室內(nèi)熱舒適性問題

室內(nèi)熱舒適性綜述朱明貴（暖通1511024003）摘要：通過介紹室內(nèi)熱舒適性影響因素，對(duì)其評(píng)價(jià)指標(biāo)PMV等進(jìn)行綜述，詳盡分析了改善室內(nèi)熱舒適性的措施，展望我國研究學(xué)者應(yīng)該結(jié)合自身生理參數(shù)、環(huán)境參數(shù)對(duì)前人研究的模型進(jìn)行優(yōu)化。關(guān)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(duì)熱濕環(huán)境感到滿意的主客觀評(píng)價(jià)。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(duì)濕度和平均輻射溫度；人的自身參數(shù)有衣服熱阻和勞動(dòng)強(qiáng)度。人體熱舒適的研究涉及建筑熱物理、人體熱調(diào)節(jié)機(jī)理的生理學(xué)和人的心理學(xué)等學(xué)科。人的一生中有80%以上的時(shí)間是在室內(nèi)度過的，室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)如聲?光?熱環(huán)境及室內(nèi)空氣品質(zhì)對(duì)人的身心健康?舒適感及工作效率都會(huì)產(chǎn)生直接的影響。同時(shí)，大量的國內(nèi)外研究表明，室內(nèi)空氣品質(zhì)也與熱環(huán)境有關(guān)：1)空氣溫濕度以及風(fēng)速會(huì)影響室內(nèi)污染物的放；2)對(duì)污染物的感覺與溫度有關(guān)，國外有關(guān)研究認(rèn)為，在室內(nèi)空氣的化學(xué)成分保持不變的情況下，溫度降低會(huì)使人感到舒服一點(diǎn)，對(duì)空氣品質(zhì)的不滿意率也會(huì)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(diào)。因缺乏對(duì)熱舒適的正確理解，往往造成對(duì)建筑過分的加熱或者過分的冷卻，這樣，不僅對(duì)人體造成不適，同事，也浪費(fèi)了大量的能量。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)室內(nèi)的設(shè)計(jì)構(gòu)建高標(biāo)準(zhǔn)的審美學(xué)。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(fēng)空調(diào)的設(shè)計(jì)不當(dāng)?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(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的研究和評(píng)價(jià)處理解決問題有重要的現(xiàn)實(shí)意義。室內(nèi)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(duì)流及輻射的顯熱交換?人體對(duì)溫度的感覺是相當(dāng)靈敏的?反復(fù)實(shí)驗(yàn)表明，人判斷冷熱感覺的重現(xiàn)能力，并不比機(jī)體生理反應(yīng)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(shí)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(huì)遇到機(jī)體某一部分受冷和受熱，比如室內(nèi)上下溫度明顯不對(duì)稱，人體一側(cè)有輻射熱源等等，所以研究平均輻射溫度相對(duì)于空氣溫度的偏差以及不對(duì)稱受熱或散熱對(duì)人體生理或感覺反應(yīng)的影響，確定其允許限值是很重要的?蘇聯(lián)學(xué)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(duì)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(duì)稱熱輻射時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)，則對(duì)稱熱輻射限值應(yīng)小于4℃?1.1.3氣流速度，在熱環(huán)境中，空氣流動(dòng)能為人體提供新鮮的空氣，并在一定程度上加快人體的對(duì)流散熱和蒸發(fā)散熱，提供冷卻效果，使人體達(dá)到熱適，同時(shí)，空氣的流動(dòng)速度過大也可能導(dǎo)致有吹風(fēng)感的危險(xiǎn)，因此空氣流動(dòng)速度的大小是一不可避免的矛盾。20世紀(jì)70年代，McIntyre的兩個(gè)重要實(shí)驗(yàn)使這方面的研究有了突破性的進(jìn)展：(1)在對(duì)高溫條件下由于空氣的高速流動(dòng)人體熱接受性的驗(yàn)證中，發(fā)現(xiàn)受試者所滿意的風(fēng)扇速度低于保持他們自身的生理熱中性的風(fēng)速，而且空氣的流動(dòng)在環(huán)境溫度即使達(dá)到28℃時(shí)仍能補(bǔ)償溫度的升高[3]；(2)通過實(shí)驗(yàn)研究探討受試者臉部的吹風(fēng)感，發(fā)現(xiàn)受試者覺得冷時(shí)感到空氣流速不滿意，在覺得熱時(shí)感到空氣流速滿意，而且初始時(shí)的冷感覺隨著時(shí)間的延長而逐漸變得不太明顯[4]。夏一哉等作了關(guān)于氣流的脈動(dòng)強(qiáng)度和頻率對(duì)人體的熱感覺的研究，并得出這樣的結(jié)論:在“中性-熱”的環(huán)境工況下，增加氣流的脈動(dòng)強(qiáng)度，可以加大熱舒適程度，并減少不愉快吹風(fēng)感的產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn)，頻率在0.05～表2-1PMV熱感覺標(biāo)尺PMV指標(biāo)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(píng)價(jià)一個(gè)熱環(huán)境舒適與否。但是人與人之間存在個(gè)體差異，因此PMV指標(biāo)并不一定能夠代表所有人的個(gè)人感覺。為此，F(xiàn)anger又提出了預(yù)測(cè)不滿意百分比PPD指標(biāo)來表示人群對(duì)熱環(huán)境不滿意百分?jǐn)?shù)，并用概率分析方法，給出PMV與PPD之間的關(guān)系：PPD=100—95exp[-(0.03353PMV4+0.2179PMV2)](2-2)其關(guān)系曲線圖如下圖2-1PMV與PPD關(guān)系曲線由圖可見，當(dāng)PMV=0時(shí)，PPD為5%。