（化学工程专业论文）亚热带地区人居环境热舒适的模拟与实验研究.pdf

摘要 摘要 随着人们生活水平的提高及现代化科学技术的发展，人居环境以及人 居舒适度引起了社会越来越多的关注。在建筑室内保持一个良好舒适的环 境既有益于人体健康，又能使人体处于自然生态最佳状况，有助于提高工 作效率，使人更富创造力。同时将室内舒适条件维持在一个适宜的水平上， 对降低建筑物能耗也具有重大意义。 本文对空调系统的热舒适性及其影响因素做了较为深入的实验和理论 研究，建立了描述人工气候室空气调节过程的三维动态模型，用p h o e n i c s 程序及k e 方程模型对小室内的温度场和流场进行了模拟分析。实验结果 与模拟分析结果趋于一致，说明本文所建立的人工气候室空气调节过程的 数学模型是合理的。 本文对影响空气调节热舒适条件的温度、湿度、空气流速、平均辐射 温度及人体的活动量和着装热阻进行了实验研究，并以广州高校的在校大 学生( 年龄为1 8 2 5 岁) 为研究对象，针对亚热带地区气候环境特点，在 人工气候室内进行了大量的热舒适实验。理论与实验研究结果表明：温度 对热舒适影响作用明显，在空气温度为2 4 。c 2 6 c 范围内人体的舒适性最 好，高于或低于这个范围环境的热舒适性均下降；当温度在2 4 2 6 ，相 对湿度在5 0 6 0 r h 时，人体的热舒适感最佳，当相对湿度在6 0 8 0 r h 范围内时，大多数受试者亦感到舒适，由此得到一个重要结论：高 温高湿地区湿度对人体热舒适陛的影响与温度同等重要。这是由于人体 对地理气候环境适应性的结果：在相同测试条件下，将总体热感表决平均 值y 的实验结果与以欧美国家的大学生为受试对象建立起来的国际热环境 评价指标p m v 进行比较二者数值基本接近，初步证明了p m v 指标在中 国是适用的；实验及热舒适综合评判表明，亚热带地区人体热舒适范围为： 环境温度2 44 c t 2 6 “c ，风速v 0 1 0 m s ，相对湿度3 0 r h 8 0 ，平均 辐射温度2 3 t 。2 7 。 这一热舒适范围为空调系统的优化设计与节 能提供了实验和理论基础。 关键词：热舒适；人工气候室；空气温度；空气相对湿度；热感表决平均值 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fh u m a nl i v i n gl e v e l sa n dt h ed e v e l o p m e n to fm o d e r n s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni s p a i do ni n d o o re n v i r o n m e n ta n d t h e r m a lc o m f o r t ag o o di n d o o re n v i r o n m e n ti sn o to n l yb e n e f i c i a lt oh u m a nh e a l t h ， b u ta l s om a k e sp e o p l ea tt h e i rb e s tn a t u r a ls t a t e ，a n di t h e l p si m p r o v i n gw o r k i n g e f f e c t i v e n e s s a tt h es a m et i m e ，k e e p i n gt h et h e r m a le n v i r o n m e n ta ta na p p r o p r i a t e l e v e li sh e l p f u lt od e c r e a s ee n e r g yd i s s i p a t i o n h u m a nt h e r m a lc o m f o r ta n di t s i n f l u e n c i n g f a c t o r sh a v eb e e n i n v e s t i g a t e d t h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yi nt h i sp a p e r m u l t i d e m e n s i o n a ld y n a m i c m o d e lw h i c h d e s c r i b e st h ep r o c e s so ft h ea i r - c o n d i t i o n i n gi nt h ec l i m a t ec h a m b e rh a sb e e ns e tu p a n dt h et e m p e r a t u r ef i e l da n df l o wf i e l dh a v eb e e ns i m u l a t e db yu s eo fp h o e n i c s p r o g r a ma n dk 一e q