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1、室内热舒适性指标的评价 摘要 本文对目前的一些主要的热舒适性指标进行了论述和评价，包括卡塔冷却能力、当量温度、有效温度、新有效温度、标准有效温度、平均预测反应、舒适方程和主观温度等。文中首先给出了上述各种温标的定义、特点和应用场合，随后又结合中国南方区域与北方区域的气候特征、人民的生活习惯、身体素质和一些实验数据，对各种区域应该采用哪些指标进行了分析。最后作者就今后热舒适性研究的发展方向和应做的一些工作，给出了自己的看法，以供同行参考。关键词 热舒适性 指标 评价1 引言热舒适性是居住者对室内热环境满意程度的一项重要指标。早在20世纪实，人们就开始了舒适感研究，空气调节工程师、室内空气品质研究
2、人员等所希望的是能对人体舒适感进行定量预测。这些年来，业已提出了很多热舒适指标，不同国家的官方和专业机构推荐使用不同的指标。因此，从整体上去把握各种指标及其发展史是非常有益的。就我国而言，由于疆域辽阔，气候多变，不同地区所采用的标准也有所不同，尤其是纬度有一定差异的地方。有鉴于此，本文作者对一些主要指标作了简要分析，并根据我国国家的国情，结合国内外相关的研究成果给出自己的看法，以供同行参考。2 各种指标的定义与特点21 卡他冷却能力1最早的指标是1914年由Leonard hiss爵士提出的，以大温包温度计的热损失量为基础。卡他温度计由一根长为40mm，直径为20mm的圆柱形大温包的酒精玻璃温
3、度计组成。温度计杆上有38和35两条标线，使用时将温度计加热到酒精柱高于38这一刻度。然后将其挂于流动空气中，测量酒精柱从38下降到35所需的时间。根据这一时间和每一温度计所配有的校正系数，即可计算环境的冷却能力。20世纪30年代进行的大量实验都采用卡他温度计，它综合了平均辐射温度、空气温度、空气流速的影响，但未考虑湿度的影响。22 拟人器和当量温度1Dufton 在1929年研制了一种综合恒温器。这种恒温器可在空气温度、热辐射和空气速度变化的条件下保持房间具有舒适的温度，这一装置被称为拟人器（eupatheostat）。在这之后，Dufton又定义了当量温度。所谓当量温度，即是一个均匀封闭体
4、的温度。在该封闭体内，一个高为550mm、直径为190mm的黑色圆柱体的散热量与其在实际环境中的散热量相等。圆柱体表面所维持的温度是圆柱体所散失的热量的精确函数，并且这一温度在任何均匀空间内都比37.8要低一个数值，这个数值是37.8和封闭空间温度之差的2/3。当量温度未给出能根据基本环境变量进行计算的分析表达式，所用的拟人器是一种又大又相当笨重的仪器，因此限制了它的应用。23 有效温度在早期的美国空调工程中，人们迫切想知道湿度对舒适的影响方面的可靠资料。这一问题以及其他一些问题促使了美国采暖通风工程师协会新建了一个实验室。该实验室于1919年在匹茨堡开始工作，而有效温度指标便是它的首批研究课
5、题之一，并由此产生了这一指标。其定义为：这是一个将干球温度、湿度、空气流速对人体温暖感或冷感的影响综合成一个单一数值的任一指标。它在数值上等于产生相同感觉的静止饱和空气的温度。有效温度曾为很多官方和专业团体所采用，特别是用在热环境规范中，直到1967年，ASHRAE也一直转载这个指标，但是有效温度在低温时过分强调了湿度的影响，而在高温时对湿度的影响强调得不够。目前，任何主要的官方机构均已不再推荐有效温度指标，ASHRAE则推荐使用其代替形式-新的有效温度ET*。尽管如此，它仍是那些早期指标中最值得注意的指标。因为它不但得到普遍的承认，而且是具有大量的实验数据。有效温度温标的建立是一项卓越的成就
6、，ET作为标准指标被空气调节工程师使用了近50年。231 新有效温度（ET*）4这个指标是GAGGE在1971年提出的，所谓ET*，就是相对湿度为50%的假想封闭环境中相同作用的温度。该指标同时考虑了辐射、对流和蒸发三种因素的影响，因而受到了广泛的采用。等新有效温度曲线如图1所示。图1 等新有效温度曲线24 FANGER 舒适方程241 舒适条件丹麦的P.O.FANGER提出了一个综合舒适指标，即能够确定人体舒适状态的物理参数是与人体有关，而不是与环境有关，首先，FANGER制定了三个舒适条件，第一个条件是人体必须处于热平衡状态，以便使人体对环境的散热量等于人体体内产生的热量，第二个条件是皮肤
7、平均温度应具有与舒适相适应的水平，第三个条件是人体应具有最佳的排汗率，排汗率也是新陈代谢的函数。随后，FANGER综述了文献，得出了热平衡方程的每一个量的表达式。将热平衡方程与其他两个舒适条件组合起来就得到了著名的舒适方程。满足舒适方程的一组变量必须满足舒适的三个条件，因此该方程是舒适的必要条件，但不是充分条件。因为可以设想会出现这样的情况，即满足了舒适方程，却并不令人舒适，很容易变化的环境就是一个例子。舒适方程已被证明是很成功的，但它所依据的大多数试验是以健康的美国年轻人或欧洲大学生为受试者而进行的，因此不能假定将舒适方程应用到其他各种人群时是没有问题的。242 预测平均反应（PMV）当一组
