非均勻的建筑熱環(huán)境評價研究進(jìn)展

程遠(yuǎn)達(dá)，林成楷，王昊博，魏 進(jìn)，秦智勝，吳 璠，楊晉明

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，太原 030024)

1 非均勻建筑熱環(huán)境的特點(diǎn)

非均勻的建筑內(nèi)環(huán)境一般由建筑室內(nèi)各表面輻射溫度不同或者建筑強(qiáng)烈的外擾(如室外冷熱輻射、太陽輻射等)造成[1-2]，穩(wěn)態(tài)的非均勻輻射工況一般出現(xiàn)在特定的功能用房或者安設(shè)輻射供暖或供冷的房間中[2-3]，而且通過實驗研究可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)典的PMV評價方式及其期望因子e模型在非均勻建筑內(nèi)環(huán)境的偏離程度較大[3]。在現(xiàn)有的運(yùn)行建筑當(dāng)中，非均勻的建筑內(nèi)環(huán)境往往伴隨著許多環(huán)境參數(shù)的動態(tài)變化，比如在運(yùn)行的辦公建筑由于太陽輻射的日變化和空調(diào)系統(tǒng)的集約式運(yùn)行，使得房間的溫度場并不均勻，并且其他環(huán)境參數(shù)如風(fēng)速和濕度也處于變化中[4]，這使得傳統(tǒng)熱評價指標(biāo)的評價準(zhǔn)確性都有所下降。在諸如地鐵站或者船舶艙室[5-6]等變化性劇烈的非穩(wěn)態(tài)環(huán)境當(dāng)中，其熱環(huán)境不均勻性較辦公建筑更顯著，此時采用已經(jīng)驗證過的較為適用的非均勻性質(zhì)及動態(tài)性質(zhì)的熱指標(biāo)如RWI和DPMV進(jìn)行熱舒適評價[5-6]，而非采用經(jīng)典的PMV指標(biāo)進(jìn)行評價。

所以，在現(xiàn)實條件下，非均勻建筑熱環(huán)境較為常見，要準(zhǔn)確評價其熱舒適性質(zhì)，充要條件就是所選取的評價指標(biāo)或評價方式要充分考慮其環(huán)境參數(shù)的時間變化特性和空間分布特性。時間變化特性和空間分布特性的不同，會使得相同的熱環(huán)境評價指標(biāo)的精確度有所不同，甚至出現(xiàn)評價偏離實際熱感覺和評價失效的情況。

2 非均勻建筑熱環(huán)境的評價方法介紹

2.1 采用動態(tài)性的熱舒適指標(biāo)進(jìn)行評價

已被認(rèn)可的、動態(tài)性的熱舒適評價指標(biāo)可被用于評價非均勻、動態(tài)的建筑熱環(huán)境，比如RWI、HDR、基于SET的PTS模型和DPMV等指標(biāo)模型。這些指標(biāo)在原理上即考慮環(huán)境參數(shù)的動態(tài)變化，以及建筑熱環(huán)境中不均勻的因素[6-9]。這些評價指標(biāo)對經(jīng)典熱舒適評價模型均勻性、穩(wěn)態(tài)的相關(guān)假設(shè)做出合理的類比、改良，通過實驗驗證和軟件模擬，得到了適用于特定類型的非均勻環(huán)境熱舒適評價方式。

在經(jīng)典熱舒適模型中，PMV-PPD是目前已開發(fā)的、世界上使用最廣泛的經(jīng)驗熱舒適預(yù)測指標(biāo)[5]，該指標(biāo)是基于人體與均勻熱環(huán)境之間進(jìn)行熱交換而建立的穩(wěn)態(tài)模型；其中，PMV即預(yù)測平均投票數(shù)，PPD為預(yù)期不滿意百分率。PMV-PPD指標(biāo)的理論依據(jù)是，當(dāng)人體處于穩(wěn)態(tài)的熱環(huán)境下，人體自身的熱負(fù)荷越大，則實時的生理狀態(tài)偏離熱舒適的狀態(tài)就越遠(yuǎn)；換言之，當(dāng)人體熱負(fù)荷TL值越大，人感覺越熱；當(dāng)其值越小，人感覺越冷。

