室內熱舒適性問題

室內熱舒適性綜述朱明貴（暖通1511024003）摘要：通過介紹室內熱舒適性影響因素，對其評價指標PMV等進行綜述，詳盡分析了改善室內熱舒適性的措施，展望我國研究學者應該結合自身生理參數(shù)、環(huán)境參數(shù)對前人研究的模型進行優(yōu)化。關鍵詞：熱舒適性、PMV、氣流組織Abstract：Throughtheintroductionofindoorthermalcomfortfactors,theirevaluationwerereviewed,adetailedanalysisofthemeasurestoimproveindoorthermalcomfort,andtheprospectofourresearchersshouldcombinetheirphysiologicalparametersandenvironmentalparametersonthemodelofpreviousstudiestobeoptimized.Keywords：Thermalcomfort、PMV、airdistribution序言所謂人體熱舒適，指人體對熱濕環(huán)境感到滿意的主客觀評價。熱舒適是人體自身通過熱平衡和感覺到的環(huán)境狀況并綜合起來獲得是否舒適的感覺，它是由生理和心理綜合決定的，并且，更偏重于心理上的感受,影響人體熱舒適性的環(huán)境參數(shù)主要有空氣溫度、氣流速度、空氣的相對濕度和平均輻射溫度；人的自身參數(shù)有衣服熱阻和勞動強度。人體熱舒適的研究涉及建筑熱物理、人體熱調節(jié)機理的生理學和人的心理學等學科。人的一生中有80%以上的時間是在室內度過的，室內環(huán)境品質如聲?光?熱環(huán)境及室內空氣品質對人的身心健康?舒適感及工作效率都會產(chǎn)生直接的影響。同時，大量的國內外研究表明，室內空氣品質也與熱環(huán)境有關：1)空氣溫濕度以及風速會影響室內污染物的放；2)對污染物的感覺與溫度有關，國外有關研究認為，在室內空氣的化學成分保持不變的情況下，溫度降低會使人感到舒服一點，對空氣品質的不滿意率也會降低?為了獲得舒適的熱環(huán)境，各國每年都要消耗大量的能源用于供熱和空調。因缺乏對熱舒適的正確理解，往往造成對建筑過分的加熱或者過分的冷卻，這樣，不僅對人體造成不適，同事，也浪費了大量的能量。經(jīng)濟的發(fā)展，人們對室內的設計構建高標準的審美學。由于房間的氣密高，加上建材、裝潢油漆散發(fā)的甲醛、氡氣等有害氣體，以及通風空調的設計不當?shù)仍虍a(chǎn)生的有害氣體難以排除都能使人們患上“病態(tài)建筑綜合癥”。因此，對室內熱環(huán)境的研究和評價處理解決問題有重要的現(xiàn)實意義。室內熱舒適性的影響因素1.1環(huán)境氣象條件1.1.1空氣溫度，空氣溫度是影響熱舒適最主要的因素[1]，它直接影響人體通過對流及輻射的顯熱交換?人體對溫度的感覺是相當靈敏的?反復實驗表明，人判斷冷熱感覺的重現(xiàn)能力，并不比機體生理反應的重現(xiàn)能力低?1.1.2輻射溫度，平均輻射溫度取決于周圍表面溫度?在實際的生產(chǎn)?生活環(huán)境中，空氣溫度和平均輻射溫度并不總是均勻的?相等的，人們常常會遇到機體某一部分受冷和受熱，比如室內上下溫度明顯不對稱，人體一側有輻射熱源等等，所以研究平均輻射溫度相對于空氣溫度的偏差以及不對稱受熱或散熱對人體生理或感覺反應的影響，確定其允許限值是很重要的?蘇聯(lián)學者研究明，為保持工作者熱舒適狀態(tài)，周圍空氣溫度于圍墻溫度的差值不得超過7℃?Fanger通過對加熱天花板舒適限值的研究，發(fā)現(xiàn)即使在熱舒適條件下，無不對稱熱輻射時，也有3.5%的人感到不適[2]?