黄晓齐
摘要：讨论人体新陈代谢发热率及其影响因素；论述节能建筑中舒适的环境温度、空气相对湿度、空气ii速以及新鲜空气供给量的最佳值范围；同时考虑皮肤和肺部的显热散热和蒸发潜热散热，建立了传热难型，得出了计算公式。
关键词：人体；传热；模型；节能建筑
中图分类号：TK124文献标识码：A文章编号：1004—7948（2005）11—0032—03
1引言
节能建筑要求以最低的能耗为代价，给人类提供供最适宜居住、工作、生活和活动的场所。由于人与环境之间必然有热交换，所以人体传热研究正成为一个热门课题。文章首先讨论人体新陈代谢之热率及其影响因素，并介绍了各种活动中新陈代谢发热率的计算，为人体内热源的计算打下基础。接着论述人体的舒适环境，确定环境温度、空气相对湿度、空气流速和新鲜空气供给量的最佳值范围，为节能建筑的传热计算提出基本数据。最后分析从人体到环境的各种传热方式，建立了人体传热模型，得出了分别通过皮肤和肺部的显热散热率和蒸发冷却潜热散热率的计算公式。文中还有各种活动中新陈代谢发热率、人体表面积、衣着热阻、着衣人体上的对流换热系数和辐射换热系数的数据和计算公式，可供热设计参考。
2新陈代谢发热率
人体内约有100万亿个平均直径约为0.0lmm的细胞。细胞内每秒钟发生千万次化学反应，一些分子分解，释放出能量，一些新分子生成。这种细胞内的高级化学反应称为新陈代谢。它维持人体的体温。从能量转换观点来看，新陈代谢就是将人体内的碳氢化合物、脂肪和蛋白质等进行燃烧，使食物化学能转化为热能，最终散失于周围环境中。因此，新陈代谢的释能速率就是传热学中的内热源发热率，可称为新陈代谢发热率，用met(w)表示。met不是常数，显然与下列四个主要因素有关：
(1)活动量：活动量愈大，新陈代谢发热率愈大。一个普通男子（指年龄30岁，体重70kg，身高约1.73m的男性，下同）睡眠时met约为72W；读书写字时约为100W；以5km/h速度步行时约为270W；
(2)年龄：年龄大，新陈代谢发热率低。一个20岁的男青年最大met可达1250W，而一个70岁的老头仅为750W；
(3)性别：女性新陈代谢发热率比男性低，为男性的70%；
(4)人体表面积：新陈代谢发热率与体重和身高成正比，可综合为与裸体人表面积As成正比。下裸体表面积可用下式估算：
As＝0.202M0.425H0.725（1）
式中，As一裸体表面积，m2；M一体重，kg；H一g高，m。对上述普通男子，
As＝0.202"700.425"1.730.725＝1.8m2
由于新陈代谢发热率met与裸体表面积As成正比，则
met＝metAs(2)
式中，met一单位裸体表面积上的新陈代谢发热率，W/m2。met的数值可在表1中查到，按式(1)、(2)就可算出met，求得人体内热源发热率。
3舒适环境
当人体处于稳定状态时，人体新陈代谢发热率必等于总散热率，散失于环境中。故建筑物环境与人体舒适感密切相关。主要的四个影响因素是：
(1)环境温度：实验表明，对大多数着衣、静止或干轻活的人，23～27℃为最舒适范围；若未着衣，则为29～31℃。此环境温度可粗略近似为空气温度与周围壁表面温度的平均值。由于它直接影响人体与环境之间通过显热方式的热交换，故为主要因素；
(2)空气相对湿度：空气相对湿度表征了空气中所含水蒸气接近饱和状态的程度，反映了空气的吸湿能力，故其高低影响人体水分向外蒸发散热的快慢，即通过潜热散热的多少。实验表明，相对湿度为30％～70％时，人体感觉不错，以50％为最佳；
(3)空气流速：流动空气可将人体附近温度较高、相对湿度较大的空气吹散，代之以新鲜空气。但若其流速过大，对流换热量大，皮肤有过凉之感，故以低速为宜。夏季应低于0.25m/s，冬季应低于0.15m/s；
(4)新鲜空气供给量：这是影响人体健康和工作效率的因素。要求每人的新鲜空气供给量至少为7.5L/s(7.5×10－3m3/s)。
必须指出，令每一个人都满意的环境是很难实现的，故上述舒适环境是以90％的认可率来确定的。在此舒适环境中，人体处于热稳定状态，新陈代谢发热率等于总散热率，人体各系统功能正常，维持正常体温。这时，深部体温大约为37℃，皮肤平均温度约为33℃。
4人体传热热模型和计算公式
4.1皮肤散热
考虑到脚和坐椅与地面的接触面积相对较小，且有鞋袜和坐椅的隔热作用，皮肤到地面的导热可略去；此外，皮肤与衣着内表面的实际接触是在一些分散的面积元上，二者之间有接触热阻，则皮肤的显热散热环节为：从皮肤通过接触热阻Ri到衣着内表面；从衣着内表面通过导热热阻Rcd到衣着外表面；再从衣着外表面同时通过对流热阻Rcv和辐射热阻Rr到环境。由于问题的复杂性，将前两个环节一并用衣着热阻Rclo来考虑，即Rclo是Ri和Rm的等效串联热阻。它显然与衣着面积有关，衣着面积热阻Rclo,A的大小常用clo表示，1clo=0.155(m2"℃)/W。大量实验表明，当人穿长袖衬衫和长裤时，Rclo,A≈1clo；穿短袖衬衣和短裤时，Rclo,A≈0.5clo；穿毛衣、厚长裤和夹克衫时，Rclo,A≈1.5clo。
