A4-09 热应激与冷应激：座舱乘员的耐受判据与安全边界

课程代码 A4-09 · 板块 A 基础理论与共性技术 / A4 热舒适性科学 时长 约 3.5~4 小时（5 讲 + 1 次耐受时间推演与降级门槛卡实操） 适合对象 座舱空调与试验工程师；儿童存在检测、休息模式一类功能的定义与安全论证负责人；商用车与工程机械驾驶室 HVAC 工程师 前置 A4-01 人体热平衡与体温调节生理学基础 本讲义定位 讲师授课蓝本 / 学员自学讲义，是 A4-09 大纲的完整展开版

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引言：舒适的尺子，量不出「还能待多久」

座舱热管理的绝大部分工作，发生在一个安静的前提里：人的体温调节还有裕度，我们只需要在中性带内比好坏。但总有场景把这个前提抽掉——暴晒后被遗留在密闭舱里的孩子、整车失电后在极寒中等待救援的人、连续几小时坐在高辐射驾驶室里的驾驶员。此时要回答的问题换了：不是「舒不舒服」，而是「还能待多久」。两个问题的被评价量根本不同，中间没有换算关系——放宽舒适限值推不出任何暴露时间，收紧暴露时间也说明不了舒适。这就是本课要反复敲的第一根钉子：工程上每一条门槛都必须当场声明它用的是哪一把尺子——生存时限、舒适度，还是驻车能耗预算。三者互相代入，正是本课案例里的第一条根因。

这门课要建立三个判断力。一是分层：能指认一条门槛落在哪一层——环境粗筛、热平衡解析，还是在人身上实测生理量——以及那一层究竟能不能产出时间。二是结构：耐受判据从来不是一个数，而是一组并列约束取最先到达者（热侧蓄热与脱水并列，冷侧全身与局部并列）；而且判据取向是变化率而非终值——核心温的热惯性远大于皮肤温，等它的读数走到限值，时间账早已用完。三是出处：每一个阈值都要说得出它从哪里来，说不出来源的一律作废重来。

还有一句最容易读反、代价也最重的话，先立在这里：「儿童体表面积与体重之比大，散热面积相对更大，所以在热车里更耐得住」——这是错的。这个比值放大的是与环境趋同的速度，而不是散热的方向；方向由空气温度、内饰壁面温度与皮肤温三者的大小关系决定。暴晒后的密闭舱里，对流与辐射两条通道同时朝人身上送热，比值大意味着得热更快；而唯一还朝外走的蒸发通道，恰恰是儿童最弱的一条。读反之后会做出两个方向完全相反的动作：把儿童的干预门槛设得与成人一样晚，以及在探测到舱内有人之后选择「内循环大风量吹扫」——那是把高于皮肤温的舱内空气直接吹到皮肤上。冷侧也有同构的一句：寒颤停止不是好转，它是核心温即将转跌的前兆。

第 1 讲　两把尺子：舒适评价与热应激评价不是同一件事

做座舱热管理的人手里，绝大多数工具都是舒适侧的：PMV/PPD、等效温度、主观投票、假人分区散热。它们回答的问题是同一个——「这个环境里人觉得好不好」。而这门课要处理的场景，问题已经换了：暴晒后的密闭车厢、整车失电后的极寒等待、整班次连续作业的工程机械驾驶室。在这些场景里没人关心舒不舒服，要问的是「人在这里还能待多久」。

这是两把尺子。它们的被评价量不同、单位不同、求解目标不同，中间没有换算关系。本讲不急着算任何一个数，先做四件事：把两把尺子的被评价量分开；找出它们之间那条分界线在哪；把判据工具按「产出什么」分成四层，说清哪一层能回答哪个问题；最后把本课的数值纪律和涉人工作的硬前置说在前面。后面四讲全部在这个框架里展开。

1.1 两把尺子的被评价量根本不同：一把给分数，一把给分钟数

舒适侧的两个主力模型，PMV/PPD（见 A4-02 热舒适评价模型：PMV-PPD 与局部热舒适）与等效温度 t_eq（见 A4-03 等效温度 EHT 与动态/瞬态热舒适评价），产出的是主观投票分或与之等效的温度——某个环境里人的热感觉落在标度上的哪一格、有多大比例的人会不满意。应激侧的两个主力模型，热侧的 PHS（ISO 7933）与冷侧的 IREQ（ISO 11079），产出的是允许暴露时间与所需衣着热阻——在这个环境里还能待多少分钟、要穿多少才维持得住热平衡。

