地下工程空调区域热舒适影响因素分析[1]

*2010年12月 洁净与空调技术ＣＣ＆ＡＣ 第4期地下工程空调区域热舒适影响因素分析成都军区工程科研设计院 吴兴平 *摘 要 分析了地下工程内部热环境的特点，在此基础上探讨了影响地下工程室内人员热舒适的主要因素，着重研究了平均辐射温度和服装热阻对地下工程室内热舒适的影响。关键词 地下工程；热舒适；影响因素

Analysis of Factors Affecting Thermal Comfort in Underground EngineeringWu XingpingAbstract Analyzed the characteristics of underground engineering indoor environment, discussed the main factoers affect-ing human thermal comfort underground, and then mean radiant temperature and clothing resistance were studied especially.Keywords Underground engineering; Thermal comfort; Factors

吴兴平，男，1985，硕士，助理工程师650222 云南省昆明市红锦路118号（0871）5817971E-mail: wuxingping198505@sina.com收稿日期：2010-9-20

1 热舒适环境ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程师协会）定义热舒适环境为：人在心理状态上满意的热环境[1]。丹麦工业大学的Fanger教授于1982年提出了描述人体在稳态条件下能量平衡的热舒适方程[1]，方程中提出了影响热舒适的6个因素：人体代谢率、室内空气温度、相对湿度、空气流速、平均辐射温度、衣服热阻。其中人体代谢率和衣服热阻是与人体相关的变量，其余的4个因素是环境变量。在热舒适方程的基础上，Fanger教授提出了一种综合的热舒适指标：预测平均投票指标PMV（Predicted Mean Vote）和预测不满意百分比PPD（Predicted Percent Dissatisfied）。PMV指标代表了对同一环境绝大多数人的舒适感觉，PPD表示对热环境不满意的百分数，这两者之间存在着定量关系，可利用PMV指标来预测热环境下人体的热反映。Fanger以PMV作为热感觉的主观评价指标的判断标准，将人体的冷热感觉分为7级：冷（-3）、凉（-2）、稍凉（-1）、舒适（0）、暖（+l）、稍暖（+2）、热（+3）。ISO 7730对PMV的推荐值在-0.5～+0.5之间，此时PPD的范围为0~10%，即在这一范围内人体感觉舒适。

2 地下工程内部热环境特点对于地下工程尤其是深埋地下工程，与地面建筑相比，其内部热环境具有以下3个特点：

（1）冬暖夏凉。地下空间具有蓄热能力强、热稳定性好的特点，其围护结构的冷热负荷受外界环境的影响较小。地温的变化既受气温的影响，又受埋深的影响，地温随着深度的增加而衰减和延迟，工程内的温度较低而且比较稳定，波动幅度小，具有冬暖夏凉的感觉。（2）潮湿。由于地下工程围护结构表面散湿，又不受太阳的辐射，因此比地面建筑潮湿。在夏季，由于室外温度比室内温度高，室外空气进入地下工程后还容易出现结露现象。（3）壁面温度低。由于被覆紧贴岩层或土壤，受周围岩层或土壤温度的影响，被覆表面温度往往与室内空气温度相差悬殊，壁面辐射作用较大，使人体辐射散热大大增加，从而会产生不良辐射，造成人体的不舒适。基于这些特点，研究地下工程内部人员的热舒适需要考虑的因素也会有所不同。在热舒适方程中的6个影响因素中，人体代谢率只与人的劳动强度有关，室内空气温、湿度及空气流速由空调系统调节控制，而室内平均辐射温度与地层温度有关，人员衣服热阻与季节和地理位置有关。因此，在考虑地下工程室内的热环境时，人体代谢率、室内空气温度、湿度及流速等4个因素的影响均与地面建筑的分析无异，不同之处主要体现在平均辐射温度和人员服装热阻上的差异。基于此，下面主要讨论分析地下工程内部平均辐射温度和人员服装热阻对热舒适的影响。

3 平均辐射温度对热舒适的影响地下工程壁面温度一般比室内设定温度偏低，壁面对人体辐射作用较大，使辐射散热量增加，从而可能会产生不良辐射，造成人体的不舒适。3.1 平均辐射温度概念 平均辐射温度是一个假想的等温围合面的表面温度，它与人体间的辐射换热交换量等于人体周围实际的非等温围合面与人体间的辐射换热量[2]。通常所说的平均辐射温度就是指物体周围所有壁面的平均温度。对于室内有人时，周围各物体的表面温度并不一致，而且各自的面积也不相同，平均辐射温度计算过程十分复杂。在实际工程中，为避免复杂的角系数计算，一般使用下面的简化公式[2]：

　（1）其中：　为平均辐射温度；Fj为周围第j个表面的面积；tj为周围第j个表面的温度。 从式（1）中可以看出，空调房间的平均辐射温度主要是由各壁面的平均温度和面积决定的。

3.2 平均辐射温度与热舒适的关系在舒适条件下，人体产生的热量按以下比例散发：对流换热占30%，辐射换热占45%，蒸发散热占25%。在冬季，提高室内平均辐射温度，使人体散热量减少；在夏季，降低室内平均辐射温度，增强人体散热的份额，这两种情况均能提高人体的舒适性。 平均辐射温度对PMV的影响十分明显，随着平均辐射温度的升高，PMV也呈线性增大，而且平均辐射温度和空气温度对PMV的影响几乎相同。平均辐射温度的过高或过低，都会对人体热舒适产生不良影响。图1为在满足相同热舒适的情况下即PMV值相同时室内空气温度变化与平均辐射温度变化的关系曲线。从图中可以看出，在使室内人员达到热舒适时，有以下2种情况：（1）在夏季，当提高室内空气的设计温度时，可降低室内平均辐射温度；（2）在冬季，当降低室内空气温度时，可提高室内平均辐射温度。