即盡管室內(nèi)熱環(huán)境處于最佳，仍有5%的人感到不滿意。因此ISO7730對(duì)PMV推薦值在-0.5~+0.5之間，相當(dāng)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(dāng)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(píng)價(jià)，而不適用于動(dòng)態(tài)熱環(huán)境的熱舒適評(píng)價(jià)。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(duì)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(yàn)獲得，并將相同有效溫度的點(diǎn)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(jì)了濕度在低溫下對(duì)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(jìn)ET*。此后，新有效溫度又有新的擴(kuò)展，綜合考慮不同活動(dòng)水平和衣服熱阻，形成最通用的指標(biāo)—標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET*。標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET*的定義：身著標(biāo)準(zhǔn)熱阻服裝的人，在相對(duì)濕度為50%，空氣靜止不動(dòng)，空氣溫度等于平均輻射溫度的等溫環(huán)境下，若與他在實(shí)際環(huán)境和實(shí)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(shí)際環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET*。對(duì)于坐著工作，穿輕薄衣服和較低空氣流速的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，其標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)量稍大的人。盡管標(biāo)準(zhǔn)有效溫度更能準(zhǔn)確反映熱的熱感覺，但由于要計(jì)算皮膚溫度和皮膚濕潤度，因此應(yīng)用比較復(fù)雜，反而不如ET*應(yīng)用廣泛。2.3過渡活動(dòng)狀態(tài)的熱舒適指標(biāo)RWI和HDR[13]在實(shí)際的空調(diào)采暖工程設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)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(gè)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(dòng)狀態(tài)有所改變的時(shí)候，對(duì)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(shí)的感覺是不同的。因此需要有人體對(duì)這類過渡空間的熱舒適指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，以指導(dǎo)對(duì)這類空間室內(nèi)的空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定。相對(duì)熱指標(biāo)RWI(RelativeWarmthIndex)和熱損失率HDR(HeatDeficitRate)是美國運(yùn)輸部為地鐵車站站臺(tái)、站廳和列車空調(diào)設(shè)計(jì)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(biāo)。這些指標(biāo)是根據(jù)ASHRAE的熱舒適實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)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(duì)動(dòng)態(tài)過程的考慮反映在:1.認(rèn)為人在一種活動(dòng)狀態(tài)過渡到另一種狀態(tài)時(shí)，要經(jīng)過6min的過程代謝率M才能達(dá)到最終活動(dòng)狀態(tài)下的穩(wěn)定代謝率。在這個(gè)過渡過程中，代謝率與時(shí)間呈線性關(guān)系。2.人的活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致出汗并濕潤服裝，同時(shí)人的活動(dòng)擾動(dòng)周圍氣流，導(dǎo)致服裝熱阻有所改變。認(rèn)為一種活動(dòng)狀態(tài)過渡到另一種活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，服裝熱阻要經(jīng)過6min達(dá)到新的穩(wěn)定值，其間服裝熱阻與時(shí)間呈線性關(guān)系。RWI是一個(gè)無量綱指標(biāo)，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(shí)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(yīng)了人體所損失的熱量，單位為W/m2。其表達(dá)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(biāo)度相對(duì)熱指標(biāo)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(biāo)度關(guān)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(jìn)入這些空間后的活動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)式（2-3）~（2-5）計(jì)算各連續(xù)過渡空間的RWI和HDR值，就可以了解人員依次進(jìn)入這些過渡空間時(shí)的相對(duì)熱感覺是比前一個(gè)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(shè)計(jì)參數(shù)。3.改善室內(nèi)熱舒適性措施要使人們真正處于舒適的室內(nèi)環(huán)境中，應(yīng)使人體按正常比例散熱，即輻射散熱應(yīng)占總?cè)梭w散熱量的45%~50%，對(duì)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(shè)計(jì)過程中充分重視室內(nèi)空間質(zhì)量和功能分區(qū)問題，注意室內(nèi)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(nèi)熱環(huán)境。