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夏热冬冷地区人体热舒适的气候适应模型研究学位论文
夏热冬冷地区人体热舒适的气候适应模型研究﹡
摘要
室内舒适温度的设定标准直接影响着人体的热舒适与建筑设备能耗。
以实测研究为基础的适应性热舒适理论认为:
人们在实际环境中的热感觉受着过去的热经历、文化背景、建筑特性、室内外气候等诸多因素的影响,室内舒适温度与室外平均温度显著相关。
因此,从适应性的观点来看,传统上的空调系统设计过程中,室内设定温度为一固定点,且没有考虑人的主动控制调节能力是不恰当的。
适应性热舒适理论充分考虑人们对其生活环境的主动调控能力,允许舒适温度在一定范围内随室外温度的变化而变化,迎合了人们喜欢变化的自然环境的心理。
因此,确立一个与当地室外气候、建筑特性、文化背景、生活习惯等因素相适应的室内舒适温度设计指标,既可以积极地改善室内的热舒适度,又能够显著地降低建筑设备能耗。
我国夏热冬冷地区夏季炎热、冬季寒冷。
其冬夏季节气候特征虽然没有寒冷地区及夏热冬暖地区气候恶劣,但是由于其建筑围护结构的保温隔热性能差,自然通风室内热环境状况较差。
而这一地区又不在采暖区范围之内,大部分地区都没有集中采暖,随着人们生活水平的提高,对室内舒适度的要求也在不断提高,人们自行采取降温与采暖措施,缺乏科学指导,使得夏热冬冷地区空调与采暖能耗正大幅度急剧增加。
为了切实改善夏热冬冷地区室内的热环境状况,降低空调与采暖能耗,本文
以实测与问卷相结合的方式对夏热冬冷地区室内的热环境状况、主动调节热环境的适宜性措施等做了详细调查,并以ASHRAE的7级热感觉标度记录了居民的热感觉主观反应。
借助于统计学分析方法对测试与调查结果进行了统计回归分析,得
出如下结论:
*本项研究得到国家自然科学基金重大国际合作项目(50410083)及国家青年自然科学基金项目(50408014)的资助。
1.夏热冬冷地区居民对室内热环境的适应性调节措施为:
夏季主要为开窗通风、使用电风扇、空调等设备以及减少着衣量,而冬季的主要控制措施为增加衣服的数量及厚度,从而加大衣服的热阻;改变着衣量是适应温度变化的主要调节措施,夏热冬冷地区夏季居民室内着装的平均热阻为0.28clo,冬季为1.41clo,着衣量的季节性特点显著。
2.在实际的生活环境条件下,夏热冬冷地区居住建筑冬季室内的热中性温度为13.6℃,期望温度为14.5℃,80%人群可接受的舒适温度区域为11.2-16.8℃,而夏季的中性温度为27.3℃,期望温度为26.7℃,80%可接受的舒适温度范围为24.2-29.8℃。
期望温度总是偏向于其中性点的这一侧或那一侧,夏季的期望温度低于中性温度0.9℃,而冬季的期望温度又比中性温度高0.6℃;
3.热中性温度总是与室内平均温度相接近,而室内温度又通过围护结构受着室外气候的影响,因此,舒适温度不是一个固定不变的值,而是随着室外气候(主要是温度变量)的变化而不断变化的,并且与室外平均空气温度之间存在着一种
相互适应的函数关系,并据此建立了夏热冬冷地区人体热舒适的适应性模型:
(R²=0.8295)
其中,Tn----热中性温度,℃;
to----室外平均空气温度,℃;
确立夏热冬冷地区适应性热舒适温度设计标准是改善居住建筑室内热环境状况,降低建筑能耗,发展可持续建筑的迫切需要。
利用舒适温度与室外气候的相关性分析,可以帮助建筑设计者判断利用被动式设计策略获得室内热舒适的可能性。
以热舒适适应性模型为基础确立的采暖与空调室内热环境设计温度指标具有很大的节能潜力,在获得最佳舒适状态的同时又实现了建筑节能。
关键词:
夏热冬冷地区 居住建筑 人体热舒适气候适应模型建筑节能
Anadaptivethermalcomfortmodel
forhotsummerandcoldwintercontext
Major:
ArchitecturalTechnologyandScience
MasterCandidate:
JungeLi
Supervisor:
Prof.JiapingLiu
AssociateProf.LiuYang
ABSTRACT
Thecomforttemperaturesetpointdirectlyaffectedindoorthermalcomfortandtheenergyconsumption.Theadaptiveapproachtomodelingthermalcomfortacknowledgesthatthermalperceptionin‘realworld’settingsisinfluencedbythecomplexitiesofpastthermalhistory,culturalcontext,natureofbuildingsandoutdoorclimate.Andcomforttemperatureismorecloselytrackpattermsinoutdoorclimate.Attheviewpointofadaptivethermalcomfort,indesigningofair-conditioningsystems,theconventionalfixedtemperaturesetpointconceptisnotappropriates,whichignoresthepotentialofcontroloverindoorenvironment.Theadaptivethermalcomforttheoryallowspeoplegreatercontrolovertheirownindoorenvironmentandindoortemperaturetomorecloselytrackpattermsinoutdoorclimateandmeetthenaturaltendencytocareforthechangingnature.Sotheapplicationoftheadaptiveapproachtothethermalcomfortstandardscanhavepotentiallysignigicantandpositiveimpactsonbothimprovingcomfortandreducingenergyconsumption.
