室内热舒适性问题

室内热舒适性综述朱明贵（暖通1511024003）摘要：通过介绍室内热舒适性影响因素，对其评价指标PMV等进行综述，详尽分析了改善室内热舒适性的措施，展望我国研究学者应该结合自身生理参数、环境参数对前人研究的模型进行优化。关键词：热舒适性、PMV、气流组织Abstract：Throughtheintroductionofindoorthermalcomfortfactors,theirevaluationwerereviewed,adetailedanalysisofthemeasurestoimproveindoorthermalcomfort,andtheprospectofourresearchersshouldcombinetheirphysiologicalparametersandenvironmentalparametersonthemodelofpreviousstudiestobeoptimized.Keywords：Thermalcomfort、PMV、airdistribution0.序言所谓人体热舒适，指人体对热湿环境感到满意的主客观评价。热舒适是人体自身通过热平衡和感觉到的环境状况并综合起来获得是否舒适的感觉，它是由生理和心理综合决定的，并且，更偏重于心理上的感受,影响人体热舒适性的环境参数主要有空气温度、气流速度、空气的相对湿度和平均辐射温度；人的自身参数有衣服热阻和劳动强度。人体热舒适的研究涉及建筑热物理、人体热调节机理的生理学和人的心理学等学科。人的一生中有80%以上的时间是在室内度过的，室内环境品质如声､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。同时，大量的国内外研究表明，室内空气品质也与热环境有关：1)空气温湿度以及风速会影响室内污染物的放；2)对污染物的感觉与温度有关，国外有关研究认为，在室内空气的化学成分保持不变的情况下，温度降低会使人感到舒服一点，对空气品质的不满意率也会降低｡为了获得舒适的热环境，各国每年都要消耗大量的能源用于供热和空调。因缺乏对热舒适的正确理解，往往造成对建筑过分的加热或者过分的冷却，这样，不仅对人体造成不适，同事，也浪费了大量的能量。经济的发展，人们对室内的设计构建高标准的审美学。由于房间的气密高，加上建材、装潢油漆散发的甲醛、氡气等有害气体，以及通风空调的设计不当等原因产生的有害气体难以排除都能使人们患上“病态建筑综合症”。因此，对室内热环境的研究和评价处理解决问题有重要的现实意义。1.室内热舒适性的影响因素1.1环境气象条件1.1.1空气温度，空气温度是影响热舒适最主要的因素[1]，它直接影响人体通过对流及辐射的显热交换｡人体对温度的感觉是相当灵敏的｡反复实验表明，人判断冷热感觉的重现能力，并不比机体生理反应的重现能力低｡1.1.2辐射温度，平均辐射温度取决于周围表面温度｡在实际的生产､生活环境中，空气温度和平均辐射温度并不总是均匀的､相等的，人们常常会遇到机体某一部分受冷和受热，比如室内上下温度明显不对称，人体一侧有辐射热源等等，所以研究平均辐射温度相对于空气温度的偏差以及不对称受热或散热对人体生理或感觉反应的影响，确定其允许限值是很重要的｡苏联学者研究明，为保持工作者热舒适状态，周围空气温度于围墙温度的差值不得超过7℃｡Fanger通过对加热天花板舒适限值的研究，发现即使在热舒适条件下，无不对称热辐射时，也有3.5%的人感到不适[2]｡如果按不适人数以不超过5%为标准，则对称热辐射限值应小于4℃｡1.1.3气流速度，在热环境中，空气流动能为人体提供新鲜的空气，并在一定程度上加快人体的对流散热和蒸发散热，提供冷却效果，使人体达到热适，同时，空气的流动速度过大也可能导致有吹风感的危险，因此空气流动速度的大小是一不可避免的矛盾。