)、出汗率(SW)和蓄熱(S)。Fanger通過(guò)數(shù)百人在人工氣候室上千次的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)Ts和SW可以用舒適狀態(tài)的平均值代替。為了能夠解尚有兩項(xiàng)未定量的熱量平衡方程,還需要一個(gè)方程。這一方程表述了從皮膚表面通過(guò)皮膚層到達(dá)衣服表面的散熱量(Fsc)Fsc=1/Ιcl×(Τs-Τcl)。(13)式中,Icl為衣服的保暖能力。模式將根據(jù)氣溫自動(dòng)設(shè)置,如氣溫15~25℃,Icl為1.0克羅(clo),而Fsc等于對(duì)流和輻射散熱之和(R+C)。通過(guò)(12)、(13)式,可以計(jì)算出S。值得指出的是S不是自然環(huán)境下人體的真正蓄熱量,因?yàn)檩斎胫礣s和SW不是真值而是舒適值,但是S提供了離開(kāi)舒適狀態(tài)(S=0)的偏差這一信息。定義在一定活動(dòng)量下,為了保持皮膚平均溫度Ts和皮膚蒸發(fā)散熱在舒適范圍內(nèi)時(shí)人體內(nèi)的產(chǎn)熱與對(duì)環(huán)境的散熱之差為人體熱負(fù)荷,記為L(zhǎng)。Fanger提出并利用經(jīng)驗(yàn)回歸分析計(jì)算了一個(gè)熱舒適環(huán)境指標(biāo)——PMV值(PredictedMeanVote),ΡΜV=f(L?Μ)=(0.303e-0.036×Μ+0.0275)×L。(14)由此計(jì)算出PMV值可衡量熱舒適狀況。2.2皮膚熱生理模型Fanger的舒適方程是衡量舒適度的理想方程,但不能計(jì)算環(huán)境條件下真正的熱量流和人體溫度。這里介紹另一人體熱量平衡模型——MEMI(MunichEnergyBalanceModelforIndividuals)。在這個(gè)模型中,皮膚溫度不是假設(shè)的而是模型計(jì)算的結(jié)果,出汗率是體內(nèi)和皮膚溫度的函數(shù)((7)式),在這個(gè)模型中Ts、Tc、Tcl和S在計(jì)算開(kāi)始時(shí)是未知參數(shù),除了(12)和(13)式以外還需要另外的方程,即體內(nèi)到皮膚的熱量FCSFCS=νb×ρb×cb×(Τc-Τs)。(15)式中,νb代表從體內(nèi)到皮膚的血流量;ρb為血液濃度;cb為血液的比熱。如果給定氣候條件、活動(dòng)量、衣著類型,運(yùn)用(12)、(13)、(15)式可以計(jì)算相關(guān)的熱量分量和體內(nèi)溫度、出汗率等有關(guān)人體熱生理的參數(shù)?；贛EMI模型,H¨oppe定義了新型的人體感覺(jué)溫度(TPE),在某一室內(nèi)或室外環(huán)境中,人體參加輕體力活動(dòng),其體內(nèi)溫度和皮膚溫度達(dá)到熱量平衡態(tài)時(shí)相應(yīng)氣溫即為TPE。3東北方人體舒適性預(yù)報(bào)試驗(yàn)由以上分析,可以知道人體熱量平衡方程中各熱量項(xiàng)主要受氣象條件影響:氣溫(C、ERes),濕度(ED、ERel、ESW),氣流速度(C、Esw),平均輻射溫度(R)。因此,如果設(shè)定人體熱量平衡方程中的有關(guān)參數(shù)并且給定以上4個(gè)氣象參數(shù)就可以進(jìn)行人體舒適狀況的預(yù)報(bào)。在實(shí)際應(yīng)用中,設(shè)定了以下人體參數(shù):男性35歲,身高175cm,體重75kg,坐位,輕體力工作,做功80W。接下來(lái)運(yùn)用上海有限域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和MEMI模型實(shí)現(xiàn)了華東地區(qū)人體感覺(jué)溫度(TPE)的計(jì)算和預(yù)報(bào)。表1中列舉了華東地區(qū)省會(huì)城市2000-11-06T14的體感溫度,參照國(guó)外體感溫度和人體感覺(jué)等級(jí)規(guī)定(表2),可以作出人體舒適度預(yù)報(bào)。人體感覺(jué)溫度能夠衡量人體在氣溫、輻射溫度、水氣壓和風(fēng)速等氣象條件綜合影響后的熱舒適感覺(jué)。從表1可以看出,濟(jì)南和南昌相比,濟(jì)南溫度和平均輻射溫度都較低,且風(fēng)速較大,體感溫度比氣溫低,而南昌則體感溫度與氣溫接近;杭州和合肥相比,盡管氣溫和平均輻射溫度接近,但由于杭州濕度大、風(fēng)速小,體感溫度比合肥高。目前我們正用人體熱量平衡模型進(jìn)行人體舒適度預(yù)報(bào)的試驗(yàn)運(yùn)行,為了考察體感溫度的逐日變化情況,考察2001年3月下旬預(yù)報(bào)情況以及與常規(guī)舒適度指數(shù)進(jìn)行對(duì)比(表3)。由表3可以看出:(1)體感溫度能夠反映出逐日氣象要素變化后的人體感覺(jué)狀況,比常規(guī)的舒適度指數(shù)具有更高的敏感性;(2)體感溫度具有與溫度同樣的單位(℃),便于公眾理解接受,與氣溫進(jìn)行比較,能夠反映出人體感覺(jué)溫度與氣溫的差異(比感覺(jué)溫度高了,還是低了);如3月30日,31日天氣晴好,日照充足,風(fēng)速小,所以感覺(jué)溫度要比氣溫高。4體感溫度與人體熱量平衡模型(1)人體在環(huán)境中所受氣候的影響,是許多氣象要素綜合作用的結(jié)果。雖然人們常用氣溫來(lái)表示環(huán)境的冷熱,但是,人對(duì)外界冷熱的調(diào)節(jié)和舒適感,不能根據(jù)氣溫或其他單一的氣象要素來(lái)評(píng)價(jià)。人體和環(huán)境之間的熱物理和熱生理過(guò)程,除了受氣溫