虹橋機(jī)場T2航站樓夏季熱環(huán)境實(shí)測與分析

朱衛(wèi)華 王建文 張兆銘 陸 濤 林忠平

虹橋機(jī)場T2航站樓夏季熱環(huán)境實(shí)測與分析

朱衛(wèi)華1王建文2張兆銘2陸 濤1林忠平1

1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院
2上海虹橋國際機(jī)場公司

通過測試上海虹橋機(jī)場T2航站樓夏季室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，結(jié)合問卷調(diào)查，統(tǒng)計(jì)分析了旅客的實(shí)際熱感覺投票值（TSV），并對其熱中性溫度值以及引起熱不舒適的原因做了一定的探討。結(jié)果表明：P.O.Fanger的PMV計(jì)算方程適用于玻璃幕墻航站樓建筑熱舒適計(jì)算；太陽輻射會明顯增加室內(nèi)平均輻射溫度，進(jìn)而影響室內(nèi)熱舒適性，計(jì)算PMV時(shí)不能忽略；作用溫度To與TSV顯示出良好的線性關(guān)系，通過回歸計(jì)算出適宜的操作溫度為26.2℃。

熱舒適TSV平均輻射溫度太陽輻射操作溫度

0 引言

熱舒適感是人體自身通過熱平衡和感覺到的環(huán)境狀況并綜合起來獲得是否舒適的感覺，由生理和心理綜合決定。目前世界上較為廣泛接受的評價(jià)室內(nèi)熱舒適性的標(biāo)準(zhǔn)有2個(gè)[1]：美國供暖、制冷與空調(diào)工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)（ASHRAE Standard55-2010）和ISO7730。ISO 7730[2]對熱舒適的定義是主觀感覺滿意的熱環(huán)境即為熱舒適環(huán)境；美國供暖、制冷與空調(diào)工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE 55-2010[3]中，對熱舒適定義了在主觀感覺熱舒適的同時(shí)強(qiáng)調(diào)對熱舒適的主觀評價(jià)。

然而這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都較少用于航站樓室內(nèi)熱舒適評價(jià)。與一般建筑相比，航站樓建筑普遍擁有大面積玻璃幕墻，太陽輻射影響明顯；并且人員在航站樓中停留時(shí)間較短，不容易達(dá)到計(jì)算要求的穩(wěn)態(tài)傳熱。在靠近玻璃幕墻的建筑外區(qū)，太陽輻射對室內(nèi)人員的熱舒適有顯著的影響[4]。在夏季，高強(qiáng)度的太陽輻射是不利的，因?yàn)樗黾恿瞬ＡП砻娴臏囟龋绊懯覂?nèi)平均輻射溫度。單獨(dú)的太陽直射等同于平均熱輻射溫度增加11℃的熱感覺，加劇室內(nèi)人員的不舒適程度[5～6]。

本文以虹橋機(jī)場T2航站樓為例，分析了PMV計(jì)算方法在航站樓建筑室內(nèi)熱舒適評價(jià)的適用性以及太陽輻射對計(jì)算結(jié)果的影響。

1 研究方法

研究對象為上海虹橋機(jī)場T2航站樓，選取長廊端頭區(qū)域、中部三角區(qū)、候機(jī)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)（近47號柱）、候機(jī)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)（近38號柱）以及主樓出發(fā)辦票大廳5個(gè)典型區(qū)域進(jìn)行研究。其中，長廊及候機(jī)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)為乘客候機(jī)區(qū)域，乘客停留時(shí)間較長；三角區(qū)為航站樓主要商業(yè)區(qū)，以及VIP候機(jī)室；辦票大廳人員密度大。表1為航站樓典型區(qū)域編號及特征。

表1 航站樓典型區(qū)域編號及特征

研究內(nèi)容主要由三部分組成，包括熱濕環(huán)境參數(shù)現(xiàn)場測試、理論計(jì)算以及問卷調(diào)查。現(xiàn)場測試和問卷調(diào)查時(shí)間為2012年7月24～25日，室外天氣為典型的上海濕熱氣候。

