室內熱舒適性指標管理論文

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摘要本文對目前的一些主要的熱舒適性指標進行了論述和評價，包括卡塔冷卻能力、當量溫度、有效溫度、新有效溫度、標準有效溫度、平均預測反應、舒適方程和主觀溫度等。文中首先給出了上述各種溫標的定義、特點和應用場合，隨后又結合中國南方區域與北方區域的氣候特征、人民的生活習慣、身體素質和一些實驗數據，對各種區域應該采用哪些指標進行了分析。最后作者就今后熱舒適性研究的發展方向和應做的一些工作，給出了自己的看法，以供同行參考。

關鍵詞熱舒適性指標評價

1引言

熱舒適性是居住者對室內熱環境滿意程度的一項重要指標。早在20世紀實，人們就開始了舒適感研究，空氣調節工程師、室內空氣品質研究人員等所希望的是能對人體舒適感進行定量預測。這些年來，業已提出了很多熱舒適指標，不同國家的官方和專業機構推薦使用不同的指標。因此，從整體上去把握各種指標及其發展史是非常有益的。就我國而言，由于疆域遼闊，氣候多變，不同地區所采用的標準也有所不同，尤其是緯度有一定差異的地方。有鑒于此，本文作者對一些主要指標作了簡要分析，并根據我國國家的國情，結合國內外相關的研究成果給出自己的看法，以供同行參考。

2各種指標的定義與特點

2．1卡他冷卻能力[1]

最早的指標是1914年由Leonardhiss爵士提出的，以大溫包溫度計的熱損失量為基礎。卡他溫度計由一根長為40mm，直徑為20mm的圓柱形大溫包的酒精玻璃溫度計組成。溫度計桿上有38℃和35℃兩條標線，使用時將溫度計加熱到酒精柱高于38℃這一刻度。然后將其掛于流動空氣中，測量酒精柱從38℃下降到35℃所需的時間。根據這一時間和每一溫度計所配有的校正系數，即可計算環境的"冷卻能力"。20世紀30年代進行的大量實驗都采用卡他溫度計，它綜合了平均輻射溫度、空氣溫度、空氣流速的影響，但未考慮濕度的影響。

2．2擬人器和當量溫度[1]

Dufton在1929年研制了一種綜合恒溫器。這種恒溫器可在空氣溫度、熱輻射和空氣速度變化的條件下保持房間具有舒適的溫度，這一裝置被稱為擬人器（eupatheostat）。在這之后，Dufton又定義了當量溫度。所謂當量溫度，即是一個均勻封閉體的溫度。在該封閉體內，一個高為550mm、直徑為190mm的黑色圓柱體的散熱量與其在實際環境中的散熱量相等。圓柱體表面所維持的溫度是圓柱體所散失的熱量的精確函數，并且這一溫度在任何均勻空間內都比37.8℃要低一個數值，這個數值是37.8℃和封閉空間溫度之差的2/3。

當量溫度未給出能根據基本環境變量進行計算的分析表達式，所用的擬人器是一種又大又相當笨重的儀器，因此限制了它的應用。

2．3有效溫度

在早期的美國空調工程中，人們迫切想知道濕度對舒適的影響方面的可靠資料。這一問題以及其他一些問題促使了美國采暖通風工程師協會新建了一個實驗室。該實驗室于1919年在匹茨堡開始工作，而有效溫度指標便是它的首批研究課題之一，并由此產生了這一指標。其定義為：這是一個將干球溫度、濕度、空氣流速對人體溫暖感或冷感的影響綜合成一個單一數值的任一指標。它在數值上等于產生相同感覺的靜止飽和空氣的溫度。

有效溫度曾為很多官方和專業團體所采用，特別是用在熱環境規范中，直到1967年，ASHRAE也一直轉載這個指標，但是有效溫度在低溫時過分強調了濕度的影響，而在高溫時對濕度的影響強調得不夠。目前，任何主要的官方機構均已不再推薦有效溫度指標，ASHRAE則推薦使用其代替形式--新的有效溫度ET*。盡管如此，它仍是那些早期指標中最值得注意的指標。因為它不但得到普遍的承認，而且是具有大量的實驗數據。有效溫度溫標的建立是一項卓越的成就，ET作為標準指標被空氣調節工程師使用了近50年。

2．3．1新有效溫度（ET*）[4]

這個指標是GAGGE在1971年提出的，所謂ET*，就是相對濕度為50%的假想封閉環境中相同作用的溫度。該指標同時考慮了輻射、對流和蒸發三種因素的影響，因而受到了廣泛的采用。等新有效溫度曲線如圖1所示。

