環境熱學是環境物理學的一個分支，它主要研究熱環境及其對人體的影響，以及人類活動對熱環境的影響的學科。 熱環境是環境熱特性的同義語。環境的天然熱源是太陽，環境的熱特性取決於環境接收太陽輻射的情況，並與環境中大氣同地表（指地殼和地面以上的一切物體）之間的熱交換有關。
基本介紹
- 中文名：環境熱學
- 外文名：Environmental Thermodynamics
綜述,相關原理,同外界換熱的關係,內容,熱環境,人類活動對熱環境的影響,熱環境對人體的影響,影響,熱交換,中性區,調節區,人類的影響,
綜述
太陽表面溫度約 6000K。在地球大氣圈外層，垂直於太陽光線束的平面上，太陽的輻射能量（太陽輻射通量）每分鐘約為1.95卡每平方厘米。這一數值被稱為太陽常數。到達地表的太陽輻射通量一方面隨太陽、地球相對運動而改變（圖1），另一方面依時間、地點的不同，以及當時當地大氣狀態的不同而改變。
大氣中的臭氧、水蒸汽和二氧化碳是影響太陽輻射到達地表的強度的主要因素。在大氣上層，光解作用使氧分子分解，並因複合作用而產生臭氧，在距地面20～50公里的高空，形成了臭氧層。臭氧層能大量地吸收對生命物質有害的紫外線，是生物得以生存和發展的重要條件。
相關原理
在密度較大的大氣下層，為量較少的長波太陽輻射被水蒸汽和二氧化碳吸收。所以到達地表的主要是短波 太陽輻射。對太陽輻射起反射和擴散作用的是其他氣體分子以及大氣中的塵粒和雲。大的微粒有較強的反射作用，小的微粒對短波輻射有較強的擴散作用。穿過大氣的太陽直接輻射和散射光，一部分被地表反射，一部分被地表吸收。地表由於吸收短波輻射被加熱，提高了溫度，再以長波向外輻射。地表的長波輻射絕大部分被大氣中的水蒸汽和二氧化碳吸收。同樣，大氣吸收輻射能後被加熱，也以長波向地表、天空輻射。這樣，很大一部分輻射能又返回地表。大部分長波輻射能被阻留在地表和大氣下層，就使地表和大氣下層的溫度增高。這種現象稱為溫室效應。如果不存在大氣層，地表的長波輻射無阻擋地射向太空,地表的平均溫度將在-22℃至26℃之間，而不是15℃上下。全球範圍大氣、地表之間的熱平衡關係，數字為熱交換量，有負號的表示熱能輸出量,無負號的表示熱能的輸入量。單位為千卡/（厘米2·年）。太陽向地表和大氣輻射熱能，地表和大氣之間也不停地進行潛熱交換和以對流及傳導方式進行的顯熱交換。
環境熱學
環境熱學同外界換熱的關係
為了描述某一區域同外界換熱的關係，可以把待研究區域構想為向上延至太空，向下延至一定深度（使底面上的豎向熱流等於零）的柱體，這個柱體的橫截面即為所研究區域的面積，柱體（區域）與外界的換熱方程為： G=(Q+q)(1-α)+I↓-I↑-H-LE-F式中G為柱體蓄存的能量；Q為太陽直接輻射量;q為天空散射量；α為地表短波反射率；I↓為到達地表的長波輻射；I↑為地表向外的長波輻射量；H為地表與大氣交換的顯熱量；LE為地表與大氣交換的潛熱量;E為蒸發量;L為蒸發潛熱;F為柱體與外界交換的水平方向熱流量。式中(Q+q)(1-α)，I↓，I↑三項的和代表該區域地表獲得的淨輻射能(R)，即： R=(Q+q)(1-α)+I↓-I↑=H+LE+F+G某一熱環境的特性即取決於這個式子所表達的該環境得失能量的情況。不同地區的 R、LE、H、F諸變數所取的值見表1。表達熱環境狀態的變數是地表溫度te，大氣溫度ta，以及與潛熱交換有關的水蒸汽分壓PS,與對流換熱有關的大氣流動速度Va。研究與上述 9個變數有關的自然現象，找出其間定量的相互依賴關係，是環境熱學第一方面的內容。
內容
熱環境
研究自然環境、城市環境與建築環境的熱特性。自然環境熱源是太陽，太陽已電磁波的形式向地球傳送能量，其中35%被雲層反射回宇宙，18%為大氣所吸收，其餘47%為地球所吸收。陸地和水面吸收太陽輻射後向外發射紅外輻射，晴天約60-70%為大氣中水汽和二氧化碳吸收，大氣又向地面和天空發射紅外輻射，其中大部分返回地面，使地表面溫度升高，平均溫度為288K，形成人類可以生存的熱環境。城市環境與建築環境的熱特性除自然因素外還有人工因素的影響與作用。
人類活動對熱環境的影響
熱環境對人體的影響
自然環境的溫度變化大，滿足人體舒適要求的溫度範圍較窄。過冷過熱環境會影響人的工作效率、身體健康以至生命安全。舒適的熱環境使人身心健康並提高工作效率。從物理學、心理學、生理學、建築學等方面研究創造適於人類活動的舒適熱環境是環境熱學又一研究內容。
