動態室內空調環境與節能研究

韓冬瑞 武同

摘 要：傳統舒適性空調在提供穩定室內空調環境的同時，既消耗了相對多的能源，又削弱了人們適應突變環境的能力，因此進行動態室內空調環境與節能性研究顯得尤為重要。文章介紹了動態室內空調環境的含義，通過對人體熱舒適機理進行分析研究，提出了室內空調環境設計參數優化的方法，并分析了動態空調控制系統的節能性，得出動態空調控制系統能在滿足人體熱舒適要求的同時實現較高的運行效率，從而達到節能的目的。

關鍵詞：人體熱舒適；節能；動態參數控制

中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）29-0008-02

現代人類的生活和工作跟室內環境息息相關，尤其是城鎮居民幾乎80%以上的時間（西方國家達90%）是在室內環境中渡過的，這主要是得益于室內環境的改善，但是這消耗掉了太多的能源資源。據統計我國室內采暖和空調能耗占到了建筑總能耗的55%，是建筑最大的耗能點。而近幾年建筑能耗在能源消費總量中所占的比例已經上升到了27.8%。因此，節約建筑室內因采暖和空調而消耗掉的能量顯得尤為重要，但是節約能耗不能以犧牲室內環境舒適性為代價，合理確定室內環境舒適性標準和空調系統運行控制方案，對于改善人體舒適性和降低建筑能耗都具有重要的意義。

1 動態室內空調環境

現在室內空氣調節系統的設計都是依據最大負荷工況，并且將運行參數設定為某一固定值。設備在運行時此值不能隨室外環境的改變而變化，而是通過控制系統的調節作用將室內空氣狀態參數穩定在這一固定值周圍，形成所謂的穩態室內空調環境。可是很多調研表明，人們對這種室內環境的舒適性并不滿意，而是更容易接受動態的室內空調環境。

動態室內空調環境是指空氣調節系統根據不斷變化的室外環境而相應改變其參數設定值，或是最佳參數組合，設備在運行時室內空氣狀態參數不是穩定在某一固定值周圍，而是變化的，形成的是能夠滿足人體熱舒適要求的動態環境，同時還能夠達到建筑節能的目的。

2 動態人體熱舒適

許多研究表明，人們對其所在的周圍的環境氣候所產生的冷和熱的感覺，是人們在眾多因素供同行作用下的生理反映，這其中影響人體舒適程度的最主要因素有：空氣溫度（T）、相對濕度（φ）、流動速度（ν）與平均輻射溫度（Tr）。討論人體熱舒適，不僅要考慮單一參數，同時還要考慮不同參數的相互組合對熱舒適的影響。

空氣溫度直接決定人體與空氣之間溫差，會影響人體熱量平衡，是影響人體舒適性的一項重要參數。人體通過機體可以感知周圍環境的冷與熱。根據人的冷熱感覺不同，環境可以被分為七級：冷、較涼、涼、舒適、暖、較熱、熱。

相對濕度反映空氣的干燥程度，影響人體皮膚表面汗液的蒸發速度，進而影響人體溫度和舒適性。相對濕度過低時皮膚表面汗液的蒸發速度快，可使皮膚變干燥、粗糙、脫皮損傷，甚至削弱皮膚保護功能；相對濕度過高時皮膚表面汗液的蒸發速度慢，從而減少出汗，甚至關閉汗腺，感到皮膚粘滯、悶熱。事實上，從對人體熱舒適的影響來說，無論是冬季還是夏季，相對濕度相對其它因素均較小。例如，對于輕體力勞動者，相對濕度變化10%，只是相當于溫度變化0.3 ℃。一般夏季相對濕度在40%～60%，冬季在30%～40%人體感覺比較舒適。

空氣流動速度在一定條件下會影響皮膚表面水分的蒸發速度。而室內空氣紊流強度和紊流頻率在熱環境中，能夠增加人體冷感和空氣新鮮感。研究表明室內空氣流速限制在1.2 m/s以內，人體一般不會有吹冷風感。但在室內溫度和相對濕度較高的情況下，適當提高室內空氣流速仍能滿足人體熱舒適的要求。

平均輻射溫度取決于周圍物體表面溫度。有研究表明，為保持室內人員的熱舒適狀態，周圍空氣溫度與室內圍護結構內表面溫度之差不能超過7 ℃。

3 室內空調環境設計參數優化

從影響人體熱舒適主要環境因素來分析，圍圍護結構內表面溫度決定了平均輻射溫度，王怡通過對冬季集中供暖房間和空調房間熱環境的調查分析得出，身穿標準冬季衣服時，平輻射溫度每改變1 ℃，相當于氣溫改變0.75 ℃，或相當于有效溫度改變0.5 ℃。在實際生產、生活中，空氣溫度并不等于平均輻射溫度，對于很少局部輻射源且不考慮垂直溫差的常規空調系統建筑，一般不考慮平均輻射溫度對人體舒適性的影響。因而，可以從空氣溫度、相對濕度、流動速度來分析使用常規空調系統的建筑物環境參數對人體熱舒適性的影響。