圖1等新有效溫度曲線

2．4FANGER舒適方程

2．4．1舒適條件

丹麥的P.O.FANGER提出了一個綜合舒適指標，即能夠確定人體舒適狀態的物理參數是與人體有關，而不是與環境有關，首先，FANGER制定了三個舒適條件，第一個條件是人體必須處于熱平衡狀態，以便使人體對環境的散熱量等于人體體內產生的熱量，第二個條件是皮膚平均溫度應具有與舒適相適應的水平，第三個條件是人體應具有最佳的排汗率，排汗率也是新陳代謝的函數。隨后，FANGER綜述了文獻，得出了熱平衡方程的每一個量的表達式。將熱平衡方程與其他兩個舒適條件組合起來就得到了著名的舒適方程。滿足舒適方程的一組變量必須滿足舒適的三個條件，因此該方程是舒適的必要條件，但不是充分條件。因為可以設想會出現這樣的情況，即滿足了舒適方程，卻并不令人舒適，很容易變化的環境就是一個例子。

舒適方程已被證明是很成功的，但它所依據的大多數試驗是以健康的美國年輕人或歐洲大學生為受試者而進行的，因此不能假定將舒適方程應用到其他各種人群時是沒有問題的。

2．4．2預測平均反應（PMV）

當一組環境變量滿足舒適方程時就將產生最佳的舒適感。如果該方程未得到滿足，則該環境就不是最佳的，但是方程并未給出任何說明所處的環境是如何不舒適的方法。FANGER進一步發展了舒適方程，并用公式表示一個可預測任何給定環境變量的組合所產生熱感覺的指標，這一指標被稱為預測平均反應（PMV），FANGER教授把它分為七個等級，每一個等級的代表意義如下表所示：

FANGER的七級指標表1

PMV值+3+2+10-1-2-3

預測熱感覺熱暖稍暖舒適稍涼涼冷

為了擴大該想法的應用范圍，FANGER提出在某一活動量下的熱感使人體熱負荷的函數的建議（所謂有體熱負荷就是體內產熱量與人體對實際環境散熱量兩者之差，假設人體的平均皮膚溫度及實際活動量相適應的汗液分泌量均保持舒適值），并通過實驗建立了PMV方程。PMV方程沒有被各種衣著和活動情況下的實驗數據所證實，它對于坐著工作和穿著輕便衣服的人體可給出很好的結果，然而有關在較高新陳代謝下的熱感的資料是不大令人滿意的。

2．5標準的有效溫度（SET）

在介紹標準有效溫度之前，讓我們先來看一下皮膚濕潤度的概念。皮膚濕潤度是皮膚表面的實際蒸發損失與在相同環境中可能出現的最大損失之比，最大損失意味著皮膚表面是完全濕潤的。皮膚濕潤度的概念對于新的有效溫度是很重要的，將這一指標與空氣的溫度和濕度聯系起來，就可提供一個適用于穿標準服裝和坐著工作的人的指標。在此基礎上，工程師們又擴展了新有效溫度的主要內容，以綜合考慮不同的活動水平和衣服熱阻，由此產生了眾所周知的標準有效溫度（SET）。

標準有效溫度應包含平均皮膚溫度和皮膚濕潤度，以便確定某個人的熱狀態。確定某一狀態的標準有效溫度需分兩步進

行，首先要求出一個人的皮膚溫度和皮膚濕潤度，這可以通過實測來完成，其次就是求出產生相同皮膚溫度和濕潤度值的標準環境溫度，這一步可通過對人體的傳熱分析來完成。

標準有效溫度是本文所述中比較全面的一種，盡管它的最初設想是用以預測人體排直時的不舒適感，但經過發展卻能應付各種各樣衣著條件、活動量和環境變量的情況。然而它所具有的復雜性，使其需要用計算機來計算皮膚溫度和皮膚濕潤度，因此阻礙了它的通用性。

2．6主觀溫度

早期所制定的哪些指標大多已廢棄不用了，他們已被舒適方程和標準有效溫度之類更完善的指標所代替，但是，新指標固然有自己的優點，他們也有關共同的弱點，其一，數學公式的復雜性，導致必須在計算機上求值，其二，盡管他們包括了所有的變量，但令人遺憾的是這都使得他們在實際中的用處不大。基于以上原因，工程師又定義了一個新的指標，這種指標的應用是以想要設計一個舒適環境的設計師的問題為中心。它要求有兩種數據，即居住者需要什么樣的溫度、以及什么樣的物理變量組合會產生這一溫度。這一指標就是主觀溫度。它的定義為：一個具有空氣溫度（Ta）等于平均輻射溫度（Tr），相對空氣流速（v）等于0.1m/s和相對濕度50%的均勻封閉空間的溫度，該環境將產生與實際環境相同的溫暖感。

