基于耗散率的夏季不同年齡人群熱舒適性分析

張又升，趙敬德，李雷雷

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620)

張又升，趙敬德，李雷雷

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620)

摘要：以理論分析為手段，建立了夏季空調(diào)房間人體平衡系統(tǒng)模型，在基礎(chǔ)代謝率的前提下對(duì)不同年齡人群耗散率進(jìn)行了比較分析；同時(shí)，對(duì)人體的耗散率和預(yù)測平均投票數(shù)(PMV)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析，并對(duì)不同年齡人群進(jìn)行調(diào)研.結(jié)果表明，耗散率指標(biāo)可以用來評(píng)價(jià)人體熱舒適性，并能反映不同年齡段人群的熱舒適感覺．

關(guān)鍵詞：耗散率； 熱舒適； 不同年齡人群

1數(shù)學(xué)模型

1.1人體模型

圖1　人體熱力()平衡系統(tǒng)Fig.1　　　　Thermodynamics (exergy) balance　　　of human-body

Ein-Eout=Estore+Econsume

(1)

Ein=Emet+Einhaled+Ecore-w+Eshell-w+Eabsorbed

(2)

Eout=Eexhaled+Eem+Econ+Esw

(3)

Estore=Ecore+Eshell

(4)

1.3人體熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)

PMV是評(píng)價(jià)人體熱舒適性的一種常用指標(biāo)，+3、+2、+1、0、-1、-2、-3分別代表人們熱感覺的7個(gè)等級(jí)值，分別對(duì)應(yīng)于熱、溫暖、較溫暖、適中、較涼、涼、冷，其計(jì)算式為

(5)

(6)

(7)

(8)

PMV值反映了人體內(nèi)部產(chǎn)生的熱量與人向周圍環(huán)境散失熱量的平衡程度，表明群體對(duì)環(huán)境熱感覺投票的平均值，主要通過估算人體活動(dòng)代謝率以及服裝的隔熱值獲得，同時(shí)還和環(huán)境空氣溫濕度、平均輻射溫度、相對(duì)空氣流速有關(guān).另外，從式(5)右邊每一項(xiàng)的系數(shù)也可以看出PMV是一個(gè)估算值．

PMV適用的群體是健康的成年男性和女性，而對(duì)不同年齡段的人群(兒童和老人)的適用性有待考慮；而從HEC的推理計(jì)算過程看，其適用于不同年齡段的群體．

2實(shí)際算例

2.1研究對(duì)象

本文以上海地區(qū)典型夏季某辦公室為研究對(duì)象進(jìn)行計(jì)算分析，房間大小為4.8m×3.2m×3.5m(長×寬×高)，假設(shè)室內(nèi)設(shè)定恒定的溫度(26℃)和相對(duì)濕度(60%).采用KANOMAX 6004 型熱線風(fēng)速儀測量人體周圍氣流速度和房間溫度，其風(fēng)速測量精度為±(指示值的5%+0.1)m/s，風(fēng)溫測量精度為±1℃，進(jìn)行多次測量取平均值. 采用testo 830-T4型紅外測溫儀(分辨率為0.1℃，精度為±0.5℃)測量人體皮膚表面溫度和衣服表面溫度，多次測量取平均值.室外參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[15]查得，文中一些參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[16]獲得．

因?yàn)椴煌娜梭w在不同活動(dòng)狀態(tài)下其機(jī)體代謝率不同，故本文主要針對(duì)人體在基礎(chǔ)代謝狀態(tài)下進(jìn)行分析，基礎(chǔ)代謝率可根據(jù)文獻(xiàn)[14]中的公式(如式(6)所示)得出.

基礎(chǔ)代謝率(W/m2)=20.2×耗氧量(L/h)/體表面積(m2)

(6)

式(6)中的體表面積可根據(jù)Stevenson公式(如式(7)所示)計(jì)算得出.