如果按不適人數(shù)以不超過5%為標準，則對稱熱輻射限值應小于4℃?1.1.3氣流速度，在熱環(huán)境中，空氣流動能為人體提供新鮮的空氣，并在一定程度上加快人體的對流散熱和蒸發(fā)散熱，提供冷卻效果，使人體達到熱適，同時，空氣的流動速度過大也可能導致有吹風感的危險，因此空氣流動速度的大小是一不可避免的矛盾。20世紀70年代，McIntyre的兩個重要實驗使這方面的研究有了突破性的進展：(1)在對高溫條件下由于空氣的高速流動人體熱接受性的驗證中，發(fā)現(xiàn)受試者所滿意的風扇速度低于保持他們自身的生理熱中性的風速，而且空氣的流動在環(huán)境溫度即使達到28℃時仍能補償溫度的升高[3]；(2)通過實驗研究探討受試者臉部的吹風感，發(fā)現(xiàn)受試者覺得冷時感到空氣流速不滿意，在覺得熱時感到空氣流速滿意，而且初始時的冷感覺隨著時間的延長而逐漸變得不太明顯[4]。夏一哉等作了關于氣流的脈動強度和頻率對人體的熱感覺的研究，并得出這樣的結論:在“中性-熱”的環(huán)境工況下，增加氣流的脈動強度，可以加大熱舒適程度，并減少不愉快吹風感的產(chǎn)生。實驗同時發(fā)現(xiàn)，頻率在0.05～表2-1PMV熱感覺標尺PMV指標代表了同一環(huán)境下絕多數(shù)人的熱感覺，所以可以用來評價一個熱環(huán)境舒適與否。但是人與人之間存在個體差異，因此PMV指標并不一定能夠代表所有人的個人感覺。為此，F(xiàn)anger又提出了預測不滿意百分比PPD指標來表示人群對熱環(huán)境不滿意百分數(shù)，并用概率分析方法，給出PMV與PPD之間的關系：PPD=100—95exp[-(0.03353PMV4+0.2179PMV2)](2-2)其關系曲線圖如下圖2-1PMV與PPD關系曲線由圖可見，當PMV=0時，PPD為5%。即盡管室內熱環(huán)境處于最佳，仍有5%的人感到不滿意。因此ISO7730對PMV推薦值在-0.5~+0.5之間，相當于允許有10%的人感覺不滿意。PMV取決于人體符合TL，而TL又相當于人體蓄熱率S，所以可以看出PMV方程適用于穩(wěn)態(tài)環(huán)境人體熱舒適評價，而不適用于動態(tài)熱環(huán)境的熱舒適評價。2.2新有效溫度ET*有效溫度ET定義是：“干球溫度、濕度、空氣流速對人體溫暖感或冷感影響的綜合指數(shù)，該數(shù)值等效于產(chǎn)生相同感覺的靜止飽和空氣溫度?！庇行囟韧ㄟ^人體試驗獲得，并將相同有效溫度的點作為等舒適線繪制在濕空氣焓濕圖上火繪制成諾謨圖的形式。但有效溫度存在的缺陷是過高的估計了濕度在低溫下對涼爽和舒適狀態(tài)的影響，因此引入新有效溫度ET*[12]。Gagge等把皮膚濕潤度引進ET*。此后，新有效溫度又有新的擴展，綜合考慮不同活動水平和衣服熱阻，形成最通用的指標—標準有效溫度SET*。標準有效溫度SET*的定義：身著標準熱阻服裝的人，在相對濕度為50%，空氣靜止不動，空氣溫度等于平均輻射溫度的等溫環(huán)境下，若與他在實際環(huán)境和實際服裝熱阻條件下的平均皮膚溫度和皮膚濕潤度相同，則必將具有相同的熱損失，該溫度就是上述實際環(huán)境的標準有效溫度SET*。對于坐著工作，穿輕薄衣服和較低空氣流速的標準狀態(tài)下，其標準有效溫度就等于新有效溫度ET*，圖2-2所示，有一塊菱形區(qū)域，其舒適區(qū)適用于服裝熱阻為圖2-2新有效溫度ET*與ASHRAE舒適區(qū)0.8~1.0clo坐著活動量稍大的人。盡管標準有效溫度更能準確反映熱的熱感覺，但由于要計算皮膚溫度和皮膚濕潤度，因此應用比較復雜，反而不如ET*應用廣泛。2.3過渡活動狀態(tài)的熱舒適指標RWI和HDR[13]在實際的空調采暖工程設計中，經(jīng)常會遇到人員短暫停留的過渡區(qū)間。