Inhotsummerandcoldwinterclimaticzone,thethermalenvironmentispoorinthefree-runningbuildings,andpeopletakemeasurestoheatandcoolwithfreedom.Duetothelackofguidance,theenergyconsumptioninheatingandcoolingislargelyincreasing.
Inordertoimprovetheindoorthermalconditionsandreducetheenergyconsumption,alarge-scalefieldsurveyhasbeenconductedinNanYanginthehotsummerandcoldwinterzone.Theindoorenvironmentalconditionswasmeasuredandthesubjectivequestionairshasbeendone,andaseven-pointthermalsensationscalewasusedtoevaluatethermalsensation.Thestatisticalmethodwasusedtoanalysethedataandtheconclusionsareasfollows:
1.Thepopulationinthehotsummerandcoldwinterregioncouldtakesomemeasurestoreducethedegreeofdiscomfortandhavealargepotentialofadaptationtoclimate.Innaturallyventilatedbuildings,controloverindoorthermalconditionscanbeobtainedbyusingcommonlyavailablecontrolssuchasopenablewindows,fansandair-condition.Clothingisanimportantfactorinachievingcomfortatdifferenttemperatures.Themeanclothingvaluewasobservedtobe0.28cloinsummerand1.41cloinwinterrespectively.TheClovaluevarieswiththeoutdoorclimate.
2.In‘realworld’settings,itisfoundthattheneutraltemperatureis13.6℃,thepreferredtemperatureis14.5℃andthetemperatureofthe80%comfortzoneisfrom11.2℃to16.8℃inwinter,andinsummertheneutraltemperatureis27.3℃,thepreferredtemperatureis26.7℃andthetemperatureofthe80%comfortzoneisfrom24.2℃to29.8℃.Thepreferredtemperaturewaslower0.6℃thantheneutraltemperatureinthesummerandhigher0.9℃inthewinterseason.
3.Theneutraltemperatureisclosetothemeanindoorairtemperatureinthefieldstudy;thecomforttemperatureisnotafixvaluebutvarieswiththeoutdoorclimate(especiallyairtemperature)anditiscorrelatedtothemeanoutdoortemperature.Theadaptivethermalcomfortmodelofresidentialbuildingsinhotsummerandcoldwintercontextisestablishedbasedonthecorrelationbetweentheneutraltemperatureandthemeanoutdoorairtemperature:
(R²=0.8295)
Thevariabletemperaturestandardbasedontheadaptivemodeldoesnotincreasediscomfortandallowssignificantreductionsinenergyconsumptioninbuildings.
Itisnecessaryforadaptivecomforttemperaturetoimprovetheindoorthermalconditionsandreduceenergyconsumption.Accordingtotherelationshipbetweencomforttemperatureandtheoutdoortemperaturecanbeusedtohelpdesigncomfortableandsustainablebuilding,helpthedesignertojugewhetherpassiveheatingand/orcoolingareapossibilityintheclimateunderconsideration.
Keywords:
Hotsummerandcoldwinterregion;Residentialbuildings;Thermalcomfort;Adaptivethermalcomfortmodel;Energysaving.
*Thisresearchhasbeenfundedbyyoungscholarfund(50408014)andinternationalcooperationproject(50410083)ofNationalNaturalScienceFoundationofChina.
