个性化通风系统的热舒适性分析

　　　　　　暖通空调HV&AC　2007年第37卷第2期　　　　科技综述 31

个性化通风系统的热舒适性分析

大连理工大学　端木琳☆　沈胜强　孙宇明

摘要　个性化通风系统可以改善空气质量、改善人体热舒适性。介绍了个性化通风改善热舒适性方面的研究成果,指出可以利用局部热感觉对整体热感觉的影响、通过个性化送风手段来满足人的不同热舒适要求。

关键词　个性化通风系统　热舒适性　热感觉

3

Thermalcomfortanalysisforpersonalizedventilationsystems

ByDuanmuLin,ShenShengqiangandSunYuming

Abstract　Personalizedventilationsystemscanenhanceandtortofthehumanbody.Presentsthestudyresultsonthethermalcomfortandpointsoutthatthedifferentthermalcomfortrequiremetheinfluenceofpartbodyheatsensationonwholebodyheatthepmethod.

Keywords　pm,heatcomfort,heatsensation★DalianUniversityof,Dalian,LiaoningProvince,China

★

0　引言

制是否适合于个性化通风仍有待研究,但是ASHRAEStandard55中的规定仍然是个性化通

长期以来,人们对空调热舒适的研究主要依据

丹麦技术大学P.O.Fanger教授提出的理论和美国ASHRAE制定的框架体系,采用PMV2PPD评价方法。该方法综合考虑了空气温度、湿度、风速及热辐射四个环境因素与着衣量、活动强度两个主观因素,规定了舒适区并以此作为室内环境的设计依据[1]。这些标准都是根据整体稳定环境下主观试验中80%的受试者表示满意确定的。之所以规范允许高达20%的人表示不满意,是因为统一控制下很难达到更多人的热舒适要求。个性化通风使得每位使用者都可以根据各自的热舒适要求控制温度,因此在改善热舒适性方面具有很大的潜力。考虑到空气流动不应带来吹风感,ASHRAEStandard55推荐在20℃的室温条件下室内平均空气流速不得超过0.12m/s,26℃的室温条件下室内平均空气流速不得超过0.2m/s,虽然这种限　3

辽宁省自然科学基金资助项目(编号:20022143)

风系统设计时值得参考的[2]。研究表明,个性化通风系统在改善热舒适方面的性能与送风位置、送风温度、送风量以及背景条件等都有很大的关系,其中个性化送风的风量是影响热舒适性的因素中较为重要的一项[3]。而对于个性化通风局部热感觉对整体热感觉的影响,目前也已得出了一些指导性的结论。

1　个性化通风系统改善热舒适性的主观实验

丹麦技术大学J.Kaczmarczyk等人比较了人体对个性化通风和混合通风的反应,其中热舒适性是研究的一方面[4]。个性化通风系统(见图1)末

☆端木琳,女,1959年4月生,硕士研究生,硕士,副教授116023大连市大连理工大学土木水利学院

(0411)84707684815

E2mail:duanmulin@收稿日期:20060301一次修回:20060630二次修回:200701

04

2007年第37卷第2期　　　　　　　　 32 科技综述　　　　暖通空调HV&AC　

图2　热舒适性投票结果

图1　个性化送风实验台

端送风装置为半圆柱形,风口为半圆柱的矩形截

面。通过与之相连的可移动软管可以调整送风口的位置,送风量调节是利用末端可调节电压的风扇进行的。

此次实验包括了两种工况,调查了个性化送风温度、背景温度对舒适性的影响。在实验中维持室内空气的相对湿度恒定在30%,送风量在0～15L/s(54m3/h)范围内可调,所示。