8、环境变量满足舒适方程时就将产生最佳的舒适感。如果该方程未得到满足，则该环境就不是最佳的，但是方程并未给出任何说明所处的环境是如何不舒适的方法。FANGER进一步发展了舒适方程，并用公式表示一个可预测任何给定环境变量的组合所产生热感觉的指标，这一指标被称为预测平均反应（PMV），FANGER教授把它分为七个等级，每一个等级的代表意义如下表所示：FANGER的七级指标 表1PMV值+3+2+10-1-2-3预测热感觉热暖稍暖舒适稍凉凉冷为了扩大该想法的应用范围，FANGER提出在某一活动量下的热感使人体热负荷的函数的建议（所谓有体热负荷就是体内产热量与人体对实际环境散热量两者之差，假设人体的平均皮
9、肤温度及实际活动量相适应的汗液分泌量均保持舒适值），并通过实验建立了PMV方程。PMV方程没有被各种衣着和活动情况下的实验数据所证实，它对于坐着工作和穿着轻便衣服的人体可给出很好的结果，然而有关在较高新陈代谢下的热感的资料是不大令人满意的。25 标准的有效温度（SET）在介绍标准有效温度之前，让我们先来看一下皮肤湿润度的概念。皮肤湿润度是皮肤表面的实际蒸发损失与在相同环境中可能出现的最大损失之比，最大损失意味着皮肤表面是完全湿润的。皮肤湿润度的概念对于新的有效温度是很重要的，将这一指标与空气的温度和湿度联系起来，就可提供一个适用于穿标准服装和坐着工作的人的指标。在此基础上，工程师们又扩展了新有
10、效温度的主要内容，以综合考虑不同的活动水平和衣服热阻，由此产生了众所周知的标准有效温度（SET）。标准有效温度应包含平均皮肤温度和皮肤湿润度，以便确定某个人的热状态。确定某一状态的标准有效温度需分两步进行，首先要求出一个人的皮肤温度和皮肤湿润度，这可以通过实测来完成，其次就是求出产生相同皮肤温度和湿润度值的标准环境温度，这一步可通过对人体的传热分析来完成。标准有效温度是本文所述中比较全面的一种，尽管它的最初设想是用以预测人体排直时的不舒适感，但经过发展却能应付各种各样衣着条件、活动量和环境变量的情况。然而它所具有的复杂性，使其需要用计算机来计算皮肤温度和皮肤湿润度，因此阻碍了它的通用性。26
11、主观温度早期所制定的哪些指标大多已废弃不用了，他们已被舒适方程和标准有效温度之类更完善的指标所代替，但是，新指标固然有自己的优点，他们也有关共同的弱点，其一，数学公式的复杂性，导致必须在计算机上求值，其二，尽管他们包括了所有的变量，但令人遗憾的是这都使得他们在实际中的用处不大。基于以上原因，工程师又定义了一个新的指标，这种指标的应用是以想要设计一个舒适环境的设计师的问题为中心。它要求有两种数据，即居住者需要什么样的温度、以及什么样的物理变量组合会产生这一温度。这一指标就是主观温度。它的定义为：一个具有空气温度（Ta）等于平均辐射温度（Tr），相对空气流速（v）等于0.1m/s和相对湿度50%的
12、均匀封闭空间的温度，该环境将产生与实际环境相同的温暖感。主观温度的定义在很大程度上取决于主观温暖感，利用环境变量表示的主观公式无论何时均可由现有的温暖感数据加以确定，因此这是由经验得出的公式。 3 热舒适性指标的评价本文列举了主要的温暖感和舒适感指标。当已知有关的人体活动状态和衣着条件而需要预测舒适温度时，主观温度计算公式就会快速而足够准确的估算出人体舒适所需要的温度。主观温度方程不能用来预测人体不舒适感或人体感觉。必要时可采用预测平均反应。最通用的指标就是标准有效温度，它是专门用来解决高温高湿对人体影响。它可跟踪体温和皮肤温度的时间变化过程，并给出作为人体状态函数的热感和不舒适感，但要以复杂
13、的计算机程序作为所付出的代价。当温度高到足以使人们担心周围环境温度的提高会影响人体健康时就必须采用为此而专门设计的一种热应力指标。我国南方地区普遍具有冬冷夏热、全年潮湿的气候特征，作者根据生活经验，认为全年气候潮湿是造成夏季闷热和冬季阴冷的内在原因，因此，湿度控制应成为主要考虑的因素，尤其是室内空气中多余的水汽（即气态的水，属于空气污染物的一种）。为了对指标选择进行分析，选用试验数据如下4，表2是对210名测试对象的背景资料进行数据处理。 背景分析统计 表2总样本容量210人通风方式空调方式138(65.7%)非空调方式72(34.3%)性别男110(52.4%)女100(47.6%)年龄平均
14、值28.24标准偏差8.33最大值67最小值15居住时间平均值14.4着衣量平均值0.43活动量平均值1.22采用新有效温度进行计算，空调状态的室内物理条件的频率分布如下图所示：图2 空调状态的室内物理条件的频率分析由图可得到空调房间的ET*的频率分布情况。对照ASHRAEE55-1992的舒适区域要求，ET*值在23到26之间，相对湿度小于60%。因而由它所算出的温度范围和湿度范围都比较适合，而温度和湿度是影响人体舒适性的两个最重要因素，基于此，建议可采用新有效温度（ET*）作为主要的舒适性指标。我国北方地区相对南方来说较为干燥，尤其是冬季。近年来，随着经济的发展和生活习性趋使，夏季用空调器，冬季用暖气，已成为一种习惯，这样就导致室内更加温暖和干燥，而且人产也习惯于在室内穿较薄的衣服，因此着衣量不大。下面给出测试对象的背景统计资料和试验数据及分析4。冬季测试背景资料统计 表3样本总量74人（其中男性41人，占55%）参考平均值标准偏差年龄277居住时间1313相对湿度53.213.3空气流速0.0480.031服装热阻0.880.15活动量1.190.12