u a t i o nm o d e l t h em a t h e m a t i c a lm o d e l t h a td e s c r i b e st h ep r o c e s s o ft h ea i r _ c o d i t i o n i n gi nt h ec l i m a t ec h a m b e rh a sb e e np r o v e dt ob er e a s o n a b l eb y c o m p a r i n g t h es i m u l a t e dr e s u l t sw i t ht h ee x p e r i m e n t a lo n e s b a s e do nc l i m a t ec h a r a c t e r i s t i c sa n d a g eg r o u p s o f u n i v e r s i t y s t u d e n ti n s u b t r o p i c a lr e g i o n s ，t h ee f f e c t so f a i rt e m p e r a t u r e ，r e l a t i v eh u m i d i t y ，a i rv e l o c i t y , m e a n r a d i a n tt e m p e r a t u r e ，h u m a na c t i v i t ya n dt h et h e r m o r e s i s t a n c eo ft h ec l o t h e so nt h e r m a l c o m f o r th a v eb e e ni n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y t h er e s u l t ss h o wt h a ta i rt e m p e r a t u r e i st h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o ro nt h e r m a lc o m f o r t ，w h i c hh a sg r e a te f f e c to nt h ep m v ( p r e d i c t e dm e a nv o t e ) i n d e x s u b j e c t sf e e l t h em o s tc o m f o r tw h e nt h et e m p e r a t u r e r a n g ef r o m2 4 c t o2 6 c ，a n db e l o wo ra b o v et h er a n g e ，s u b j e c t sf e e ll e s sc o m f o r t a b l e w 1 l e nt e m p e r a t u r er a n g e sf r o m2 4 t o2 6 ，a n dt h er e l a t i v eh u m i d i t yr a n g e sf r o m 5 0 a n d6 0 ，s n b j e c t sf e e lt h em o s tc o m f o r t s p e c i a l l yi m p o r t a n t ，w h e nt h eh u m i d i t y i n c r e a s e sb e t w e e n6 0 一8 0 r h ，s u b j e c t s s t i l lf e e lc o m f o r t t h u sw ec 卸g e ta l l i m p o r t a n tc o n c l u s i o nt h a ti nt h eh o ta n dh u m i dr e g i o n ，t h er e l a t i v eh u m i d i t yh a st h e e q u a l e f f e c to nt h e r m a lc o m f o r t t h i si sb e c a u s es u b j e c t sh a v ea d a p t e dt h e m s e l v e st o t h eg e o g r a p h i c a la n dc l i m a t ee n v i r o n m e n t i n t h eh o ta n dh u m i d r e g i o n ，u n d e r t h es a m e t e s tc o n d i t i o n s ，m e a nt h e r m a ls e n s a t i o nv o t ey i sb a s i c a l l ye q u a lt ot h ei n t e r n a t i o n a l t h e r m a le n v i