體表面積(m2)=0.006 1×身高(cm)+0.012 8×體重(kg)-0.152 9

(7)

不同年齡段人群的基礎(chǔ)代謝率如表1所示．

表1　正常基礎(chǔ)代謝率平均值

2.2計(jì)算分析

(a) 男性

(b)女性

不同年齡人群的HEC和PMV的關(guān)系如圖3所示.由圖3可知，在室內(nèi)外環(huán)境相同條件下，17歲之前HEC值較大，這是因?yàn)樵撃挲g段人群生理調(diào)節(jié)快，基礎(chǔ)代謝率大；18～50歲的男性不同人群HEC值在1.86W/m2左右(女性在1.77W/m2左右)，因?yàn)樵撊巳荷眢w生理調(diào)節(jié)和基礎(chǔ)代謝穩(wěn)定；由于老人的基礎(chǔ)代謝率比成年人小，生理調(diào)節(jié)慢，故HEC值在50歲后明顯變小；另外，年齡段相同，不同性別其HEC值也不相同，男性比女性的HEC值大．圖3中不同年齡人群的PMV變化趨勢和HEC相同，但是PMV值均在-0.5～-0.1，均在人體舒適范圍內(nèi)[2]．

圖3　不同年齡人群的HEC和PMV的關(guān)系Fig.3　　　　Relationship between HEC and PMV 　　　of different age pepole groups

(a)男性

(b) 女性

不同年齡人群PMV值隨室內(nèi)溫度的變化關(guān)系如圖5所示.由圖5可知，不同年齡人群隨著房間溫度降低，其PMV值減小，但是，當(dāng)溫度高于25℃時(shí)，不同年齡人群的PMV值均在-0.5～0.5，均在人體舒適范圍內(nèi)[2]．

(a) 男性

(b) 女性

由圖3～5的分析可知，HEC指標(biāo)可以用來評(píng)價(jià)人體熱舒適感覺，且不同年齡人群在相同環(huán)境中其HEC值不同，但是，根據(jù)PMV評(píng)判不同年齡段人群在相同環(huán)境中其熱舒適感覺均在舒適范圍內(nèi)．

本文對(duì)500名不同年齡人群做了調(diào)研，在相同室內(nèi)外環(huán)境中，分析不同年齡人群熱舒適感覺．調(diào)研對(duì)象為10歲以上不同年齡段人群(包括某輔導(dǎo)機(jī)構(gòu)學(xué)生、東華大學(xué)學(xué)生、東華大學(xué)老年大學(xué)、松江區(qū)敬老院等群體)；調(diào)研時(shí)間是夏季(7、8月份)上海典型高溫段；調(diào)研主要內(nèi)容是被調(diào)研者感覺最舒適時(shí)空調(diào)房間的溫度值.

根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)對(duì)調(diào)研結(jié)果進(jìn)行處理，以年齡21～30歲調(diào)研者為例，圖6所示為擬合的正態(tài)分布曲線N(μ，σ2)，其服從正態(tài)分布N(25.47，0.882)，即該年齡段的大部分人感覺空調(diào)房間溫度為25.47℃左右時(shí)熱感覺舒適.根據(jù)調(diào)研結(jié)果擬合的正態(tài)分布曲線得到不同年齡人的熱感覺最舒適時(shí)空調(diào)房間溫度值如圖7所示.結(jié)果表明，不同年齡段人群的最佳熱舒適感所對(duì)應(yīng)的房間溫度不同，結(jié)合圖4和5可知，PMV指標(biāo)不能準(zhǔn)確反映60歲以上老人群體和11～20歲人群的熱舒適感，而HEC作為評(píng)價(jià)人體的熱舒適性指標(biāo)更能反映不同人群的熱舒適感覺．

圖6　被調(diào)研者熱舒適感覺溫度的正態(tài)分布曲線圖Fig.6　The normal distribution curve of temperatures corresponding to the certain thermal comfort feeling of the persons being surveyed

圖7　不同年齡人群最舒適熱感覺對(duì)應(yīng)的溫度值Fig.7　The temperatures corresponding to the most comfortable thermal feeling of different age groups

3結(jié)語

本文運(yùn)用HEC指標(biāo)和PMV指標(biāo)對(duì)不同年齡段人的熱舒適性進(jìn)行比較，并結(jié)合調(diào)研結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論.

(2) 在室內(nèi)外環(huán)境相同條件下，17歲之前HEC值較大，因?yàn)樵撃挲g段人群生理調(diào)節(jié)快，基礎(chǔ)代謝率大；18～50歲的不同男性人群HEC值在1.86W/m2左右(女性在1.77 W/m2左右)，因?yàn)樵撊巳荷碚{(diào)節(jié)和基礎(chǔ)代謝穩(wěn)定；由于老人的基礎(chǔ)代謝率比成年人小，生理調(diào)節(jié)慢，故HEC值在50歲后明顯變小.

