动态条件下室内热舒适问题研究
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西安工程大学学报Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｉ’ａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
第２６卷第２期（总１１４期）２０１２年４月Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．２（Ｓｕｍ．Ｎｏ．１１４）
文章编号：１６７４－６４９Ｘ（２０１２）０２－０２３６－０５
收稿日期：２０１１－１１－２７
基金项目：陕西省科技厅自然科学基金项目（２００９ＪＭ７００１）；陕西省教育厅自然科学基金项目（０９ＪＫ４４５）；
西安工程大
学２０１２年度研究生创新基金（ｃｈｘ１２１０１９）
通讯作者：狄育慧（１９６４－），女，陕西省西安市人，西安工程大学教授，博士．Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｕｈｕｉｄｉ＠ｙ
ａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ
动态条件下室内热舒适问题研究王善聪，狄育慧（西安工程大学环境与化学工程学院，陕西西安７１００４８）摘要：分析了动态条件下室内风速、温度、湿度对热舒适度的影响．对动态热舒适的研究主要集中
在风速大小和频率变化上；通过现场测试和计算比较了ＰＭＶ和ＰＤ指标在动态条件下对热舒适的评价和适用性，认为ＰＤ指标更适合评价动态热舒适．
关键词：动态热舒适；热环境；ＰＭＶ；ＰＤ；
动态送风装置
中图分类号：ＴＵ ８３１ 文献标识码：Ａ
０ 引
言
对室内热环境来讲，舒适的环境对人的健康、心理以及工作效率有很大影响．由于热舒适的重要性，对热舒适的研究成为建筑领域的较早课题之一．目前对热舒适的研究都是基于稳态条件下进行的，而人长期处于稳定的热中性状态减弱了对环境的适应能力，不利于人体健康［１］．动态的自然风环境与机械送风创造
的稳态环境的区别在于多变的风向、风速以及湍流频率，可以给人带来舒适的感觉，为了创造自然风环境，研究人员对动态送风装置进行了研究［２－３］，但是气流组织紊动特性的形成与改变机理没有得到充分揭示，
成为创造健康自然物理环境的障碍．
图１ 允许的气流速度与环境温度的关系［４］１
影响室内动态热舒适的因素
１．１
室内风环境变化对动态热舒适的影响
空气流动可以影响人体与外界环境的对流与蒸发换热，其本身的变化体现在风速大小以及风速频率上．有研究表明，空气的平均流速与周围环境温度有着耦合关系，即随着环境温度的升高，所允许的气流速度也伴随升高，如图１所示［４］．
在考虑气流组织波动性的条件下这种曲线关系不一定存在，但是伴随升高的关系依然存在．
相对于传统机械送风，自然风给人以清新、柔和、舒适的感受，是因为自然风在风速、风向和湍流频率上有很大变化．就脉动频率对人体热舒适的影响上，不同的学者给出了不同的频率范围：Ｆａｎｇｅｒ等人在气候实验室中发现０．３～０．５Ｈｚ范围变化的气流会使人产生很大的不舒适感；Ｔａｎａｂｅ等人研究表明按照正弦变化的气流相对于恒定变化的气流能产生更多的冷感；Ａｒｅｎｓ等人的试验表明，０．７～１．０Ｈｚ变化的气流比０．２～０．４Ｈｚ变化的气流有更好的冷却效果．表１［５］是不同科研人员不同时期实验方法设计的比较．
