馬新宇 李 欣 黃繼東

隨著生活水平的提高,人們對室內(nèi)環(huán)境有了更高的要求。與此同時(shí),隨著節(jié)能的大范圍推廣,要求不僅要滿足人的舒適性還要注意節(jié)能,舒適與節(jié)能成了學(xué)者研究熱環(huán)境的目標(biāo)。人體熱舒適研究是一種典型的多學(xué)科交叉的應(yīng)用基礎(chǔ)性研究,是社會科技發(fā)展的必然產(chǎn)物和要求。通過人體熱舒適研究,能夠?yàn)閯?chuàng)造適應(yīng)人體生理需求的熱舒適環(huán)境奠定基礎(chǔ),同時(shí)對能源的合理利用、建筑節(jié)能、緩解電力緊張等方面具有積極的推動作用。因此,如何在保證人體舒適的前提下,尋找建筑節(jié)能與人體熱舒適的最佳平衡點(diǎn)是各國學(xué)者們研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

1 人體熱舒適

1.1 熱舒適的含義

熱舒適性研究在美國、歐洲等一些西方國家比較普及,國際最新熱舒適標(biāo)準(zhǔn)是 ISO 7730-2005[1]和 ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)55-2004[2],我國標(biāo)準(zhǔn)則是GB/T 18049-2000中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測定及熱舒適條件的規(guī)定[3]。人體熱舒適在ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)中,定義為人對熱環(huán)境表示滿意的意識狀態(tài)。它通過研究人體對熱環(huán)境的主觀熱反映,得到人體熱舒適的環(huán)境參數(shù)組合的最佳范圍和允許范圍以及實(shí)現(xiàn)這一條件的控制、調(diào)節(jié)方法。

1.2 人體熱舒適的影響因素

按照最新的熱舒適感標(biāo)準(zhǔn),影響人體舒適感有六大因素,分別為:空氣溫度、空氣相對濕度、空氣流速、平均輻射溫度、人體新陳代謝率、服裝熱阻。其中影響熱舒適客觀因素主要有:空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流速和相對濕度。影響熱舒適的主觀因素是:服裝熱阻和新陳代謝率。另外,除了上述定量因素對熱舒適參數(shù)產(chǎn)生影響外,人體熱適應(yīng)性對熱舒適也會產(chǎn)生影響。一些定性因素如性別、年齡、生活習(xí)慣、心理期望等都對熱舒適產(chǎn)生影響。

2 人體熱舒適的節(jié)能研究

2.1 空氣溫度的節(jié)能研究

降低室內(nèi)空氣的干球溫度,建筑物的空調(diào)能耗將明顯增加這一結(jié)論已是眾所周知。對于空調(diào)溫度的合理設(shè)定不僅影響到室內(nèi)人員的熱感覺和工作狀況,而且與空調(diào)系統(tǒng)的能耗直接相關(guān)。國內(nèi)許多專家學(xué)者針對不同地點(diǎn)、不同季節(jié)及不同功能的建筑進(jìn)行了現(xiàn)場測試及調(diào)查,得出不同的熱舒適溫度,滿足舒適性的同時(shí)節(jié)約能源[4]。天津大學(xué)朱能[5]首次在國內(nèi)通過問卷調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的方法對中國人的熱舒適區(qū)進(jìn)行一系列研究。西安建筑科技大學(xué)茅艷提出我國不同氣候區(qū)的人體熱舒適氣候適應(yīng)性模型,并在該模型的基礎(chǔ)上給出了不同氣候區(qū)的舒適溫度范圍,對我國建筑節(jié)能設(shè)計(jì)和生態(tài)建筑設(shè)計(jì)的理論和實(shí)踐研究將起到積極的作用。2008年,葉曉江等[6]分析已有的文獻(xiàn),得到我國相應(yīng)的夏季和冬季的舒適溫度區(qū)及中性溫度,結(jié)果表明,即使在中國,不同地點(diǎn)、不同的研究對象得到的舒適區(qū)和中性溫度差異較大,合理的設(shè)置空調(diào)溫度有較大的節(jié)能潛力。

目前的空調(diào)系統(tǒng)都是采用同一設(shè)計(jì)溫度標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)的穩(wěn)態(tài)送風(fēng)系統(tǒng),存在著能源消耗大、運(yùn)行費(fèi)用高、舒適性不能滿足要求等問題。熱中性溫度和舒適區(qū)的變化和差異較大,對于熱舒適環(huán)境參數(shù)的控制,特別是環(huán)境溫度,應(yīng)該是一個(gè)變化的、動態(tài)的參數(shù)。Nicol,Nikolopoulou等從節(jié)能的角度提出人體熱舒適溫度應(yīng)當(dāng)是一個(gè)動態(tài)的過程。

