提高熱濕環(huán)境空氣流速的熱舒適研究
摘要：隨著空調(diào)行業(yè)對節(jié)能和環(huán)保問題的重視，人們希望能盡量減少機(jī)械制冷或熱力空調(diào)系統(tǒng)的使用時間，采用較為節(jié)能的制冷方式，如蒸發(fā)冷卻。目前大多數(shù)空調(diào)設(shè)計室內(nèi)參數(shù)的設(shè)定都參照ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)55-1981推薦的夏季的舒適區(qū)。
通過熱舒適實驗研究了空氣流動在熱濕下對受試者熱舒適的影響，當(dāng)風(fēng)速適度提高后，室內(nèi)空氣溫度、相對濕度都可相應(yīng)提高，進(jìn)而分析比較了提高溫濕度設(shè)定值后空調(diào)運行時間及蒸發(fā)冷卻空調(diào)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(jù)ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)，舒適區(qū)域內(nèi)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(qū)的室外氣象資料為統(tǒng)計對象，我們可以發(fā)現(xiàn)在夏季6月至9月（共2472小時），其中需要使用空調(diào)（室外溫度、濕度高于舒適區(qū)值）的時間為2024小時，約為總時間的81.9%。由于只有室外空氣的濕球溫度不高于舒適區(qū)域內(nèi)最大濕球溫度值19℃時，才可能采用蒸發(fā)制冷，統(tǒng)計結(jié)果表明僅有286小時符合要求，約為14.1%，而且在最熱的七、八兩月，可以使用蒸發(fā)制冷的時間幾乎為零。
時間
6月
7月
8月
9月
總時間（h）
720
744
744
720
不需空調(diào)時間
（h）
低于舒適區(qū)
268
83
114
438
舒適區(qū)內(nèi)
87
12
8
55
空調(diào)時間①
451
661
630
282
可使用蒸發(fā)制冷時間（h）②
158
26
10
92
①溫度26℃或濕度19℃
②溫度26℃且濕度19℃
因此，對于天津類這地區(qū)，如使夏季室內(nèi)空調(diào)設(shè)計參數(shù)保持在該舒適區(qū)內(nèi)，需要較大的建筑能耗，蒸發(fā)冷卻也無法得到充分利用。因此，在保證室內(nèi)居住者的舒適的前提下，適度提高室內(nèi)空氣的溫濕度設(shè)定值，是一條可行的節(jié)能途徑。
ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)中的舒適區(qū)對應(yīng)的空氣流速低于0.15m/s，可以認(rèn)為室內(nèi)空氣"靜止"，標(biāo)準(zhǔn)同時亦指出當(dāng)環(huán)境溫度較高時，適當(dāng)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(shù)，同時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，提高舒適感。因此，我校進(jìn)行一系列熱舒適實驗，以觀察熱濕環(huán)境下，提高室內(nèi)的空氣流速對熱舒適的改善程序，以期得出室內(nèi)參數(shù)（溫度、濕度、氣流速度）的合理組合。
2熱舒適實驗
2．1實驗設(shè)計
熱舒適實驗安排在天津大學(xué)暖通大實驗室內(nèi)的測試小室內(nèi)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(tǒng)控制室內(nèi)溫溫度，為在室內(nèi)產(chǎn)生足夠的空氣流速，在吊頂中心上安裝風(fēng)扇。在室內(nèi)離地60cm及140cm處均勻布置溫濕度自動巡檢儀的探頭，監(jiān)測環(huán)境溫濕度，保證實驗過程測試室內(nèi)溫濕度穩(wěn)定。室內(nèi)為受試者安排有6個固定座位，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較其他部位對熱舒適影響更明顯。
參加實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。受試者的衣著量為夏季標(biāo)準(zhǔn)衣
著：短袖襯衣、長褲、短襪和輕便拖鞋。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，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(zhǔn)備室靜坐，測試歷時90分鐘，每30分鐘填寫一次熱舒適調(diào)查問卷，記錄熱感覺、熱舒適，以及對空氣流速和濕度的感覺。
為觀測熱濕環(huán)境下風(fēng)速對人體的熱舒適的影響，測試室內(nèi)的工況設(shè)定在27～30℃之間，相對濕度保持在70%，根據(jù)空氣溫度的不同，可分為4組，風(fēng)扇啟動后，六個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
①新陳代謝量為靜坐狀態(tài)下對應(yīng)的值，衣服熱阻按0.5clo計。
2．2評價標(biāo)準(zhǔn)
人體的熱舒適受到諸多因素的影響，主要因素包括二類，室內(nèi)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(biāo)描述眾多影響因素，便于對熱環(huán)境進(jìn)行熱舒適的預(yù)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(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET*（StandardEffectiveTemperature），根據(jù)其定義可編寫相應(yīng)的計算程序，根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET*，如表2。
受試者對環(huán)境的主觀評價尺度則沿用ASHRAE的熱感覺七級指標(biāo)和熱舒適的四級指標(biāo)，同時調(diào)查受試者對環(huán)境潮濕度的評