r o n m e n ti n d e xp m vw h i c hi s b a s e do na g eg r o u p so fu n i v e r s i t ys t u d e n t si n m i d 1 a t i t u d ec l i m a t er e g i o n s i ts h o w st h a tt h ep m v i n d e xi sa l s os u i t a b l et os o u t hc h i n a t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h et h e r m a lc o m f o r tc o n d i t i o n sa r e ：a i rt e m p e r a t u r e2 4 t 2 6 ，r e l a t i v eh u m i d i t y3 0 r h 8 0 ，a i rv e l o c i t yv 0 1 0 m s ， m e a n r a d i a n tt e m p e r a t u r e2 3 t 2 7 。t h i sc o m f o r tz o n ep r o v i d e se x p e r i m e n t a la n d t h e o r e t i c a lb a s i cf o ro p t i m i z e d d e s i g n i n ga n de n e r g yc o n s e r v a t i o no f t h ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m k e y w o r d s ：t h e r m a lc o m f o r t ；c l i m a t ec h a m b e r ；t e m p e r a t u r e ；r e l a t i v eh u m i d i t y ； m e a nt h e r m a ls e n s a t i o nv o t e h 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：孺翊对日飘1 年日l | f t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：殆硼珊 导师签名： 攫吻 f t 期：和；年月l f 日 f t 期：v 3 年，月1 1f t 符号说明 符号说明 杜波依斯体表面积( 裸体体表面积) ，m 2 单位时间通过人体衣服表面对流的热损失，w 比热容，k j ，k g k 热负荷，w 单位时间水蒸气通过皮肤散发的热损失，w 单位时间潜在呼吸的热损失，w 单位时间汗液通过皮肤表面蒸发的热损失，w 汗分泌 力n 单位时间人体内的产热，w 人体与周围空气的对流换热系数，w ，m 2 单位时间通过皮肤传递至衣服外层的热量，w 紊流动能 单位时间干呼吸的热损失，w 代谢率，w 人体吸入空气中的水蒸气分压，k p a 重量可称指数 预测平均反应 预测平均不满意率 能量流量，w 单位时间通过衣服表面辐射的热损失，w r i l l c 唧 e 附 胁 脚 一k f h k k 五 。 m 凡 m 蹦 m 。 r 华南理工大学工学硕士学位论文 空气相对湿度， 时间，s 温度，k 人体周围空气的温度， 着装人体表面平均温度， 当量温度， 平均辐射温度， 平均皮肤温度， 速度矢量，m s 体积，m 3 人体周围空气流速，m s 单位时间外部的机械功，w 总体热感表决平均值 男性热感表决平均值 女性热感表决平均值 外部机械效率 密度，k g m 3 紊流动能耗散率 紊流粘性系数 广义扩散率 x 方向单位矢量 y 方向单位矢量 i v f j ， o 析 朽 趾 o t k h k 一k u v v w y l l q p f 儿 6 下 下 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁化 1 1 研究热舒适的背景 随着现代化科学技术的发展，城市社会化、现代化的程度越来越高，导致人 们绝大多数时间( 常超过9 5 ) 生活在各种人为的环境气候中。室内环境品质i e q ( i n d o o r e n v i r o n m e n t q u a l i t y ) 如声、光、热环境及室内空气品质对人的身心健康、 舒适感及工作效率都会产生直接的影响。在上述诸多影响因素中，热环境和室内 空气品质因素对人的影响尤为显著。这一事实引起了人们对环境条件的重视，室 内气候和人体舒适方面的课题日益引起人们的关注。在建筑室内保持一个良好舒 适的环境既有益于人体健康，又能使人体处于最佳状况，有助于提高工作效率， 使人更富创造力。同时将室内舒适条件维持在一个适宜的水平上，对降低建筑物 能耗也具有重大意义。因此，创造舒适的室内环境气候具有重要的社会意义和经 济意义。 舒适技术的研究，主要是研究热环境系统。