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提高热湿环境空气流速的热舒适研究 [2007-1-22]来源:正岛电器技术应用开发部
      摘要: 随着空调行业对节能和环保问题的重视,人们希望能尽量减少机械制冷或热力空调系统的使用时间,采用较为节能的制冷方式,如蒸发冷却。目前大多数空调设计室内参数的设定都参照ASHRAE标准55-1981推荐的夏季的舒适区。

      通过热舒适实验研究了空气流动在热湿下对受试者热舒适的影响,当风速适度提高后,室内空气温度、相对湿度都可相应提高,进而分析比较了提高温湿度设定值后空调运行时间及蒸发冷却空调方式可使用率的变化。
  
关键词  相对湿度 热舒适  风速   
 
1 概述
  
 
    根据ASHRAE标准,舒适区域内干球温度的最大值为26℃,湿球温度的最大值为19℃,若以天津地区的室外气象资料为统计对象,我们可以发现在夏季6月至9月(共2472小时),其中需要使用空调(室外温度、湿度高于舒适区值)的时间为2024小时,约为总时间的81.9%。由于只有室外空气的湿球温度不高于舒适区域内最大湿球温度值19℃时,才可能采用蒸发制冷,统计结果表明仅有286小时符合要求,约为14.1%,而且在最热的七、八两月,可以使用蒸发制冷的时间几乎为零。

   时间
6月
7月
8月
9月
  总时间(h)
720
744
744
720
  不需空调时间
     (h) 
 低于舒适区
268
83
114
438
 舒适区内
87
12
8
55
  空调时间
451
661
630
282
  可使用蒸发制冷时间(h)
158
26
10
92

    ①温度26℃或湿度19℃
            ②温度26℃且湿度19℃
    
  因此,对于天津类这地区,如使夏季室内空调设计参数保持在该舒适区内,需要较大的建筑能耗,蒸发冷却也无法得到充分利用。因此,在保证室内居住者的舒适的前提下,适度提高室内空气的温湿度设定值,是一条可行的节能途径。
  ASHRAE标准中的舒适区对应的空气流速低于0.15m/s,可以认为室内空气"静止",标准同时亦指出当环境温度较高时,适当提高人体表面空气流速,可提高皮肤表面与环境的热交换系数,同时加大皮肤表面汗液的蒸发,损失更多热量,降低皮肤表面湿润度W,从而降低居住者的热感觉,提高舒适感。因此,我校进行一系列热舒适实验,以观察热湿环境下,提高室内的空气流速对热舒适的改善程序,以期得出室内参数(温度、湿度、气流速度)的合理组合。
  
2 热舒适实验
  
  2.1 实验设计
  热舒适实验安排在天津大学暖通大实验室内的测试小室内进行,测试小室的大上为5m×4.5m×3m,配有一套小型空气处理系统控制室内温温度,为在室内产生足够的空气流速,在吊顶中心上安装风扇。在室内离地60cm及140cm处均匀布置温湿度自动巡检仪的探头,监测环境温湿度,保证实验过程测试室内温湿度稳定。室内为受试者安排有6个固定座位,采用TSI风速检测仪测定离地110cm处的平均风速,因为人体上部空气流动较其他部位对热舒适影响更明显。
  参加实验的受试者是在天津大学的学生,其96名,男生50名,女生46名,平均年龄20岁。受试者的衣着量为夏季标准衣
着:短袖衬衣、长裤、短袜和轻便拖鞋。根据标准,其衣服热阻约为0.5clo。每组6名受试者在进入测试室前,先在准备室静坐,测试历时90分钟,每30分钟填写一次热舒适调查问卷,记录热感觉、热舒适,以及对空气流速和湿度的感觉。
  为观测热湿环境下风速对人体的热舒适的影响,测试室内的工况设定在27~30℃之间,相对湿度保持在70%,根据空气温度的不同,可分为4组,风扇启动后,六个位置的气流速度各不相同,因此共有24组。

 
温度/相对湿度(℃/%)
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 新陈代谢量为静坐状态下对应的值,衣服热阻按0.5clo计。
  
  2.2 评价标准
  
  人体的热舒适受到诸多因素的影响,主要因素包括二类,室内物理因素,如空气温度、相对湿度、空气流速、平均辐射温度和个人因素,如衣服热阻和人体新陈代谢率。因此采用一综合指标描述众多影响因素,便于对热环境进行热舒适的预测,因针对的是空气流速较高的环境,采用Gagge基于新有效温度ET*(Effective Temperature)提出的标准有效温度SET*(Standard Effective Temperature),根据其定义可编写相应的计算程序,根据环境的温湿度、空气流速辐射温度,受试者的衣服热阻和新陈代谢率,计算出各工况的标准有效温度SET*,如表2。
  受试者对环境的主观评价尺度则沿用ASHRAE的热感觉七级指标和热舒适的四级指标,同时调查受试者对环境潮湿度的评
价,以及对所处位置空气流速大小的期望。
  
  2.3 实验结果
  2.3.1 空气流速对热感觉、热舒适的影响
  将本次实验中受试者热感觉投票值TSV(Thermal Sensation Vote)与所处环境的SET*进行进行线性拟合,根据Fanger的热舒适方程计算各工况预测的热感觉值PMV(Predicted Mean Vote),并将其与SET*的线性拟合,见图2。比较两条拟合线,可看出两者之间存在较大差距,这说明Fanger的热舒适方程对本组环境的预测并不准确,它低估了空气流动在热湿环境中所起的降低热感觉,提高热舒适的作用。根据本实验得出的拟事曲线,可得出中性温度SET*=26.3℃(TSV=0时),与在美国和日本进行的两项类似实验进行比较,见表3,它与日本东京实验的所得值相近,这反映了受试者的气候习惯对热感觉的影响,天津和东京夏季7月遥平均温度皆在27℃以上,较为潮湿,所以其居住者相对更能忍受热湿环境。

