室内热舒适性的评价方法

文章编号:1000-2375(2001)02-0139-04
室内热舒适性的评价方法
袁旭东,　甘文霞,　黄素逸
(华中科技大学新能源研究中心,湖北武汉430074)
摘　要:室内热舒适性是空调设计成功与否的一项重要指标.针对几种不同的建筑微气候指标组合,讨论了有关人体热感觉的评价方法和可供工程应用的热舒适图.
关键词:热舒适性;微气候指标;人体热感觉;热舒适图中图分类号:T U111.3 文献标识码:A
收稿日期:2001-03-19
基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(合同号G 2000026303)
作者简介:袁旭东(1945-　
),男,副教授1　引　言
人的健康、自身感觉及工作能力在很大程度上取决于室内的舒适状况.人的热感觉和舒适感不能视为同一概念,舒适感具有更广泛的含义,除了与空气温度、湿度相关外,还与气流速度、室内空气品质密切相关,而热感觉在舒适感中无疑起着举足轻重的作用.
最初室内微气候主要是利用供暖系统来保持的,在一些情况下采用了通风手段.只有对少数条件要求高的房间才安装空调系统.供暖系统的选择按房间所需保证的空气温度来决定,通风系统和空气调节系统则考虑了保证人们活动地区所必须的气流速度.
对空气温度和气流速度的要求,是在对生理学进行深入研究后提出的.在大多数情况下,这些要求.密实型的围护结构和保温窗不大的建筑物,即使在室外空气温度急剧波动和太阳辐射强烈时,也能使房间保持稳定的热状态,因此在大多数房间中微气候的唯一控制参数是空气温度.这一时期的突出特点是:保证适当的微气候的任务是依靠设备工程师来完成,实际上不依赖结构工程师和建筑师.
然而,随着轻型结构在建筑上的应用,建筑物窗户面积增大以及新的建筑方案的应用,出现了人的热感觉与房间微气候的传统要求不相适应的情况.因此研究人员在密闭室内的舒适感包括热感觉就显得特别重要.人体热感觉是一个复杂的问题.应该由生理学家、心理学家、设备专家和建筑师共同协作解决,才能取得良好的效果.
2　影响热舒适性的微气候指标
对人体热感觉起重要作用的是建筑物的微气候指标,它包含周围环境的热工参数及其组合.其中受直接调节和间接调节的有下列最重要的5个参数:空气温度、气流速度、空气相对湿度、周围表面温度和热辐射.最后两个参数具有同样的物理本质,但在计算热感觉时,可以把它们分开考虑.例如在供暖系统中,顶棚的温度既可看做是周围表面的温度,又可看做是辐射的温度.因此,我们只研究4个参数对热感觉的影响.
把微气候参数以及对热感觉有显著影响的微气候参数的各种组合的综合指标,称之为微气候指标.其中重要的组合有:空气温度和周围表面温度;空气温度、周围表面温度和气流速度;空气温度、周围表面温度、气流速度和相对湿度;空气温度、气流速度和相对湿度;空气温度和相对湿度.
第23卷第2期2001年6月湖北大学学报(自然科学版)
Journal of Hubei University (Natural Science Edition )　V ol.23　N o.2　Jun.,2001
使微气候参数的计算复杂化,在很大程度上是由于它们的参数数目过多,在参数中间难以显示出确定的数值所致.因此对热感觉研究,或者根据房间的用途(民用建筑、公共建筑、工业厂房等),或者根据微气候调节系统类型(热风供暖、辐射供暖等)来制定.
3　几种微气候参数的人体热感觉
微气候参数组合情况很多,作为示例,下面就3种主要的组合情况加以讨论.
3.1　空气温度和周围表面温度　属于这一组的指标,广泛地应用于工程实践中.按照生理学家的意见,
热感觉绝不能只用两个参数来表征.对其它参数的限制,在很大程度上缩小了微气候指标的应用范围,所以对某些指标常常要作修改和补充.例如折算温度和变通折算温度,有效温度和当量有效温度等.