DPMV動態(tài)熱舒適指標(biāo)用人體動態(tài)熱負(fù)荷DTL(類似于T L預(yù)測均勻、穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下人體熱感覺的方法)來預(yù)測非均勻、動態(tài)的熱環(huán)境下人體熱感覺[5]，該方法的主要特征在于，DTL在計算中考慮了人體熱負(fù)荷的時變特性，從而使得最終計算的結(jié)果值DPMV也具有時變性質(zhì)，DTL的具體計算式如下：

(1)

從DTL的計算式可見，該值為與TL類似的中間變量值，單位與TL相同，皆為W/m2；K1和K2是對動態(tài)負(fù)荷的貢獻(xiàn)因子。當(dāng)人長時間處在靜態(tài)熱環(huán)境中，人體與環(huán)境達(dá)到生理平衡后，產(chǎn)熱量等于散熱量，且隨時間變化很小，使得式(1)中的兩個微分項最終為0，這時該計算式就回到了經(jīng)典熱舒適PMV-PPD評價模型。

在人員流動性較大的公共場所，如車站、地鐵站和加油站，人員停留時間短，所受影響因素多，應(yīng)該作為非均勻、非穩(wěn)態(tài)環(huán)境來研究，因此采用相對熱指標(biāo)RWI和熱損失率HDR來評價是比較合適的[6-7]。一般來說RWI適用于較暖環(huán)境，而HDR適用于冷環(huán)境[7]。RWI是無量綱指標(biāo)，這點(diǎn)與PMV類似，如果在不同的環(huán)境條件和活動情況下，具有相同的RWI值，則表明在這些情況下的人體熱感覺是相近的。HDR考慮了溫度、濕度、輻射、空氣流速、人體代謝率、服裝熱阻等影響人體熱舒適的因素，反映了人體單位皮膚面積上的熱損失，是個具體的單位面積熱量值[6]。RWI的計算式如下[8]：

1) 當(dāng)空氣中水蒸氣分壓力≤2 269 Pa時，RWI的計算式為：

(2)

2) 當(dāng)空氣中水蒸氣分壓力>2 269 Pa時，RWI的計算式為：

(3)

式中：M為人體的新陳代謝率，W/m2；τ為過渡過程中所經(jīng)歷的時間，s；ta為環(huán)境空氣的干球溫度，℃；Icw為服裝熱阻，clo；Ia為服裝的空氣外邊界層熱阻，clo；R為單位皮膚面積的平均輻射得熱量，W/m2.

HDR的計算式如下所示[8]：

(4)

式中：D為熱債，J/m2；Δτ為暴露時間，s；τ為過渡過程中經(jīng)過的時間，s；Icl為總體的服裝熱阻，clo.

除了上述所述的動態(tài)熱舒適評價指標(biāo)，基于標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET建立的預(yù)測熱感覺PTS模型，可以評價許多類別的建筑熱環(huán)境，且和經(jīng)典PMV評價指標(biāo)相比，該模型的評價結(jié)果更為靠近人體的實際熱感覺；該模型與上述的幾個評價指標(biāo)相比，還考慮了人體的自主調(diào)節(jié)性和對熱環(huán)境的適應(yīng)性。該評價利用ASHRAE熱舒適數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，結(jié)合了標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET，建立能夠體現(xiàn)不同建筑環(huán)境和人群適應(yīng)性的熱感覺預(yù)測評價模型，即預(yù)測熱感覺PTS模型[9]。該模型不僅能夠?qū)Ω鞣N環(huán)境下人的熱感覺進(jìn)行預(yù)測，還能夠反映不同地區(qū)人員適應(yīng)性差異。

PTS模型的一大特征就是能夠反映不同人群的熱適應(yīng)過程的獨(dú)立特征，這個獨(dú)立特征即不同地區(qū)、不同類型建筑熱環(huán)境的人體熱舒適評價特性和人群熱適應(yīng)特性，這個特征不同于傳統(tǒng)PMV模型中環(huán)境參數(shù)與熱感覺的規(guī)律是恒定的[9]。如圖1所示，PTS模型是建立在TSV和SET擬合回歸分析的基礎(chǔ)上的，這個建立過程決定了PTS模型與人體的具體熱適應(yīng)能力和具體建筑熱環(huán)境特性緊密關(guān)聯(lián)。