图1 室内平均辐射温度随室内温度改变的变化关系曲线3.3 地下工程内部平均辐射温度特点 地下工程的壁面温度影响着其室内平均辐射温度，从而影响着室内空气的设计温度。由于不同

地区城市的具体地温情况差异很大，比如南方的广州的年平均地温为24.6℃，而东北的长春的年平均地温只有7.1℃。对于地下工程尤其是深埋地下工程，当埋深到一定深度时（一般认为6 m ~7 m），可以认为地层温度近似等于当地年平均地表温度。年平均地表温度的差异使不同地域的地下工程内部的平均辐射温度存在差异，辐射散热占总散热量的比例也不一样，对热舒适的影响也不一样。 根据上述分析，当平均辐射温度不一样，而其他5个参数相同时，人员的热舒适情况也不一样。因此，在空调设计中会出现这种情形：在同一季节时间里、穿着同样的衣服、在相同的室内空气温湿度下，在北方地区的地下工程工作人员会感觉偏冷，而在南方工作人员反而觉得偏热。这就是因为平均地温的差异导致了室内平均辐射温度的不同，从而影响室内人员的舒适度。所以，在考虑地下工程内部热舒适时，平均辐射温度是一个重要因素。根据分析可以得到，从南至北平均地温逐渐降低，对应的平均辐射温度也随着降低，在其他5个因素相同的情况下，热舒适感也是逐渐由暖变凉即PMV值逐渐变小。

4 服装热阻对热舒适的影响4.1 服装热阻与热舒适的关系服装热阻的定义是：从皮肤表面到服装外表面的总传热热阻。热阻的常用单位为m2·℃/W和clo，两者的关系是：1clo = 0.155m2·℃/W。1clo的定义是一个体重60 kg、体表面积为1.6 m2、平均皮肤温度为33℃的静坐者在21.2℃空气温度、空气流速不超过0.05 m/s、相对湿度不超过50%的环境中感到舒适所需要的服装热阻，相当于内穿衬衣、外穿普通外衣时的服装热阻。 生活中常用衣服的热阻如表1所示。文献[3]分析了夏季和冬季时不同衣服热阻下的PMV随温度的变化关系。夏季时，在同一温度下的PMV值随服装热阻的增加基本呈线性增大关系，室内空气温度越高，服装热阻对PMV的影响逐渐下降。而在冬季时，不同温度下PMV受服装热阻的影响较均匀，但热阻越低时，对PMV的影响越大。因此，在分析人员的热舒适时，对于衣服热阻特性要有准确的定位。

4.2 地下工程内部人员服装热阻特点地下工程内部工作人员的服装材料比较特殊，着装具有明显的季节性特征和规律性，不同季节的服装比较固定。研究地下工程内部房间的热舒适性，一定要了解其服装热阻的特性和规律性。

第4期 地下工程空调区域热舒适影响因素分析 . 21 .表1 常用衣服热阻地下工程人员服装的类别，根据季节可以分为夏季服装、冬季服装和春秋季服装；根据地域不同可以分为南部服装、中部服装和北部服装。根据地下工程工作人员现有服装的特点，按照以下3点原则对服装进行分类：（1）根据地理位置，将全国划分为3类地区：南部地区、中部地区和北部地区。（2）着装为统一配发的新式服装，均为各个季节的典型着装，热阻情况参照相应类别服装的热阻来确定，具体情况参考文献[1]。

表2 不同地域、不同季节的服装热阻特性（3）季节的划分按照各地不同的具体情况来确定，本文按照换装时间来确定季节更替时间。根据以上依据对地下工程工作人员服装进行分类汇总，并计算了各自的热阻，具体见表2所示。

从表中可以看出，夏季和春秋季节不同地区的着装基本一致，冬季各地的着装情况就差别明显，对人员的热舒适情况影响也就不一样，可分下面2种情况进行分析。（1）服装热阻相同，即夏季、春季和秋季。假设人体代谢率、室内空气温度、相对湿度及空气流速4个参数相同，由于服装热阻也相同，但是室内平均辐射温度受地层温度的影响差异比较大。北方的地层温度较低，其室内平均辐射温度也低，

故人员会感觉稍凉，而南方则可能会感觉舒适甚至稍暖。因此，北方的工程可以适当调高空调设计温度，而南方工程则要取稍低的空调设计温度，都能达到室内热舒适标准。（2）服装热阻不同，即冬季。 冬季各地服装差异很大，服装热阻不同，又由于室内平均辐射温度的不同，需要综合考虑各方面因素来分析人员的热舒适状况。

5 结论地下工程由于深埋于地下，其内部热环境状况与地面建筑存在一定差别，其室内人员热舒适状况与地面建筑也存在一定的差异。本文根据地下工程内部热环境的特点，主要分析室内平均辐射温度和服装热阻对热舒适的影响，得出的结论如下：（1）地下工程内部平均辐射温度偏低，在室内空气温湿度、流速及人员着装相同的情况下，人员可能会感觉偏凉甚至冷，可以考虑提高空调设计温度来满足人员的热舒适要求。（2）地下工程内部工作人员的服装具有很强的季节性和规律性，根据地理位置和季节的不同对服装进行了分类并计算了热阻，进而可以定性地分析人员的热舒适情况。 空气调节的基本作用是调湿和调温，保证地下工程内部设备和人员要求的气象条件和热湿环境，为工作人员创造舒适的劳动环境。地下工程内部空