提高熱濕環(huán)境空氣流速的熱舒適研究

提高熱濕環(huán)境空氣流速的熱舒適研究

　　摘要：隨著(zhù)空調行業(yè)對節能和環(huán)保問(wèn)題的重視，人們希望能盡量減少機械制冷或熱力空調系統的使用時(shí)間，采用較為節能的制冷方式，如蒸發(fā)冷卻。目前大多數空調設計室內參數的設定都參照ASHRAE標準55-1981推薦的夏季的舒適區。

　　通過(guò)熱舒適實(shí)驗研究了空氣流動(dòng)在熱濕下對受試者熱舒適的影響，當風(fēng)速適度提高后，室內空氣溫度、相對濕度都可相應提高，進(jìn)而分析比較了提高溫濕度設定值后空調運行時(shí)間及蒸發(fā)冷卻空調方式可使用率的變化。

　　關(guān)鍵詞相對濕度熱舒適風(fēng)速

　　1概述

　　根據ASHRAE標準，舒適區域內干球溫度的最大值為26℃，濕球溫度的最大值為19℃，若以天津地區的室外氣象資料為統計對象，我們可以發(fā)現在夏季6月至9月（共2472小時(shí)），其中需要使用空調（室外溫度、濕度高于舒適區值）的時(shí)間為2024小時(shí)，約為總時(shí)間的81.9%。由于只有室外空氣的濕球溫度不高于舒適區域內最大濕球溫度值19℃時(shí)，才可能采用蒸發(fā)制冷，統計結果表明僅有286小時(shí)符合要求，約為14.1%，而且在最熱的七、八兩月，可以使用蒸發(fā)制冷的時(shí)間幾乎為零。

　　時(shí)間

　　6月

　　7月

　　8月

　　9月

　　總時(shí)間（h）

　　720

　　744

　　744

　　720

　　不需空調時(shí)間

　?。╤）

　　低于舒適區

　　268

　　83

　　114

　　438

　　舒適區內

　　87

　　12

　　8

　　55

　　空調時(shí)間①

　　451

　　661

　　630

　　282

　　可使用蒸發(fā)制冷時(shí)間（h）②

　　158

　　26

　　10

　　92

　?、贉囟?6℃或濕度19℃

　?、跍囟?6℃且濕度19℃

　　因此，對于天津類(lèi)這地區，如使夏季室內空調設計參數保持在該舒適區內，需要較大的建筑能耗，蒸發(fā)冷卻也無(wú)法得到充分利用。因此，在保證室內居住者的舒適的前提下，適度提高室內空氣的溫濕度設定值，是一條可行的節能途徑。

　　ASHRAE標準中的舒適區對應的空氣流速低于0.15m/s，可以認為室內空氣"靜止"，標準同時(shí)亦指出當環(huán)境溫度較高時(shí)，適當提高人體表面空氣流速，可提高皮膚表面與環(huán)境的熱交換系數，同時(shí)加大皮膚表面汗液的蒸發(fā)，損失更多熱量，降低皮膚表面濕潤度W，從而降低居住者的熱感覺(jué)，提高舒適感。因此，我校進(jìn)行一系列熱舒適實(shí)驗，以觀(guān)察熱濕環(huán)境下，提高室內的空氣流速對熱舒適的改善程序，以期得出室內參數（溫度、濕度、氣流速度）的合理組合。

　　2熱舒適實(shí)驗

　　2．1實(shí)驗設計

　　熱舒適實(shí)驗安排在天津大學(xué)暖通大實(shí)驗室內的測試小室內進(jìn)行，測試小室的大上為5m×4.5m×3m，配有一套小型空氣處理系統控制室內溫溫度，為在室內產(chǎn)生足夠的空氣流速，在吊頂中心上安裝風(fēng)扇。在室內離地60cm及140cm處均勻布置溫濕度自動(dòng)巡檢儀的探頭，監測環(huán)境溫濕度，保證實(shí)驗過(guò)程測試室內溫濕度穩定。室內為受試者安排有6個(gè)固定座位，采用TSI風(fēng)速檢測儀測定離地110cm處的平均風(fēng)速，因為人體上部空氣流動(dòng)較其他部位對熱舒適影響更明顯。

　　參加實(shí)驗的受試者是在天津大學(xué)的學(xué)生，其96名，男生50名，女生46名，平均年齡20歲。受試者的衣著(zhù)量為夏季標準衣

　　著(zhù)：短袖襯衣、長(cháng)褲、短襪和輕便拖鞋。根據標準，其衣服熱阻約為0.5clo。每組6名受試者在進(jìn)入測試室前，先在準備室靜坐，測試歷時(shí)90分鐘，每30分鐘填寫(xiě)一次熱舒適調查問(wèn)卷，記錄熱感覺(jué)、熱舒適，以及對空氣流速和濕度的感覺(jué)。

　　為觀(guān)測熱濕環(huán)境下風(fēng)速對人體的熱舒適的影響，測試室內的工況設定在27～30℃之間，相對濕度保持在70%，根據空氣溫度的不同，可分為4組，風(fēng)扇啟動(dòng)后，六個(gè)位置的氣流速度各不相同，因此共有24組。

