標準有效温度

標準有效温度(SET)的理論基礎是Gagge提出的人體温度調節的兩節點模型 ^[1]  。該模型將人體看作兩層，即核

心層和皮膚層。新陳代謝在核心層產生的一部分熱量，通過呼吸直接散失在環境中，其餘的熱量傳到皮膚表面。傳到皮膚表面的熱量一部分由汗液蒸發散失掉，其餘的熱量通過衣服傳到衣服表面，然後通過輻射和對流散失到環境中。傳熱過程被視為是一維的。如表1所示。

這類模型的環境參數不隨時間改變，並把人體看作是外界熱刺激的被動接受者。一定的熱環境參數對人體的作用，是通過兩者之間的熱濕交換來影響人體的生理參數，進而產生不同的熱感覺 ^[2]  。依據上述模型的理論基礎，通過對已有氣象數據的計算處理，依照熱舒適圖中所得的標準有效温度數值以及人對標準有效温度的熱反應（表1），可以得到不同標準有效温度數值所對應的人體熱舒適程度，包括熱感覺、不舒適程度、人體的温度調節和健康狀態。

從數學的觀點來看，人體體温調節系統分為被控系統和控制系統，被控系統指人體的物理構成、代謝產熱、熱量的傳輸、體表和環境的熱交換。控制系統指人體隨環境條件的變化通過血管舒張和收縮、肌肉運動、汗腺活動等行為快速地調節產熱和散熱。體温調節的最終目的是維持體內温度的穩定，保證人類正常的生命活動。

1971年，Gagge提出了二節點人體體温調節模型 ^[3]  。這個模型中人體被分為兩層，即核心層和皮膚層。在核心層中會產生新陳代謝熱量，接着代謝熱量從核心層傳到環境。在這個過程中會有一部分熱量由於人體呼吸作用直接散失在環境中，剩下的熱量將繼續向皮膚表面傳播。由於蒸發作用，傳到皮膚表面的熱量還會再損失一部分，最後剩下的熱量透過衣服傳到衣服表面，然後通過輻射和對流傳給周圍環境。

這些控制連同人體的熱流量及熱質方程一起，建立了一個温度隨時間變化的模型，並能預測皮膚温度和皮膚濕度，它們是計算SET的兩個主要參數。其優點在於無論是何種環境條件下，人體皮膚温度和濕潤度都能過能夠二節點模型計算出來。Gagge等人根據該模型的計算結果，提出了標準有效温度指標的定義。Gagge的二節點模型編制的計算程序非常簡單，而且對計算機要求不高，因此在工程上得到了比較廣泛的應用。實際上還有很多可用於温度調節的數學模型，但二節點模型是其中考慮人體温度調節過程的模型中最簡單的一個。

標準有效温度SET在新有效温度ET*主要內容的基礎上，綜合考慮了不同的衣服熱阻和活動水平兩個人體因素，又使新有效温度的定義有了進一步擴展。另外的一個不同於早期有效温度的進步是，標準有效温度是通過對傳熱的物理過程分析而得到的，早期的有效温度指標屬於經驗推導得出的指標，是從主觀評價推導而出的。眾所周知，合理的舒適指標往往是把環境變量通過某種方式組合起來，使人們在這個指標值下經歷着一種同樣的特殊熱狀態。接下來需要考慮的問題就是如何定義這一熱狀態。

標準有效温度的核心是提出了利用平均皮膚温度和皮膚濕潤度相結合來描述人的熱狀態的一種方法。在一定的可調節範圍內，人體能夠通過排汗，使熱損失量等於新陳代謝自由能產熱量。在其他變量保持不變的情況下，即使空氣濕度發生變化，排汗量也是不變的。這是由於當新陳代謝產熱量和顯熱損失保持不變時，人體為了保持熱平衡所以排汗量不會改變。但是，人體熱感覺隨濕度增加而感到更暖和、排汗更多。經過研究，Gagge等人提出將皮膚濕潤度用作標準有效温度的指標，預測人體的不舒適感。

皮膚濕度w是皮膚實際蒸發熱損失與在相同環境下可能出現的最大蒸發熱損失的比值，w的值越接近1，皮膚表面越接近完全濕潤。當w較小時的排汗量比w較大時的排汗量高，皮膚濕度的大小不能決定人的排汗能力，對應的是人的排汗感覺和熱的不舒適感。

平均皮膚温度t是決定熱損失的另一項重要參數，將其包括在標準有效温度中是非常必要的。隨周圍空氣温度的變化，皮膚温度在人體蒸發調節區域內緩慢變化。在人體感覺涼爽的區域內，血管開始收縮，皮膚温度和周圍空氣温度關係更密切。因此皮膚温度也是熱感覺的一個預測指標之一。

在確定了標準有效温度中包含的兩個生理指標後，將標準有效温度定義如下：某個環境温度下，空氣温度與平均輻射温度相等，相對濕度為50%，且空氣靜止。若在該環境中身着標準熱阻服裝的人，與其在實際環境中身穿着某個服裝熱阻條件下有相同的皮膚濕潤度和平均皮膚温度，則視為具有相同的熱損失，稱這樣的標準環境的温度為此時實際環境的標準有效温度SET。實際環境和標準環境下活動量相同，則判定標準服裝熱阻為活動量的函數。人總是需要一段時間適應新的熱環境，大約在1h之後才會處於熱平衡狀態，不能迅速達到平衡的環境中。

確定某一狀態下的標準有效温度值首先要求出一個人的皮膚濕潤度w和皮膚温度t，然後再求出如產生相同皮膚濕潤度w和皮膚温度t的標準環境温度值。皮膚温度skt和皮膚濕潤度w一般利用Gagge的二節點體温調節數學模型即可求出。

對標準有效温度最初的設計動機僅僅是用來預測人體排汗時的不舒適感，但經過深入研究，研究者發現，現有的標準有效温度的適用範圍有了極大的擴展。它能用來應付各式服裝衣着條件、不同活動量和環境變量的情況。由於較舊指標ET只能應付坐着活動的情況，不適用於其他的活動形式，因而未能得到廣泛的應用。計算機的幫助使得計算皮膚温度和皮膚濕潤度而最終求得有效温度的過程變得更簡單方便。