表１ 几个主要实验的实验设计方法比较［５］
实 验是否有权选择风速感受气流的部位风源，气流方向对气流的描述每种工况的适应时间／ｍｉｎ国别Ｈｏｕｇｈｔｅｎ（１９３８）否局部（颈后，脚踝）喷管，直吹平均风速３０美国Ｒｏｈｌｅｓ（１９７４）否整体孔板，自上而下平均风速３０美国Ｆａｎｇｅｒ（１９７７）否局部（颈后）喷管，直吹平均风速，频率８丹麦Ｍｃｌｎｔｙｅｒ（１９７８）有整体吊扇，自上而下平均风速１２０英国Ｒｏｈｌｅｓ（１９８３）否整体吊扇，自上而下平均风速３０美国Ｆａｎｇｅｒ（１９８８）否整体风箱，自身后平均风速，脉动强度１５丹麦Ｓｃｈｅａｔｚｌｅ（１９８９）否整体吊扇，自上而下平均风速３０美国Ｔａｎａｂｅ（１９８９）否整体风箱，自身后平均风速，频率２０日本
Ｆｏｕｎｔａｉｎ（１９９４）有整体
桌面风扇，桌面散流器，前
方；地板散流器，自上而下平均风速，脉动强度４５美国
Ａｒｅｎｓ（１９９８）有，４档整体立式风扇，侧面平均风速，脉动强度，频率８０美国
不同科研人员实验设计方法的差别主要体现在是否有权选择风速、风源方向以及感受气流的部位和每种工况的适应时间．在是否有权选择风速上，更多学者认为，如果受试者能够对室内环境具有一定掌控力，就会对室内环境有更好的适应能力．对于不同的风源来流方向和感受部位来讲，由于人体的热感觉受到人体表面由温度差引起的温度边界层的影响，所以不同的风源来流方向“穿透”边界层的能力不同，造成皮肤表面对流换热系数的不同，从而给人带来不同的热感觉．就每种工况的适应时间，对于同一个受试者，如何在不同工况之间转换而不受到前一种工况的影响，到底需要多长时间才能忘记上一种感受，生理学家没有给出具体的答案，也需要进一步研究．
１．２
室内温度变化对动态热舒适的影响
人体对温度变化的感受不如风速变化来得直接，人体接受温度变化需要一段时间，并且温度变化幅度不能太高，太高容易造成人体生理调节失去平衡．人体通过体表与外界环境进行热交换来维持热平衡，而日常生活中周围环境的温度呈周期性锯齿形变化，因此人体皮肤表面温度也呈现类似的波动变化规律，而人体表面温度的差异性变化导致人对周围热环境热感觉的变化，也从另一个角度证明热舒适是动态的．
Ｂｅｄｆｏｒｄ［６］研究发现周围环境温度与体表皮肤温度有以下关系
：
ｔｋ＝２６．５＋０．３ｔＢ＋０．２Δｔ－１．２μ．（１
）
式中 ｔｋ为人体皮肤平均温度，℃；ｔＢ为空气温度，℃，
Δｔ为用普通水银温度计和带遮热板的水银温度计
测量的温度差，℃．
Ｓｐｒａｕｅ和Ｍｃｎａｌｌ［７］研究了温度对热感觉的影响，指出温度波动和热感觉的联系，当式（２）成立时温度
的波动对人体几乎没有影响．
（ΔＴ）（ΔＴｖ）＜３０．（２）其中 ΔＴ表示温度的波动幅度，℃；ΔＴｖ表示温度的平均变化率，℃／ｈ．
１．３
室内湿度变化对动态热舒适的影响
对人体较为适宜的相对湿度范围在５０％～６０％．对于一天的温度波动变化，相对湿度也伴随变化，相对湿度是伴随着温度和空气中水蒸气含量变化的量，这也从相对湿度角度表明热舒适是动态的．有研究表明，相对湿度的日变化有如图２［８］关系，且空气湿度与闷热感也有一定关系，如图３
［８］
．图３中曲线Ａ是
Ｔａｅｐ