除了与建筑学、卫生工程学、人 类工效学有关外，还与传热学、生理学、心理学、生物气象学等很多学科有关， 是一门典型的交叉学科、边缘学科。 1 2 热舒适定义 究竟什么是热舒适? 国际上通用的热舒适的定义是1 9 7 0 年由美国采暖、制冷 和空气调节工程师学会( a s h a r e ) 1 1 给出的：“热舒适是人对环境在心理状态上 感到满意。”也就是说，热舒适是人对周围热环境感到满意的一种主观感觉。使 人感到舒适的那个条件范围称为热舒适区。热舒适是一种主观感觉，在生理学上， 舒适区的概念是指人体的热调节机能处于最低活动状态时的条件范围。在绝大多 数场合，采用空调的目的在于所建立的热环境尽可能使每一个人都处于舒适状态。 但由于每个人生理上的差异及主观感觉的多样性，即使在相同的室内气候条件下， 也不可能使所有的人同时感到满意。因此专家们做出结论：凡是外部因素使8 0 的人感到满意的那些地方就算达到了舒适。 1 3 热舒适的条件及舒适方程 1 3 1 热舒适的条件 热舒适研究的专家，丹麦学者f a n g e r 教授通过多年的研究，提出了计算热舒 适的计算模型，并给出了满足人体热舒适的两个条件：第一个条件就是对处于稳 定状态的人体必须处于热平衡状态，以便使人体对环境的散热量等于人体体内的 产热量啪： 华南理工大学工学硕士学位论文 h e d e s w e r e l = k = r + c( 1 1 ) 式中h 为单位时间人体内的产热： e d 为单位时间水蒸气通过皮肤散发的热损失： e s w 为单位时间汗液通过皮肤表面蒸发的热损失； e r e 为单位时间潜在呼吸的热损失； l 为单位时间干呼吸的热损失； k 为单位时间通过皮肤传递至衣服外层的热量( 经衣服传递) ； r 为单位时间通过衣服表面辐射的热损失； c 为单位时间通过人体衣服表面对流的热损失。 式中的h 是单位时间内人体氧化过程释放的热能( 代谢率m ) 转化而来的。 代谢率m 有时部分地转化为外部的机械功( w ) ，但它主要是转化为体内的热量h 。 因此 m = h + w( w )( i 一2 ) 导入下式 w q 。丽 n 为外部机械效率。 把( 3 ) 带入( 2 ) ，得出 h - - - - m ( 1 一q ) 或按单位体表面积表示： 杀= 芸”m 式中，a d 。为杜波依斯体表面积( 裸体体表面积) ( n 1 2 ) 斯( 1 9 1 5 ) 的名字命名的。a d 。可用下式来估算川： a d = o 2 0 2 w o 4 2 5 h o 7 2 5 式( 1 - 6 ) 中w 是体重( k g ) ，h 是身高( m ) 。 人在休息、静坐或步行时机械效率为0 ，此时h = m 。 ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) 这是以创造者杜波依 ( 1 6 ) 第二个条件是平均皮肤温度和汗液分泌必须具有与舒适相应的水平f a n g e r 教授通过对大量实验数据的回归分析，得出了平均皮肤温t 。和汗分泌e s w 与人体 产热量之间的关系： r ：3 5 7 0 0 3 2 j l( ) ( 1 - - 7 ) 。 a “ 百= = 0 4 8 9 a d u ( # 一5 0 ) ( w )( 卜8 ) 2 第一章绪论 _ - - _ - | 牲l _ - _ 删_ _ _ _ 田- 暑置_ - 日童墨i _ 墨_ 1 3 2 热舒适方程 1 9 6 7 年f a n g e r 教授在k a n s a s 删立大学的实验基础上，雩晕出了热平衡方摆( 式 l 1 ) 中每一个变量的表达式，并将该方程与其他埂个舒送要求条l 牛( 式l 一7 和 式1 8 ) 组合起来即得出了热舒适方程式，如下： 石m ( 1 - i ) 一。鞠4 3 - o 瓣芒ap 铲q a d 1 、 ” 3 j 吨t z i 羔弘伊s 叫如嬲芝t 牡芝， 0 。0 0 1 4 兰( 3 4 飞瑚4 1 0 8 越t e l + 2 7 3 ) 4 一( t m r t + 2 7 3 ) 4j m + f c l ( t d t a ) ( 1 9 ) 当一蕴环境变量满避舒适方程时就将产生最佳筋舒适感。舒适方程巴被证实 是成功的。但由于有关舒适方程所依据静大多数窭验毕竟是戳毽瘫韵美蓠年轻人 或歉溯大学生为受试者稀进行静，因魏不能缎定将舒嫒方程应用到其他久群对怒 没离撩靛。 4 影响热怒适蛉匿素 从热餐适的定义，我们知道，热舒适悬一个很难准确定义的概念，是人 f 擞 众多因素作用下的主观反应，它涉及的范丽很广。从犬的方藏讲，其影响因素可 分为两大类：热因素鄹非热因素。 1 。4 1 热因素 所谓热因素是指在热平衡方程中考虑到的函素。归结起来，式( 1 一1 ) 中各 项参数主要受到一下几个因素的影响，即：空气温度，空气湿度，平均辐射渝度， 空气流速及人的活动水平和人体的着装。其中前四个楚与环璇有关的因素，后两 个是与人有关的函素。下面对这凡个因素进行讨论。 ( 1 ) 空气温度 指室内环境的干球澈度，它被公认为是彩确热舒适的主要因素睁，它赢接影确 a 体通过对流及辐射的熟交换，在承蒸气分压力不交瓣情猛下，空气温茨舞离健 人体皮肤溢度舞赢，捧汗量增翔，扶蔼入静主观热感觉向着热的方鼠发聂。空气 温发下降，则久棒皮下镦疯警收缩，瘦默温度黪低。人体瓣气温的感凳相当灵敏， 遥过搦俸抟冷热感受哥| | 奠对热嚣境懿冷热程度敛出敏锐判叛【6 1 a ( 2 ) 气流速度 霹夫体热姆逮主耍毒两方耍的影嚷。一方蘧，空气流速决定着人体的怼流散热 量 另一方面，它还影噫着空气的蒸发力，从丽影响蒸发散热。当空气温庹低于皮 肤湿度畦+ 流速增大，产生散热效果。当空气温度高于皮肤温度时，流速增加不仅 华南理工大学工学硕士学位论文 造成较高的对流换热加热人体，而且提高了蒸发散热效率。 ( 3 ) 平均辐射温度 平均辐射温度又称壁面平均温度，它主要取决于维护结构表面温度。平均辐射 温度的改变，主要对人体辐射热造成影响，一般情况下，人体辐射散热量占总散热 量的4 2 4 4 口1 。当环境平均辐射温度提高后，人体辐射散热量下降，人体为了 保持热平衡，必然加大对流散热和蒸发散热的比例。人的生理反应和主观反应向热 的方向发。但在不同条件下其变化程度有相当大的差别。当空气温度较高时，平均 辐射温度变化对人体热舒适的影响将十分明显。 ( 4 ) 湿度 湿度对人体的作用与空气温度有关，当人体处于舒适状态时，皮肤干燥，蒸发 散热率仅受汗液分泌率的限制而不受空气蒸发率的限制。因此，舒适皮肤温度只取 决于环境温度、气流速度和平均辐射温度。国内外研究表明：当空气温度在2 0 2 5 。c 范围内，相对湿度在3 0 8 5 之间变化时对人体热感觉几乎无影响【8 9 】。但 当空气温度较高时，人体皮肤潮湿，人体蒸发散热量就取决于空气相对湿度而不取 决于汗液分泌率，此时，空气的相对湿度就成为影响热感觉的主要因素。 最近l o 年有关人体热舒适与湿度的关系的观点发生了变化，其中最重要的结 论归纳为两个方面，一是在舒适感相同的情况下，室内露点温度降低5 5 6 ，干 球温度可以提高o 5 6 c ，相当于相对湿度减少2 5 ，于球温度可以提高l ，这 研究成果对于节能具有十分重要的意义；二是低的相对湿度可以获得更佳的人 体舒适感和空气品质”】。 ( 5 ) 人体的者装 在多数情况下，人体体内的热量是通过皮肤经服装散发到环境中的。因此人 体的着装对热舒适的影响很大。但在皮肤和着装人体最外层表面之间的干热传递 相当复杂，它包括介于空间内部的对流和辐射过程以及通过衣服本身的传递。为 了方便计算，g a g g e 等提出了服装热阻( c l o ) 的概念”，l c i o 表示室温为2 l ， 相对湿度5 0 ，风速v t o 析 当2 0 5 ( t d t a ) o ”o o 斗再 由上式可知，p m v 值的计算很烦琐，而且由于人与人之间的生理差别，即使 对于大多数人都表示满意的热环境，仍然会有人不满意。为了说明这一关系，范 格教授又给出了平均预测不满意率，即p p d ( p r e d i c t e d p e r c e n t a g e o f d i s s a t i s f i e d ) 并 给出了p m v - p p d 关系曲线，见图1 3 。由图1 3 可知，即使p m v = 0 ，仍有5 的人不满意。故i s 0 7 7 3 0 推荐：对某一热环境，当室内环境保持舒适时：有 p p d 1 0 一0 5 p m v + 0 5 。 _ 6 口 o 拍 盒 鬯 1 0 ， p m v 图1 3p m v p p d 关系图 f i g1 3c h a r t o fp m v - p p d p m v p p d 指数是目前世界上广泛应用的室内环境舒适性评价指标是国际标准 化组织( i s o ) 于1 9 8 4 年公布的i s 0 7 7 3 0 标准蚓。对于坐着工作和穿着轻薄服装 的人体可给出很好的结果。然而有关在较高新陈代谢率下的热感的资料是不大令 人满意的；另外，作为预测平均反应的核心思想，体温调节系统的热负荷概念不 能令人信服；许多现场实验证明，p m v 值与人的实际热感觉有差距，有学者指出， 这可能是因为忽略了椅子对受试者的影响【“”1 。 1 6 我国热环境研究现状与发展 目前被国际上公认的评价和预测室内热环境热舒适的标准i s 0 7 7 3 0 和 1 3 兰空翌三奎兰三兰堡圭兰堡兰銮 a s h a r e 5 5 1 9 9 2 主要是以欧美等国家的健康青年人为研究对象，通过实验建立的 标准。这些标准未必适用于中国人，因为：1 中国人与美国人、欧洲人的饮食结构 不同，人体新陈代谢率不同；2 中国与美国、欧洲等国家地理位置不同，气候相差 迥异；3 欧、美等国家属于经济发达国家，而我国是发展中国家，人e l 众多，能源 短缺、经济比较落后【3 “。由于各国的经济状况、能源状况不同，人们的研究目标 不同。国外一些学者一直致力于揭示室内微气候的最佳参数方面研究，而我们要 探索的是室内热环境热舒适的最佳经济方案，即在保证人体热舒适的条件下，尽 可能地节约建筑能耗。