該過渡區(qū)間可能連接著兩個不同空氣溫度、濕度等熱環(huán)境參數(shù)的空間。人員經(jīng)過或在該區(qū)間作短暫停留而且活動狀態(tài)有所改變的時候，對該空間的熱環(huán)境參數(shù)的感覺是與他在同一空間作長期靜止停留時的感覺是不同的。因此需要有人體對這類過渡空間的熱舒適指標進行試驗，以指導對這類空間室內的空調設計參數(shù)的確定。相對熱指標RWI(RelativeWarmthIndex)和熱損失率HDR(HeatDeficitRate)是美國運輸部為地鐵車站站臺、站廳和列車空調設計參數(shù)的確定提出的考慮人體在過渡空間環(huán)境的熱舒適指標。這些指標是根據(jù)ASHRAE的熱舒適實驗結果得出的。RWI適用于較暖環(huán)境，而HDR適用于冷環(huán)境。但它沒有考慮人體在過渡區(qū)間受到變化溫度刺激時出現(xiàn)Gagge等人發(fā)現(xiàn)的熱感覺“滯后”和“超前”的現(xiàn)象，而僅考慮了過渡狀態(tài)人體的熱平衡。它對動態(tài)過程的考慮反映在:1.認為人在一種活動狀態(tài)過渡到另一種狀態(tài)時，要經(jīng)過6min的過程代謝率M才能達到最終活動狀態(tài)下的穩(wěn)定代謝率。在這個過渡過程中，代謝率與時間呈線性關系。2.人的活動會導致出汗并濕潤服裝，同時人的活動擾動周圍氣流，導致服裝熱阻有所改變。認為一種活動狀態(tài)過渡到另一種活動狀態(tài)時，服裝熱阻要經(jīng)過6min達到新的穩(wěn)定值，其間服裝熱阻與時間呈線性關系。RWI是一個無量綱指標，其定義式為：RWI=MτIcwτ+Ia+6.42ta-35+RIaRWI=MτIcwτ+Ia+6.42ta-35+RIa其中：M為新城代謝；τ過渡中經(jīng)歷時間；ta為環(huán)境空氣干球溫度；Icw為服裝熱阻；Ia為服裝為空氣熱阻，clo；R單位皮膚面積平均輻射得熱。HDR反應了人體所損失的熱量，單位為W/m2。其表達式為：HDR=D/Δτ=28.39-M-[6.42(ta-30.56)+RIa]/(Icw+Ia)(2-5)其分度與ASHRAE如表2-2。熱感覺ASHRAE熱感覺標度相對熱指標RWI暖20.25稍暖10.15中性00.08稍涼-10.00表2-2RWI分度與ASHRAE熱感覺標度關系表如果給定各連續(xù)過渡空間的空氣參數(shù)、人員衣著以及進入這些空間后的活動狀態(tài)，根據(jù)式（2-3）~（2-5）計算各連續(xù)過渡空間的RWI和HDR值，就可以了解人員依次進入這些過渡空間時的相對熱感覺是比前一個空間更涼爽些還是更暖些,反過來也可以用于確定各功能空間的設計參數(shù)。3.改善室內熱舒適性措施要使人們真正處于舒適的室內環(huán)境中，應使人體按正常比例散熱，即輻射散熱應占總人體散熱量的45%~50%，對流散熱約占25%~30%，而呼吸和無感覺蒸發(fā)散熱約占25%~30%。這就要求在建筑設計過程中充分重視室內空間質量和功能分區(qū)問題，注意室內的防熱處理，充分利用有利的環(huán)境因素而防止不利的環(huán)境因素，創(chuàng)造舒適的室內熱環(huán)境。還要求空調系統(tǒng)設計時慎重選擇空調室內設計溫度并進行合理的氣流組織。防熱途徑有室內外環(huán)境綠化、窗戶遮陽(內、外遮陽)、外圍護結構的隔熱等防熱措施。個體可通過改變著衣量，開關窗戶，啟停室內空調采暖設備及改變溫度、風速等個人行為調節(jié)措施來改變環(huán)境舒適度及個人熱舒適感；個體還可從生理上和心理上適應某一熱環(huán)境，生理適應指長期暴露在熱環(huán)境中人體熱應力的逐漸減小的一種生理反應，它包括基應性和環(huán)境適應性；心理適應指根據(jù)過去的經(jīng)歷和期望適時改變現(xiàn)在的熱環(huán)境期望值。