1.1 室內(nèi)參數(shù)實(shí)測

在PMV計(jì)算式中，共有8個(gè)變量，其中服裝面積系數(shù)與衣物表面溫度均可由服裝熱阻計(jì)算，對流換熱系數(shù)h是風(fēng)速v的函數(shù)，人體做機(jī)械功按0計(jì)算，所以影響人員熱舒適的參數(shù)有6個(gè)，即：室內(nèi)空氣溫度、室內(nèi)平均輻射溫度、空氣流速、空氣中水蒸氣分壓力、衣著和新陳代謝率。實(shí)測項(xiàng)目包括室內(nèi)溫度、相對濕度、風(fēng)速以及玻璃幕墻壁面溫度等。對于每個(gè)區(qū)域，在工作區(qū)斷面（距地/樓面1.2m）分別均勻布置16～32個(gè)溫度與相對濕度測點(diǎn)，每一小時(shí)測試一遍，共8h（一典型天）；均勻布置16～32個(gè)速度測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)測試一次；墻面均勻設(shè)置6～12個(gè)測點(diǎn)，每小時(shí)測試一遍，共8h。測試中所使用的儀器的相關(guān)參數(shù)（測量范圍、分辨率與精度）見表2。

表2 主要測試儀器

1.2 理論計(jì)算

根據(jù)ASHRAE55-2010[3]中的PMV公式，使用Berkeley提供的熱舒適計(jì)算工具，利用實(shí)測空氣溫度，實(shí)測相對濕度，實(shí)測風(fēng)速，實(shí)測各壁面溫度以及人員活動狀態(tài)，以及平均輻射溫度理論計(jì)算結(jié)果得到相應(yīng)區(qū)域的PMV值。

在PMV計(jì)算式6個(gè)參數(shù)中，空氣溫度和平均輻射溫度是影響人體熱舒適的關(guān)鍵因素[7]。其中，平均輻射溫度不僅要考慮來自低溫表面（如墻面等）的長波輻射，還應(yīng)考慮太陽等高強(qiáng)度輻射源照射到人體的熱輻射，因此分析起來較為復(fù)雜。

如果忽略太陽輻射，室內(nèi)平均輻射溫度MRT是綜合環(huán)境不同表面溫度輻射能的代表溫度，因此從物理意義上，應(yīng)為各溫度表面溫度的四次方按角系數(shù)加權(quán)獲得。即：

式中：Tr為平均輻射溫度，K；Ti為周圍各可見表面溫度，K；Fs→i為人對相應(yīng)表面的角系數(shù)。

如果表面間溫差較小，式（1）可進(jìn)一步簡化為

當(dāng)人處于有太陽輻射的室內(nèi)環(huán)境中時(shí)，輻射得熱包括太陽直射輻射、太陽散射輻射以及室內(nèi)可見表面熱輻射（圖1）。有：

式中：Qs為人體的凈輻射散熱；Q0s為人體輻射散熱；αs為人體吸收率；QA→S為環(huán)境可見表面熱輻射到達(dá)人體的部分；Qd→S為太陽散射輻射到達(dá)人體的部分；Qb→S為太陽直射輻射到達(dá)人體的部分。

圖1 人體與環(huán)境的典型輻射換熱

因此，根據(jù)傳熱學(xué)相關(guān)定律，可得式（4）：

Ti與Tcl接近，因此其輻射頻率基本相同，根據(jù)基爾霍夫定律，αs=εs；但太陽直射輻射和散射輻射的頻率與人體輻射相差較大，不能認(rèn)為人體對其吸收率與發(fā)射率相等。因此分別引入αirr,d和αirr,b表示散射輻射吸收率和直射輻射吸收率，同時(shí)用fp表示Ap/Ar，引入Cs表示直射系數(shù)，直接暴露在陽光下為1，不能直射為0，因此，得到在有太陽輻射的室內(nèi)平均輻射溫度計(jì)算公式[8]：

此外，Lyons[4]和Sullivan[9]分別在各自文獻(xiàn)中闡述了既使用傳統(tǒng)只考慮溫壁面影響的平均輻射溫度，又能夠反應(yīng)太陽熱輻射影響的方法。