所谓折算温度就是周围环境的温度.在该环境中,当最大流速为0.07～0.08m/s 时,人体以辐射和对流方式把热量传递给环境中的空气和墙壁.而所谓最终温度是指人的感觉温度.
无着装的人体在静止状态下,折算温度的数学表达式为[1]:
t 0=0.48t 0.n +0
.52t B
(1)
式中　t 0———折算温度(℃),t B ———空气温度(℃
),t 0.n ———周围表面的平均温度(℃
).对身着普通衣服的人,其折算温度为: t 0=0.55t 0.n +0.45t B
(2)
最终温度表达式为:t p.c =0.557t 0+0.443t 0.n (3)
式中　t p.c ———最终温度(℃
).根据文献[2]的研究,舒适指标为:
t B +t 0.n =42.2℃.
图1　热感觉图
1—热;2—舒适;3—冷
空气温度、周围表面温度与人的热感觉之间的关系如
图1所示.
图1最初为空气流速在0.15m/s 内的工业建筑物中计算微气候时用的,后来发现它可以推广应用到空气温度和表面温度的变化范围为10～30℃的其它建筑物中.
人体的感觉温度(最终温度)也可以用如下计算式[3]:
t p.c =(αc t B +αR t 0.n )/(αc +αR )(4)式中　αc —
——对流换热系数(W/(m 2・℃)),αR —
——辐射换热系数(W/(m 2・℃)).当气流速度较小时,αc ≈αR ,可得:
t p.c =(t B +t 0.n )/2
(5)
上式的适用范围为空气流速很小,温度为15～25℃,
相对湿度为30%～70%.
3.2　空气温度、周围表面温度和气流速度　为了测定最终温度,采用球形温度计.它是在直径为15.7cm 的铜制球形表面涂上黑颜色,球内有一支水银温度计.球体的温度由热平衡方程式确定:
αR F (t 0.n -t m )=αc F (t m -t B )
(6)
式中　F ———球体表面积(m 2),
t m ———球体表面温度(℃
).当αR ≈αc 时,
t m =(t B +t 0.n )/2=t p.c (7)黑球温度计不适合于测定最终温度的准确值.若t B <t 0.n ,则当气流速度增大时,其读数就接近于t 0;若当t B ≈t 0.n 时,该仪器对空气流动没有反应.
针对黑球温度与平均辐射温度的关系,文献[2]给出了如下关系式:
T 4R ・10-9=T 4m ・
10-9+0.128U (t m -t B )(8)
41湖北大学学报(自然科学版)第23卷
图3　有效温度与热舒适图表
U —空气流速　t B —空气温度　t e.H —湿球温度
A —寒冷季节舒适区
B —炎热季节舒适区a —炎热季节舒适线　b —寒冷季节舒适线
式中　T R ———平均辐射温度(K ),
T m ———球体温度(K ),
U ———气流温度(m/s ).
用黑体温度计测定的是显热最终温度.
折算温度是空气温度和周围表面温度的函数,变通折算温度则考虑了空气的流动速度.变通折算温
图2　热舒适图
①舒适线　②舒适上限　③冷适下限
度对于穿普通衣服的人可按下式计算:
t 0′=0.55t 0.n +0.163[U 0.5
(t B -t n )+2.76t n ](9)式中　t 0′———变通折算温度(℃
),t n ———物体表面平均温度(℃
).t n 的值按下式计算: t n =0.716t B +11.24
(10)
将t n 的值代入(9)式得:
t 0′=0.55t 0,n +0.32t n +0.46U
0.5
t n -18.35U 0.5+5.0
(11)
有了变通折算温度t 0′,用以代替折算温度t 0,可按前述的空气温度和周围表面温度的组合计算出相应的热感觉图表或热舒
适图表[4](图2).3.3　空气温度、周围表面温度、气流速度和空气相对湿度　有效温度的定义是指在所研究的温度条件下,与未饱和空气产生同样热感觉的饱和空气的这个温度.经验表明,当冬季的温度为18～22℃、夏季的温度为24～28℃时,就感受到舒适的热感觉,空气的相对湿度不应超过30%～70%的范围[5].这样一来,热感觉图上的夏季舒适性和冬季舒适值可部份地重合在一起.换句话说,如果知道生理学参数的实际范围,有效温度图可用于计算热感觉.有效温度的标尺与热感觉之间的关系如图3所示.利用该图可以直接查出给定的有效温度下的热感觉.
