地下工程空调区域热舒适影响因素分析

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1、*2010 年 12 月 洁净与空调技术C C Thermal comfort; Factors吴兴平，男，1 9 8 5 ，硕士，助理工程师 650222 云南省昆明市红锦路118 号 （0871）5817971 E- mail: 收稿日期：2010- 9- 201 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

2、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（

3、-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 010%，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

4、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。

5、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

6、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

7、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

8、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，

9、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m

10、2 /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

11、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

12、 ）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

13、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

14、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。地下工程内部空调一般都属于舒适性空调，其设计的基础就是要满 足人员的热舒适要求。分析地下工程室内热舒适的 影响因素，可以为空调设计中空调参数的选取计算 提供参考，使空调系统真正满足实际使用的需要。参考文献1 ASHRAE Handbook- Fundatmentals(S) 2005, chapter 8 2 金招芬， 朱颖心. 建筑环境学M. 北京: 中国建筑工业出版社，2004 3 韩滔. 基于动态热舒适的空调控制方案研究D. 西南交通大学硕士论文，2003. 22 . 洁净与空调技术CC&AC 2010年