20世纪70年代，McIntyre的两个重要实验使这方面的研究有了突破性的进展：(1)在对高温条件下由于空气的高速流动人体热接受性的验证中，发现受试者所满意的风扇速度低于保持他们自身的生理热中性的风速，而且空气的流动在环境温度即使达到28℃时仍能补偿温度的升高[3]；(2)通过实验研究探讨受试者脸部的吹风感，发现受试者觉得冷时感到空气流速不满意，在觉得热时感到空气流速满意，而且初始时的冷感觉随着时间的延长而逐渐变得不太明显[4]。夏一哉等作了关于气流的脉动强度和频率对人体的热感觉的研究，并得出这样的结论:在“中性-热”的环境工况下，增加气流的脉动强度，可以加大热舒适程度，并减少不愉快吹风感的产生。实验同时发现，频率在0.05～0.18Hz范围内的气流对人体的热感觉影响不大，但是在0.3～0.5Hz范围内却对人体产生最强的冷作用，而且操作温度和相对湿度对于频率的影响作用并不显著[5]。气流脉动频率对人体感受气流强度有十分重要的影响，随着频率的增大，人体感受到的气流速度随之减小。1.1.4环境湿度，湿度直接和间接影响人体的热舒适，环境湿度对于人体热舒适的影响，主要表现在影响人体皮肤到环境的蒸发热损失方面。当相对湿度保持在40%～70%范围内时，人体可以保证蒸发过程的稳定，而且此时空气流速的作用非常重要。如果空气处于静止状态，则会造成靠近皮肤的空气层水蒸气分压力较大，人体表面蒸发受阻，从而导致不适。在高温环境中，如果相对湿度高于70%，常常会引起人体的不适，而且这种不适感随空气湿度的增加而增加。研究表明，湿度为80%下的热不舒适程度要大于70%或更低湿度状况。同时室内环境相对湿度较大会造成建筑潮湿，甚至有时会出现凝结水现象；相反，如果湿度低于30%，不但会引起人体热感觉的不满，而且会引起呼吸道疾病[6]。由于湿度主要影响人体汗液的分泌，从而影响人体表面皮肤的平均湿度，而皮肤的平均湿度是预测人体是否热舒适的一项重要判断指标，因此衣服作为一种传质的阻力对湿度的感觉也有比较重要的影响。服装纤维结构的粗糙度与湿度感觉有关。当皮肤平均湿度达到25%的情况时，皮肤表面与服装的摩擦显著增大，而且在皮肤平均湿度高于25%的情况下，没有人会感到舒适。在湿度较低的情况下，热感觉是热舒适的重要衡量指标但在高湿度的情况下，热感觉并不能很好地预测人体的热舒适。另外，湿度不仅影响人体的热感觉，同时也影响着室内空气品质。Toftum的实验结果表明：干燥和冷一些的空气让人感觉空气更新鲜，同时受试者对空气的可接受程度与空气焓值有直接关系[7]。Berglund也发现，即使在一间干净、无异味、通风良好的房间中，随着湿度的增加，受试者仍会感觉到空气质量变差，而且这种感觉并没有随着暴露时间的增加而改善[8]。最后需要说明的是，ASHRAE55标准对于湿度的限制范围，无论是夏季还是冬季对于人体热舒适的影响均比较小。从数值上看对于轻体力活动而言，相对湿度增加10%，相当于环境温度升高0.3℃。1.2人体的温度、散热、体温调节及心理从保持人体热平衡的观点看，这一点是很重要的。人体的产热量，基本上由人的活动方式决定，而活动方式在某种程度上与人的年龄和性别有关，从技术观点看，人体的产热量是不可控制的。人体的散热量在很大程度上取决于衣服，同时也取决于上述因素的共同影响。皮肤温度是反映外部环境条件和身体外在条件(身体活动与服装)对人体影响的重要生理指标。机体主要通过皮肤表面与外环境进行热交换。常温下处于安静状态的或从事轻工作的人，产生的热量约70%经皮肤辐射和对流散发。故通过平均皮肤温度测定，在很大程度上可以估算机体热交换的情况。同济医科大学研究证明，稳态热环境中，皮肤变化与人体舒适感密切相关(P0.01)，其对冷热负荷反应较大，在舒适情况下比其它生理指标，如脉率、体温、出汗量等更为敏感，可认为皮肤温度是热舒适的生理基础[9]。从中性环境突变到冷或热环境下受试者的热反应实验研究表明，皮肤温度变化有一个过渡过程，同时热感觉出现滞后。然而，当从冷或热环境进入中性环境时，出现热感觉“超越”现象。也就是此时皮肤温度和热感觉存在分离现象，皮肤温度和心理热反应的一一对应关系不在存在。