圖1 PTS模型圖[9]Fig.1 PTS model diagram[9]

2.2 采用連續(xù)性的熱舒適指標(biāo)進(jìn)行周期評價

采用具有延續(xù)性的能耗指標(biāo)，合理改良其評價考慮基準(zhǔn)，可使得這類指標(biāo)變得具有熱舒適評價及預(yù)測能力，典型指標(biāo)如基于熱適應(yīng)溫度曲線的度小時數(shù)[10]或綜合熱舒適率[11]，這類指標(biāo)具有評價能耗使用預(yù)期狀況以及熱舒適的雙重能力，可以適用于動態(tài)非均勻的建筑熱環(huán)境評價中。

林宇凡等[12]通過全國范圍的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)人體熱舒適溫度與室外氣溫呈線性關(guān)系，在不同地區(qū)，這一線性關(guān)系有所不同，主要是因為不同地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)水平、社會習(xí)俗及氣候環(huán)境均存在差異，導(dǎo)致適應(yīng)特性的不同；在此基礎(chǔ)上，可以得到基于不同氣候區(qū)的熱適應(yīng)模型。

改進(jìn)后的空調(diào)度小時數(shù)CDH和供暖度小時數(shù)HDH表示的是自然室溫與人體熱舒適溫度的接近程度[10]，這兩個指標(biāo)可以被用來評價夏季和冬季自由運(yùn)行單體建筑的不舒適程度。這里的改進(jìn)之處在于，度日數(shù)的舒適溫度不再是恒定不變的室內(nèi)設(shè)計溫度，而是與室外溫度相關(guān)的人體熱舒適溫度，這一舒適溫度來源于林宇凡等[12]的熱適應(yīng)模型，改進(jìn)后的空調(diào)度小時數(shù)CDH和供暖度小時數(shù)HDH定義分別為[10]：

(5)

式中：ti為逐小時的平均溫度，℃；t為人體舒適溫度，℃；τ″為時間，h.

從上式可見，度小時數(shù)越小，自由運(yùn)行建筑的室溫舒適度越高，空調(diào)和供暖能耗使用潛力越小；反之，度小時數(shù)越大，自由運(yùn)行建筑室溫的室溫舒適度越低，空調(diào)和供暖能耗使用潛力越大。當(dāng)度小時數(shù)為0時，此時達(dá)到理想狀態(tài)，即不依靠空調(diào)和供暖設(shè)備，也能達(dá)到舒適，并且設(shè)備能耗使用潛力為0.

提出這一指標(biāo)的意義不僅在于延續(xù)性的熱舒適評價，而且為節(jié)能的建筑設(shè)計提供科學(xué)的理論依據(jù)，以減小兩個度日數(shù)為目標(biāo)，優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)和材料的設(shè)計和區(qū)域劃分，最后再考慮設(shè)備的使用，大大提高節(jié)能設(shè)計的效率。

度小時數(shù)指標(biāo)的意義在于揭示自由運(yùn)行建筑的自然室溫舒適度以及可能的用能量，屬于較為初步的熱舒適周期評價指標(biāo)，但無法評價裝有各類建筑設(shè)備建筑的實際熱舒適狀況，因此，宜采用綜合熱舒適率進(jìn)行熱舒適評價[11]。熱舒適率評價指標(biāo)的算法構(gòu)建核心是溫頻法(BIN法)，在此基礎(chǔ)上借助室內(nèi)平均熱感覺投票(MTSV)與室內(nèi)操作溫度的線性關(guān)系得到的熱舒適周期評價指標(biāo)。

熱舒適率的計算有兩個先決條件，一個是統(tǒng)計全年室內(nèi)各個溫度段出現(xiàn)的小時數(shù)并計算出現(xiàn)頻率，另一個是尋求室內(nèi)平均熱感覺投票(MTSV)與室內(nèi)操作溫度的線性擬合關(guān)系。在此二者的計算基礎(chǔ)上，計算室內(nèi)的綜合熱舒適率，其具體計算式如下：

(6)

TCR(綜合)=TCRs+TCRw.