 
线性拟合公式
中性温度
(SET*,℃)
 
线性拟合公式
中性温度
(SET*,℃)
实测值
TSV=0.372 SET* - 9.801
26.3
日本
TSV=0.339 SET* - 8.882
26.2
PMV理论值
PMV=0.301 SET* - 6.666
22.2
美国
PMV=0.290 SET* - 8.010
25.8

  将受试者的热舒适投票值TCV(Thermal Comfort Vote)与SET*进行拟合,见图3,可以看出热不舒适最小TSV=0.27时,SET*=25.6℃,带入SET*~TSV的线性拟合方程,相应TSV=-0.3,这说明中性温度并不一定等于最令人舒适的温度,在夏季,人们更喜欢中性偏凉的感觉。
  2.3.2 受试者对空气流速大小的期望
  将调查表中受试者对环境空气流速的期望VS(1-期望风速变小,0-不变,-1-期望变大)在不同的空气干球温度下与空气流速进行线性拟合,见图4。表4中列出了不同温度下的拟合线性方程和期望风速。温度越高,期望风速值也越高,而在较低温度(27℃时),人体对风速更加敏感(线性方程斜率较大)。除30.1℃/70.3%环境下,期望风速对应的SET*低于中性温度,说明,在热湿环境,人们希望风偏大一点,使热感觉达到中性偏凉。

温度(℃ )/湿度(%)
线性拟合方程
期望风速(m/s)
期望风速对应的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%时期望风速低于使SET*值达到中性温度所需的风速,这说明人们对身体周围空气流速有一最高接受限度,超过该限度,即使热感觉在可接受范围内,对风速也无法接受。参考已有的文献和本次实验的结果,可认为居住者能接受的风速不高于0.8m/s。
  2.3.3 风速对潮湿感觉的影响
  在不同温度下,将受试者对空气潮湿程度感觉的投票DS值(+3-潮湿,0-适中,-3-干燥)与空气流速V进行拟合,见图5,可以看出在同一相对湿度下,空气温度、气流速度都会影响人体对空气的潮湿感觉。温度升高,DS上升,而且空气温度27℃的拟合线与其他三条(28℃、29℃、30℃)的拟合线之间有较大的差距,温度达到28℃以后,人们易觉得环境潮湿。而空气流速加大,DS会下降。因此,空气流速的提高可以缓解环境给人的潮湿感。将2.3.2得到的各温度上的期望风速带入图5的各拟合曲线,相应的DS值在±0.5之间,说明提高风速后,可消除潮湿感。
  
3 结论与讨论
  
  从以上实验得出的结果可得出以下结论:
  (1)SET*|TSV=0=26.3℃,SET*|TSV最小=25.6℃,为保证居住者的热舒适,建议使室内的SET*=25.6℃;
  (2)居住者能够接受的环境最高空气流速为0.8m/s,这就是限制了室内干球温度值。见表5,相对湿度为70%时,能保证TCV最小的干球温度为29.3℃,即当空气干球温度低于29.3℃时,依靠调整室内空气流速,可保证居住者的舒适。

相对湿度(%)
70
60
50
40
干球温度(℃ )
29.3
29.7
30
30.4

  (3)空气流动速度提高,居住者的潮湿感地下降,但湿度过大(80%以上),易于细菌滋生。因此,一般场合相对湿度维持70% 以下是可以接受的。
  根据以上结论,为保证人体的热舒适(SET*=25.6℃),相对湿度70%时,运用SET*程序可算出相应干球温度下推荐的风速。

干球温度(℃ )
27
28
29
空气流速(m/s)
0.23
0.42
0.64
湿球温度(℃ )
22.8
23.8
24.5
 
 
 
 

  以上的结论使夏季室内允许的温度、湿度都有所提高,舒适区得以扩大,节省了夏季空调的允许时间,也扩大了蒸发制冷在需要空调时间内的利用率。
  图6中可以看出当室内温度选取定在不同值时,天津地区夏季需运行空调时间的变化。图7则可看到湿度变化时,蒸发制冷占总空调运行时间的比率的变化,湿度提高后,在最热的七、八月蒸发制冷的可利用率大大增加。因此,风速的提高可带来明显的节能效益。
                
  当然,室内参数的设定还应根据场所的性质来设定。对于一些长期停留的场所,允许的风速还应适度降低,以避免长期吹风产生的不舒适,如实行岗位送风和方式,可以让居住者选择风向和风速,会进一步提高热舒适。而在较短期的停留场所,要求较低,风速可以适度提高,从而温度设定值也可提高。另外,以上的结果是受试者在静坐状态下得出的,对于居住者从事其他活动时新陈代谢率会有所提高,SET*值亦会提高,应适度提高风速,或降低空气温度。
  
  
参考文献

      1 Rohles F, S Konz, B J ones, Ceiling fans as extenders of the summer comfort envelope, ASHRAE Trans, V89 (1):245~265
  2 Scheatzle d, H Wu J Yellot, Extending the summer confort envelope, with ceiling fan in hot, arid climates, ASHRAE Trans, 1989,,95 V(1):269~280
  3 赵荣义,范存养等,空气调节,北京:中国建筑工业出版社

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