表1条件1

条件2条件3条件4

实验1(23℃室温)PVS,20℃的全新空气PVS,23℃的全新空气PVS,23℃的室内混合空气混合通风

实验2(26℃室温)PVS,20℃的全新空气混合通风

们喜欢的送风参数组合而不是可以接受的送风参数组合。这次实验也记录了受试者对个性化通风的使用情况。

对个性化控制的跟踪调查表明,在室温为23℃的第一组实验中,受试者使用的风量范围为3～15L/s(54m3/h);26℃的第二0～15L/s(54m3/h)在整个实验过程中,受试者选择的3。

　注:PVS指个性化通风系统。

参加实验的60名大学生平均分为两组,实验过程持续了3.75h。热舒适性的衡量采用TSV投票,实验过程中允许改变着衣量。实验结果表明,当背景温度为23℃时,无论有无个性化通风

,都可以使受试者达到热中性的状态。但是,当背景温度提升到26℃时,个性化通风就起到了明显的效果。此次实验调查了头部热感觉与整体热感觉的关系,实验发现,个性化通风无论在局部热感觉还是整体热感觉方面与混合通风均有明显的不同,混合通风下整体热感觉与头部热感觉在26℃条件下均接近于稍暖的水平,而个性化通风下可以使整体热感觉趋向于中性,实验条件2下利用TSV进行投票得到的平均值见图2。

设计个性化通风系统需要确定送风口的位置与送风量的变化范围,由于受试者会根据自己对热舒适的要求进行自由调整,所以,需要研究的是人

图3　风量选择频率

实验表明,在绝大多数时间使用者所选择的风

量均大于12L/s(4312m3/h),实验中还发现不论是在23℃还是在26℃的背景温度下,大多数的受试者都把送风口固定在距离面部30～40cm处,角度为正对面部或者稍微向下倾斜。

日本的J.Hayashi等人也对个性化通风的热舒适性作过研究[5]。他们主要研究了一种形式的个性化通风系统在改善热舒适性方面的作用,描述了最易被接受的气流速度与送风位置,并且分析了受试者时而离开工作位置、时而又回到工作位置的实际情况下此种个性化通风系统的性能。系统装置如图4所示,末端送风口为矩形,通过送风面处的挡板可以调整风口送风角度,利用末端可调节电

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定;2611℃与2811℃两种工况下的热感觉与热舒适在5min后很相近,但在3011℃时热舒适性明

显变差。实验还表明,当室温提高时男性比较偏爱于高速气流,而女性无论在低温还是在高温下都偏爱低速气流。送风方向的选择的实验结论与丹麦技术大学的实验结论相似,大多数人喜欢风口对着前胸或头部,实验过程中,只有很小比例(4%)的时

图4　系统装置

压的风扇进行送风量的调节。参加实验的是18名

大学生(9名男生和9名女生),三种实验工况均采用等温送风,背景空调系统采用上送下回,其他实验条件为:实验者着衣量男生为0171clo,女生为0155clo;空气温度分别为2611,2811,3011℃;相

间中有人把风口正对腹部。

在此实验的基础上,日本的H1Amai等人在2811℃背景温度下利用3DU-1,PEM,TU三种不同形式的个性化通风系统也证明了个性化通风对改善热舒适性是很有效的,具体实验内容可以参考文献[6]。为了考察个体差异性,选择受试者为12名男性大学生和12名女性大学生,采用热舒适性投票TCV与热感觉投票T实验表明28

11℃

1,7之间,女性在-013～-014之7,8)。这表明个性化通风对改善热舒适性有很大的作用。

对湿度分别为54%,53%,50%。实验对受试者刚到工作位置到稳定下来的0～30min这一段时间作了研究。热感觉、热舒适与气流感采用投票进行,投票标尺见表2。热感觉和热舒适性的投票结果如图