(7)

式中：TH為熱舒適區(qū)間的上限值；TL為熱舒適區(qū)間的下限值；fa為溫度間隔為1 ℃的各溫度段出現(xiàn)的頻率；MTSVa為出現(xiàn)頻率為fa溫度段的平均溫度Ta對應(yīng)的人體平均熱感覺投票結(jié)果。綜合熱舒適率(TCR綜合)為夏季綜合熱舒適率和冬季綜合熱舒適率的總和，該值越大，其對應(yīng)的室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量越好。

2.3 對經(jīng)典PMV模型進(jìn)行修正后的改進(jìn)型評價

對經(jīng)典PMV做動態(tài)性和非均勻性的修正，可以使PMV的計算和實際熱感覺情況較修正前接近[13-15]。對于許多辦公建筑而言，不均勻和非穩(wěn)態(tài)的特性主要由太陽輻射及其日變化引起，故應(yīng)修改其室內(nèi)平均輻射溫度的計算方式，修改后的計算式體現(xiàn)了太陽高度角、方位角、角系數(shù)的影響，使得改良后的PMV的預(yù)測性變得較為合理。

目前很多建筑采用玻璃幕墻、透明屋頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)形式，房間獲得良好采光的同時，更多的太陽光入射進(jìn)室內(nèi)，對熱環(huán)境影響十分顯著。在太陽輻射影響下的熱環(huán)境具有明顯的非均勻特征以及動態(tài)特征[13-14]。滕潤等[13]通過采用人體與各個表面和太陽輻射之間的熱平衡關(guān)系式來計算平均輻射溫度，從而使得計算后的PMV對實際環(huán)境熱舒適評價的準(zhǔn)確性有了明顯的提升，其計算考慮層面如圖2所示。

圖2 人體與周邊環(huán)境的熱濕交換[15]Fig.2 Heat and moisture exchange of human body with surrounding environment[15]

在經(jīng)典PMV模型提出之后，Gagge建立了二節(jié)點(diǎn)模型將人體看作兩個同心圓柱層，即核心層和皮膚層[16]。陳瑾等[16]通過該模型，選取適用于礦井環(huán)境下的環(huán)境參數(shù)計算值，并取得工作面不同位置處人體皮膚溫度的求解曲線，使得改進(jìn)型評價模型的準(zhǔn)確性有了明顯的改善。

2.4 基于模糊數(shù)學(xué)原理的構(gòu)建熱舒適評價體系

基于模糊數(shù)學(xué)原理的數(shù)學(xué)模型的評價，可建立起黑箱或者灰箱子模型，建立環(huán)境參數(shù)和熱舒適結(jié)果的直接數(shù)學(xué)對應(yīng)關(guān)系[17]或者建立起經(jīng)典模型指標(biāo)和熱舒適結(jié)果的對應(yīng)關(guān)系[18]。這種處理方法依賴于標(biāo)準(zhǔn)、有效、大量的試驗數(shù)據(jù)的搜集和處理上，在達(dá)到具有統(tǒng)計意義量值的要求時，可以發(fā)現(xiàn)其評價準(zhǔn)確度和實際高度符合。

宗宏[17]認(rèn)為室內(nèi)熱舒適性的評價是一個模糊性的事件，他根據(jù)哈爾濱市冬季供暖期某高校教室190份室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)場測試原始環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)和主觀問卷調(diào)查，利用模糊數(shù)學(xué)基本理論確定了室內(nèi)溫度、相對濕度和服裝熱阻等經(jīng)典PMV模型中的重要計算參數(shù)相對于熱舒適各投票評價等級的隸屬函數(shù)，從而建立了嚴(yán)寒地區(qū)冬季高校教室內(nèi)熱舒適性模糊綜合評判模型。同時，將該模型的計算結(jié)果與現(xiàn)場測試的，基于環(huán)境參數(shù)計算的其他熱舒適評價指標(biāo)進(jìn)行比較，該模型的預(yù)測精度較高，這說明用模糊數(shù)學(xué)理論進(jìn)行室內(nèi)的熱舒適性分析及評價是可行的。