　　溫度/相對濕度（℃/%）

　　27.1/68.8

　　28.1/69.3

　　29.1/69.0

　　30.1/70.3

　　速度

　　1.36

　　22.13

　　23.32

　　24.44

　　25.51

　　0.95

　　22.73

　　23.88

　　24.99

　　26.16

　　0.70

　　23.34

　　24.40

　　25.50

　　26.65

　　0.42

　　24.29

　　25.43

　　26.52

　　27.75

　　0.34

　　24.71

　　25.75

　　27.03

　　28.15

　　0.25

　　25.28

　　26.42

　　27.68

　　28.90

　?、傩玛惔x量為靜坐狀態(tài)下對應的值，衣服熱阻按0.5clo計。

　　2．2評價(jià)標準

　　人體的熱舒適受到諸多因素的影響，主要因素包括二類(lèi)，室內物理因素，如空氣溫度、相對濕度、空氣流速、平均輻射溫度和個(gè)人因素，如衣服熱阻和人體新陳代謝率。因此采用一綜合指標描述眾多影響因素，便于對熱環(huán)境進(jìn)行熱舒適的預測，因針對的是空氣流速較高的環(huán)境，采用Gagge基于新有效溫度ET*（EffectiveTemperature）提出的標準有效溫度SET*（StandardEffectiveTemperature），根據其定義可編寫(xiě)相應的計算程序，根據環(huán)境的溫濕度、空氣流速輻射溫度，受試者的衣服熱阻和新陳代謝率，計算出各工況的標準有效溫度SET*，如表2。

　　受試者對環(huán)境的主觀(guān)評價(jià)尺度則沿用ASHRAE的熱感覺(jué)七級指標和熱舒適的四級指標，同時(shí)調查受試者對環(huán)境潮濕度的評

　　價(jià)，以及對所處位置空氣流速大小的期望。

　　2．3實(shí)驗結果

　　2．3．1空氣流速對熱感覺(jué)、熱舒適的影響

　　將本次實(shí)驗中受試者熱感覺(jué)投票值TSV（ThermalSensationVote）與所處環(huán)境的SET*進(jìn)行進(jìn)行線(xiàn)性擬合，根據Fanger的熱舒適方程計算各工況預測的熱感覺(jué)值PMV（PredictedMeanVote），并將其與SET*的線(xiàn)性擬合，見(jiàn)圖2。比較兩條擬合線(xiàn)，可看出兩者之間存在較大差距，這說(shuō)明Fanger的熱舒適方程對本組環(huán)境的預測并不準確，它低估了空氣流動(dòng)在熱濕環(huán)境中所起的降低熱感覺(jué)，提高熱舒適的作用。根據本實(shí)驗得出的擬事曲線(xiàn)，可得出中性溫度SET*=26.3℃（TSV=0時(shí)），與在美國和日本進(jìn)行的兩項類(lèi)似實(shí)驗進(jìn)行比較，見(jiàn)表3，它與日本東京實(shí)驗的所得值相近，這反映了受試者的氣候習慣對熱感覺(jué)的影響，天津和東京夏季7月遙平均溫度皆在27℃以上，較為潮濕，所以其居住者相對更能忍受熱濕環(huán)境。

　　線(xiàn)性擬合公式

　　中性溫度

　　(SET*，℃)

　　線(xiàn)性擬合公式

　　中性溫度

　　(SET*，℃)

　　實(shí)測值

　　TSV=0.372SET*-9.801

　　26.3

　　日本

　　TSV=0.339SET*-8.882

　　26.2

　　PMV理論值

　　PMV=0.301SET*-6.666

　　22.2

　　美國

　　PMV=0.290SET*-8.010

　　25.8

　　將受試者的熱舒適投票值TCV（ThermalComfortVote）與SET*進(jìn)行擬合，見(jiàn)圖3，可以看出熱不舒適最小TSV=0.27時(shí)，SET*=25.6℃，帶入SET*～TSV的線(xiàn)性擬合方程，相應TSV=-0.3，這說(shuō)明中性溫度并不一定等于最令人舒適的溫度，在夏季，人們更喜歡中性偏涼的感覺(jué)。

　　2．3．2受試者對空氣流速大小的期望

　　將調查表中受試者對環(huán)境空氣流速的期望VS（1-期望風(fēng)速變小，0-不變，-1-期望變大）在不同的空氣干球溫度下與空氣流速進(jìn)行線(xiàn)性擬合，見(jiàn)圖4。表4中列出了不同溫度下的擬合線(xiàn)性方程和期望風(fēng)速。溫度越高，期望風(fēng)速值也越高，而在較低溫度（27℃時(shí)），人體對風(fēng)速更加敏感（線(xiàn)性方程斜率較大）。除30.1℃/70.3%環(huán)境下，期望風(fēng)速對應的SET*低于中性溫度，說(shuō)明，在熱濕環(huán)境，人們希望風(fēng)偏大一點(diǎn)，使熱感覺(jué)達到中性偏涼。