2.2 濕度的節(jié)能研究

目前國內(nèi)存在兩種截然不同的觀點(diǎn),一種是建筑物的空調(diào)能耗隨著房間相對濕度的減小而大幅度增加,另一種是建筑物的空調(diào)能耗隨著房間相對濕度的減小而大幅度減小。閏斌針對南方濕熱氣候特點(diǎn),人們在相對濕度75%～80%仍感覺到舒服,提出在確定室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí),溫度可以低一點(diǎn),但相對濕度可以高一些,這樣既可以保證較高的熱舒適度,又可以降低能耗。湖南大學(xué)殷平的研究結(jié)果表明,室內(nèi)相對濕度對空調(diào)能耗的影響十分明顯,當(dāng)室內(nèi)溫度為26℃,相對濕度為60%時(shí),其能耗竟然比26℃,40%時(shí)高了16%。當(dāng)室內(nèi)溫度為26℃,相對濕度為65%時(shí),其能耗與24℃,相對濕度為50%時(shí)相同。因此提出,與其提高室內(nèi)的干球溫度,不如降低房間的相對濕度,在節(jié)能的同時(shí),獲得更佳的人體舒適感和室內(nèi)空氣質(zhì)量,也順應(yīng)了當(dāng)前國際空調(diào)界降低室內(nèi)相對濕度的大潮。由上可知,相對濕度對舒適性和能耗的影響還應(yīng)該針對具體情況全面分析。

2.3 空氣流速的節(jié)能研究

送風(fēng)(空氣對流交換)是改變室內(nèi)熱環(huán)境和影響人體熱舒適的主要因素之一,合理的送風(fēng)方式不僅可改善人們的吹風(fēng)感受,也可提高人體熱舒適的溫度上限,降低空調(diào)能耗。相對于單調(diào)的機(jī)械風(fēng)而言,自然風(fēng)以清新、柔和、多變和舒適的吹風(fēng)感受而受到人們的普遍喜愛。Dear等討論了自然通風(fēng)建筑物的熱舒適。Aynsley認(rèn)為在暖濕的熱帶氣候地區(qū)的居住者,在夏季可以依靠自然通風(fēng)方式來達(dá)到和維持室內(nèi)熱舒適。清華大學(xué)夏一哉,賈慶賢,楊建榮等研究了自然風(fēng)與機(jī)械風(fēng)頻譜的區(qū)別及對熱舒適的影響,認(rèn)為接近于自然風(fēng)頻譜的吹風(fēng)模式比其他吹風(fēng)模式有更好的可接受性。ASHRAE RP-884通過測試自然通風(fēng)和集中空調(diào)建筑的熱環(huán)境,發(fā)現(xiàn)自然通風(fēng)建筑要比集中空調(diào)建筑的可接受溫度范圍寬出70%左右。因此,如果能夠在建筑空間中采用自然風(fēng)的環(huán)境,將在有效節(jié)省空調(diào)能耗的同時(shí),產(chǎn)生更符合人體生理健康的建筑環(huán)境。

2.4 適應(yīng)性的節(jié)能研究

根據(jù)人的熱適應(yīng)性,確定人體最佳的熱舒適區(qū)成為近年來的熱門話題。從1995年開始ASHRAE發(fā)動了一次命名為 RP-884全世界范圍內(nèi)的室內(nèi)熱環(huán)境和熱舒適的實(shí)測與調(diào)查活動。收集了全世界160個(gè)建筑的21 000組實(shí)測數(shù)據(jù),并利用此數(shù)據(jù)和一小部分過去15年的實(shí)測數(shù)據(jù),開發(fā)出了人體熱舒適的適應(yīng)性模型。重慶大學(xué)羅明智,李百戰(zhàn)對影響人體熱舒適的行為調(diào)節(jié)適應(yīng)、心理調(diào)節(jié)適應(yīng)以及生理調(diào)節(jié)適應(yīng)進(jìn)行了分析,認(rèn)為熱適應(yīng)性研究對人體的熱舒適具有重要意義。