影響
熱環境對人體的影響 由於人體不能完全適應天然環境劇烈的寒暑變化,人類創造了房屋、火爐等設施,以防禦、緩和外界氣候變化的影響，形成了人工熱環境。人工熱環境是人類生活不可缺少的條件。可以說，一個人一天中絕大部分時間是在人工熱環境中度過的。熱環境對人體有什麼影響，環境與人的熱舒適有什麼關係？這些問題的研究成為環境熱學第二方面的內容。
熱交換
人處於任何環境中都要不停地與環境進行熱交換。人體內部產生的熱量要和向環境散發的熱量保持平衡。人體與環境之間的熱平衡關係為： S=M-(±W )±E±R±C式中S為人體蓄熱率;M為代謝率；W為外部機械功；E為總蒸發熱損失率；R為輻射熱損失率；C為對流熱損失率。代謝率是表示人體產生能量的速率，它隨著人的活動強度不同而變化。活動強度大，代謝率高。人體的能量來自攝入的食物在體內的氧化過程。產生的能量或用於做功(W),或轉化為體內熱(H )。體內熱必須傳至體表向環境散發，不能累積在體內。因為人的體溫要保持在37℃左右。如果熱環境發生變化，人體與環境之間的熱平衡不能繼續維持，人體的熱調節系統可借調節皮膚溫度、汗液分泌改變體表與環境之間的換熱率，也可以調節代謝率，來建立新的熱平衡而又維持體內溫度穩定。穿著衣服的人體與環境之間的熱平衡關係同相應的試驗結果如圖3。
中性區
圖中對應環境溫度（25～29℃）為中性區。在中性區人體既不感到冷也不感到熱。中性區的中點稱為人的中性點。人對中性點所代表的熱環境感覺舒適。所以中性點也是人的最佳舒適點。如果熱環境改變，例如空氣溫度下降，或空氣流速增加，或平均輻射溫度降低，人體的散熱率就增加，人就會感到有些涼。
為了抗衡這種變化，人的生理反應是血管收縮，減少流向皮層的血液，使皮層的傳熱係數減小，內部組織向體表輸送的熱量減少，皮膚溫度下降，人體向環境的散熱率便隨之降低。這樣只是皮下組織稍被冷卻，體內溫度可以保持不變。這一區間稱為血管機能調節區。
調節區
環境溫度更低時，人將感到冷得不舒適，這時的反應是借肌肉伸張打冷顫，或自發地活動，提高代謝率，或增加衣服，以阻止體內溫度下降。這一區間稱行為調節區。環境溫度再下降，即進入人體冷卻區。人將感到冷得難受。但人體適應冷環境的能力還是很強的。曾有人在-75℃的環境中停留 30分鐘未受凍傷。有實際意義的限值是 -35℃。這是人穿著高效保溫服裝在戶外能正常工作的溫度低限。在中性點的另一側有一個窄的抗熱血管機能調節區。在這個區內傳至表面組織的血液比在中性點時高出2～3倍，皮膚溫度可以升高到僅比體內溫度低1℃。環境溫度再升高即進入蒸發調節區,人體可借汗液在皮膚表面蒸發向環境輸送潛熱以達到熱平衡。在這個區間，環境的水蒸汽分壓和風速就成為影響人體散熱的重要因素。當蒸發調節不能再提高體表散熱率時，即進入人體受熱區。相對於冷區來說，熱區範圍很窄。體內溫度超過正常值（37℃）2℃時,人體的機能就開始喪失。體溫升到43℃以上,只要幾分鐘,人就會死亡。由於人體的熱調節系統有很高的效能，所以人體適應環境冷熱變化的範圍相當寬。但是人體感覺舒適的範圍卻窄得多。對熱舒適的研究，在20世紀70年代取得了較大的進展。
人類的影響
人類活動對熱環境的影響 城市排放的煙塵使大氣混濁度增加，影響環境接收太陽輻射。有些塵粒作為吸濕凝結核能促進雲的形成。雲量增加，一方面影響短波太陽能的輸入，另一方面也影響長波輻射能的輸出，對環境既可以起冷卻的作用，也可以起加熱的作用。哪一種作用占優勢要取決於塵粒的性質。改變地表的反射率也影響環境的輻射交換。現代城市除少量園林綠地以外，大部分地面被各種人造材料覆蓋，建築物日益向高層發展，這都會使地表的反射率減小。一些航空測量的結果表明，一般城市的反射率低於農村約10%。環境的潛熱交換和顯熱交換也因地表改變而受影響。和農村相比，城市的顯熱指數要大得多。
城市消耗大量的燃料。在燃燒過程中產生的能量一部分直接成為廢熱，另一部分轉化為有用功，最終也成為廢熱向環境散發。因此城市的熱平衡方程可改寫成為
,式中RM為人類活動向環境散發的能量。隨著城市急劇發展，RM對熱環境的影響越來越大。如紐約市1971年生產的能量約為接收太陽能的五分之二。上述各種影響的綜合效應是使城市的溫度升高，在城市與周圍農村之間形成溫度梯度（表3）。城市熱環境的這一特徵稱為熱島。從全球範圍看來，到目前為止人類活動對熱環境的影響還很小。 
推導公式
推導公式