人因工程学第3章微气候环境

第三章微气候环境本章内容微气候要素及其相互关系人体与微气候环条件的感受与评价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•微气候又称生产环境的气候条件，是指生产环境局部的气温、湿度、气流速度以及工作现场中的设备、产品、零件和原料的热辐射条件。•包括下列4个重要参数：气温湿度气流速度热辐射条件•微气候环境直接影响人的情绪、疲劳程度、健康、舒适感觉和工作效率。一、空气温度（气温）（Airtemperature）空气的冷热程度叫做气温。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（℉）。我国法定采用摄氏温标（℃），而美国则常采用华氏温标（℉），两种温标的换算关系为二.湿度（Humidity）表示空气的干湿程度。种类：绝对湿度、相对湿度。（2）相对湿度：在某温度、压力条件下，空气的水气压强与相同温度、压力条件下的饱和水蒸气压强的百分比，成为该条件下的相对湿度。（1）绝对湿度：每立方米空气中所含的水蒸气克数（水蒸气的密度）称为绝对湿度（g/m3）。绝对湿度直接测量很困难。100%fF式中，f为某温度、压力条件下，空气的水汽压强，F为相同温度、压力条件下的饱和水蒸气压强。生产环境中的湿度通常用相对湿度表示。测量湿度的仪器：通风干湿表或干湿球温度计。图示湿球温度比干球温度略低一些，根据干球、湿球温度，查表5-1（P84）即可得出相对湿度。用湿敏元件制成的湿度计可直接测出空气的相对湿度。70%例如：当时，为高湿度（高气湿）环境，主要是水蒸发引起的。如纺织、酿造、印染、造纸、隧道作业等。当时，为低气湿环境。如冬季高温车间。30%三.热辐射物体在绝对温度大于0K时的辐射能量称为热辐射。例如：太阳、熔炉、加热物体、红外辐射等。黑球温度计：它是表面镀黑的薄铜板制成的空心球，球体中心部分插入一支水银温度计。测量时，打开热辐射源，温度计指示的温度是辐射热与气温的综合效应，再关闭热辐射源得一温度值，前后二温度值的差值即为实际的辐射温度。正辐射：周围物体向人体辐射，使人体受热。反之则称为负辐射。热辐射强度：热辐射体单位时间、单位表面积上所辐射出的热量测量热辐射的仪器：黑球温度计（辐射热与气温的综合反应）。图四、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。图5-4便携式风速仪测定气流速度的仪器•测定室内气流速度一般用热球微风仪（测量范围：0.05－1m/s）。现在各种便携式电子（热球）微风仪（如图5-2、图5-4所示）、手持式风向风速仪（如图5-3所示）和智能热风式风速仪都已经诞生，大大方便了测试工作。图5-2电子（热球）微风仪图5-3手持式风向风速仪五.微气候要素之间的相互关系气温、湿度、热辐射和气流速度对人体的影响可以互相替代，某一条件的变化对人体的影响，可以由另一条件的相应变化所补偿。结论：构成微气候环境的若干条件的共同作用结果产生对人体的影响，所以必须综合地评价微气候的若干条件。例如：当室内气流速度在0.6m/s以下时，气流速度每增加0.1m/s，相当于气温下降0.3℃。当气流速度在0.6m/s～1.0m/s之间时，气流速度每增加0.1m/s，相当于气温下降0.15℃。应用：热辐射+低气温，如热处理、铸造车间。高温+高气流速度，如夏季。第二节人体的热交换与平衡•人体是一个开放的复杂的巨系统，人体和外界环境存在着各种复杂的关系。从工程的观点看，人体可以看作一个热机，人体的功能就是把食物的化学能转化为功和热量。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，即辐射热交换、对流热交换、蒸发热交换和传导热交换。