空气和人类舒适(一)
近来到月球、其它星球和更远处的空间探险已经使得人类比以往更加意识到地球是一个幸运的星球。在我们的太阳系里还没有其它的行星或卫星拥有我们称为地球的大气这种独特的气体混合物。
在我们生活、呼吸和工作的底部的空气海洋实际上是一个围绕着地球的非常薄的包围层，通过重力，换句话说，是通过空气自身的重量约束而靠拢到地球的表面。应该记住，在标准条件下干空气的密度大约是1.293kg/m3。压在地球的表面单位面积上的全部空气的重量就称为大气压力。大气压力的正常（海平面）值是：
1atm（大气压）=760mmHg=101.3kPa=10.34m水柱
在海平面以上大约3.2km的海拔高度，许多人开始发现空气太“稀薄”，无法舒适的呼吸。用地球的直径（6336km）和这个距离进行比较，就了解到我们的空气海洋是多么的浅。
纯净的空气决不是用之不竭的资源，城市里的居民现在已经完全有体会。工业污染和来自汽车排气的污染物完全污染了全世界所有大城市的空气。除空气污染之外，还有许多其它的因素和条件确定了空气是否有益于健康和舒适。最重要的三个因素是空气温度、相对湿度和空气流动。本章的目的就是探讨这三种因素之间的关系和它们对人类舒适的影响。
一、 空气温度和人类健康
极端热或冷的气候不仅不舒服，而且可能对健康有害。在极端冷的气候里，心脏必须努力工作，加大血液循环流量，以维持身体热度。冷空气冷却呼吸道并刺激鼻窦和支气管的黏膜。感冒的真正起因还不十分清楚，但是经常暴露在严寒空气中就是引起感冒发作的一个因素，并且引起继发的传染病，例如扁桃腺炎、流行性感冒、支气管炎和肺炎。
在炎热的气候里，舒服包括驱散过多的热量，以防止身体温度上升。这是通过把血液从内脏转换到身体表面，经过传导、辐射和蒸发来损失热量，以达到降温的目的。这个从要害器官来的血液净损失可能会产生某些疾病，例如消化不良、头痛、头昏眼花和通常感到的虚弱。在炎热的气候期间难以获得适当的营养，这是因为通常会丧失食欲并且嗜好冷饮和缺少蛋白质含量的食物。如果周围的空气温度是如此的热（和潮湿），来自身体的热损失不能等于身体的放热，那么身体温度就会上升到37℃以上，并且开始“发烧”。这就显示了身体的温度控制机能不再能够应付事态发展并且会出现中暑虚脱的危险。
人体通过新陈代谢，会产生大量的热。当然，产生的热量多少是取决于活动的程度，但是即使是适度的活动，所产生的身体热量也差不多相当于一盏200W电灯发出的热量。藉着通过动脉和身体表面的毛细血管来增加血液循环，以驱散产生的热量。这就迫使心脏大于正常荷载，并且出于这个原因，心脏病患者长时期处于炎热的天气则是危险的。
虽然大量的排汗冷却了身体，却带走了身体所需要的一些盐分和矿物质。当盐分和矿物质被消耗掉时，通常是无法立即恢复的，并且这种损耗的最终结果就是肌肉疲乏和不时的抽筋。某些矿物盐、特别是钾盐的损失可能会扰乱人体细胞里电解液的平衡，并且妨碍正当的肌肉动作，包括心跳。当进一步恶化时，热、湿气候会妨碍正常的睡眠习惯，从而导致身体器官和组织在另一个筋疲力尽的白天到来之前没有机会自我恢复。
二、 体温调节
取之舌头下的平均体温是37℃。这不是说所有人都是这个体温，或任何个人白天和夜晚、夏季和冬季都精确的维持这个温度。然而对于一个身体健康的人来说，37℃是平均体温，并且在身体的温度控制机能良好的时候，不管周围空气温度多高，体温都不会超过37.5℃以上。人体是不断地获取（和产生）热量和损失热量到它周围的环境里，以维持温度平衡。获得的热量和失去的热量之间的平衡是按以下方式来维持的（见图FLA-1）。
身体从两个来源获取热量：
⒈ 身体自身新陈代谢过程所产生的热量。
⒉ 通过从太阳或其它热物体或表面的辐射，以及通过从周围空气来的传导和对流，身体从外部热源所获取的热量。
通过以下途径从身体里损失热：
⒈ 传导。当身体表面温度比周围空气温度高时，热就从皮肤传导到空气。衣服减缓了传导速度，并且衣服的特性（即羊毛或棉花、厚或薄）也影响传导损失的速度。
图FLA-1 包含在人体内的热平衡过程。如果要使体温维持恒定，那
么身体获得的（内部和外部）热量就必须要等于身体损失的热量。
⒉ 对流。从身体传导到直接靠近皮肤的空气层的热必须离开，否则就不会有进一步的传导发生。挨着皮肤的不太稠密的暖空气趋于上升，并且因此而形成对流。如果空气流过身体，就通过了对流加速了热交换，因而也允许增加传导的速度。这就解释了为什么在微风里或位于风扇旁，即使没有实际的温度下降我们也会感到比较凉爽。适当的空气流动是人类舒适的一个重要因素。既不是“静止空气”，又不是强风就认为是舒服。