目录
1.绪论1
1.1人体热舒适的国内外研究背景1
1.1.1人体热舒适性研究的发展历程1
1.1.2主要研究成果2
1.1.3存在的问题及研究方向4
1.2本课题研究的目的及意义5
1.3本课题的主要工作7
2.人体与环境的热交换9
2.1人体与环境的能量平衡9
2.1.1稳态能量平衡模型9
2.1.2二维节点瞬态能量平衡模型10
2.2人体与环境之间的换热计算11
2.2.1体内新陈代谢产热11
2.2.2人体散热途径12
2.3人体对热应力的反应[34]17
2.3.1生理反应17
2.3.2感觉反应19
2.4小结20
3.人体热舒适性的研究基础21
3.1人体热舒适性的主要影响因素及测量方法21
3.1.1物理因素21
3.1.2个人因素22
3.1.3其它因素的影响23
3.2室内热环境的综合评价指标24
3.3预测热感觉指标和热舒适性25
3.3.1人体舒适性方程25
3.3.2预测平均投票指标(PMV)和预测不满意率(PPD)26
3.3.3热感觉与热舒适29
3.3.4人体热舒适的适应性机理30
3.4小结34
4.实验测试与数据统计分析35
4.1夏热冬冷地区概况35
4.1.1夏热冬冷地区地域范围与气候特征35
4.1.2夏热冬冷地区建筑热环境与能耗状况35
4.2测试方案的确定及调查问卷的设计37
4.2.1验室研究与现场测试研究方法的对比37
4.2.2测试方案的确定38
4.2.3调查问卷的设计39
4.3夏季测试调查结果统计分析39
4.3.1测试建筑与设备概况的数据统计分析39
4.3.2室内热环境的主观反应及控制调节措施调查统计分析42
4.3.3被测试人员背景资料及环境参数的统计归纳45
4.4冬季测试调查结果统计分析49
4.4.1冬季基本测试背景资料统计分析49
4.4.2室内热环境的实测分析50
4.5小结52
5.人体热舒适适应性分析53
5.1夏季人体的热舒适性适应性分析53
5.1.1夏季居民对室内热环境的行为调节适应性分析53
5.1.2夏季热中性温度、热期望温度及热接受能力分析57
5.1.3夏季实测热舒适性分析结果小结63
5.2冬季实测人体热舒适的适应性分析64
5.2.1影响人体热舒适的各实测变量间的相关性分析64
5.2.2冬季热中性温度、热期望温度及热接受能力分析66
5.2.3冬季实测热舒适分析结果小结70
5.3夏热冬冷地区人体热舒适气候适应性模型的建立70
5.3.1热舒适适应性分析方法70
5.3.2夏热冬冷地区适应性热舒适模型的建立72
5.3.3热舒适适应性标准在建筑与设备设计中的应用79
5.3.4适应性热舒适模型节能潜力分析84
5.4小结86
6.结论87
致谢89
参考文献90
附录A:
人体热感觉调查问卷94
附录B:
硕士研究生学习阶段发表的主要论文和参与的研究项目134
1.绪论
1.1人体热舒适的国内外研究背景
1.1.1人体热舒适性研究的发展历程
热舒适问题是建筑科学领域中最早研究的课题之一。
早在1733年,阿巴斯诺特便指出空气的流动具有驱散身体周围热湿空气的降温效应。
关于辐射效应问题,特雷德戈尔德在1824年提出:
当人置身于辐射源中时,为使人体的舒适程度保持不变,则需要较低的空气温度。
19世纪初,人们认识到空气过于干燥或过度潮湿都是不可取的。
1913年,希尔提出头宜凉、脚宜热、辐射热与气流应有变化、相对湿度要适中的人体舒适标准的建议[1]。
因空调工业的迅速发展急需有关舒适标准的资料,特别是空气温度和湿度的相互作用对热感觉影响的资料,1919年,美国采暖通风工程师学会(ASHVE)的匹森堡实验室以室内气候对人体舒适的影响研究作为开端,经过一系列广泛的调查研究,得到了人们所熟知的有效温度标度。
同时在英国,贝德福德继续了由工业疲劳研究会所开创的研究工作,他通过对工厂的热环境所做的广泛调查得出了当量温度标度。
在第二次世界大战期间,研究工作大部分集中于军队中得热病防止方面,战后一段时期所阐述系统的大部分热应力指标至今仍被普遍采用,在这期间也引进了心理学的研究方法。
六十年代中期,对舒适研究的兴趣在美国得到了发展。
美国暖通空调工程师学会在堪萨斯州立大学环境试验室曾进行了大量的研究和实验工作,提供了有关舒适度条件的数据,这些数据成为丹麦工业大学Fanger教授的舒适方程的基础。
Fanger教授将得到的数据资料与人体产、散热的物理方程相结合,提出了一个综合性的舒适方程,这一方程将环境的物理变量与人体新陈代谢及服装隔热等个人变量联系在一起,提出了PMV(PredictedMeanVote-预测平均评价)、PPD(PredictedPercentageofDissatisfied-预测不满意率)等标准尺度,并经测试验证了其准确性,对以后的研究工作提供了坚实的理论依据[2]。