根據(jù)未考慮太陽輻射影響及考慮太陽輻射影響的平均輻射溫度理論計(jì)算結(jié)果，分別得到五個(gè)測試區(qū)域的兩種PMV計(jì)算結(jié)果。將上述兩種PMV結(jié)果與實(shí)際熱感覺投票（TSV）進(jìn)行對比，以研究太陽輻射對PMV-PPD預(yù)測模型計(jì)算結(jié)果的影響程度。

1.3 問卷調(diào)查

為了調(diào)查旅客的熱感覺，驗(yàn)證理論計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，對70名旅客進(jìn)行了問卷調(diào)查。在問卷中，旅客給出他們當(dāng)時(shí)的熱感覺投票（TSV）、濕度感受、吹風(fēng)感等。熱感覺投票值采用ASHRAE7級標(biāo)度指標(biāo)進(jìn)行記錄（表3）。

表3 ASHRAE7級指標(biāo)分度級別表

2 結(jié)果與討論

根據(jù)所測量的室內(nèi)熱物性參數(shù)及問卷調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)成表4。

表4 PMV各計(jì)算參數(shù)匯總

由表4結(jié)果可以看出，測試區(qū)域室內(nèi)參數(shù)波動較小，基本處于穩(wěn)態(tài)。同時(shí)被調(diào)查人員已處于當(dāng)前環(huán)境至少半小時(shí)，可以認(rèn)為接近于PMV計(jì)算要求的穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境。由熱感覺投票統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，當(dāng)前環(huán)境處于或接近熱舒適狀態(tài)，避免了PMV方程在不舒適環(huán)境中的局限性[10]。

2.1 太陽輻射影響研究

由壁面溫度實(shí)測值和相應(yīng)角系數(shù)，根據(jù)式（1）可計(jì)算僅考慮低溫表面熱輻射時(shí)的平均熱輻射溫度。

安德伍德提出了fp的計(jì)算解析式，經(jīng)過驗(yàn)證，除了與垂線大約成10°角的范圍內(nèi)數(shù)值太小外，該式與實(shí)驗(yàn)曲線是非常吻合的[11]。

太陽高度角β及太陽方位角α通過計(jì)算得到。測試當(dāng)天上海地區(qū)的赤緯d為19.83°，地理緯度φ為31.2°，上午十點(diǎn)和下午兩點(diǎn)的時(shí)角h分別為-30°和30°。

上午10點(diǎn)和下午14點(diǎn)的投影系數(shù)fp的計(jì)算結(jié)果均為0.143。

文獻(xiàn)[11]同時(shí)給出日射吸收率為0.7，發(fā)射率0.9。文獻(xiàn)[12]給出透過標(biāo)準(zhǔn)玻璃窗的太陽輻射強(qiáng)度（表5）。

表5 透過標(biāo)準(zhǔn)玻璃窗的太陽輻射強(qiáng)度

根據(jù)式（5）的MRT計(jì)算公式，由實(shí)測壁面溫度和上述參數(shù)可以計(jì)算出測試區(qū)域考慮太陽輻射的平均輻射溫度值。

將兩種算法的平均輻射溫度列于表6。

表6 平均輻射溫度計(jì)算結(jié)果

從表6的平均輻射溫度計(jì)算結(jié)果可以看出，考慮了太陽高強(qiáng)度輻射源照射到人體的熱輻射因素的計(jì)算結(jié)果比僅僅只考慮壁面長波輻射因素大3～4℃；另外，三角區(qū)（2#區(qū)域）室內(nèi)人員直接暴露在太陽光的情況下，MRT計(jì)算結(jié)果增加11℃左右，與文獻(xiàn)[5～6]的結(jié)論一致。因此高強(qiáng)度輻射源對平均輻射溫度（MRT）計(jì)算結(jié)果的影響是顯著的。

根據(jù)已有的各參數(shù)，通過PMV計(jì)算程序，分別計(jì)算兩種不同平均輻射溫度分析方法下的各問卷區(qū)域的PMV值（表7）。

表7 PMV計(jì)算結(jié)果

文獻(xiàn)[13]通過實(shí)際調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析研究認(rèn)為PMV-TSV的差值在±0.25之間，即可以認(rèn)定PMV結(jié)果是有效的。