5,6所示。

表2　热感觉、热感觉投票　　　冷暖热

热舒适性投票　　很不舒适舒适空气流动感觉投票不可接受可接受

图7　热感觉投票结果2

图5　热感觉投票结果1

图8　热舒适性投票结果2

图6　热舒适性投票结果1

实验结果表明,在使用个性化通风的前5min内的热感觉与热舒适变化非常大,之后基本趋于稳

清华大学李俊等人试验研究了个性化送风条件下的人体热感觉,研究结果表明,个性化通风可以改善局部热环境,

在一定条件下可以满足使用者整体热感觉的要求[7]。试验重点研究中性热环境下人体对个性化送风的反应。在三种背景温度(26,28,30℃)下研究了3℃和6℃两种送风温差,以研究人体最舒适的背景温度与送风温度的组

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合,加上等温送风条件,总计9种工况。在每种工况下改变风速以研究人体适宜的送风速度。对30

名受试者进行了主观实验,其中热感觉采用标准7点TSV投票标尺;热舒适性采用标准4点TCV投票标尺。试验结果表明,随着风速的加大,整体热感觉值逐渐减小,个性化送风系统可以改善热环境,随着送风速度和温差的加大,效果更加明显,在高温环境中更是如此———即使背景温度达到30℃,通过一定的送风温差和速度的组合,仍然可以使总体热感觉达到热中性,即TSV值在±015范围内。不同背景温度、不同送风速度对整体热感觉均有极显著的影响,而且各环境参数的交互作用对整体热感觉有显著影响,因此,只有选择合适的环境参数组合,才能满足人体整体热感觉的要求。

在各实验工况及不同的风速水平下,对受试者的TCV投票结果表明,TCV和TSV的变化规律很一致,TSV接近热中性时,TCV值减小,受试者感觉热舒适性较好,而当TSV偏离热中性(偏热)时,TCV增大,TCV有显著的影响2　个性化通风系统送风参数的确定

N.Gong等人的研究表明,人体偏爱的空气

图10　空气流动带来的不满意率

为2315℃、送风温度为21℃时最佳的个性化送风

风速为013～0145m/s;在室温为26℃、送风温度为2315℃时最佳的个性化送风风速为013～019m/s。3　。,,笔者在此主要分析热状。

3.1　整体热状态和局部热状态共同作用于热舒适

性

散热量的大小与新陈代谢强度有关。人体产生的热量能及时地散出,保持蓄热基本为零是舒适的最基本条件。但即使整体的散热量可以基本抵消整体的产热量时,也可能由于局部存在不舒适而影响整体舒适性[9]。对于个性化通风系统,笔者认为整体散热量与产热量基本平衡是热舒适性的前提,局部热感觉对整体热感觉的影响是个性化通风系统能改善热舒适性的原因所在。所以研究局部热感觉对整体热感觉的影响对解决个性化通风系统热舒适性问题很重要。

3.2　局部热感觉对整体热感觉的影响研究

流动速度存在一个范围,较高或者较低的空气流速

都会引起受试者的不满意[8]。实验装置如图9所示,实验条件如表3所示,送风速度分别为0115,0130,0145,0160,0175,0190m/s

。

不同部位的局部热感觉对整体热感觉影响的

图9　个性化通风实验装置

权重国内外都作过研究。研究时一般保持受试者

℃

23.5

表3　实验条件二

室温

26

全身处在一个稳定的热状态中,然后对局部部位施加冷热刺激来观察局部热感觉对整体热感觉的影响。其中,整体热感觉分为中性、偏热和偏冷三种,局部热感觉分为偏热和偏冷两种。研究发现,在一定条件下,局部热感觉的变化可以改善整体热感觉,但是改善程度有一定的限度,超过这个限度

再继续增加局部刺激会使得全身热可接受度降低。局部热感觉与全身热可接受度近似为二次多项式

个性化送风温度2123.5262123.5

送风速度指距离面部约15cm处送风口的速度,利用空气流动感觉投票(见表2)进行主观试验。实验结果(见图10)表明可接受的空气流速随着室温和个性化送风温度的升高而增加

。在室温

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函数关系[1011]。另外,研究发现不同部位的局部热感觉对全身热感觉影响的权重不同,李俊在对工