七十年代初,研究者对于环境变量对人体的散热和人体总的温暖感的作用有了更进一步的理解和认识。
从此,旨在认识人体舒适的研究工作的规模便日益扩大,研究的领域也从环境的热感觉问题扩展到涉及整个的热刺激领域。
已有有关文献[3]指出,人们的姿势和活动量也象热参数一样,会对人体的热舒适感产生影响。
在世界各地都开展了人体热舒适要求的实验研究工作,尤其是在美国、英国、丹麦、澳大利亚和中国香港等地许多研究者对此进行了大量的实验研究。
经过各种实验研究,研究人员已在该领域得出了一些重要的结论,并制定了一系列的有关人体热舒适性的标准和指标,如ASHRAEStandard55-1992,ISO7730等。
1.1.2主要研究成果
研究热舒适最重要的理由是为满足人们感到舒适的愿望,同时也是为满足人们在其它方面的愿望。
热的或冷的不舒适可以降低人们的行为活动能力。
而当人们处于热舒适环境中时,一般来说,人们的智力、体力(手工)或感觉方面的表现,都是处于高水平状态。
在ASHRAEStandard55-1992中热舒适被定义为“人们对热环境表示满意的意识状态”。
Fanger教授指出影响热舒适性的最重要的几个参数是:
人体的活动量、衣服热阻、空气温度、平均辐射温度、室内空气相对湿度和空气流速[4]。
人体舒适度受到多种热的或非热因素的影响,这个问题延续到现在,已从大量的测试与实验中取得了许多很有价值的结果以作为进一步研究的参照点。
有关室内热环境(空气温、湿度及气流速度等)对人体舒适度的影响已有一些重要的结论:
空气温度直接影响人体与外界的热交换和人体自身的热平衡,是影响热舒适的一项主要指标。
空气湿度可以直接或间接地从多个方面影响人体舒适感,例如影响人体与外界的热交换、人体热感觉、皮肤湿度、衣服的质地感以及空气品质和人体健康等。
冬季呼吸道感染疾病的发病率随湿度的降低而升高[5]。
实验结果表明当人体处于非静止状态时,湿度将从一定程度上影响人体热感觉和皮肤湿润度。
而脏空气会进一步恶化低湿度条件下的皮肤干燥程度[6]。
干空气会刺激眼睛的粘膜并使之干燥,而处于低露点温度(﹤2℃)的环境中的时间越长,这种影响越大[7]。
Nevins推荐夏季相对湿度应小于60%,主要是考虑相对湿度太大,霉菌滋生快会恶化空气品质而降低人体的舒适程度[8]。
另外,由于存在不对称的辐射区(比如寒冷的窗户、加热器)、局部的对流冷却、与较冷或较热的地板接触或人体头和脚之间存在垂直温度差等因素引起的局部性的人体不舒适区会对人体的热舒适度造成很大的影响[9]。
有关非热因素的结论有:
性别的不同、年龄的不同、地区气候的差异以及季节时间的变化也有可能使人们对于相同的热环境有不同的热感觉。
但对于这些非热因素的影响作用,虽有许多学者做过大量深入的研究,结论却不尽相同。
Fanger所作的测试表明年龄性别差异对舒适度没有影响,女性的皮肤温度和蒸发散热量要比男性低,而她们的活动量也往往比男性要小;年老的人所满意的热环境和年轻人满意的热环境也并没有很大的差别,但年轻人和年老人所满意的热环境相同并不是说他们对冷热环境的敏感程度也相同[10]。
1987年Tanabe在日本作的一项测试结果为:
在冷环境中,女性比男性对环境的变化更敏感,女性的中性温度比男性高1℃[11];在1993年Moderate的测试证明,在高活动量时,女性的最佳皮肤温度比男性低1.2℃,而在低活动量时,二者相同[12]。
内文斯1975年测试结果为女性对温度的敏感性强,热反应与温度之间的线性回归的斜率要陡一些,斜率为0.37标度单位/K,而男性的斜率为0.3标度单位/K。
女性的中性温度为25.5℃,男性的中性温度为26.1℃[1]。
有关地区差别对人体舒适度的影响的问题也有不少论述。
Shin-ichi在1994年做的测试得出以下结论:
在热带生活的人,在小于某一温度值的条件下,其皮肤湿润度小于在相对寒冷地区生活的人,而当超过这一温度值时,他们的皮肤湿润度远远大于那些在相对寒冷地区生活的人[13]。
人体对温度上升和下降的生理反应的变化斜率也是不同的,麦金太尔(1978)测得低温回归线的斜率为0.34标度单位/K,而在热区域内为0.29标度单位/K。
关于工作效率与人体舒适度的关系,即行为与舒适的关系,许多学者在实验室以及在现场对人体热舒适性对效率的影响做了很多研究,研究结果也并不完全一致。
但这些研究表明当人们处于不舒适的环境中时,他们的工作效率会受到影响。
被普遍接受的观点是:
工作效率区与人体舒适区并不完全重合。
1994年在Harold做的测试结果证明:
在高温和低温环境下,
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