提高熱濕環境空氣流速的熱舒適研究

提高熱濕環境空氣流速的熱舒適研究

　　摘要：隨著空調行業對節能和環保問題的重視，人們希望能盡量減少機械制冷或熱力空調系統的使用時間，采用較為節能的制冷方式，如蒸發冷卻。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，當風速適度提高后，室內空氣溫度、相對濕度都可相應提高，進而分析比較了提高溫濕度設定值后空調運行時間及蒸發冷卻空調方式可使用率的變化。

　　

　　關鍵詞相對濕度熱舒適風速

　　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，我們可以發現在夏季6月至9月（共2472小時），其中需要使用空調（室外溫度、濕度高于舒適區值）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域內最大濕球溫度值19℃時，才可能采用蒸發制冷，統計結果表明僅有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

　　不需空調時間

　　（h）

　　低于舒適區

　　268

　　83

　　114

　　438

　　舒適區內

　　87

　　12

　　8

　　55

　　空調時間①

　　451

　　661

　　630

　　282

　　可使用蒸發制冷時間（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，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，蒸發冷卻也無法得到充分利用。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"，標準同時亦指出當環境溫度較高時，適當提高人體表面空氣流速，可提高皮膚表面與環境的熱交換系數，同時加大皮膚表面汗液的蒸發，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，我校進行一系列熱舒適實驗，以觀察熱濕環境下，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熱舒適實驗

　　2．1實驗設計

　　熱舒適實驗安排在天津大學暖通大實驗室內的測試小室內進行，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，為在室內產生足夠的空氣流速，在吊頂中心上安裝風扇。在室內離地60cm及140cm處均勻布置溫濕度自動巡檢儀的探頭，監測環境溫濕度，保證實驗過程測試室內溫濕度穩定。室內為受試者安排有6個固定座位，采用TSI風速檢測儀測定離地110cm處的平均風速，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的學生，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準衣

　　著：短袖襯衣、長褲、短襪和輕便拖鞋。根據標準，其衣服熱阻約為0.5clo。每組6名受試者在進入測試室前，先在準備室靜坐，測試歷時90分鐘，每30分鐘填寫一次熱舒適調查問卷，記錄熱感覺、熱舒適，以及對空氣流速和濕度的感覺。

　　為觀測熱濕環境下風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下對應的值，衣服熱阻按0.5clo計。

　　2．2評價標準

　　人體的熱舒適受到諸多因素的影響，主要因素包括二類，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，便于對熱環境進行熱舒適的預測，因針對的是空氣流速較高的環境，采用Gagge基于新有效溫度ET*（EffectiveTemperature）提出的標準有效溫度SET*（StandardEffectiveTemperature），根據其定義可編寫相應的計算程序，根據環境的溫濕度、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。

　　受試者對環境的主觀評價尺度則沿用ASHRAE的熱感覺七級指標和熱舒適的四級指標，同時調查受試者對環境潮濕度的評

　　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）與所處環境的SET*進行進行線性擬合，根據Fanger的熱舒適方程計算各工況預測的熱感覺值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境的預測并不準確，它低估了空氣流動在熱濕環境中所起的降低熱感覺，提高熱舒適的作用。根據本實驗得出的擬事曲線，可得出中性溫度SET*=26.3℃（TSV=0時），與在美國和日本進行的兩項類似實驗進行比較，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

　　將調查表中受試者對環境空氣流速的期望VS（1-期望風速變小，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速。溫度越高，期望風速值也越高，而在較低溫度（27℃時），人體對風速更加敏感（線性方程斜率較大）。除30.1℃/70.3%環境下，期望風速對應的SET*低于中性溫度，說明，在熱濕環境，人們希望風偏大一點，使熱感覺達到中性偏涼。

　　溫度（℃）/濕度（%）

　　線性擬合方程

　　期望風速（m/s）

　　期望風速對應的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%時期望風速低于使SET*值達到中性溫度所需的風速，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，對風速也無法接受。參考已有的文獻和本次實驗的結果，可認為居住者能接受的風速不高于0.8m/s。

　　2．3．3風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，溫度達到28℃以后，人們易覺得環境潮濕。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境給人的潮濕感。將2.3.2得到的各溫度上的期望風速帶入圖5的各擬合曲線，相應的DS值在±0.5之間，說明提高風速后，可消除潮濕感。

　　3結論與討論

　　從以上實驗得出的結果可得出以下結論：

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

　　（2）居住者能夠接受的環境最高空氣流速為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℃，即當空氣干球溫度低于29.3℃時，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。

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

　　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間，也擴大了蒸發制冷在需要空調時間內的利用率。

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

　　當然，室內參數的設定還應根據場所的性質來設定。對于一些長期停留的場所，允許的風速還應適度降低，以避免長期吹風產生的不舒適，如實行崗位送風和方式，可以讓居住者選擇風向和風速，會進一步提高熱舒適。而在較短期的停留場所，要求較低，風速可以適度提高，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，應適度提高風速，或降低空氣溫度。

　　參考文獻

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

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

　　3趙榮義，范存養等，空氣調節，北京：中國建筑工業出版社