因此，我们不能全部照搬国外的研究成果，而应立足于我 国的实际情况，研究适于我国国情的室内热环境热舒适理论。 从8 0 年代开始，魏润柏等率先展开了人体、环境和服装的关系及人体热舒适 理论的研究口7 9 ；寿荣中等提出了一种将人体分成1 5 段的模型瑚1 ：陶培德将人体 视为三维多层圆筒壁研究了人体与环境的传热问题1 4 0 1 ；王小玲将人体分为六节段 两层，建立了肌体各层间和各节段内的瞬态传热数学模型，并用暖体假人测定了 人体对流换热系数h ”；文学军将人、建筑热环境、暖通空调系统视为一个动态热 力系统，构建了稳态和动态热环境人的热感觉模糊预测模型 4 2 】；叶海从理论与实 验两方面深入研究了人体对流换热系数，用暖体假人测定了人体与矩形平板间角 系数及人体有效辐射面积系数；周雪飞以p m v - p p d 指标为依据，模拟分析了玻 璃幕墙建筑中太阳辐射对人体热舒适的影响【4 1 】；贾庆贤等对吹风对人体热舒适的 影响进行了客观调查和主观评价h 卅；王怡等对我国中部地区冬季空调房间室内致 适参数进行了测试与研究，分析了室内温度、湿度对室内空气品质的影响h 4 】。此 外，在高大空间和洁净室气流组织模拟与设计、用c f d 方法评价p m v 和空气年 龄等方面也取得了一些重要成果h 5 卅j 。上述研究成果主要适用于设有集中空调系 统的商场、办公楼等公共建筑。 由于我国地域辽阔，南北跨越热、温、寒几个气候带，气候类型多种多样， 各地区居民生活习惯不同，地区之问经济发展不平衡，人们的经济承受能力不同， 必将导致人们对热环境的生理适应性和心理期望值的差异。故应对不同地区的居 室环境品质、人体热感觉分别进行研究。目前国内一些学者己开始着手对我国部 分地区居住建筑室内热环境进行研究，如：夏一哉等对北京市居民住宅夏季室内 环境热舒适性进行了现场调查与分析 4 5 1 ：李百战等对重庆住宅室内热环境状况进 行了调查与实测”】；张旭等对我国中部地区冬季供暖房间的熟微气候进行了模拟 实验研究【5 0 l ；付祥钊对长江流域住宅进行了大量调查研究蛸”；孟庆林等分析了中 国供暖临界地区的居住建筑室内热环境m l ；袁堂仕以p m v - p p d 指标为依据，模拟 分析了北方地区冬季围护结构冷辐射对人体的影响1 5 3 1 ，连之伟、冯海燕等用模糊 数学方法研究了环境因素对人体热舒适的影响【6 l 。目前尚无华南地区热舒适资料。 1 4 第一章绪论 1 7 本文主要研究内容及应用前景 由上面的分析可知，人体热舒适是室内空气温度、相对湿度、空气流速、平 均辐射温度、服装热阻、人体活动量综合作用的结果。另外，地域、人种等也影 响人的热感觉。以前的研究大多关注温度，认为温度是影响热舒适的首要因素， 而湿度对热舒适的影响的研究比较少，一般认为湿度对人体的热感觉影响很小。 然而中国地域宽广，南北气候差异较大。目前，开展热舒适研究的机构有西安建 筑科技大学和哈尔滨建筑大学等，而华南地区和中国沿海地区尚未开展热舒适方 向的研究。广州地处中国南部沿海地区，北纬2 3 00 8 ，属亚热带气候，夏季较长， 是高温高湿地区，最热月是6 、7 、8 月份。由广东省气象局气候与农业气象中心 提供的2 0 0 2 年( 卜1 2 月) 广东省气候监测公报可以看出，广州6 、7 、8 月份的月平 均气温为2 7 2 8 4 ，极端最高气温高达3 9 8 c 。夏季相对湿度较高，日相对湿 度变化范围为：6 0 9 5 r h 。在这种气候条件下，研究湿度对热舒适的影响有 重要意义。根据广州的气候条件，夏季多用空调制冷，冬天无需供暖。故实验中， 模拟夏季工况，并保持受试人员服装和活动量不变，仅测定四个环境参数：空气 温度、空气流速、相对湿度和平均辐射温度对人体热感觉的影响a 本文旨在通过对广州在校大学生( 年龄段1 8 2 5 岁) 的热舒适研究，得出适 合华南地区的热舒适的温湿度范围，为进行亚热带地区空调系统的优化设计提供 实验和理论基础。 华南理工大学工学硕士学位论文 2 1 实验与测试装置 第二章实验方案 2 1 1 实验装置结构 人体热舒适实验是在一个人工气候小室中进行的。小室内部尺寸为 2 5 l x 2 w x 2 4 h ( 一) 。小室主体为钢结构，厚度为l o c m ，两边为钢板，夹层为泡沫。 送风口设在天花板，尺寸为：0 3 5 x o 3 5 ( m 2 ) ，如图2 1 所示；回风口设在与送 风口对角线的位置，尺寸为：0 2 3 x 0 1 6 ( m 2 ) 。如图2 2 所示。为使室内温度和 湿度均匀，在距天花板2 2 c m 处放置孔板，孔板直径为d = 2 0 衄，孔的排列方式为错 排，开孔率为2 3 。如图2 3 所示。人工气候室的温度和湿度可通过空调箱来控 制，空调箱由表冷器、电加热器和加湿器组成，其中表冷器连接室外的换热水箱， 而换热水箱又连接冷冻机组。如图2 4 所示。 