热量从高温传向低温,人体要散热,就必须形成一个温度梯度。
从舒适环境进入35℃的环境,人体不仅不会散热,反而会吸热。
人体正常活动时,仅仅一个细胞内就发生着千万次的生化反应[1],从而源源不断地产生热量。
这些热量从核心部位不断向外传递,会形成一个逐步降低的温度梯度。
不仅人体存在温度梯度,人体皮肤要把热量不断释放到空气里,与空气也会存在一个温度梯度。
也即:人体核心温度>皮肤温度>空气温度。
当人体不存在明显机械功时,人体的热平衡满足这样的关系:
M=Qb=Qsk
M 是人体新陈代谢总功率,躺平70W左右,看书写字等正常活动100W左右。
Qb 为人体向皮肤的热传导总功率。
Qsk 是皮肤总散热功率,包括皮肤辐射散热、空气对流散热、皮肤蒸发散热三个部分。
由于呼吸散热很小,本公式已忽略。
我们的皮肤之所以要通过感受器感觉热和冷,本质上是通过这样的机制,提醒人避开高温和低温,让人体的散热,保持在一个最适宜的程度[2]。
当人处于最适宜的冷热状态时,皮肤温度大约为33℃左右。
<13℃和>50℃以痛觉为主;
33~46℃只有温觉;
<25℃只有冷觉;
33℃为舒适状态。
由于皮肤要不断向环境散热,当人处于最适宜状态时,环境温度大约28℃左右。
28℃比起35℃,足足低了约7℃。
当人从28℃的舒适环境走到35℃的环境内,由于环境温度高于皮肤温度。
人体不再是对外散热,而是直接从环境吸收热量,导致体表温度升高。
人体皮肤温度要一直升高到,释放的热量等于人体新陈代谢热量才会停止。
建立新平衡后,人体皮肤温度达到多少呢?
不妨计算一下:
皮肤对外释放的总量热量,主要为辐射散热、对流散热,以及蒸发散热,总平衡关系有:
辐射换热蒸发Qsk=Q辐射+Q换热+Q蒸发
根据斯特藩-玻尔兹曼定律: j∗=εδΤ^4人体辐射散热为:
ε 为辐射系数,取值为1。δ 为斯特藩-玻尔兹曼常量,取值 5.67×10−8W/m^2·K^4 , Τ 为热力学温度。根据,牛顿冷却定律,皮肤表面空气对流散热为: h 为自然对流换热系数,有经验公式:h=1.48×ΔT^0.25 [3]人体表面积 A 为1.5~2m^2,不妨取个中值1.75m^2皮肤蒸发散热: r 为水的汽化潜热。SW为皮肤出汗速率,有经验公式[4]:根据以上三个公式,可计算出环境温度为35℃、人体热功率100W时。
皮肤表面温度为:
36.7℃
此时,辐射散热约19W。
对流散热5W。
皮肤蒸发散热76W。
这个温度,足足比皮肤舒适温度高了3.7℃。
低于适宜温度时,人体几乎不怎么发汗,稍高于舒适温度,通常蒸发散热25%的总热量。
此时的蒸发散热超过了75%。
这还是考虑人体发出的汗液,全部被蒸发的情况。如果湿度过高,皮肤汗液蒸发不及时,皮肤温度可超过37℃。
在这样的皮肤温度下,人体核心温度也会大大升高。
人体的热传导,根据傅里叶定律,有:
λ 为皮肤热导率。人体含水70%,皮肤热导率约0.432 W/(m·k)
A为皮肤表面积。
ΔT 为核心温度与皮肤表面的温差。
L 为皮肤平均导热厚度,非寒冷状态下约为3cm。
由于 Qb 与温差成正比,那么皮肤温度升高多少,核心温度就会升高多少。
核心温度将高达:40.7℃(37+3.7)
而轻症中暑体温超过38°C,重度中暑可达41°C。
可知长期(静息状态>3h,运动状态<3h)呆在35℃环境下,在没有其它降温措施的情况下,至少会出现轻度中暑,部分超重甚至肥胖人群(人体散热更差)甚至可能重度中暑。若通风严重不良,且无其它降温措施,所能待的时间将大大降低,严重可出现热射病。
参考^Anne Trafton, MIT News Office.Cell-inspired electronics.By mimicking cells, MIT researcher designs electronic circuits for ultra-low-power and biomedical applications.February 25, 2010
^Tansey E A , Johnson C D . Recent advances in thermoregulation[J]. Advances in Physiology Education, 2015, 39(3):139.
^魏润柏. 人体与环境热交换计算方法[J]. 人类工效学, 1995, 001(002):39-42.
^人体热量平衡模型及其在人体舒适度预报中的应用[J]. 大气科学学报, 2001, 24(3):384-390.
那最高多少度吹风扇不会觉得热。湿度也得考虑