空氣溫度是影響熱舒適性的最主要因素。連之偉等研究得出溫度在影響人體熱舒適的各參數中權重系數為0.53。人體熱舒適性與相對濕度的關系有兩層：

一是在同樣的舒適感時，室內空氣露點溫度每降低5.56 ℃與干球溫度提高1 ℃及相對濕度降低25%大致相當；

二是較低的相對濕度可以增強舒適感和空氣品質。1992年美國ASHRAE標準提出相對濕度上限是60%。空氣流動速度在一定程度上增強體表水分蒸發，水分蒸發吸收皮膚熱量而使人體感覺舒適，可是過大的空氣流動速度會引起吹冷風感。合理的做法是在風速允許范圍內適當提高風速來改善人體的熱濕感，提高熱舒適性。

從空調系統能耗角度來分析，室內空氣狀態參數設定值的改變會引起空調能耗的變化。室內空氣溫度對人體熱舒適的影響大于對空調系統能耗的影響；而相對濕度對人體熱舒適影響則小于對空調系統能耗的影響。所以在不影響人體熱舒適的條件下，可以在溫濕度的一定范圍內通過適當降低溫度，增大濕度的方法來實現節能。有資料表明，在夏季將溫度設定值降低1℃，空調系統能耗將增加9%，冬季將溫度設定值提高1 ℃，空調系統能耗將增加12%。

在熱濕環境下通過調節空氣流動速度進行參數的重新組合也可以滿足熱舒適的要求。涂光備等人通過實驗分析得出廉價節能的熱舒適控制策略：在空氣干球溫度低于29.3 ℃，相對濕度為70%的條件下，可以通過提高空氣流速來實現室內環境的舒適性。閆斌等人通過對某一建筑計算得出，以25 ℃為設計標準，室內設計溫度每提高1℃，相對能耗將減少6%。以相對濕度50%為設計標準，相對濕度每提高5%，空調能耗將減少10%。

4 動態室內環境空調系統控制

4.1 動態參數控制策略

目前國內外很多學者都在致力于動態空調策略下的人體熱舒適性研究。動態參數控制策略是指隨著室內空氣狀態參數的變化而相應改變空調控制狀態的一種策略，從而實現送風溫度、濕度和送風方式的動態化。有研究結果表明：由中性環境到冷環境或熱環境時，人體皮膚冷熱感覺出現“滯后”；而從冷環境或熱環境到中性環境時，人體皮膚冷熱感覺會出現“超越”，這反映出人體皮膚對熱的感覺具有更好的承受力。基于人體熱感覺的這種特點，國內外學者主要研究了關于動態室內空調環境的溫度動態化控制和風速動態化控制。

溫度動態化是指空調系統向室內供冷直至人體達到熱舒適要求之后停止供冷，此后室內空氣會吸收室內熱源及圍護結構的熱量，室溫隨時間的進行不斷增加，人體感覺到越來越熱。可見在熱波動作用下， 人體皮膚熱感覺出現"滯后"，而且人體所能接受溫度變化范圍隨熱波動速率增大而變大。得出的結論是，在一定時間間隔△t之后再向室內供冷，只要△t不是太大，同樣能使環境維持在較高的熱舒適性水平。

風速動態化控制是指通過編制程序調節風機轉動狀態最大程度地模擬自然風。已有研究表明人體對自然風的可接受程度最高。采用風速動態化控制不僅可以形成類似自然風增加人體舒適感，還能補償溫度升高達到節能的效果。董靜通過研究得出，采用動態風速能夠達到既改善熱環境又不引起吹風不適感，給出了滿足人體舒適感的較佳工況：相對濕度50%，服裝熱阻為0.6 clo的情況下，當動態溫度波動范圍為27～29 ℃時，人體熱感覺指標TSV（thermal sensation vote）值基本在（-0.5，+0.5）的范圍內波動，可較好地滿足人體舒適性需要。

4.2 動態空調系統控制的節能性分析

在一些低能耗建筑中，應該優先考慮采用動態空調控制系統的形式（如盡可能的使用自然通風、被動式制冷、夜間通風、白天混合通風等）來制冷。而且國外有學者研究，室內人員對室內環境的滿意情況更多的與居住者是否能夠對其周圍環境進行控制和調節有關，而與室內實際空氣參數值的關系并不大。如果室內人員能夠通過改變遮陽效果、調節室內溫度、濕度等來適當控制室內環境，就更容易對室內環境感到滿意，這樣還能實現空調系統節能。

已有業內學者通過實驗證明動態空調系統可以實現很好的節能效果。Kenzo Yone zawa等人根據居住者的熱感覺通過啟停熱源數量控制、新風量控制和夜間清洗控制等方式來實現控制節能。通過PMV值的控制使室內環境處在舒適性范圍內，制熱時使PMV值處在舒適性下限，制冷時使PMV值處在舒適性上限，以此來降低空調系統熱負荷，從而實現節能。

5 結 語

隨著節能意識的不斷深入，在改善室內環境、保證熱舒適性的前提下降低空調系統能耗越來越得到人們關注。雖然空調產品的設計都符合相關標準、規范，但是，對其帶來室內環境有時候我們還是感到不滿意。所以，在空調系統的設計不能局限于當前的標準和規范，除了考慮建筑功能特點及具體的地域和氣候條件之外，更為重要的是通過分析熱舒適要求規律和建筑全年的負荷變化規律，來確定合適的空調系統形式和合理的空調控制策略。動態室內空調系統不但能夠提供動態熱舒適環境，還能降低其運行能耗，實現節能。如果與自然通風、被動式冷卻等調節方式相結合，將會帶來更好的節能效果。

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