人體熱舒適的節能研究

馬新宇 李 欣 黃繼東

隨著生活水平的提高,人們對室內環境有了更高的要求。與此同時,隨著節能的大范圍推廣,要求不僅要滿足人的舒適性還要注意節能,舒適與節能成了學者研究熱環境的目標。人體熱舒適研究是一種典型的多學科交叉的應用基礎性研究,是社會科技發展的必然產物和要求。通過人體熱舒適研究,能夠為創造適應人體生理需求的熱舒適環境奠定基礎,同時對能源的合理利用、建筑節能、緩解電力緊張等方面具有積極的推動作用。因此,如何在保證人體舒適的前提下,尋找建筑節能與人體熱舒適的最佳平衡點是各國學者們研究的重點內容之一。

1 人體熱舒適

1.1 熱舒適的含義

熱舒適性研究在美國、歐洲等一些西方國家比較普及,國際最新熱舒適標準是 ISO 7730-2005[1]和 ASHRAE標準55-2004[2],我國標準則是GB/T 18049-2000中等熱環境PMV和PPD指數的測定及熱舒適條件的規定[3]。人體熱舒適在ASHRAE標準中,定義為人對熱環境表示滿意的意識狀態。它通過研究人體對熱環境的主觀熱反映,得到人體熱舒適的環境參數組合的最佳范圍和允許范圍以及實現這一條件的控制、調節方法。

1.2 人體熱舒適的影響因素

按照最新的熱舒適感標準,影響人體舒適感有六大因素,分別為:空氣溫度、空氣相對濕度、空氣流速、平均輻射溫度、人體新陳代謝率、服裝熱阻。其中影響熱舒適客觀因素主要有:空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流速和相對濕度。影響熱舒適的主觀因素是:服裝熱阻和新陳代謝率。另外,除了上述定量因素對熱舒適參數產生影響外,人體熱適應性對熱舒適也會產生影響。一些定性因素如性別、年齡、生活習慣、心理期望等都對熱舒適產生影響。

2 人體熱舒適的節能研究

2.1 空氣溫度的節能研究

降低室內空氣的干球溫度,建筑物的空調能耗將明顯增加這一結論已是眾所周知。對于空調溫度的合理設定不僅影響到室內人員的熱感覺和工作狀況,而且與空調系統的能耗直接相關。國內許多專家學者針對不同地點、不同季節及不同功能的建筑進行了現場測試及調查,得出不同的熱舒適溫度,滿足舒適性的同時節約能源[4]。天津大學朱能[5]首次在國內通過問卷調查和實驗室實驗的方法對中國人的熱舒適區進行一系列研究。西安建筑科技大學茅艷提出我國不同氣候區的人體熱舒適氣候適應性模型,并在該模型的基礎上給出了不同氣候區的舒適溫度范圍,對我國建筑節能設計和生態建筑設計的理論和實踐研究將起到積極的作用。2008年,葉曉江等[6]分析已有的文獻,得到我國相應的夏季和冬季的舒適溫度區及中性溫度,結果表明,即使在中國,不同地點、不同的研究對象得到的舒適區和中性溫度差異較大,合理的設置空調溫度有較大的節能潛力。

目前的空調系統都是采用同一設計溫度標準為依據的穩態送風系統,存在著能源消耗大、運行費用高、舒適性不能滿足要求等問題。熱中性溫度和舒適區的變化和差異較大,對于熱舒適環境參數的控制,特別是環境溫度,應該是一個變化的、動態的參數。Nicol,Nikolopoulou等從節能的角度提出人體熱舒適溫度應當是一個動態的過程。

2.2 濕度的節能研究

目前國內存在兩種截然不同的觀點,一種是建筑物的空調能耗隨著房間相對濕度的減小而大幅度增加,另一種是建筑物的空調能耗隨著房間相對濕度的減小而大幅度減小。閏斌針對南方濕熱氣候特點,人們在相對濕度75%～80%仍感覺到舒服,提出在確定室內設計參數時,溫度可以低一點,但相對濕度可以高一些,這樣既可以保證較高的熱舒適度,又可以降低能耗。湖南大學殷平的研究結果表明,室內相對濕度對空調能耗的影響十分明顯,當室內溫度為26℃,相對濕度為60%時,其能耗竟然比26℃,40%時高了16%。當室內溫度為26℃,相對濕度為65%時,其能耗與24℃,相對濕度為50%時相同。因此提出,與其提高室內的干球溫度,不如降低房間的相對濕度,在節能的同時,獲得更佳的人體舒適感和室內空氣質量,也順應了當前國際空調界降低室內相對濕度的大潮。由上可知,相對濕度對舒適性和能耗的影響還應該針對具體情況全面分析。