为什么这两类模型之间没有换算关系，看它们求解的目标就清楚了：舒适模型求的是热平衡在中性带内的位置，人的调节还有余量，所差的只是这个位置离「人人满意」有多远；应激模型求的是热平衡已经无解之后，蓄热率有多大、还允许蓄多少热。一个求位置，一个求速率与时间。位置再精确，也不含时间信息。

量纲一比就更直接：PMV 无量纲，t_eq 的单位是 ℃，允许暴露时间 D_lim 的单位是 min，IREQ 的单位是 clo 或 m²·K/W（当量定义 1 clo = 0.155 m²·K/W，取值方法见 ISO 9920，A4-01 人体热平衡与体温调节生理学基础 已给，本课只引用）。把一个无量纲的投票分外推成分钟数，这一步在量纲上就不成立——不是精度不够，是根本不是同一类量。

⚠ 这里先钉一句、后面两讲各展开一次：D_lim 不是「某个生理量走到限值的那一刻」。它由一组并列约束里最先到达的那一条决定，热侧至少两条、冷侧同样至少两条。热侧的两条在第 2 讲给，冷侧的两条在第 4 讲给。

易错点（两个方向都要防）：一是把舒适上限再往上放几度，当成安全上限用。放宽的是同一把尺子的刻度，回答的还是「好不好」这个问题，推不出任何暴露时间。二是反方向——用「算出来的 D_lim 很长」去论证这个环境是舒适的。D_lim 长只说明代偿还有余量，它一个字也没说代偿的代价（持续出汗、心率上升、体液损失）读者是否接受。

工程上由此得到一条贯穿全课的做法：每写下一条门槛，都要当场声明它用的是哪把尺子——生存时限、舒适度，还是驻车能耗预算。这三者在座舱功能定义里会同时出现，量纲和目标函数都不同，任意一把代入另一把都不是「保守化」，而是换了个问题回答。第 3 讲会把它落到具体功能上，本课案例的第一条根因就是这个。

1.2 分界线只有一条：人的调节还在不在裕度内

两把尺子之间不是渐变的，中间有一条可以判真假的线：人体的体温调节还能不能把热平衡拉回中性带。能，用舒适侧；不能，换应激侧。

这条线不需要另起炉灶去定义，A4-01 人体热平衡与体温调节生理学基础 讲的三级调节各自的失效条件就是它：

• 血管舒缩饱和——壳层热阻已经调到头，再往哪个方向调都没有余量了；
• 出汗达到蒸发能力的上限——身体想蒸发掉的量已经逼近环境允许蒸发掉的量（第 2 讲会把这条判据写成可算的形式 w_req = E_req/E_max）；
• 寒颤出现，继而衰竭——产热侧的最后一道主动防线上场，然后耗尽。

为什么必须在这条线上换工具，而不是「继续用舒适模型、只是读数更难看」：舒适模型的成立前提就是调节还在裕度内。一旦调节饱和，模型的解已经不在它被标定的域里，继续代进去得到的不是「更不舒服的那一档」，而是无意义——它给出的仍然是一个投票分，而那个环境里真正在变化的是核心温和时间。

三板斧本身的机理与量级 A4-01 已经给全（血管舒缩没有代谢代价；出汗的上限被环境水蒸气分压与衣着透湿阻封死；寒颤能让代谢产热成倍上升），本课一句不重讲，只取「失效条件」这一面。

易错点：A4-01 讲到「寒颤即失控前兆」为止，很容易被当成本课的起点——其实还差一步。寒颤出现是前兆，寒颤衰竭才是核心温转跌的开始，本课在冷侧接手的是后面那一段（第 4 讲）。这一步差得很要命，因为寒颤衰竭时人不再发抖，症状看起来是减轻的。

1.3 判据分四层读：决定该用哪个工具的，是「它产出什么」

工具不止 PHS 和 IREQ 两个。把与热/冷应激有关的方法摊开，按产出什么——不是按冷热两侧——可以分成四层。这个分法是本课为了讲清射程而归纳的，判据只有一条：这一层交出来的东西是什么。

① 粗筛层：热侧是 WBGT 指数一类；冷侧是风冷指数一类，仅此一类。产出的是合规分级与作业—休息分配，不由热平衡解出时间。

② 热平衡解析层：热侧是 ISO 7933 的 PHS；冷侧是 ISO 11079 的 IREQ 与局部冷却判据两支并列。产出的是允许暴露时间 D_lim（min）、所需衣着热阻（clo）、以及末梢与暴露皮肤的容许暴露时间（min）。