位空调的研究中指出,头颈部的权重最大,上半身(包括胸部和腹部)次之,下半身最小[12]。其他一些研究也得到了不同部位具有不同权重的结论。同时,也有研究指出同一个部位的权重不是恒定不变的。

ZhangHui在研究中发现,某一部位的局部热感觉与身体其他部位的热感觉差别越大,其权重就该定得越大[13]。可以按照局部热感觉对整体热感觉热舒适性的影响程度将整个身体分成三个组,即:影响最大的、影响一般的和影响最小的。影响最大的一组的局部热感觉与整体热感觉最接近(见图11),原因在于这些部位最不能忍受较大的温度变化,因此,

这些部位的热感觉与整体热感觉最相近。影响最小的那一组则表现出与整体热感觉很大的无关性。影响最小的部位有两个特点,一个是为了调整整体的散热平衡,度变化范围较大,而且变化很剧烈()系很小。、胸部和骨盆,

35

热感觉影响最小的部位包括手和脚,其他的部位如面部、胳膊、腿等都属于影响一般的一组。

文献[14]在个性化通风舒适性实验中研究了人体的局部热感觉和整体热感觉。人们在工作区与背景区之间活动时,所处的是一个动态的环境。为了研究工作区与背景区环境差异对舒适性的影响,让受试者经历不同的背景温度及工作区温度,并记录了他们在背景区的热感觉状况,以研究人体对背景区和工作区环境差异的反应。背景区选用28℃和30℃两种温度,工作区与背景区的温差选择1℃,2℃,3℃三种,因此共有6个工况,见表4。其中热感觉采用标准7点TSV标尺,研究几种

不同工况下的前身热感觉、后背热感觉与整体热感觉,结果见图13。结果表明,受试者刚进入工作区

表4　工况3工况4工况5工况6

2828303030

/℃工作区风速/(

m/s)

272625292827

0.15～0.300.25～0.450.35～0.550.15～0.300.25～0.450.60～0.80

图11　前胸冷却时前胸热感觉与整体

)

热感觉关系(室温30℃,送风温度28℃

图13　不同工况下的整体热感觉

时的整体热感觉、前身热感觉和后背热感觉存在着

一定的差异,后背热感觉基本都在0以上,而前身热感觉和整体热感觉除工况4以外基本都在0以下,整体热感觉始终跟前身的热感觉比较接近,和后背的热感觉相差较远;28℃的背景温度下,工作区温度为25℃时,实验起始阶段两者差别为113,稳定阶段差为017,当工作区温度为27℃时,实验起始阶段两者差为110,稳定阶段差为015,30℃的背景温度下,工作区温度为27℃时,实验起始

图12　脚部冷却时脚部热感觉与整体

)关系(室温2812℃,送风温度14℃

阶段两者差为114,稳定阶段差为112,当工作区温

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度为29℃时,实验起始阶段两者差为018,稳定阶段两者差为013。可见当工作区与背景区的温差

较大时,前身热感觉和后背热感觉差别比较大,在该实验中,两者之差最大为114,最小为013。由图13可以看出,背景温度为28℃的3个工况,整体热感觉差别不大,稳定后热感觉值都在-013～-015之间。背景温度为30℃时,3种工况之间的整

等效均匀温度(EHT)的概念首先由Wyon和Bauman等人提出,用于衡量汽车车厢不均匀热环

境中的人体全身热反应[1516]。等效均匀温度定义

为:当实际的非均匀热环境下的整体散热率与均匀热环境下的整体散热率相等时,均匀环境的温度即为对应于该非均匀热环境的等效均匀温度。均匀环境指物体表面温度等于空气温度,除自然对流外没有空气流动的环境。由于着衣量、新陈代谢率等的不同,不同个体要求的热舒适环境不同。同一个体活动强度相同时穿着一般夏季服装时的舒适温度要比穿着工作服时约低2℃;同一个体着装相同时在办公室行走时的舒适温度要比静坐时约低3℃。如果通过个性化通风可以满足不同个体不同状态下的热舒适要求,那么理论上讲是可以满足所有人的热舒适要求的。因此,送风口位于桌面的个性化通14所示,实验结果可应用于室温为22～26℃,个性化送风温差为0～7℃,风量为914～71L/s的情况