图2 1 人工气候室俯视图 f i g 2 1p l a n f o r m o f t h ec l i n m t e c h a m b e r 1 6 $ 8 0 剐 疆 1 鹪呻 图2 2 人工气候室侧视图 f i g 2 2s i d e v i e wo f t h ec l h n a t ec h 蛐b 盱 第二章实验方案 风阀 风嚼 图2 3 孔板尺寸示意图( f i g 2 3v i e wo f p o r ep l a t e ) 图2 4 实验装置结构图( f i g 2 4 s t r u c t u r eo f t h ed e v i c ef o re x p e r i m e n t ) 1 7 兰直翌三查兰三兰璧圭主竺兰兰 若要使小室中空气较快的达到设定值，可使系统内空气内循环。如图2 6 所 示为空气循环流程图。将风阀l 、2 、4 、5 关闭，风阀3 打开，如果不用除湿，只 需打开风阀7 。不需打开6 和8 ，若需要除湿，则打开风阀6 、8 ，至于7 需要视湿 度设定的情况来调节其开度。空气流程如图a ) 所示。 若需要全新风，将风阀l 、2 、4 、5 都打开，3 关闭。风阀6 、7 、8 则视是否 需要除湿来确定其开闭的状态。空气流程如图b ) 所示。 若需要部分新风，将风阀l 或2 打开，3 打开，4 关闭，5 打开。风阀6 、7 、 8 视情况而定。空气流程如图c ) 所示。 人工气候室一风鸯副试装置风阀3 风阀6 、8 或风阀7 空调箱 曲内循环流程图 风阀1 、2 型坠堕旦圃- 调箱立鲎墨喧鲎二塑塑l 旦垫一人工气候室 i 风阀4 、5 风阀1 或2 环境 行。 b ) 全新风流程图 箱立煎量- 塑! 缱l 尘哩量墅墨人工气候室 i 风阀5 j c ) 部分新风流程图 图2 5 空气循环流程图 f i g 2 5p r o c e s sc h a r to f a i rc i r c u l a t i o n 风阀的开关及开度和风机、加热器、除湿机的开关都在控制箱的控制面板上进 2 1 2 实验装置功能 人工气候室可实现恒温恒湿功能，温度最低可达到一i o 。c ，露点温度可达到 一4 0 x c ，送风量可通过调节风机的变频器来调节，最大送风量可达1 5 0 0 m 3 h ，换 气次数最高可达1 2 5 次h 。但由于风量较大时气速度较大。与散流器摩擦发出的 第二章实验方案 噪音过大，所以在实验中采用送风量为7 5 0 8 0 0 m 3 h 。本实验装置可实现以下功 能： ( 1 ) 制冷功能 冷冻机组采用风冷形式，所用冷媒是氟利昂r 2 2 。换热箱容量较大，在与环境 温度相差1 0 。c 时，水箱中的水温可保持1 2 天。如图2 2 所示，水管间用一个 三通阀连接，三通阀与t 9 9 1 a 比例式温度控制器相连，把温控器的传感器放在人 工气候室内的回风口处，在传感器上设定需要达到的温度，温控器通过调节三通 阀的开度即可实现温度的自动控制，精度为0 5 。c 。当需要制冷时，首先启动冷 冻机组，并开动搅拌器，当抉热水箱的水温达到设定值( 比室内空气要求温度低 7 86 c ) 时，打开冷冻水泵，并开风机，调节风阀，使之达到设定值。 ( 2 ) 加热功能 加热功能主要是通过电加热器来实现。加热器由可控硅控制，温度传感器放 在送风口处，当送风口温度超过设定值时，加热器停止工作。但由于热惯性，加 上大量空气滞留在孔板上面空气温度会继续上升至某一值，所以般温度的设 定值比所需要的温度低2 3 。 ( 3 ) 加湿功能 加湿功能主要通过加湿器来实现。电极式e l 2 s e l 2 d 型蒸汽加湿器的把电极 放在蒸汽容器的水中，使水加热、沸腾而产生蒸汽。加湿前先在加湿器上设定所 需达到的湿度，湿度传感器在室内回风口处。加湿器的加湿量是根据水箱的水位 来控制的。最小加湿量为0 7 2 9 s ，最大加湿量为1 3 k g h 。 ( 4 ) 除湿功能 采用广州华工泰除湿设备公司生产的吸附式转轮除湿机。除湿机的核心部件 是吸附式除湿轮，它以高强度绝热材料为基材，加工成蜂巢状管道结构。复合吸 附剂均匀生成在基体上形成一个巨大的吸附表面。密封装置将转轮分为2 7 0 。扇形 的除湿区和9 0 0 扇形的再生区。转轮端部周边采用正压气流及硅氟弹性材料平面密 封，除湿区与再生区之间为弹性密封。需处理的潮湿空气由处理风机送入转轮除 湿区，空气的水分被吸附剂吸附，得到干燥气流；同时再生空气经加热后( 1 1 0 1 2 0 ( 2 ) 逆向通过转轮再生区，将吸附剂内的水分解吸出来并带走，恢复吸附剂的 吸湿能力。转轮以8 转，j 、时的转速缓慢旋转，整个过程为一反复除湿与再生的周 期性过程，确保了连续的除湿效果，得到状态稳定的干燥气流。除湿轮的原理图 如下： 1 9 华南理工大学工学硕士学位论文 图2 6 除湿轮工作原理图 f i g 2 6s c h e m a t i cd i a g r a mo fr o t a r yd e h u m i d i f i e r 2 1 3 测试装置 ( 1 ) 温度 室内空气温度采用自制铜一康铜热电偶测量，由x s l 系列智能巡回检测告警 仪来采集数据。该检测仪直接输出温度信号，具有良好的软件平台，能与计算机 进行高效、高速的数据交换，并可在计算机上显示实时数据，根据设定的时间间 隔自动保存数据，使用很方便。