2.5 主觀因素的節(jié)能研究

人體熱舒適,除受環(huán)境因素影響外,還與人的著衣量和作業(yè)量(代謝水平)有關(guān)。為了滿足舒適限值,可以通過種種途徑達(dá)到,如調(diào)節(jié)著衣量;對活動量的控制;不斷調(diào)節(jié)圍護(hù)結(jié)構(gòu)與熱設(shè)備;利用個(gè)體熱反應(yīng)的多樣性進(jìn)行熱環(huán)境的自我選擇等。

3 我國人體熱舒適節(jié)能研究的展望

3.1 合理確定室內(nèi)環(huán)境參數(shù)

熱中性溫度和舒適區(qū)的變化及差異較大,相同的室內(nèi)干球溫度,不同的相對濕度,空調(diào)能耗是不同的,對于熱舒適環(huán)境參數(shù)的控制,進(jìn)一步研究溫度與相對濕度的最佳組合,加強(qiáng)適合我國國情的相關(guān)規(guī)范制定,以確保給人們提供一個(gè)舒適、健康、節(jié)能的環(huán)境。

3.2 因地制宜,充分考慮人的適應(yīng)性

結(jié)合我國的氣候特色、建筑類型、人員背景、生活水平、能源利用形式等情況,充分考慮人的適應(yīng)性,合理選擇節(jié)能方式,例如,南方潮濕地區(qū),除濕較之于降溫,是改善室內(nèi)熱環(huán)境的有效措施。更多的運(yùn)用建筑節(jié)能的被動手段,如夏季采用自然通風(fēng)、混合通風(fēng)等技術(shù)。因地制宜,充分考慮人的適應(yīng)性,主動調(diào)節(jié)熱環(huán)境參數(shù)和空氣流動參數(shù),以達(dá)到同時(shí)滿足建筑環(huán)境熱舒適和節(jié)能的目標(biāo),是非常值得深入研究的課題。

3.3 多種送風(fēng)方式合理利用

由于不同的人所偏好的溫度有所差異,因此,根據(jù)熱舒適溫度差異較大的特點(diǎn),可以采用個(gè)性化送風(fēng)、低位送風(fēng)、局部微調(diào)節(jié)等多種方式,使個(gè)體周圍的局部環(huán)境達(dá)到自己所喜歡的工作溫度,在緩解人體對偏熱或偏冷環(huán)境不適感的同時(shí)節(jié)約建筑物能耗,這也是未來可以進(jìn)一步研究的領(lǐng)域。

3.4 變穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境為動態(tài)熱環(huán)境

目前的空調(diào)系統(tǒng)都是統(tǒng)一的設(shè)計(jì)溫度標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)的穩(wěn)態(tài)送風(fēng)系統(tǒng),存在著能源消耗大、運(yùn)行費(fèi)用高、舒適性不能滿足要求等問題。通過分析得出,動態(tài)熱環(huán)境即滿足人體熱舒適,同時(shí)很好地節(jié)約能源,但是現(xiàn)有的研究結(jié)果主要停留在現(xiàn)場調(diào)研和理論分析階段,實(shí)際應(yīng)用很少,對于動態(tài)熱環(huán)境的研究還有很大的發(fā)展空間。

4 結(jié)語

隨著社會能源危機(jī)意識的增強(qiáng),建筑節(jié)能對如何營造室內(nèi)熱舒適環(huán)境提出了新的要求。通過充分考慮人的適應(yīng)性,合理設(shè)置室內(nèi)空氣參數(shù),同時(shí)提倡采用自然風(fēng)和動態(tài)送風(fēng)以及局部微環(huán)境調(diào)節(jié)等方式,不但可以提高人體熱舒適度,而且還可以有效地節(jié)約能源,是今后熱舒適與節(jié)能研究的主要課題。

[1] ISO 7730∶2005,Ergonomics of the thermal environment analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria[S].International Organization for Standardization,2005.

[2] ASHRAE Standard 55-2004,Thermal environmental conditions for human occupancy[S].American Society of Heating,Ref rigerating and Air Conditioning Engineers,Inc.Atlanta,GA30329.

[3] GB/T 18049-2000,中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測定及熱舒適條件的規(guī)定[S].

[4] 金 虹,趙 華,王秀萍.嚴(yán)寒地區(qū)村鎮(zhèn)住宅冬季室內(nèi)熱舒適環(huán)境研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,38(12):2108-2111.

[5] 朱 能.人體熱舒適性與室內(nèi)空氣品質(zhì)若干關(guān)鍵問題的研究[D].天津:天津大學(xué)博士論文,2003.

[6] 葉曉江,陳煥新,周朝霞.熱舒適溫度與建筑節(jié)能[J].建筑節(jié)能,2008(5):63-65.