提出的闷热曲线，依据是基于实验结果编制的可以确定相对湿度和温度的热感觉图，曲线Ｂ和Ｃ是
耐久性曲线，是基于空气湿度与温度和从事体力劳动人的劳动能力关系提出的．
目前对动态热舒适的研究主要集中在风速上，其他影响动态热舒适的因素如温度以及湿度尽管也在
７３２第２期 动态条件下室内热舒适问题研究随着时间变化，但是短时间内变化波动幅度很小，所以研究人员通常选定合适的温度与湿度，以风速为变量，主要从风速大小以及风速频率的变化来研究动态下风速对温度、湿度的补偿作用以及对动态热舒适的影响作用．
图２ 相对湿度与温度逐时变化关系［８］ 图３ 闷热与耐久性曲线［８］图４ 测点平面布置图２
比较ＰＭＶ与ＰＤ指标对动态条件下热舒
适的评价
测试地点选择在西安某高校阶梯教室，时间为１０月中旬，当日室外气温２０．３℃．为使教室处于自然通风状态，门窗全部打开．教室长１１ｍ，宽１１ｍ，高３．５ｍ，
测点的平面布置采
用等间距均匀分布，每两点间横向间隔２．７５ｍ，
纵向间隔
２．７５ｍ（见图４）．教室中多数人为坐姿，图中每个标识点距地面高度分别为０．１ｍ，０．６ｍ和１．１ｍ，共２７个测点．表２～５
为实测数据整理．
２．１ ＰＭＶ指标对动态环境下热舒适的评价
ＰＭＶ＝（０．３０３ｅｘｐ（－０．０３６ Ｍ）＋０．０２８）｛（Ｍ－Ｗ）－３．０５×１０－３×［５７３３－６．９９（Ｍ－Ｗ）－ｐａ］－
０．４２×［（Ｍ－Ｗ）－５８．１５］－１．７×１０－５ Ｍ（５８６７－ｐａ）－０．００１４ Ｍ（３４－ｔａ）－
３．９６×１０－８ ｆｃｌ×［（ｔｃｌ＋２７３）４－（ｔｒ＋２７３）４］－ｆｃｌｈｃ（ｔｃｌ－ｔａ）｝．（３）其中ｔｃｌ＝３５．７－０．０２８（Ｍ－Ｗ）－Ｉｃｌ｛３．９６×１０－８ ｆｃｌ×［（ｔｃｌ＋２７３）４－（ｔｒ＋２７３）４］＋ｆｃｌｈｃ（ｔｃｌ－ｔａ
）｝．
ｈｃ＝２．３８（ｔｃｌ－ｔａ）０．２５１２．１ｖ槡烅烄烆ａｒ
当２．３８（ｔｃｌ－ｔａ）
０．２５
＞１２．１ｖ槡
ａｒ
当２．３８（ｔｃｌ－ｔａ）
０．２５
＜１２．１
ｖ
槡
ａｒ
，
ｆｃｌ＝１．００＋１．２９０Ｉｃｌ１．０５＋０．６４５Ｉ｛ｃｌ
当Ｉ
ｃｌ≤０．０７８ｍ２·℃／Ｗ
，
当Ｉ
ｃｌ＞０．０７８ｍ２·℃／Ｗ．
式中 ＰＭＶ为预计平均热感觉指数；Ｍ为代谢率，Ｗ／ｍ２；Ｉｃｌ为服装热阻，ｍ２·℃／Ｗ；ｆｃｌ为着装时人的体表面积与裸露时人的体表面积之比；ｔａ为空气温度，℃；ｔｒ为平均辐射温度，℃；ｖａｒ为空气流速，ｍ／ｓ；ｐａ为水蒸气分压，Ｐａ；ｈｃ为对流换热系数，Ｗ／（ｍ２·℃）；ｔｃｌ为服装表面温度，℃；ｈｃ和ｔｃｌ可由迭代法得到．
表２ 各测点不同高度的平均风速ｍ·
ｓ－１
高度／ｍ
测 点
１ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９０．１ ０．１７８ ０．２８４ ０．０８２ ０．１７４ ０．０８８ ０．０７９ ０．０６７ ０．０７２ ０．１０３０．６ ０．１３５ ０．２７１ ０．１２３ ０．０８１ ０．１４６ ０．１１０ ０．１０６ ０．０７４ ０．１０８１．１ ０．１８２ ０．１５４ ０．１６２ ０．０６２ ０．１４６ ０．０６７ ０．０９６ ０．１１４ ０．１４１
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