•人体的热平衡方程为Qs＝Qm－W±Qc±Qr－Qe±QkQs-人体的热积蓄或热债变化率（J/m2•h）；W-人体为维持生理活动及肌肉活动所做的功（J/m2•h）；Qm-人体的新陈代谢产热率（J/m2•h）；Qc-为人体外表面与周围环境的对流换热率（J/m2•h）；Qr-人体外表面向周围环境的传导换热率（J/m2•h）；Qk-人体外表面向周围环境的辐射热传递率（J/m2•h）；Qe-人体汗液蒸发和呼出水蒸气的蒸发热传递率（J/m2•h）•人体的热平衡是动态的：当Qs=0时，人感到舒适；当Qs0时，人感到热；当Qs0时，人感到冷。（1）热辐射交换量：取决于热辐射系数、人体面积、服装热阻值、反射率、平均环境温度、皮肤温度等。衣服是防止热辐射的天然屏障，浅色衣服对可见光有较好的隔热辐射（反射）的作用，但对非可见光（如远红外），衣服的颜色无显著的作用，这时取决于衣服的材料、密实程度和厚度，以防止外界辐射人体及人体向外散热。例如，冬天的衣服厚实，颜色深。（2）对流热交换量：取决于气流速度、面积、对流传热系数、服装热阻值、环境温度、皮肤温度等。（3）蒸发热交换量：a.在热环境下，增加气流速度，降湿、加快发汗，达到散热的目的。1Kg汗水带走2428KJ热量。b.补充足够的水分和盐，防止虚脱（危及生命）。高温作业每天需补充盐7g。注意：工作单位在夏季要提供茶水、饮料等。人体的出汗量最高限度为6升/日。使用热对流降温的条件：a.保持环境温度36.50C;b.皮肤表面气流速度大（少穿、穿薄）。注意：当气流速度超过2m/s时，提高气流速度就不显著。2.人体对微气候环境的主观感觉人体对微气候环境的主观感觉是心理上的满意与否，也是一种模糊评价，它是多种因素的综合反应，下面是四种量化标准上的评价方法：（4）传导热交换量：取决于皮肤与物体的温差、接触面积、热传导系数等。例如：宇航员主要通过接触热传导散热。穿水冷服、干冰服。（1）最合适的湿度与温度的关系（2）不适指数法（3）有效温度图（4）加权平均温标（WBGT）（1).最合适的湿度与温度的关系•以人体对温度和湿度的感觉为例，舒伯特(S．W．Shepperd)•和希尔(U．Hill)经过大量研究证明，最合适的湿度(H，%)与气温（t，℃）的关系为•H=188－7.2t12.2℃＜t＜26℃）•例如室温t＝20℃时，湿度H=188－7.2×20＝44，即44％。（2）.不适指数法DI=0.72（干球温度+湿球温度）+40.6上式主要用来评价人体对温度和湿度环境的综合感觉。例如：美国人当DI70时，绝大多数人感到舒适。当DI=75时，50%人感到不舒适。（3）有效温度图为了综合反映人体对气温、湿度、气流速度的感觉，美国人杨格鲁和霍顿首先提出了有效温度（ET）的概念。杨氏有效温度图有效温度也称实效温度或感觉温度，杨氏有效温度图度量了在热辐射强度不高时，综合反应气温、湿度、气流速度对人体所产生的主观热感觉。有效温度：指人体在微气候环境下，具有同等主诉温热感觉的最低气流速度和气湿的等效温标。有效温度对人感觉及工作效率的影响有效温度高时，人的判断力减退，如图所示。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。操作误差与有效温度不同作业种类的有效温度•人体对微气候环境的主观感觉，与人体的作业种类、作业负荷及着装等因素有关。不同作业的有效温度作业种类脑力作业轻作业体力作业舒适温度/℃不舒适温度/℃15.5~18.326.712.7~18.923.910～16.921.1~23.9（4）加权平均温标(wetbulbglobetemperatureindex，WBGT)用干球温度、湿球温度、气流速度和热辐射四个因素的综合指标作为微气候的衡量指标。