③ 生理量测层：ISO 9886，用实测的心率、核心温、皮肤温、体重损失去判。产出的是「当前是否已经越界」，是实测判定，不做预测。

④ 准入前置层：ISO 12894 一类的受试者筛选与医学监督。它不产出任何指标，但缺了它，整套涉人工作不成立（见 1.10）。

为什么分层的依据必须是「产出什么」，不能是「写在哪一册」：冷侧的风冷指数与局部冷却判据都写在 ISO 11079 里面，但两者产出的东西不同——风冷指数给的是分级，落在第①层；局部冷却给的是末梢与暴露皮肤的容许暴露时间，落在第②层，与 IREQ 并列、取先到者。按热侧「粗筛层单独成册」的结构去冷侧找一册对应的标准，会找不到，进而误以为冷侧没有粗筛层；而把局部冷却顺手归进粗筛层，后果更实——它给的那一半「时间」会在验收文件里被丢掉，只剩一个分级。

输入拿不到，就上不了那一层。第②层要算，先得有三类输入的取值口径：环境物理量（ISO 7726）、代谢率（ISO 8996）、衣着热阻（ISO 9920）。三者的取值方法承接 A4-01，其中两个当量定义是 1 met = 58.15 W/m² 与 1 clo = 0.155 m²·K/W（当量定义，不是实测物性）。这三类输入没有确定口径，PHS 与 IREQ 根本算不动，只能停在第①层。

工程量级：四层的门槛不在一个量级上——粗筛层一台 WBGT 指数仪就能起步；解析层要一套公开的算法实现（例如 pythermalcomfort 里对应 ISO 7933 / ISO 11079 的模块）再加上面那三类输入；生理量测层要环境舱、可穿戴或生理遥测、伦理审查与医学监督，周期与投入都跳一大档。

最常见的漏法是只数①②两层，因为只有这两层「有公式」。漏掉第③层的后果是只能验环境、不能验人——第 5 讲那个「设备制冷量达标但人仍越界」的落差正是这么来的；漏掉第④层的后果是涉人试验直接踩伦理与法律红线。

易错点：一是用粗筛层的结论去写验收门槛，这是最常见的一种；二是反过来，项目还没有代谢率与 clo 的确定口径就直接上 PHS——算出来的 D_lim 精度全被输入吃掉，而报告上一点看不出来，它照样是一个带 min 单位的整数。

1.4 WBGT 的权重结构就说明了它在评价什么：蒸发受阻程度，不是空气有多热

把粗筛层的代表拿出来看一眼，是理解「层」这个概念最快的路。WBGT（湿球黑球温度）的定义式是两条：

无日晒：WBGT = 0.7·t_nw + 0.3·t_g 有日晒：WBGT = 0.7·t_nw + 0.2·t_g + 0.1·t_a

其中 t_nw 是自然湿球温度、t_g 是黑球温度、t_a 是干球温度。三球里自然湿球在两式中都拿到 0.7 的权重，是三者中最大的一份。而自然湿球读数本身就是「在当前湿度与风速下，水还能蒸发多少」的直接体现。权重结构等于把这个指数的评价对象写在了脸上：它评价的是蒸发受阻的程度，不是空气有多热。

为什么它产不出时间：它是一个经验加权指数，不是热平衡方程的解。它能回答「这个环境在这个代谢率下算不算超标、作业与休息该怎么分配」，但它不会告诉你蓄热率是多少——那要到第②层去算。这条边界说清楚，粗筛层在本课里的事就完了。

工程量级与出处：0.7/0.3 与 0.7/0.2/0.1 是定义式给定的权重，两式的权重和都是 1.0。WBGT 指数的国际标准为 ISO 7243；具体版本年份，以及国内职业卫生标准的编号与现行版本，按项目所在地确认，本课不固化。分级限值本课一律不给——它随代谢率与热适应状态变（理由见 1.8、1.9）。

易错点：一是把 WBGT 当成一种温度，拿去和舱内温度直接比大小。它是三个不同温度的加权，只有当三球读数相同时它才等于它们，其余任何时候比大小都没有意义。二是把「WBGT 达标」写进验收之后就不再算 D_lim——那等于跳过了唯一能产出时间的那一层，而验收文件上仍然是一条合格结论。

座舱工况与车间工况在时长、代谢率、辐射与蓄热、风速四个维度上都不同，把职业高温作业的分级直接搬进座舱会同时高估和低估，这一条在第 2 讲展开。

1.5 应激是环境施加的，应变是人身上出现的——这一刀决定了第③层为什么必须存在

这门课的名字里有「应激」，而后面反复要测的量叫「应变」，两个词不能混用。

应激（stress）是环境与作业条件的组合：气温、水蒸气分压、辐射、风速、代谢率、衣着。它的特点是人不在场也能测出来——把仪器放进空车里就能读到一组数。应变（strain）是这组条件落在具体某一个人身上引起的生理反应：核心温、心率、皮肤温、出汗量与体重损失。它的特点是必须在人身上采，没有别的办法。

