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(shí)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(yùn)行時(shí)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(jì)對象，我們可以發(fā)現(xiàn)在夏季6月至9月（共2472小時(shí)），其中需要使用空調(diào)（室外溫度、濕度高于舒適區(qū)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(qū)域內(nèi)最大濕球溫度值19℃時(shí)，才可能采用蒸發(fā)制冷，統(tǒng)計(jì)結(jié)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(diào)時(shí)間

　?。╤）

　　低于舒適區(qū)

　　268

　　83

　　114

　　438

　　舒適區(qū)內(nèi)

　　87

　　12

　　8

　　55

　　空調(diào)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

　　①溫度26℃或濕度19℃

　?、跍囟?6℃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(jì)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(shí)亦指出當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，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(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，提高舒適感。因此，我校進(jìn)行一系列熱舒適實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)

　　2．1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　熱舒適實(shí)驗(yàn)安排在天津大學(xué)暖通大實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(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?yàn)槿梭w上部空氣流動較其他部位對熱舒適影響更明顯。

　　參加實(shí)驗(yàn)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(shí)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(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(yīng)的值，衣服熱阻按0.5clo計(jì)。

　　2．2評價(jià)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(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(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(jì)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(jì)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(jià)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(shí)調(diào)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(yàn)結(jié)果

　　2．3．1空氣流速對熱感覺、熱舒適的影響

　　將本次實(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)驗(yàn)得出的擬事曲線，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(xiàng)類似實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，見表3，它與日本東京實(shí)驗(yàn)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(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(shí)），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(diǎn)，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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果可得出以下結(jié)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(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(shí)，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(shí)，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(shí)，運(yùn)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(shí)間，也擴(kuò)大了蒸發(fā)制冷在需要空調(diào)時(shí)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(shí)，天津地區(qū)夏季需運(yùn)行空調(diào)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(diào)運(yùn)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(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(shí)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。

　　參考文獻(xiàn)

　　1RohlesF,SKonz,BJones,Ceilingfansasextendersofthesummercomfortenvelope,ASHRAETrans,V89(1):245～265

　　2Scheatzled,HWuJYellot,Extendingthesummerconfortenvelope,withceilingfaninhot,aridclimates,ASHRAETrans,1989,,95V(1):269～280

　　3趙榮義，范存養(yǎng)等，空氣調(diào)節(jié)，北京：中國建筑工業(yè)出版社