除了采用模糊數(shù)學(xué)方法研究室內(nèi)具體熱環(huán)境評價的方法之外，建立起PMV經(jīng)典模型預(yù)測值和實際熱感覺之間的黑箱模型是更為直接的評價方法。該方法的優(yōu)勢在于可以體現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)、非均勻環(huán)境下人體的熱適應(yīng)和調(diào)節(jié)能力與穩(wěn)態(tài)、均勻環(huán)境之間的異同點(diǎn)，而這一方法產(chǎn)生的評價模型被稱為適應(yīng)性模型即aPMV模型[19]。

適應(yīng)性模型則是通過針對自由運(yùn)行建筑的現(xiàn)場測試和問卷調(diào)研得到，通過熱感覺投票的統(tǒng)計學(xué)處理確定室內(nèi)熱環(huán)境的可接受程度。適應(yīng)性模型當(dāng)中包含有人體與環(huán)境的熱濕交換過程，即PMV 模型在適應(yīng)變化的熱環(huán)境中不斷調(diào)節(jié)的過程，而PMV預(yù)測值與實際熱感覺投票的差異是由于人體對變化的熱環(huán)境達(dá)到適應(yīng)水平造成的，實際熱感覺投票結(jié)果與環(huán)境之間關(guān)系類似于自動控制的黑箱環(huán)狀負(fù)反饋關(guān)系[18]，該關(guān)系的邏輯如圖3所示。

圖3 適應(yīng)性預(yù)計平均熱感覺模型框圖[18]Fig.3 Block diagram of adaptive prediction average thermal sensation model[18]

在aPMV模型中，其與PMV的數(shù)學(xué)關(guān)系主要由自適應(yīng)性系數(shù)λ決定，該系數(shù)與評價建筑所在區(qū)域的氣候類型、人群的適應(yīng)性等因素有關(guān)，這就要求在不同類型建筑中，通過大量的熱濕環(huán)境測試和熱舒適問卷調(diào)查這兩類數(shù)據(jù)，經(jīng)過統(tǒng)計分析才可以得到aPMV模型。aPMV模型與PMV模型的關(guān)系如下式[18]所示：

aPMV=PMVI(1+λPMV) .

(8)

式中：λ為自適應(yīng)系數(shù)，為常數(shù)，通過實測確定。

3 不同非均勻建筑熱環(huán)境評價方法的比較

不同類別的非均勻建筑熱環(huán)境評價方法各有特點(diǎn)，這些方法都是在不斷研究和修繕中逐步總結(jié)出來的。有的評價指標(biāo)是從人的熱反應(yīng)狀態(tài)出發(fā)，建立起熱反應(yīng)和熱環(huán)境評價級別的量化關(guān)系，如PMV、DPMV、HDR和RWI，或者在此基礎(chǔ)上考慮人適應(yīng)性的調(diào)節(jié)作用指標(biāo)如PTS和aPMV；有的指標(biāo)則是直接建立起環(huán)境參數(shù)和熱環(huán)境價級別的量化關(guān)系，如改進(jìn)型的空調(diào)度小時數(shù)CDH和供暖度小時數(shù)HDH、綜合熱舒適率TCR(綜合)和基于模糊數(shù)學(xué)原理構(gòu)建的適用于具體場合的熱評價級別與環(huán)境參數(shù)的函數(shù)關(guān)系式。表1為本文所提及的現(xiàn)今較為常用的不同熱環(huán)境評價指標(biāo)的對比。

表1 不同熱環(huán)境評價指標(biāo)的對比Table 1 Comparison of different thermal environment evaluation indicators

4 結(jié)束語

通過關(guān)于現(xiàn)行的幾類非均勻建筑熱環(huán)境評價方法的總結(jié)和使用方法的介紹，筆者認(rèn)為這幾類評價方法都從不同程度上提高了熱環(huán)境評價的準(zhǔn)確度，比經(jīng)典的PMV模型更加準(zhǔn)確地評價人員所處的熱環(huán)境，但其接近程度卻有所不同，這是由所使用方法的原理造成的。