(4) 不同年齡段人群的最佳熱舒適感所對(duì)應(yīng)的房間溫度不同，PMV指標(biāo)不能準(zhǔn)確反映60歲以上老人群體和11～20歲人群的熱舒適感.

(5) HEC可以作為評(píng)價(jià)人體的熱舒適性指標(biāo)，并且其能反映不同年齡段人群的熱舒適感覺．

參考文獻(xiàn)

[1] FANGER P O. Thermal comfort：Analysis and applications in environmental engineering[M].NewYork:McGraw-Hill,1970.

[2] 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： ISO 7730—2005 [S].

[3] Thermal environmental conditions for human occupancy: ANSI/ASHRAE Standard 55—2010 [S].

[4] WANG H Q, HE C H, LIU Z Q,et al.Dynamic evaluation of thermal comfort environment of air-conditioned buildings[J].Building and Environment, 2005,41(11):1522-1529.

[5] 劉蔚巍，連之偉，鄧啟紅.人體熱舒適客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011,42(2)：521-526.

[6] PREK M. Exergy analysis of thermal comfort[J]. Int J Exergy， 2004,1(3):303-315.

[7] PREK M. Thermodynamic analysis of human heat and mass transfer and their impact on thermal comfort[J].International Journal of Heat Mass Transfer， 2005,48:731-739.

[8] PREK M, BUTALA V. Principles of exergy analysis of human heat and mass exchange with the indoor environment[J]. International Journal of Heat Mass Transfer,2010,53:5806-5814.

[9] TOKUNAGA K, SHUKUYA M. Human-body exergy balance calculation under unsteady state conditions[J].Building and Environment， 2011,46(11):2220-2229.

[10] SCHWEIKER M, SHUKUYA M. Adaptive comfort from the viewpoint of human body exergy consumption[J]. Building and Environment， 2011,51:351-360.

[11] MADY C E K, ALBUQUERQUE C, FERNANDES T L, et al. Exergy performance of the human body under physical activities[J].Energy，2013,62 :370-378.

[12] ALA-JUUSELA M, SHUKUYA M. Human body exergy consumption and thermal comfort of an office worker in typical and extreme weather conditions in Finland[J]. Building and Environment， 2014,76:249-257.

[13] SIMONE A, KOLARIK J, IWAMATSU T, et al. A relation between calculated human body exergy consumption rate and subjectively assessed thermal sensation[J]. Energy and Buildings，2011,43(1):1-9.

[14] 朱大年.生理學(xué)[M].7版.北京：人民衛(wèi)生出版社，2008.

[15] 民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50736—2012[S].

[16] SHUKUYA M. Exergy theory and applications in the built environment[M]. London:Springer,2013.

Thermal Comfort Analysis Based on Exergy Consumption Rate for Different Age People Groups in Summer

ZHANGYou-sheng，ZHAOJing-de，LILei-lei

(School of Environmental Science and Engineering， Donghua University， Shanghai 201620， China)

Abstract:By means of exergy theory analysis, an exergy balance model was established for human body in building environment in summer and the exergy consumption rate of different age people groups was compared and analyzed under the premise of the basal metabolic rate. Meanwhile, the exergy consumption rate and the predicted mean vote (PMV) index of human body were compared, and a questionnaire survey was carried out,aiming at different age people groups. The result shows that exergy consumption rate can not only be an index to estimate the human body thermal comfort, but respond the thermal comfort feeling of different age people groups.

Key words:exergy consumption rate; thermal comfort;different age people groups

文章編號(hào)：1671-0444(2016)02-0268-05

收稿日期：2015-03-23

基金項(xiàng)目：上海市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(13ZR1401500)

作者簡介：張又升(1990—)，女，重慶人，碩士研究生，研究方向?yàn)榭照{(diào)系統(tǒng)分析．E-mail：15202153592@163.com 趙敬德(聯(lián)系人)，男，副教授， E-mail：zhaojingde@dhu.edu.cn

中圖分類號(hào)：TU 119.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A