为什么这一刀非划不可：同样一份 stress 落在不同人身上产生的 strain 差别很大——热适应状态、体能、年龄、用药都会改。于是stress 达标推不出 strain 达标。这句话就是「舱温达标但人仍越界」的形式化说法，第 5 讲整讲都建立在它上面。

把 1.3 那四层按这一刀重新读一遍，各自的位置就很清楚了：WBGT 只描述 stress；ISO 7933 与 ISO 11079 是从 stress 算 strain（预测）；ISO 9886 是直接测 strain（实证）。第③层之所以不能被前两层替代，就在这里——它是唯一一层输入端接的是人。

易错点：一是把 ISO 9886 当成「另一种环境评价方法」——它的输入根本不是环境量，采不到人就用不了，写进方案也执行不了。二是把 PHS 算出来的 D_lim 当成实测值写进验收报告——PHS 的输出是预测热应变，名字里就写着 predicted；它可以作为设计输入、作为论证的一环，但它不是一次测量的结果。

1.6 热假人验不了应激侧：它产不出核心温，也产不出体重损失

这一条要专门说，是因为热假人是这个领域最贵、最像「权威实验」的设备，很容易被拿来充当安全论证的证据。

A4-05 热假人（thermal manikin）测量与人体分区模型 的热假人按分区控制表面温度或热流，产出分区散热量与等效温度，是舒适侧最主要的实验室工具；它与主观评价怎么配合，L6-02 热舒适主观评价与假人测量试验 讲。

为什么它验不了本课这一侧：应激判据的被评价量是人身上出现的应变——核心温的变化率、心率的恢复、体重损失。这三样假人一样都没有。即使是带出汗功能的假人，它模拟的是一个给定的出汗率，而不是人体按自身蒸发需求调出来的出汗率；它也不会因为脱水而改变行为。

判据可以当场核，只要问一句：这台设备能不能产出「核心温」与「体重损失」这两个量？答案是不能，就说明它落在第①②层，而不是第③层。

易错点：用假人试验去论证「本车的热安全边界」。假人能告诉你舱内热环境好不好、分区均不均匀，告诉不了人还能待多久。「用热假人验证了耐受时间」这句话在本课里是不成立的——应激侧的实证只能走 ISO 9886 的真人生理量测，而那要先过 1.10 那道门。

1.7 ISO 14505 系列里，本课只接 -1 这一册

车辆热环境评价有一个专门的系列号，而这个系列里同时挂着两把尺子，所以必须点名分册。

ISO 14505-1 是「车辆热环境评价：热/冷应激评价的原则与方法」，属应激侧，是本课接的那一支；产出等效温度 t_eq 的是 -2 与 -4，属舒适侧。分册实名与四册之间的关系，A4-03 等效温度 EHT 与动态/瞬态热舒适评价 与 L6-02 热舒适主观评价与假人测量试验 已经给全，本课不重述。

为什么值得单开一节：这正是本讲主线在标准体系里的投影——同一个系列号下面挂着两把尺子，光看系列号，很容易以为它是一套连续、可以从舒适一路延伸到应激的方法。

易错点：写验收方案时只写「按 ISO 14505」而不写分册号。评审时双方各自把它理解成不同的分支，一方在谈 t_eq、一方在谈 D_lim，会一直谈不到一起，而两边都觉得自己引的是同一份标准。

1.8 本课的数值纪律：只给判据结构与取值来源，不给能直接抄进 SSTS 的阈值

先把这条说在前面，免得读到后面觉得「怎么老不给数」。本课出的是「怎么算、算完跟什么比、比的那个数从哪来」，不出那个数本身。

为什么：至少四个变量各自都能改变限值——标准版本（修订会动限值）、人群（成人 / 儿童 / 老年、健康状态、用药）、代谢率、热适应状态。把某一个组合下的限值抄进讲义，读者取用时这四个前提一个都不会跟着抄走——数字会被复制，前提不会。

因此本课凡是给数的地方，一律满足下面两条之一：

• 是定义值或可复算的物性——例如 1 met = 58.15 W/m²、1 clo = 0.155 m²·K/W、DuBois 体表面积式的常数与指数、水的饱和蒸汽压；
• 是标注了全部输入的教学算例——写清代入了什么体征、什么假设，并在算例末尾写一句「换任一输入，这个数就不成立」。