本文所介紹的評價方法從原理而言，可總結(jié)為三類：一類是既有的其他熱舒適評價指標(biāo)，這類評價指標(biāo)主要在特定熱環(huán)境評價時很有效，但對于其他類別的非均勻建筑熱環(huán)境評價的精度就有待商榷了；另一類即在經(jīng)典PMV模型的計算過程上進(jìn)行修正，如進(jìn)行動態(tài)化的計算，以及考慮環(huán)境影響參數(shù)和具體的計算以反映所評價熱環(huán)境的環(huán)境參數(shù)變化特性，這能有效提高評價的精度；最后一類是采取數(shù)據(jù)化的方法，通過建立較為數(shù)據(jù)化的指標(biāo)和模型，直接建立起人的熱感覺和環(huán)境參數(shù)間的對應(yīng)關(guān)系，只要能測量所需的計算參數(shù)，即可進(jìn)行定量化的評價。

對于本文上述的熱環(huán)境評價指標(biāo)，筆者認(rèn)為評價應(yīng)從時間尺度進(jìn)行分類，分別對應(yīng)于建筑管理層面和建筑設(shè)計層面的熱環(huán)境評價。非均勻建筑環(huán)境評價應(yīng)分為瞬時評價和長周期評價兩個層次指標(biāo)，瞬時評價展現(xiàn)為得到逐時刻的狀態(tài)點(diǎn)評價指標(biāo)，多作為建筑管理層面的設(shè)備系統(tǒng)控制參數(shù)，靜態(tài)評價指標(biāo)為長周期時段的評價指標(biāo)，多用于建筑設(shè)計層面的方案選擇。如果熱環(huán)境的評價參數(shù)是作為系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行工況調(diào)整的依據(jù)，則應(yīng)具有較好的時效性并且容易通過環(huán)境參數(shù)測量獲得；從這一方面考慮，aPMV和PMV的計算參數(shù)測量較RWI、HDR簡便、直接，較多計算參數(shù)為從環(huán)境中得到的測量參數(shù)，但aPMV比較適用于非人工冷熱源環(huán)境，PMV比較適用于人工冷熱源環(huán)境；同時，基于模糊數(shù)學(xué)原理簡建立的熱舒適評價體系雖然可視性強(qiáng)，但應(yīng)用范圍往往局限于某類特定環(huán)境；PTS可反映不同侯群的適應(yīng)能力特點(diǎn)，該指標(biāo)建立基礎(chǔ)的SET，綜合考慮了皮膚溫度、皮膚潤濕度、人體代謝率、人體衣著狀況及其他環(huán)境參數(shù)，相比于aPMV和PMV而言，它的適用范圍也比較廣泛，應(yīng)是比較好的瞬時熱環(huán)境評價指標(biāo)。當(dāng)熱環(huán)境評價指標(biāo)是作為建筑設(shè)計前的方案預(yù)選和建成后評估的評價標(biāo)準(zhǔn)之一時，則應(yīng)具有能反映一個時間段運(yùn)行的總體熱環(huán)境狀況的功能，這就要求采用周期性評價。改進(jìn)型的空調(diào)度小時數(shù)CDH和供暖度小時數(shù)HDH能在很大程度上反映具體建筑的總體熱環(huán)境舒適水平，其建立在對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理后所得到的熱適應(yīng)曲線之上，具有比較強(qiáng)的代表性，該指標(biāo)較為適合在建筑設(shè)計階段，通過軟件模擬的方式呈現(xiàn)，以便設(shè)計人員進(jìn)行方案選優(yōu)；而綜合熱舒適率的計算是基于建筑建成后的實地調(diào)研和測量的結(jié)果，適用于對建成后建筑的整體運(yùn)行效果評估。

各類別評價都有很不錯的應(yīng)用價值，但從本質(zhì)上揭示非均勻建筑熱環(huán)境的非均勻特性和動態(tài)特性，并做定量化規(guī)律分析，才能從根本上解決問題。