对流面积热阻Rcv,A=1/h，hcv为衣着外表与室内空气的对流换热系数。在室温变化范围内，空气的热物理性质变化不大，故hcv只与人体姿势和空气流速u有关，其关联诗如表2所示。
表21atm下一般着衣人与室内空气间的对流换热系数hcv
﹡空气压力p≠1atm时，hcv为表中数据再乘以修正因子p0.55(p，atm)。
辐射面积热阻Rr,A=1/hr，hr为衣着外表与周壁间的辐射换热系数。若周壁温度与空气温度很接近，hr可按凸表面在大包壳中的辐射换热公式折算如下：
hr＝εcloσ〔（tclo＋272）2＋（t0＋273）2〕〔（tclo＋273)＋（t0＋273））(3)
式中，εclo为衣着发射率；σ=5.67×10－8W/(m2"k4)；t0为衣着表面温度，℃；t0为空气温度，℃。
于是，皮肤到环境的显热散热率为
s,1＝Aclo(ts－t0)/〔Rclo,A＋1/(hcv＋hv)〕(4)
式中，s,1一皮肤显热散热率，W；Aclo一衣着外表面面积，m2；ts一表肤温度，℃；t0一室内空气温度，℃；Rclo,A一衣着表面积热阻，(m2"℃)/W，其值见上述实验数据；hcv一衣着外表面与空气的对流换热系数，W/(m2"℃)，可按表2计算；hr一衣着外表的辐射换热系数，W/(m2"℃)，可按式（3）计算。
此外，人体还通过皮肤的水分扩散和汗液蒸发向外蒸发散热，单位时间吸收的汽化潜热为
Qs,2＝s,vγs(5)
式中，Qs,2一皮肤潜热散热率，W；s,v一皮肤水分蒸发速率，kg/s；γs一皮肤上水分的汽化潜热，kJ/kg。
s,v显然与环境空气的相对湿度、衣着透湿性、尤其是人体活动量有关，变化很大。但一般人最大的s,v约为1L/h(0.3g/s)。取30℃时γs=2430kJ/kg，不同蒸发率s,v下，按式（5）计算的皮肤潜热散热率s,2如表3所示。
(5)和式(6)相加，即得皮肤总散热率s：
4.2肺部散热
人吸入环境空气，通过与肺部的对流换热（见图1），呼出温度升高，故
式中，1,1一肺部显热散热率，W；1,a一吸入肺部的空气质量流量，kg/s；p,a一吸入与呼出空气温度间空气的平均定压比热，p,a≈1.0kJ/kg；tl,ao一呼出空气温度，tl,ao=34～35℃；t0一环境空气温度，℃。
此外，由于肺部水分蒸发，呼出空气含湿量增加，而吸入和呼出的干空气质量变化很小，则蒸发带走的汽化潜热为
式中，1,2一肺部蒸发潜热散热率，W；1,a一吸入的（湿）空气质量流量,kg/s；dl,ai、dl,ao一吸入和呼出的（湿）空气的含湿量，kg(vapor)/kg(dryair)；γ1一肺部水的汽化潜热，kJ/kg。
式（7）和式（8）相加，得肺部散热率1为
不过，式（9）中要用到含湿量的测算数据，计算不太方便。若考虑到1,a与met成正比；p,a=1kJ/(kg"℃)；t1,a=34℃，含湿量随水蒸气分压力增加而增加，呼出空气中所含水蒸气接近饱和，体内深部温度（37℃）对应的饱和水蒸气压力为5.87kPa，汽化潜热γ1=2400kJ/kg；环境空气中所含水蒸气分压力Pv,o用kPa表示，则式（9）可改写为：
由于met可按表1确定；t0可直接测出；只要用相对湿度计测出相对湿度φ，用大气压力计测出大气压力P0，则Pv,o=φP0，1就可算出。
4.3人体传热模型
人体总散热率1为皮肤散热率s与肺部散热率1之和。式（6）与式（10）相加，得
当人体处于热稳定状态时，人体总散热率必等于新陈代谢发热率met：
当人体处于热非稳定状态时要区分冷、热环境两种情况：在冷环境中，met。这时，输送给皮肤的血流量增大，皮肤温度上升，并通过汗腺，加大蒸发散热，使加大，来维持深部体温为37℃。若不奏效，深部体温升高，高于38℃，动作迟钝；高于41℃，热中风；高于43℃，可导致死亡。
5结束语
文章不仅考虑了皮肤，也考虑了肺部；不仅考虑了导热、对流和热辐射等方式的显热散热，还考虑了蒸发冷却方式的潜热散热，因此，建立的传热模型全面，得出的计算公式较一般只考虑皮肤对流和热辐射的公式更精确。
参考文献
YunusA.Cengel.HeatTransfer．SecondEdition.NewYork：McGraw-HillCompany，2003．
（采暖居住建筑节能检验标准）(JGJ32一2001)．