　　溫度（℃）/濕度（%）

　　線(xiàn)性擬合方程

　　期望風(fēng)速（m/s）

　　期望風(fēng)速對應的SET*（℃）

　　27.1/68.8

　　VS=1.0241V-0.2323

　　0.23

　　25.47

　　28.1/69.3

　　VS=0.8889V-0.3911

　　0.44

　　25.26

　　29.1/69.0

　　VS=0.8463V-0.5309

　　0.63

　　25.70

　　30.1/70.3

　　VS=0.8492V-0.6367

　　0.74

　　26.59

　　在30.1℃/70.3%時(shí)期望風(fēng)速低于使SET*值達到中性溫度所需的風(fēng)速，這說(shuō)明人們對身體周?chē)諝饬魉儆幸蛔罡呓邮芟薅?，超過(guò)該限度，即使熱感覺(jué)在可接受范圍內，對風(fēng)速也無(wú)法接受。參考已有的文獻和本次實(shí)驗的結果，可認為居住者能接受的風(fēng)速不高于0.8m/s。

　　2．3．3風(fēng)速對潮濕感覺(jué)的影響

　　在不同溫度下，將受試者對空氣潮濕程度感覺(jué)的投票DS值（+3-潮濕，0-適中，-3-干燥）與空氣流速V進(jìn)行擬合，見(jiàn)圖5,可以看出在同一相對濕度下,空氣溫度、氣流速度都會(huì )影響人體對空氣的潮濕感覺(jué)。溫度升高，DS上升，而且空氣溫度27℃的擬合線(xiàn)與其他三條（28℃、29℃、30℃）的擬合線(xiàn)之間有較大的差距，溫度達到28℃以后，人們易覺(jué)得環(huán)境潮濕。而空氣流速加大，DS會(huì )下降。因此，空氣流速的提高可以緩解環(huán)境給人的潮濕感。將2.3.2得到的各溫度上的期望風(fēng)速帶入圖5的各擬合曲線(xiàn)，相應的DS值在±0.5之間，說(shuō)明提高風(fēng)速后，可消除潮濕感。

　　3結論與討論

　　從以上實(shí)驗得出的結果可得出以下結論：

　?。?）SET*|TSV=0=26.3℃，SET*|TSV最小=25.6℃，為保證居住者的熱舒適，建議使室內的SET*=25.6℃；

　?。?）居住者能夠接受的環(huán)境最高空氣流速為0.8m/s，這就是限制了室內干球溫度值。見(jiàn)表5，相對濕度為70%時(shí)，能保證TCV最小的干球溫度為29.3℃，即當空氣干球溫度低于29.3℃時(shí)，依靠調整室內空氣流速，可保證居住者的舒適。

　　相對濕度（%）

　　70

　　60

　　50

　　40

　　干球溫度（℃）

　　29.3

　　29.7

　　30

　　30.4

　　(3)空氣流動(dòng)速度提高，居住者的潮濕感地下降，但濕度過(guò)大（80%以上），易于細菌滋生。因此，一般場(chǎng)合相對濕度維持70%以下是可以接受的。

　　根據以上結論，為保證人體的熱舒適（SET*=25.6℃），相對濕度70%時(shí)，運用SET*程序可算出相應干球溫度下推薦的風(fēng)速。

　　干球溫度（℃）

　　27

　　28

　　29

　　空氣流速（m/s）

　　0.23

　　0.42

　　0.64

　　濕球溫度（℃）

　　22.8

　　23.8

　　24.5

　　以上的結論使夏季室內允許的溫度、濕度都有所提高，舒適區得以擴大，節省了夏季空調的允許時(shí)間，也擴大了蒸發(fā)制冷在需要空調時(shí)間內的利用率。

　　圖6中可以看出當室內溫度選取定在不同值時(shí)，天津地區夏季需運行空調時(shí)間的變化。圖7則可看到濕度變化時(shí)，蒸發(fā)制冷占總空調運行時(shí)間的比率的變化，濕度提高后，在最熱的七、八月蒸發(fā)制冷的可利用率大大增加。因此，風(fēng)速的提高可帶來(lái)明顯的節能效益。

　　當然，室內參數的設定還應根據場(chǎng)所的性質(zhì)來(lái)設定。對于一些長(cháng)期停留的場(chǎng)所，允許的風(fēng)速還應適度降低，以避免長(cháng)期吹風(fēng)產(chǎn)生的不舒適，如實(shí)行崗位送風(fēng)和方式，可以讓居住者選擇風(fēng)向和風(fēng)速，會(huì )進(jìn)一步提高熱舒適。而在較短期的停留場(chǎng)所，要求較低，風(fēng)速可以適度提高，從而溫度設定值也可提高。另外，以上的結果是受試者在靜坐狀態(tài)下得出的，對于居住者從事其他活動(dòng)時(shí)新陳代謝率會(huì )有所提高，SET*值亦會(huì )提高，應適度提高風(fēng)速，或降低空氣溫度。

　　參考文獻

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