当量有效温度要考虑到气流速度的影响,其数值可以通过计算或线算图查出来.例如,当干球温度为24℃,湿球温度为16℃时,有效温度为21℃,而此时如考虑气流速度为1m/s 后,当量有效温度相应减小到20℃.
根据有效温度评价人的热状态情况见表1,表中给出了生理学的研究结果.
也可用卡他温度计测量法来确定热感觉
以及进行房间微热气候的热工计算[6].
卡他温度计是特殊构造的椭圆形温度计,温包里充满水银或酒精.测量时,将卡他温度计浸入温度为50～70℃的水中,浸到弯曲液面不超过温度计扩大部份的上方为止,然后把卡他温度计从水中取出擦干,并测定酒精从刻度《2》弯液面下降到刻度《1》弯液面所需的这
1
41第2期袁旭东等:室内热舒适性的评价方法
表1　有效温度对人体热感觉的影响
有效温度值/℃热感觉
生理学作用机体反应
42～40很热强烈的热应力影响出汗
和血液循环
受到极大的热打击危险,妨碍心脏血管的血液循环
35热30暖和以出汗方式进行正常的温度调节25舒适靠肌肉的血液循环来调节正常20凉快利用衣服加强显热散热和调节作用
正常15冷鼻子和手的血管收缩
粘膜、皮肤干燥
10
很冷
肌肉疼痛,妨碍表皮的血液循环
表2　表征热感觉的卡他值热感觉卡他值干式湿式很热310热3～410～12令人愉快4～612～18凉爽8～9.518～20冷
>9.5>20
一段时间.温度计在冷却这段时间内散发出的全部热量可由下式
求出:
Q =α[(t 1+t 2)/2-t B )]τ(12)式中,α为换热系数,取决于气流速度的大小;t 1、t 2分别为卡他温
度计刻度《1》和《2》处相对应的温度值;τ为冷却时间.这个热量与测量时间的比值就是“卡他”值,记为A .
A =Q/τ
(13)
表2列出了人体热感觉与卡他值的定量关系.
4　结　论
人体热舒适问题已发展成为热工学、建筑物理学、生理学和心
理学的交叉学科.这个新方向的研究任务是确定微气候参数组合的允许范围和最佳范围;依据人的热感觉来评价新的建筑和建筑设计方案;查明微气候调节系统的最佳工况;确定在热微气候影响下提高脑力劳动和体力劳动能力的可能性;深入研究室内热微气候控制仪表及设备等.以分析各种热微气候参数指标组合和人体热平衡为根据,建立系统和人体换热的数学模型,最后以热感觉图或舒适图的形成达到工程上的应用,是研究人体热舒适问题的一种行之有效的方法.参考文献:
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[5]巴赫基L.房间的热微气候[M].傅忠诚.北京:中国建筑工业出版社,1985.
[6]巴格期罗夫斯基B H.建筑热物理学[M].单寄平.北京:中国建筑工业出版社,1985.
Assessment of indoor thermal com fort
Y uan Xudong ,　G an Wenxia ,　Huang Suyi
(The Research Center of New Energy S ource ,Huazhong University of Science and T echnology ,Wuhan 430074,China )
Abstract :Indoor thermal com fort is one of the im portant parameters in air condition design.Discusses the as 2sessment method of human thermal feeling and engineering thermal com fort charts for several combinations of build 2ing micro -climate parameters.
K ey w ords :thermal com fort ;building micro -climate ;human thermal feeling ;thermal com fort chart
(责任编辑　严家利)
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