(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(duì)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(dòng)在熱濕下對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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
(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(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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)較其他部位對(duì)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(duì)空氣流速和濕度的感覺。
為觀測熱濕環(huán)境下風(fēng)速對(duì)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(duì)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(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(duì)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(duì)應(yīng)的值,衣服熱阻按0.5clo計(jì)。
2.2評(píng)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(duì)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(duì)熱環(huán)境進(jìn)行熱舒適的預(yù)測,因針對(duì)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(duì)環(huán)境的主觀評(píng)價(jià)尺度則沿用ASHRAE的熱感覺七級(jí)指標(biāo)和熱舒適的四級(jí)指標(biāo),同時(shí)調(diào)查受試者對(duì)環(huán)境潮濕度的評(píng)
價(jià),以及對(duì)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(duì)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(duì)本組環(huán)境的預(yù)測并不準(zhǔn)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,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(duì)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(duì)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(duì)空氣流速大小的期望
將調(diào)查表中受試者對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)潮濕感覺的影響
在不同溫度下,將受試者對(duì)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(duì)濕度下,空氣溫度、氣流速度都會(huì)影響人體對(duì)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(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,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:
(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(duì)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(duì)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,但濕度過大(80%以上),易于細(xì)菌滋生。因此,一般場合相對(duì)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(duì)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(duì)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(huì)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(duì)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(yīng)適度提高風(fēng)速,或降低空氣溫度。
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