热电偶在使用前用标准石英温度计标定，精度可 达0 2 。 加热器的温度传感器为p t l 0 0 ，精度为0 0 l ，显示仪表为天津市中环温度仪 表厂生产的x t m 5 0 0 0 系列智能p i d 调节器。显示精度为0 5 级，模拟输出准确度 为0 5 级，测量分辨力为一个最小计量单位。 t 9 9 1 a 比例式温度控制器的传感器为盘管元件，所用材料为铜，响应较快。 在进行实验前，为了确定小室内的温度和湿度场是否均匀，制作了测量架， 在一个垂直面上均匀布置热电偶，测量架由电动机带动，可在半小时内走完小室 的长度。热电偶的布置如图2 7 所示： ( 2 ) 湿度 霍尼威尔i h 一3 6 0 5 a 湿度传感器，测量范围是0 1 0 0 r h ，精度为l r h 。本实验共用了3 个湿度传感器。为了确定小室的湿度是否均匀，将湿度传感 器置于测试架上，测点如图2 8 所示。 第二章实验方案 测试架 图2 7 测试架示意图 f i g 2 7d i a g r a m m a t i c s k e t c ho ft h et e s t i n g j i g ( 3 ) 平均辐射温度 用自制的黑球温度计来测试。将一个直径d = 1 5 0 m m 的铜球用黑漆涂黑，将热 电偶的测温端插入铜球内，使测温点在铜球的中心处。 ( 4 ) 空气速度 本实验所用风速仪采用北京市远大仪器仪表开发部制造的q d f - - 6 型数字风 速仪，精度0 1 m s 分辨率为0 0 1 m s 。 2 2 小室内环境参数 2 2 1 温度场与湿度场的测试 热舒适实验要求小室内的环境参数比较均匀。在天花板下面安装孔板的目的 就是为了使小室内的温度、湿度和速度场均匀。为了验证这一点，分别开启制冷 系统和供暖系统，并开动测量架，记录在测量架走完一个行程过程中的温度和湿 度读数。 测试结果表明，当制冷系统稳定后，小室内孔板以下的温度场比较均匀，上 面温度k k t 面i 稍低，但上下温差不超过0 8 。但孔板上面与孔板下面部分温度相 差较大，上面部分的温度比下面低4 5 。c 。这是因为空气流过孔板时，由于阻力 2 l 华南理工大学工学硕士学位论文 较大，大量冷空气滞留的缘故。所以，关闭制冷系统后，空气温度会继续下降。 当用加热器加热空气时，隋况与上述制冷工况类似。 在小室内有受试者在场时，测量架无法运行，只能将测试架停留在某一个垂 直平面上，另外在送风口和回风口也布测试点。结果显示，垂直面上温度场和湿 度场比较均匀，并且与回风口温湿度相同。故而在实验中，采用回风口处的温湿 度来代表整个小室的温湿度。 2 2 2 流场的测试 由于小室采用了孔板，空气流动阻力较大，大量空气滞留在孔板上面，而在 孔板下面空气流速较小。测试人员手拿风速仪在小室内巡回一圈，结果显示，在 送风口正下方离孔板不到l o c m 处，空气流速稍大，约为0 1 5 m s ，远离送风口处流 速大约为：0 0 8 0 1 m s 。由于整个小室内处于层流状态，故可以设定小室内的 流场是均匀的。 2 2 3 平均辐射温度的测试 测量结果显示，平均辐射温度随着空气温度的变化而变化，和空气温度大致 相当，温差最大不超过l 。将黑球温度计摆放在小室内不同位置，所得结果一样。 实验时，将黑球温度计放在与受试者靠近且高度与受试者座位相当的凳子上。 2 3 实验内容 为了确定温度和湿度对人体热舒适的影响，固定风速不变，在一定的温度下， 改变湿度。温度变化的范围为：2 3 2 8 ，每隔1 做一次测定，湿度的变化范围 是：3 0 9 5 ，每隔1 0 测定一次。由此共需测定约5 0 种工况。 调节工况时，尽量根据当天的天气来调节，使工况接近于当天的天气状况。 在整个实验中，送风量维持在风速维持在0 0 8 0 1 2 m s ，平均辐射温度随着空气 的温度变化而变化，一般跟空气温度相差不超过1 。送风量的变化范围为：6 0 0 7 5 0 m 3 h 。 2 4 测试内容及方法 本实验需要测试的内容主要是四个环境参数及在各种工况下受试人员的熟感 级别。另外，测定每个受试者的皮肤温度以确定皮肤温度与热感级别的关系。 2 4 1 热感觉测试 本次实验中的热舒适感使用七级心理一物理a s h a r e 分级法来测定a 第二章实验方案 a s h a r e 标度是美国的研究工作中最常用的一种，与别的标度相比，它的优点在 于精确指出了热感觉f 3 】。标度的的分级是一些规定的数字，习惯上是1 7 ，或由 一3 + 3 。合乎逻辑的是，对称的分度是比较好的。因此，本文采用后一种数字 分级方法。每个数字代表的热感觉如表2 1 所示： 表2 1 热感标度 t a b l e2 1t h e r m a lc o n l f o r ts c a l e 冷凉稍凉舒适稍暖暖热 一321 0+ l+ 2+ 3 在测试中，为了便于受试者区分，在制定试验表格时，对应于各个热感级别， 给出相应的客观反应，如冷的客观反应是“可见鸡皮或寒颤”，热的客观反应 是“见汗滴”等。各个热感级别的客观反应如表2 2 所示。测试中，不断改变参数， 等工况稳定1 5 分钟后用对讲机通知室内受试