從圖2可以看出，考慮太陽輻射的平均輻射溫度所計(jì)算出的PMV結(jié)果與實(shí)際熱感覺投票值（TSV）的差值在±0.25之間，可以通過PMV計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確地預(yù)測航站樓各區(qū)域室內(nèi)人員的熱舒適狀況；而通過未考慮太陽輻射的平均輻射溫度所計(jì)算出來的PMV結(jié)果與實(shí)際TSV存在較大的偏差。可見太陽輻射對PMV的影響是顯著的；另一方面，該結(jié)果也證明Gennusa等在文獻(xiàn)[8]中MRT公式的適用性。

圖2 PMV-TSV差值的比較

2.2 熱中性溫度分析

熱中性溫度的定義為：人們對所處的熱環(huán)境感覺不冷不熱的時(shí)候的溫度，也就是熱感覺投票為0對應(yīng)的操作溫度[14]。

操作溫度是綜合考慮了空氣溫度和評價(jià)輻射溫度對人體熱感覺的影響而得出的合成溫度，其計(jì)算公式如下：

各區(qū)域?qū)崪y平均速度在0.2～0.6m/s之間，根據(jù)ASHRAE55，A取值為0.6。

為了得到TSV值與操作溫度之間的關(guān)系，將本次調(diào)查中被訪者的熱感覺投票與操作溫度之間的關(guān)系匯集于圖3。

圖3 TSV與操作溫度的對應(yīng)關(guān)系

由中性溫度的定義可知，當(dāng)回歸方程中TSV為0時(shí)，對應(yīng)的操作溫度即為熱中性溫度。則令TSV=0，計(jì)算出航站樓熱中性溫度為26.2℃。

3 結(jié)論

1）考慮了太陽散射輻射的平均輻射溫度計(jì)算結(jié)果比僅僅只考慮壁面長波輻射因素大3～4℃；室內(nèi)人員直接暴露在太陽光的情況下，計(jì)算結(jié)果會增加11℃左右；考慮太陽輻射的平均輻射溫度所計(jì)算出的PMV結(jié)果可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測航站樓各區(qū)域室內(nèi)人員的熱舒適感覺；而通過未考慮的太陽輻射的平均輻射溫度所計(jì)算出來的PMV結(jié)果與實(shí)際投票結(jié)果相差較大。因此說明太陽輻射對平均輻射溫度的影響是顯著的。

2）在平均輻射溫度較高的情況下，空氣溫度不能很好地反應(yīng)室內(nèi)熱舒適條件，操作溫度更為適用，根據(jù)TSV與室內(nèi)操作溫度的線性關(guān)系，可計(jì)算出該地區(qū)航站樓夏季室內(nèi)熱中性溫度為26.2℃。

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A Fie ld Study on The rm a l Com fort for the Te rm ina l 2 of Sha ngha i Hongqia o Airport in Sum m e r

ZHU Wei-hua1,WANG Jian-wen2,ZHANG Zhao-ming2,LU Tao1,LIN Zhong-ping1
1 College of Mechanical Engineering,Tongji University
2 Shanghai Hongqiao International Airport Company

Field test of the environmental parameters and questionnaire survey on thermal comfort was carried out in summer for the Terminal 2,Shanghai Hongqiao International Airport.The thermal neutral temperature and cause of thermal discomfort were discussed.The results showed that the PMV calculation equation can be applicable for airport terminal building with large glass curtain walls.Solar radiation will significantly increase the indoor mean radiant temperature,there for,affecting indoor thermal comfort.Linear regression calculation shows that suitable operating temperature was 26.2℃.

thermal comfort,TSV,mean radiant temperature,solar radiation,operating temperature

1003-0344（2014）04-009-5

2013-7-1

林忠平（1968～），男，博士，教授；同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院暖通空調(diào)及燃?xì)庋芯克?01804）；021-65984228；E-mail:zplin99@tongji.edu.cn