2.3 空氣流速的節能研究

送風(空氣對流交換)是改變室內熱環境和影響人體熱舒適的主要因素之一,合理的送風方式不僅可改善人們的吹風感受,也可提高人體熱舒適的溫度上限,降低空調能耗。相對于單調的機械風而言,自然風以清新、柔和、多變和舒適的吹風感受而受到人們的普遍喜愛。Dear等討論了自然通風建筑物的熱舒適。Aynsley認為在暖濕的熱帶氣候地區的居住者,在夏季可以依靠自然通風方式來達到和維持室內熱舒適。清華大學夏一哉,賈慶賢,楊建榮等研究了自然風與機械風頻譜的區別及對熱舒適的影響,認為接近于自然風頻譜的吹風模式比其他吹風模式有更好的可接受性。ASHRAE RP-884通過測試自然通風和集中空調建筑的熱環境,發現自然通風建筑要比集中空調建筑的可接受溫度范圍寬出70%左右。因此,如果能夠在建筑空間中采用自然風的環境,將在有效節省空調能耗的同時,產生更符合人體生理健康的建筑環境。

2.4 適應性的節能研究

根據人的熱適應性,確定人體最佳的熱舒適區成為近年來的熱門話題。從1995年開始ASHRAE發動了一次命名為 RP-884全世界范圍內的室內熱環境和熱舒適的實測與調查活動。收集了全世界160個建筑的21 000組實測數據,并利用此數據和一小部分過去15年的實測數據,開發出了人體熱舒適的適應性模型。重慶大學羅明智,李百戰對影響人體熱舒適的行為調節適應、心理調節適應以及生理調節適應進行了分析,認為熱適應性研究對人體的熱舒適具有重要意義。

2.5 主觀因素的節能研究

人體熱舒適,除受環境因素影響外,還與人的著衣量和作業量(代謝水平)有關。為了滿足舒適限值,可以通過種種途徑達到,如調節著衣量;對活動量的控制;不斷調節圍護結構與熱設備;利用個體熱反應的多樣性進行熱環境的自我選擇等。

3 我國人體熱舒適節能研究的展望

3.1 合理確定室內環境參數

熱中性溫度和舒適區的變化及差異較大,相同的室內干球溫度,不同的相對濕度,空調能耗是不同的,對于熱舒適環境參數的控制,進一步研究溫度與相對濕度的最佳組合,加強適合我國國情的相關規范制定,以確保給人們提供一個舒適、健康、節能的環境。

3.2 因地制宜,充分考慮人的適應性

結合我國的氣候特色、建筑類型、人員背景、生活水平、能源利用形式等情況,充分考慮人的適應性,合理選擇節能方式,例如,南方潮濕地區,除濕較之于降溫,是改善室內熱環境的有效措施。更多的運用建筑節能的被動手段,如夏季采用自然通風、混合通風等技術。因地制宜,充分考慮人的適應性,主動調節熱環境參數和空氣流動參數,以達到同時滿足建筑環境熱舒適和節能的目標,是非常值得深入研究的課題。

3.3 多種送風方式合理利用

由于不同的人所偏好的溫度有所差異,因此,根據熱舒適溫度差異較大的特點,可以采用個性化送風、低位送風、局部微調節等多種方式,使個體周圍的局部環境達到自己所喜歡的工作溫度,在緩解人體對偏熱或偏冷環境不適感的同時節約建筑物能耗,這也是未來可以進一步研究的領域。

3.4 變穩態熱環境為動態熱環境

目前的空調系統都是統一的設計溫度標準為依據的穩態送風系統,存在著能源消耗大、運行費用高、舒適性不能滿足要求等問題。通過分析得出,動態熱環境即滿足人體熱舒適,同時很好地節約能源,但是現有的研究結果主要停留在現場調研和理論分析階段,實際應用很少,對于動態熱環境的研究還有很大的發展空間。

4 結語

隨著社會能源危機意識的增強,建筑節能對如何營造室內熱舒適環境提出了新的要求。通過充分考慮人的適應性,合理設置室內空氣參數,同時提倡采用自然風和動態送風以及局部微環境調節等方式,不但可以提高人體熱舒適度,而且還可以有效地節約能源,是今后熱舒適與節能研究的主要課題。

[1] ISO 7730∶2005,Ergonomics of the thermal environment analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria[S].International Organization for Standardization,2005.

[2] ASHRAE Standard 55-2004,Thermal environmental conditions for human occupancy[S].American Society of Heating,Ref rigerating and Air Conditioning Engineers,Inc.Atlanta,GA30329.

[3] GB/T 18049-2000,中等熱環境PMV和PPD指數的測定及熱舒適條件的規定[S].

[4] 金 虹,趙 華,王秀萍.嚴寒地區村鎮住宅冬季室內熱舒適環境研究[J].哈爾濱工業大學學報,2006,38(12):2108-2111.

[5] 朱 能.人體熱舒適性與室內空氣品質若干關鍵問題的研究[D].天津:天津大學博士論文,2003.

[6] 葉曉江,陳煥新,周朝霞.熱舒適溫度與建筑節能[J].建筑節能,2008(5):63-65.