3.1改善室內氣流組織空調房間氣流組織對人體熱舒適有很大影響[14]，按照送、回風口布置位置和型式的不同，氣流組織大致可以分為以下幾種：側送側回、頂部上送下回、下送上回及上送上回。盡管氣流組織有多種形式，但均主要通過在室內形成的氣流溫度場與速度場來影響人體的熱舒適感覺。氣流組織的溫度場和速度場對人體熱舒適的作用是相互的。空氣溫度較高時，較快的氣流速度有助于人體散熱，消除人體的熱感，而且空氣較快的流動會使溫度場均勻。反過來，氣流速度加快時，較高的空氣溫度可減緩人體的冷感。溫度場的不均勻會在一定程度上造成空氣流動。因此要根據(jù)不同建筑室內形狀以及熱源位置合理選擇送回風位置。3.2外圍護結構隔熱夏季室外溫度高，墻體，窗戶單位面積得熱大，使室內溫度速速增加，因此對外圍護結構的夏季隔熱有所要求，冬季對外圍護結構的保溫有所要求[15]。1)可以對墻體增加空氣夾層，增大傳熱熱阻，阻止熱量的大量流入或者流出。2)在墻體或者窗戶中添加PCM材料，利用相變吸熱放熱儲能，維持室內溫度一定人體可接受范圍你波動，其波動穩(wěn)定。3)外遮陽或者內遮陽窗簾，有效防止太陽直射和窗戶的投射得熱。4)在建筑外部或者室內安裝保溫材料，阻止熱量流入流出，但因注意柱、梁熱橋的影響。3.3減小室內垂直溫度差[16]冬季室內空調供熱時，因為熱空氣總是向上流動，所以熱空氣總是堆積在房間上部，而地板附近堆積冷空氣，形成溫度梯度，人身處其中會由于腳底與頭部溫度差相差大而感到不適。垂直溫差過大，會使足部溫度下降，體溫調節(jié)緊張，不利于健康，一般垂直溫差應小于3℃。1)冬季采用地板輻射采暖，暖空氣自下而上源源不斷的上升，減小垂直溫差。2)夏季采用上送風或者頂部輻射制冷，冷空氣自上而下。3.4調節(jié)心理因素古人云：“心靜自然涼”，就是說人心理作用對人體產(chǎn)熱機制有一定的促進作用。對理論上未達到舒適標準的某一熱環(huán)境，個體換一種心態(tài)去評價和感受也許會覺得舒適。4.室內熱舒適性研究展望室內熱舒適性影響因素很多，環(huán)境因素以及人心里因素。在實際工程中，都是通過對特定建筑物，考慮環(huán)境因素，在上述評價指標的基礎上建立模型，進行分析，優(yōu)化前人的評價模型，更能真實反應人的熱舒適性。我國現(xiàn)在的人體熱舒適性模型都是建立在國外的基礎上，沒有考慮到我國居民實際的人體散熱等一系列指標，存在偏離現(xiàn)象[18]。因此我國學者可以結合我國人的生理參數(shù)及實際情況進行深入研究?，F(xiàn)在的研究主要集中在某一個或者二個參數(shù)的因素，而熱舒適性是許多因素綜合作用的結果，因此以后的研究可以側重于綜合因素的影響研究。參考文獻：[1]紀秀玲等.室內熱環(huán)境舒適性的影響因素及預測評價研究進展.衛(wèi)生研究.2003年5月.[2]FangerPo、舒適、李天麟等編譯.北京：北京科學技術出版社.1992，16[3]McIntyreD.Preferredairspeedforcomfortinwarmconditions.ASHRAETransactions1978，84(2):264—277.[4]夏一哉、牛建磊、趙榮義.空氣流動對熱舒適影響的實驗研究.總結與分析.暖通空調.2000，2：10.[5]TanabeShin-ichi,KimuraKen-ichi.Effectsofairtemperature,humidityandairmovementonthermalcomfortunderhotandhumidconditions.ASHRAETransSymposia,1994,30[6]NevinsR.Effectofchangeinambienttemperatureandlevelofhu