（1）当气流速度小于1.5m/s的非人工通风条件时，采用下式计算：WBGT＝0.7WB（湿）十0.2GT（干）十0.1DBT（黑）（2）当气流速度大于1.5m/s的人工通风条件时，采用下式计算：WBGT＝0.63WB（湿）十0.2GT（干）十0.17DBT（黑）式中，WB——湿球温度（℃）；DT——干球温度（℃）；GT——黑球温度（℃）。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（GB／T17244—1998）。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（单位：kJ／min·m2）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。平均能量代谢率等级WBGT指数/℃好中差很差0≤33≤34≤35351≤30≤31≤32322≤28≤29≤30303≤26≤27≤28284≤25≤26≤2727注：表中“好”级的WBGT指数值是以最高肛温不超过38℃为限。WBGT指数评价标准第三节微气候环境对人的影响微气候对人体生理产生很大的影响，特别是在温度、湿度及空气对流异常的气候条件下，会对人产生很大影响。本节主要介绍人体在冷热环境中人体的各种生理和病理反应及其对作业的影响。一、高温作业环境对人的影响二、低温环境条件对人的影响（一）高温作业环境对人体的影响定义：一般将热源散热量大于84kJ/（m2·h）的环境叫高温作业环境。1.高温作业环境的类型（3）夏季露天作业：例如：农民在田间劳动、建筑、搬运等露天作业。（2）高温、高湿作业：特点：气温高、湿度大，如果通风不良就会形成湿热环境。例如：印染、造纸、矿井等。（1）高温、强热辐射作业：特点：气温高，热辐射强度大，相对湿度较低。例如：冶金、铸造、热处理、制陶、砖瓦窑等。2.高温作业环境对人生理和心理的影响高温环境对人生理和心理的影响：（1）长时间处于这种状态，会导致热循环机能失调，造成中暑或热衰竭，引起全身倦怠、食欲不振、体重减轻、头痛、失眠等。（2）高温环境下作业者的知觉速度和准确性、反应速度下降，出现烦躁不安、易于激动，对工作不满。热应激效应：高温环境下的作业者，新陈代谢加快，人体产热增加，这时人体通过呼吸、出汗及体表血管的扩张向体外散热，若产热仍大于散热，导致体内蓄热增加、体温升高，呼吸和心率加快，皮肤血流加快，称为热应激效应——这是一种生理反映。高温作业环境对人的生理影响（1）对消化系统具有抑制作用（2）对中枢神经系统具有抑制作用（3）导致水分和盐分大量丧失（4）高温及噪声联合作用损伤人的听力3.高温作业环境对人操作的影响范农调查了三个兵工厂，发现环境温度与事故有密切关系：当环境温度为17～22.50C时，事故率最低当环境温度上升到25.30C时，男性事故率上升140%女性事故率上升108%当环境温度下降11.40C时，男性事故率上升138%女性事故率上升132%案例分析高温作业时，烦躁感增加，体表面血液循环增加，导致大脑相对缺血，注意力下降，使生产率下降，诱发事故发生。当温度达到27～320C时，使肌肉用力的工作效率下降；当温度达到320C以上时，需注意力集中的工作和精密工作的效率开始下降。（二）低温环境对人和操作的影响例1：冬天天气寒冷，手脚不灵活。低温环境条件通常是指低于允许温度下限的气温条件。允许温度是指基本不影响人的工作效率、身心健康和安全的温度范围，一般为舒适温度±3～5℃。1.冷应激效应当环境温度低于皮肤温度时，刺激皮肤引起神经冲动，导致皮肤毛细血管收缩，使人体散热下降。当外界温度进一步下降时，肌肉发抖，以增加产热，维持体温恒定，这种现象称为冷应激效应。2.低温环境对人体的影响（1）人体对低温的适应力远不如对热的适应力。低温时人体的不适感迅速增加，机能迅速下降。原因：低温时，脑代谢下降，导致神经兴奋下降，传导能力下降，反应迟钝、奢睡状态。第四节改善微气候环境的措施高温作业环境的改善高温环境下，作业者的反应及耐受时间受气温、湿度、气流