主觀溫度的定義在很大程度上取決于主觀溫暖感，利用環境變量表示的主觀公式無論何時均可由現有的溫暖感數據加以確定，因此這是由經驗得出的公式。

3熱舒適性指標的評價

本文列舉了主要的溫暖感和舒適感指標。當已知有關的人體活動狀態和衣著條件而需要預測舒適溫度時，主觀溫度計算公式就會快速而足夠準確的估算出人體舒適所需要的溫度。主觀溫度方程不能用來預測人體不舒適感或人體感覺。必要時可采用預測平均反應。

最通用的指標就是標準有效溫度，它是專門用來解決高溫高濕對人體影響。它可跟蹤體溫和皮膚溫度的時間變化過程，并給出作為人體狀態函數的熱感和不舒適感，但要以復雜的計算機程序作為所付出的代價。

當溫度高到足以使人們擔心周圍環境溫度的提高會影響人體健康時就必須采用為此而專門設計的一種熱應力指標。

我國南方地區普遍具有冬冷夏熱、全年潮濕的氣候特征，作者根據生活經驗，認為全年氣候潮濕是造成夏季悶熱和冬季陰冷的內在原因，因此，濕度控制應成為主要考慮的因素，尤其是室內空氣中多余的水汽（即氣態的水，屬于空氣污染物的一

種）。

為了對指標選擇進行分析，選用試驗數據如下[4]，表2是對210名測試對象的背景資料進行數據處理。

背景分析統計表2總樣本容量210人

通風方式空調方式138(65.7%)

非空調方式72(34.3%)

性別男110(52.4%)

女100(47.6%)

年齡平均值28.24

標準偏差8.33

最大值67

最小值15

居住時間平均值14.4

著衣量平均值0.43

活動量平均值1.22

采用新有效溫度進行計算，空調狀態的室內物理條件的頻率分布如下圖所示：

圖2空調狀態的室內物理條件的頻率分析

由圖可得到空調房間的ET*的頻率分布情況。對照ASHRAEE55-1992的舒適區域要求，ET*值在23℃到26℃之間，相對濕度小于60%。因而由它所算出的溫度范圍和濕度范圍都比較適合，而溫度和濕度是影響人體舒適性的兩個最重要因素，基于此，建議可采用新有效溫度（ET*）作為主要的舒適性指標。

我國北方地區相對南方來說較為干燥，尤其是冬季。近年來，隨著經濟的發展和生活習性趨使，夏季用空調器，冬季用暖氣，已成為一種習慣，這樣就導致室內更加溫暖和干燥，而且人產也習慣于在室內穿較薄的衣服，因此著衣量不大。下面給出測試對象的背景統計資料和試驗數據及分析[4]。

冬季測試背景資料統計表3

樣本總量74人（其中男性41人，占55%）

參考平均值標準偏差

年齡277

居住時間1313

相對濕度53.213.3

空氣流速0.0480.031

服裝熱阻0.880.15

活動量1.190.12

冬季舒適區域的確定表4

分類結果

預測值擬合方程PMV=0.31634ET*-6.8985

中性溫度（ET*）21.8℃

80%滿意區域19.1～24.5℃

90%滿意區域20.2～23.4℃

擬合方程ASH=0.31459ET*-5.991

實測值中性溫度（ET*）18.8℃

80%滿意區域16.5～22.5℃

90%滿意區域17.5～20.6℃

由表中數據可以看出，利用擬合方程后得到的預測值和實測值有一定的差距。這主要有兩個原因：首先，在實際中明確PMV的數值是困難的，因為人的舒適感影響人體舒適度的因素有許多，例如人的穿著、心情和情緒等等，即使環境條件相同，每個人的反映和評價也是不同的。其次，所擬合的方程誤差較大。

針對第一條，可用預期不滿意率PPD表示熱環境不滿意的百分數（PPD指標是根據在同一溫度條件下，投票值為不滿意，即投票為+3，+2，-2，-3的百分率的和）。對于第二條，或者是對舒適方程進行改進，或者是做大量的實驗，從中擬合出較為準確的方程。

綜上所述，對于北方地區，建議采用舒適方程和PMV去確定舒適條件。

4結論

我國疆域廣闊，民族眾多，對舒適性的要求也不一樣。作者認為隨著人民生活水平等提高，各地區應結合氣候牲、種族特性、生活習慣、身體素質等，對舒適性指標進行各自的修正和改進，得出適合本地區的舒適性指標。

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