呼吸的结果也发生对流热损失。
⒊ 辐射。任何比周围环境温度高的物体都会辐射热量到较低温度的物体上。因而，如果墙壁、天花、楼层、窗户和户外的表面温度低于人体表面温度，那么人体就会辐射热量到这些物体上。反过来，人体也通过太阳或任何比皮肤表面暖和的表面的辐射来获得热量。身体皮肤温度范围在30和34.44℃之间，一个健康的人在从事轻微活动时，皮肤平均温度大约是32.22℃。
⒋ 蒸发。体液通过汗腺流到了身体的表面。实际上皮肤总是略微地潮湿，但是当空气温度上升时，身体的温度控制机能刺激汗腺加大活动，并且排汗的速度增加。来自皮肤上的汗水蒸发代表着热损失并帮助冷却身体。事实上，如果周围的空气和所有附近物体的温度都高于皮肤的温度，就不会发生因传导和辐射而引发的热损失，并且唯一维持身体温度平衡的方法就是通过排汗的蒸发或通过呼吸来失去热量。在极端热的天气里，身体将通过传导和辐射获得热量，并且这些所获取的热量，以及身体新陈代谢的热量都必须要通过皮肤的蒸发来损失掉。
如果空气的相对湿度很低，汗水的蒸发就迅速，并且如果相对湿度维持在20%以下，在非常高的干球温度（43.33℃和更高）条件下，身体也能够维持一个令人满意的热损失。换句话说，如果相对湿度超过85%，再低的干球温度（比如说32.22℃）也是不舒服的。
经过调节温湿度的空气允许身体的温度控制器官功能正常，不会损伤生命器官。在受控的温度和湿度条件之下，身体在冬季能容易的保存必要的热量，在夏季能排除过多的热量，以维持温度平衡。
三、 通风要求
不仅空气会影响到人，热也会影响到周围的空气。正如我们已经注意到的，人体会发出汗水和排出热量。表6-1给出的数据就是在不同的周围空气条件下，静止的人发出的显热和潜热数量。
注意当周围空气的干球温度上升时，身体散发的显热会减少，而散发的潜热增加。当周围空气温度高于体温时，整个身体的热损失就都是潜热。
二氧化碳是呼吸过程呼出的气体，并且要消耗空气里的氧气。人在室外所造成的污染影响常常不被注意，但是在建筑物里，必须要不断的拿走大量聚集的人所产生的污染物和热量，否则就会导致有损于健康的空气条件。在封闭的空间里吸烟和烹调，当然也会带来问题，为了保证舒适和令人愉快的空气条件，在决定供应多少新鲜空气的数量时，必须要重视这些因素。
表FLA-1 在选择的环境空气条件里，从静止的人身上损失的平均身体热量（相对湿度50%）
|
周围空气温度， ℃ |
显热损失 kJ/hr |
潜热损失 kJ/hr |
全热损失 kJ/hr |
|
|
DB |
WB |
|||
|
4.44 |
0.83 |
538.05 |
73.85 |
611.9 |
|
10.00 |
6.11 |
464.2 |
73.85 |
538.05 |
|
15.56 |
10.00 |
395.625 |
73.85 |
469.475 |
|
21.11 |
14.72 |
316.5 |
110.775 |
427.275 |
|
26.67 |
19.44 |
237.375 |
184.625 |
422 |
|
32.22 |
23.89 |
116.05 |
295.4 |
411.45 |
|
37.78 |
28.61 |
0 |
406.175 |
406.175 |
往建筑物供应适当数量的新鲜空气，置换掉了人所产生的污染物和热量就称为通风。另外，和拥挤的房间里的“不新鲜的”或“不流动的”空气感觉形成对比，生产未被污染的空气，并且运走污染物和身体热量，通风空气（就是从室外引入空气）就有一个“新鲜空气”感。“气味清新地”的空气似乎是涉及当时的离子含量。在空气里的分子已经被风和微风吹的到处悠荡，相互碰撞，导致一些原子的电子被挤掉，并且过度集中在另外一些原子上。因而就产生了称为离子的正和负电荷原子，并且在空气里的气味清新的感觉似乎依赖于离子含量。室外空气通常都含有气味清新的离子，而在拥挤的室内空间空气里就没有。仅仅用风扇（轴流）或风机（离心）循环室内空气是无法让离子达到满意的水平。即使其它的因素（温度、污染、湿度）可能不需要室外空气，但正常的通风总还是应该用一些室外空气来提供需要的新鲜空气。