。

体热感觉差别较大,特别是当工作区温度为27℃,TSV稳定在-110以下时,这主要是由于背景温度为30℃时,为了将工作区人体附近的温度降低到27℃,必须选择比其他工况更大的风量,此时的风量已达到250m3/h,到达人体前的风速也在016m/s以上,所以此时受试者的热感觉值比较小。

由图13还可以发现,在进入工作区10～20min后,整体的热感觉才趋于稳定,在稳定以前,整体热感觉呈下降趋势。同时还可以发现,随着工作区与背景区温差的不同,整体热感觉的波动范围也不同,温差较大时,进入工作区的初始阶实验中,25℃时,017,当工作区温度为27℃时,实验前后整体热感觉差值只有013;当背景温度为30℃、工作区温度为27℃时,实验前后整体热感觉差值最大可以达到019,当工作区温度为29℃时,实验前后整体热感觉差值只有015。

4　衡量个性化通风系统热舒适性的方法研究4.1　非均匀环境下的热舒适模型

由于个性化送风创造的环境的参数分布是非均匀的,局部送风使得不同部位具有不同的热感觉,在这样复杂的条件下描述整体热舒适性是非常困难的。ZhangHui等人在建立非均匀环境下的热舒适模型时发现最不舒适的部位对整体的热舒适具有决定性的影响,当有两个身体部位感觉很不舒适(热舒适投票低于-2)时,无论其他部位感觉如何,整体热感觉仍然是不舒适的。最后,在实验的基础上提出了非均匀热环境下预测整体热舒适性的模型[13],此模型对评价非均匀热环境下的整体热舒适性具有一定的使用价值,关于此模型的具体情况见文献[7]。4.2　用等效均匀温度衡量个性化通风改善热舒适性的能力

图14　等效均匀温度

如图14,当ΔEHT为-3℃、温差为0～4℃

时,对应的送风量为30～40L/s,但对于这样的送风量下是否舒适仍然需要进一步研究。5　结论5.1　国内外学者在其各自的实验条件下,研究个性化通风系统的结果均表明了此系统具有改善热舒适性的作用,但具体的改善机理仍然需要进一步研究。5.2　个性化通风系统末端装置的送风吹向胸部或者头部是较为理想的选择。5.3　人体局部热感觉对整体热感觉存在一定的影响,可以利用这种影响,通过个性化送风来改善人

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的舒适性,满足不同人不同的舒适要求。5.4　目前的研究表明,个性化送风适宜的室温大

37

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部分在23～26℃之间,送风温差为0～7℃;在绝

大多数的实验时间段,受试者选择的送风量均大于4312m3/h。5.5　背景空调与个性化通风的合理搭配问题仍有待于进一步研究。参考文献

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(上接第75页)

高层建筑地下室多数用作洗衣房和管理人员办公室,有些工程机房出入口的门采用普通门,机组运行时地下室噪声很大,人员很难静下来工作。所以机房应设隔声套间,同时设二道隔声门。5　结语

烟风机,不单是考虑火灾时排烟温度高,同时还因

为排风温度也比较高。最好选用离心式风机,由于其电动机外置,耐高性能更为优良。参考文献

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根据我国各地的气象条件,依靠通风的方法为地下柴油发电站机房降温,应是首选方法。因为风冷房间内的空气环境好,有害物浓度低,系统简单,初投资和运行费用低[4]。即使设有制冷或冷水降温措施的电站,也应在过渡季节和冬季采用风冷,以便降低工程的运行费用,也是对自然冷源的合理开发和应用。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/bkhq.html