還要求空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)慎重選擇空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度并進(jìn)行合理的氣流組織。防熱途徑有室內(nèi)外環(huán)境綠化、窗戶遮陽(內(nèi)、外遮陽)、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱等防熱措施。個(gè)體可通過改變著衣量，開關(guān)窗戶，啟停室內(nèi)空調(diào)采暖設(shè)備及改變溫度、風(fēng)速等個(gè)人行為調(diào)節(jié)措施來改變環(huán)境舒適度及個(gè)人熱舒適感；個(gè)體還可從生理上和心理上適應(yīng)某一熱環(huán)境，生理適應(yīng)指長期暴露在熱環(huán)境中人體熱應(yīng)力的逐漸減小的一種生理反應(yīng)，它包括基應(yīng)性和環(huán)境適應(yīng)性；心理適應(yīng)指根據(jù)過去的經(jīng)歷和期望適時(shí)改變現(xiàn)在的熱環(huán)境期望值。3.1改善室內(nèi)氣流組織空調(diào)房間氣流組織對(duì)人體熱舒適有很大影響[14]，按照送、回風(fēng)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(cè)送側(cè)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(nèi)形成的氣流溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)來影響人體的熱舒適感覺。氣流組織的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)對(duì)人體熱舒適的作用是相互的?？諝鉁囟容^高時(shí)，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(dòng)會(huì)使溫度場(chǎng)均勻。反過來，氣流速度加快時(shí)，較高的空氣溫度可減緩人體的冷感。溫度場(chǎng)的不均勻會(huì)在一定程度上造成空氣流動(dòng)。因此要根據(jù)不同建筑室內(nèi)形狀以及熱源位置合理選擇送回風(fēng)位置。3.2外圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱夏季室外溫度高，墻體，窗戶單位面積得熱大，使室內(nèi)溫度速速增加，因此對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的夏季隔熱有所要求，冬季對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫有所要求[15]。1)可以對(duì)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(chǔ)能，維持室內(nèi)溫度一定人體可接受范圍你波動(dòng)，其波動(dòng)穩(wěn)定。3)外遮陽或者內(nèi)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(nèi)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(nèi)垂直溫度差[16]冬季室內(nèi)空調(diào)供熱時(shí)，因?yàn)闊峥諝饪偸窍蛏狭鲃?dòng)，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(huì)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(huì)使足部溫度下降，體溫調(diào)節(jié)緊張，不利于健康，一般垂直溫差應(yīng)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(fēng)或者頂部輻射制冷，冷空氣自上而下。3.4調(diào)節(jié)心理因素古人云：“心靜自然涼”，就是說人心理作用對(duì)人體產(chǎn)熱機(jī)制有一定的促進(jìn)作用。對(duì)理論上未達(dá)到舒適標(biāo)準(zhǔn)的某一熱環(huán)境，個(gè)體換一種心態(tài)去評(píng)價(jià)和感受也許會(huì)覺得舒適。4.室內(nèi)熱舒適性研究展望室內(nèi)熱舒適性影響因素很多，環(huán)境因素以及人心里因素。在實(shí)際工程中，都是通過對(duì)特定建筑物，考慮環(huán)境因素，在上述評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上建立模型，進(jìn)行分析，優(yōu)化前人的評(píng)價(jià)模型，更能真實(shí)反應(yīng)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(chǔ)上，沒有考慮到我國居民實(shí)際的人體散熱等一系列指標(biāo)，存在偏離現(xiàn)象[18]。因此我國學(xué)者可以結(jié)合我國人的生理參數(shù)及實(shí)際情況進(jìn)行深入研究。現(xiàn)在的研究主要集中在某一個(gè)或者二個(gè)參數(shù)的因素，而熱舒適性是許多因素綜合作用的結(jié)果，因此以后的研究可以側(cè)重于綜合因素的影響研究。參考文獻(xiàn)：[1]紀(jì)秀玲等.室內(nèi)熱環(huán)境舒適性的影響因素及預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)研究進(jìn)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(xué)技術(shù)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(dòng)對(duì)熱舒適影響的實(shí)驗(yàn)研究.總結(jié)與分析.暖通空調(diào).2000，2：10.[5]TanabeShin-ichi,KimuraKen-ichi.Effectsofairtemperature,humidityandairmovementonthermalcomfortunderhotandhumidconditions.ASHRAETransSymposia,1994,30[6]NevinsR.Effectofchangeinambienttemperatureandlevelofhu