国内有些“富人”们成年累月的开着“空调”（实际上只是一台和冰箱采用同样技术的制冷机，只是制冷量稍微大一点，还谈不上是空调），由于“富人”们的住宅“密不透风”，而这样的“空调”又只能制冷，不能通风，因此只要“感冒”或其它病菌进入到“富人”们的住宅里，就再也出不去了，所以总是造成一家老小交叉感染，在各大医院里总是常见这样的富贵“感冒”族。而根本就用不起“空调”的“穷人”们，只能门窗大开，采用自然通风，反而很少“感冒”。
在发达国家，通风、除尘和消毒才是空调系统的首要任务，尤其是欧洲，至今还有很多家庭没有使用制冷空调（即分体壁挂空调），但机械式或无机械式自动通风装置却是必不可少的（见图FLA-2）。表FLA-2给出了几个普遍使用的通风标准。大部分国家都是在建筑规范里以法律的形式规定了通风量。
图FLA-2
表FLA-2 针对不同类型的空间而建议的一些通风标准
|
空间或应用 |
抽烟 |
每个人每分钟立方米(m3/min) |
|
|
最适宜的 |
最小值 |
||
|
银行 |
少许 |
0.425 |
0.283 |
|
酒吧 |
大量的 |
1.133 |
0.991 |
|
办公室 |
少许 |
0.425 |
0.283 |
|
普通办公室 |
少许 |
0.708 |
0.425 |
|
专用办公室 |
相当多的 |
0.850 |
0.708 |
|
住宅 |
偶然的 |
0.283 |
0.198 |
|
餐馆 |
相当多的 |
0.566 |
0.425 |
|
零售店 |
很少 |
0.425 |
0.283 |
|
剧场观众席 |
很少 |
0.283 |
0.142 |
|
无 |
0.283 |
0.057 |
|
我们已经讨论过身体的温度调节机能，空气对人的影响，以及人对空气的影响。我们现在要详细探索讨论人类舒适，并预测成年人认为“舒适”的空气条件的技术进展。
四、 有效温度的概念
人类对他们周围的气候条件反应存在着相当大的差异。一个人认为舒适的气候条件，另一个人会认为“寒冷”，而第三个人又认为太暖和。一些人喜欢沿海的湿润气候；另一些人喜欢沙漠或山地气候的干燥。夏季干燥的空气有助于身体快速的蒸发汗水排热，然而即使周围的干球温度是相当的高，但由于冬季干燥的空气把皮肤温度降到了不舒服的程度，也会产生不舒适。对于人类感觉来说，干球温度不是一个信得过的房间冷热标志。相对湿度和空气流动才是必须要考虑的二个因素。
美国暖通制冷空调工程师协会（ASHRAE）已经着手研究了许多年，包括在不同地点的让数百人去尝试建立温度、湿度和空气流动的因素与人类舒适的关系。从这些实验的结果得出一个有效温度（ET）的概念。当在研究中通过接受实验者作判断时，有效温度是一个包括干球温度、相对湿度和空气流动组合效果的舒适计量单位。这些接受实验者的判断是强调由人来陈述他们在不同的温度、湿度和空气流动条件下是怎样的感受。
发现对于给定的空气速度，有许多不同的干球温度和相对湿度的组合都同样感到舒服，而且在接受实验者里占很高的百分比。所有这些组合都说明有相同的有效温度。那么把穿同样多衣服和同样活动的成年人汇报的相同的舒服感觉标注在画出的线条上，就建立了图表。这些线条就称为有效温度（ET）线。
接受实验者从夏季到冬季的测试反应稍微有所不同①，显示尽管给定的空气条件在当年的一个季节是舒服的，但后面的几个月可能就不舒服，空调系统设计要严密，因为整年都是同样的温度、湿度和空气流动不可能产生最适宜的整年舒服。例如。98%的接受实验者都同意24.44℃ DB和50%相对湿度的夏季条件是理想的。然而在冬季，相对湿度如前所述维持在50%，并且是同样的空气速度，在干球温度减少到大约22.22℃之前，97%的接受实验者都认为该条件是最适宜的舒服②。
① 大概是因为身体里的新陈代谢和温度控制机能有季节性变化。
② 最初的研究是在1920和1930年进行的。最近的调查似乎显示一群办公室工作者现在都想有一个稍高一点的冬季温度，23.33℃ DB和50%的相对湿度是最适宜的。这个变化可能是由于衣服风格和材料引起的。似乎也有相当一致的性别差异——与男人相比，妇女在冬季更喜欢室内空间稍微暖和一点。这可能是由于男人和女人穿戴不同的衣服重量和构造引起的。
③ 这一部分和图FLA-3涉及在1930年完成的结论。许多美国工程师和空调系统设计师仍然在使用这些概念和舒适图。更多最近的热环境和热舒适研究结果请参见下面第六段。