價，以及對所處位置空氣流速大小的期望。
2．3實驗結(jié)果
2．3．1空氣流速對熱感覺、熱舒適的影響
將本次實驗中受試者熱感覺投票值TSV（ThermalSensationVote）與所處環(huán)境的SET*進(jìn)行進(jìn)行線性擬合，根據(jù)Fanger的熱舒適方程計算各工況預(yù)測的熱感覺值PMV（PredictedMeanVote），并將其與SET*的線性擬合，見圖2。比較兩條擬合線，可看出兩者之間存在較大差距，這說明Fanger的熱舒適方程對本組環(huán)境的預(yù)測并不準(zhǔn)確，它低估了空氣流動在熱濕環(huán)境中所起的降低熱感覺，提高熱舒適的作用。根據(jù)本實驗得出的擬事曲線，可得出中性溫度SET*=26.3℃（TSV=0時），與在美國和日本進(jìn)行的兩項類似實驗進(jìn)行比較，見表3，它與日本東京實驗的所得值相近，這反映了受試者的氣候習(xí)慣對熱感覺的影響，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。
線性擬合公式
中性溫度
(SET*，℃)
線性擬合公式
中性溫度
(SET*，℃)
實測值
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，見圖3，可以看出熱不舒適最小TSV=0.27時，SET*=25.6℃，帶入SET*～TSV的線性擬合方程，相應(yīng)TSV=-0.3，這說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。
2．3．2受試者對空氣流速大小的期望
將調(diào)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)行線性擬合，見圖4。表4中列出了不同溫度下的擬合線性方程和期望風(fēng)速。溫度越高，期望風(fēng)速值也越高，而在較低溫度（27℃時），人體對風(fēng)速更加敏感（線性方程斜率較大）。除30.1℃/70.3%環(huán)境下，期望風(fēng)速對應(yīng)的SET*低于中性溫度，說明，在熱濕環(huán)境，人們希望風(fēng)偏大一點，使熱感覺達(dá)到中性偏涼。
溫度（℃）/濕度（%）
線性擬合方程
期望風(fēng)速（m/s）
期望風(fēng)速對應(yīng)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%時期望風(fēng)速低于使SET*值達(dá)到中性溫度所需的風(fēng)速，這說明人們對身體周圍空氣流速有一最高接受限度，超過該限度，即使熱感覺在可接受范圍內(nèi)，對風(fēng)速也無法接受。參考已有的文獻(xiàn)和本次實驗的結(jié)果，可認(rèn)為居住者能接受的風(fēng)速不高于0.8m/s。
2．3．3風(fēng)速對潮濕感覺的影響
在不同溫度下，將受試者對空氣潮濕程度感覺的投票DS值（+3-潮濕，0-適中，-3-干燥）與空氣流速V進(jìn)行擬合，見圖5,可以看出在同一相對濕度下,空氣溫度、氣流速度都會影響人體對空氣的潮濕感覺。溫度升高，DS上升，而且空氣溫度27℃的擬合線與其他三條（28℃、29℃、30℃）的擬合線之間有較大的差距，溫度達(dá)到28℃以后，人們易覺得環(huán)境潮濕。而空氣流速加大，DS會下降。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，相應(yīng)的DS值在±0.5之間，說明提高風(fēng)速后，可消除潮濕感。
3結(jié)論與討論
從以上實驗得出的結(jié)果可得出以下結(jié)論：
（1）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(nèi)的SET*=25.6℃；
（2）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(nèi)干球溫度值。見表5，相對濕度為70%時，能保證TCV最小的干球溫度為29.3℃，即當(dāng)空氣干球溫度低于29.3℃時，依靠調(diào)整室內(nèi)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)空氣流動速度提高，居住者的潮濕感地下降，但濕度過大（80%以上），易于細(xì)菌滋生。因此，一般場合相對濕度維持70%以下是可以接受的。
根據(jù)以上結(jié)論，為保證人體的熱舒適（SET*=25.6℃），相對濕度70%時，運用SET*程序可算出相應(yīng)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(jié)論使夏季室內(nèi)允許的溫度、濕度都有所提高，舒適區(qū)得以擴(kuò)大，節(jié)省了夏季空調(diào)的允許時間，也擴(kuò)大了蒸發(fā)制冷在需要空調(diào)時間內(nèi)的利用率。
圖6中可以看出當(dāng)室內(nèi)溫度選取定在不同值時，天津地區(qū)夏季需運行空調(diào)時間的變化。圖7則可看到濕度變化時，蒸發(fā)制冷占總空調(diào)運行時間的比率的變化，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)速的提高可帶來明顯的節(jié)能效益。
當(dāng)然，室內(nèi)參數(shù)的設(shè)定還應(yīng)根據(jù)場所的性質(zhì)來設(shè)定。對于一些長期停留的場所，允許的風(fēng)速還應(yīng)適度降低，以避免長期吹風(fēng)產(chǎn)生的不舒適，如實行崗位送風(fēng)和方式，可以讓居住者選擇風(fēng)向和風(fēng)速，會進(jìn)一步提高熱舒適。而在較短期的停留場所，要求較低，風(fēng)速可以適度提高，從而溫度設(shè)定值也可提高。另外，以上的結(jié)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時新陳代謝率會有所提高，SET*值亦會提高，應(yīng)適度提高風(fēng)速，或降低空氣溫度。
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