显然，这时决定心理热反应的不仅仅是皮肤温度还存在着其它生理参数。Berglund等人通过突变热环境下的人体热反应，得出：人体在环境突变的生理调节周期时，皮肤温度不能独立地作为热感觉评价尺度。1.3服装参数人体用来维持舒适温度的生理手段是有限的，一位裸体者借其生理体温调节所能维持的舒适范围是很小的。用新有效温度(ET＊)作为环境条件的综合热指标，发现单纯靠生理性体温调节起作用的ET＊范围只在25～40℃之间。事实上，在大多数情况下，人体体内的热是通过皮肤经服装散发到环境中的，反之亦然。所以评价热环境对人体热舒适的影响时，考虑服装在热交换方面的作用是必要的。服装的穿着相当于人体表面散热热阻的增加，影响人体与环境之间的换热的服装参数主要有:服装热阻和蒸发阻力。服装热阻的定义是：皮肤表面温度(Tsk)与环境校正黑球温度[Tadb=(Ta+Tr)2]存在1℃温差下，服装或空气层允许通过对流和辐射进行6.48Wm2的热交换时相当的热阻为1clo。在皮肤和着装人体最外层表面之间的热传递是相当复杂的，除了纺织品本身的热传递阻力和纺织品层次之间的空气层的内部对流和辐射过程以外，衣服的缝纫和合体对传递阻力也是有影响的。宽松的衣服，可以出现“烟囱效应”。而如果衣服变湿了，其热传递阻力则将会大大下降。服装的蒸发阻力可直接由人体测得，也可用湿铜人测出透湿系数im后与服装的基本热阻计算获得。透湿系im是一无量纲单位，当完全不透湿时为0，当在环境水蒸气分压作用下水蒸气能够完全透过织物时，im=1，这通常只能在高风速且非着装条件下逼近。静止空气的透湿系数im略低于0.5，而即使是密闭服装，也往往不能使im为0，一般为0.08。1.4空气离子存在于大气中的空气离子，实际就是带正电或带负电的大气分子，称为正离子和负离子。近半个世纪以来，由于轻离子奇迹般的生物学效应，特别是轻负离子对机体所产生的防止疲劳、止汗、镇静、止痛、降压、促食、呼吸舒畅以及精神焕发的效能，引起了愈来愈多的人的兴趣。尽管目前对空气离子与热舒适的关系还不甚了解，但有些实验已初步证明其生物学效应与环境温度、湿度、气流以及空气成分、微粒等还是有一定关系的。川崎弘司曾报道过空气中轻离子的浓度随空气湿度增加而明显下降[10]。Kimnra等发现，尽管室内温度和二氧化碳都维持在舒适水平，但若轻离子减少，人就要出汗，并感到不舒畅，从而影响热舒适感。空气离子浓度究竟多大最为合适，我国目前尚无空气离子数的标准值。综上所述，目前已充分证实人体热舒适是多种因素综合作用的结果，就热舒适本身来说，它是一个精神的、主观的、心理的状态，因此提出心理变量在判断热舒适中也是有意义的。2.室内热环境舒适性的评价指标2.1预测平均评价PMVPMV指标就是引入反应人体热平衡偏离程度的人体热负荷TL而得出的[11]，其理论依据就是人体处于稳态的热环境下，人体的热负荷越大，人体偏离热舒适的状态就越远，即人体热负荷正值越大，人就觉得越热,反之越冷｡Fanger通过实验得出人的热感觉与人体热负荷之间的实验回归公式如下：PMV=[0.303exp(-0.036M)+0.0275]TL(2-1)其中人体热负荷定义为人体产热量与人体向外界散出的热量之间的差值｡PMV指标采用了7级分度，见表2-1。热感觉热暖微暖适中微凉凉冷PMV值+3+2+10-1-2-3表2-1PMV热感觉标尺PMV指标代表了同一环境下绝多数人的热感觉，所以可以用来评价一个热环境舒适与否。但是人与人之间存在个体差异，因此PMV指标并不一定能够代表所有人的个人感觉。为此，Fanger又提出了预测不满意百分比PPD指标来表示人群对热环境不满意百分数，并用概率分析方法，给出PMV与PPD之间的关系：PPD=100—95exp[-(0.03353PMV4+0.2179PMV2)](2-2)其关系曲线图如下图2-1PMV与PPD关系曲线由图可见，当PMV=0时，PPD为5%。即尽管室内热环境处于最佳，仍有5%的人感到不满意。因此ISO77