那门槛值到底从哪来？本课把可能的出处归成六类，后面每给出一条判据都会标它属于哪一类：

1. 标准分册的明文限值——须同时标分册与版本年份；
2. 标准给的算法（PHS / IREQ）加本项目输入算出来的值；
3. 本项目实测——环境舱 / 整车 / 涉人试验，须标试验编号与条件；
4. 引用其它课程的结论——须标课号与小节；
5. 医学与公共卫生的权威口径；
6. ⛔ 无出处的历史沿用值——「一直是这么用的」。

评审时最容易被承认的是第 1、3 两类，而只列这两类会漏掉第 2、4、5、6 类。第 6 类是六类里最危险的一类，因为它在文档上长得和第 1 类一模一样：同样是一个带单位的数、同样写在 SSTS 里、同样没人质疑，唯一的区别是查不到源头。它不会在评审中暴露，只会在出事之后才有人去追。逐条核对出处怎么做，本课的案例复盘与动手做各做一遍。

易错点：把讲义里的教学算例当限值抄走。防法只有一条，而且写进了每个算例：输入必须与结果印在一起。看到一个数而看不到它的输入，就不要用。

1.9 热适应状态会改变同一个人的 D_lim——这是「不给阈值」最硬的一条理由

上一节列了四个能改变限值的变量，其中最容易被忽略的是热适应状态，因为它甚至不是「另一群人」。

是什么：反复暴露于热环境会让人产生热适应——出汗启动更早、出汗量更大且盐分损失更少、心率上升幅度更小。于是同一份 stress 下的 strain 更小、可暴露的时间更长。

为什么这一条最硬：它意味着「限值」既不是环境的属性，也不是人的属性，而是环境与人当前状态共同的属性。同一个受试者在试验第 1 天与连续暴露若干天之后，不是同一个数据点。任何一个脱离了人群状态被引用的阈值，都少了它成立所必须的一半条件。

工程量级：具体的适应进程与幅度，须按专业生理学与职业卫生的权威口径取，本课不给数，只给方向与它对试验设计的后果。

易错点：一是把夏季标定拿到的门槛，直接用于冬季首次高温暴露的人群——两批人的适应状态不同，同一条线的意义不同。二是在涉人试验中不记录受试者近期的热暴露史；记录一旦缺失，这批数据能代表哪个人群就说不清了，事后补不回来。样本分层的口径见 L6-02 热舒适主观评价与假人测量试验。

1.10 涉人之前还有一道硬门：受试者筛选与医学监督

本讲最后一条，是四层里唯一不产出指标的那一层。

是什么：ISO 12894 是「暴露于极端冷热环境人员的医学监督」，管的是——谁能参加、参加前查什么、暴露过程中谁在场看着、什么条件下必须立即中止。

为什么它是硬前置而不是配套文件：本课后面所有能产出时间的方法（PHS、IREQ、ISO 9886）要落到实证，都必须把人放进接近失代偿的环境里去验证。这与「去测量一个既有环境」在性质上完全不同——这次暴露是我们自己制造的。

工程量级：不涉及数值，但它是一个实打实的时间成本项——伦理审查与医学监督的周期常常长于试验本身，排产时按「试验做几天」去估，一定会脱期。

易错点：把它当成「行政流程」放到最后办。它决定的是受试者的纳入排除标准，而纳入排除标准直接决定这批样本能代表哪个人群；办晚了，数据采完了，整批数据的适用范围反而说不清了。

最后划清两条边界：试验组织、样本分层、问卷与统计口径见 L6-02 热舒适主观评价与假人测量试验，本课只指出这道门存在并给出处；环境舱与试验现场本身的作业安全（含高压电、制冷剂与冷却液）见 L0-01 热管理现场作业安全入门：冷却液、制冷剂、高压电与试验现场。⚠ 这两条是并列的前置，不能互相代替——一条护受试者的生理，一条护现场所有人的物理安全，过了其中一条不等于另一条也过了。

本讲小结：两把尺子的被评价量根本不同——舒适侧产出投票分与等效温度，应激侧产出允许暴露时间（min）与所需衣着热阻（clo），量纲上就不能互相外推；分界线是人的调节还在不在裕度内，A4-01 三级调节各自的失效条件就是入口判据；判据工具按「产出什么」分四层——粗筛 / 热平衡解析 / 生理量测 / 医学监督准入，只有解析层能回答「还能待多久」，而冷侧的局部冷却也在这一层，不在粗筛层；应激在环境侧、应变在人身侧，stress 达标推不出 strain 达标，所以热假人与舱温读数都验不了这一侧；本课只给判据结构与取值来源，每一条门槛都必须当场说清它用的是哪把尺子，以及它的数出自六类出处里的哪一类。

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