鄭毅穗，毛海蓮，劉 旭，肖向前

（中國電器科學(xué)研究院有限公司，廣州 510300）

前言

舒適性空調(diào)設(shè)備以營造適合室內(nèi)人員工作和生活的環(huán)境為目的，舒適的環(huán)境可提高人的工作效率和生活質(zhì)量。目前無論是家庭還是辦公場(chǎng)所，絕大多數(shù)空調(diào)設(shè)備都是以控制室內(nèi)的溫度穩(wěn)定在某個(gè)溫度為目標(biāo)。為適應(yīng)消費(fèi)者的更高需求，現(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)有空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)率先開始研究以人體熱舒適性作為控制目標(biāo)的高端空調(diào)設(shè)備。人體熱舒適性評(píng)價(jià)試驗(yàn)室是新型空調(diào)設(shè)備開發(fā)和測(cè)試的關(guān)鍵試驗(yàn)裝備，其綜合了制冷空調(diào)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，是一種新型的高科技試驗(yàn)裝備。

本文介紹了人體熱舒適性評(píng)價(jià)試驗(yàn)室的主要結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。

1 試驗(yàn)室原理及技術(shù)指標(biāo)

人體對(duì)所處環(huán)境的熱舒適性感覺是一種主觀心理意識(shí)，與人體產(chǎn)生熱量和流失熱量的平衡關(guān)系、人體生理健康狀態(tài)以及心理因素有關(guān)，因此其評(píng)價(jià)也是主觀評(píng)價(jià)方法。一些歐美國家對(duì)人體熱舒適性方面做了大量研究工作，采用問卷調(diào)查的方式對(duì)不同性別、年齡甚至不同體質(zhì)人群進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分析總結(jié)出一套適用于多數(shù)人群的人體熱舒適性評(píng)價(jià)方法。環(huán)境因素中對(duì)人體熱舒適感覺影響最大的因素是溫度，其次是濕度、風(fēng)速和照度等，測(cè)量這些環(huán)境參數(shù)并通過儀表或計(jì)算可以得出該環(huán)境的人體熱舒適性指標(biāo)，如美國ASHRAE（美國供暖制冷空調(diào)工程師協(xié)會(huì)）使用的是7級(jí)熱感覺指標(biāo)，范圍是-3～+3, 0是最舒適狀態(tài)，朝負(fù)方向是偏冷感，朝正方向是偏熱感。

房屋的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和保溫性能、門窗以及戶外的氣候環(huán)境等因素都會(huì)對(duì)空調(diào)設(shè)備營造的室內(nèi)環(huán)境造成影響。為真實(shí)模擬空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行條件，試驗(yàn)室需要真實(shí)的房屋結(jié)構(gòu)，房屋外面能夠模擬各種氣候條件。房屋內(nèi)則需要配置溫度、濕度、風(fēng)速等與人體熱舒適性有關(guān)的傳感器，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分析。根據(jù)不同容量的空調(diào)設(shè)備的需要，房間面積還要能夠調(diào)整。

國內(nèi)民用建筑多數(shù)是鋼筋混凝土框架和空心磚墻體結(jié)構(gòu)，為適應(yīng)各種類型的空調(diào)設(shè)備開發(fā)并建立有代表性的測(cè)試環(huán)境，我們確定采用一廳三房單層鋼筋混凝土框架和磚墻結(jié)構(gòu)的民居，民居外采用保溫冷庫建立外室，包圍著民居（下面稱民居為內(nèi)室），外室配置空氣處理設(shè)備，用于模擬各種戶外氣候環(huán)境。

試驗(yàn)室的主要技術(shù)參數(shù)：

1)外室環(huán)境工況：溫度-20～60℃，相對(duì)濕度20～95%。

2)外室設(shè)置自然現(xiàn)象模擬區(qū)，配置日照，降雨、降雪、吹風(fēng)裝置。

3)內(nèi)室一扇墻的內(nèi)部安裝加熱裝置，能夠調(diào)節(jié)墻外表面溫度（最高60℃）。

4)內(nèi)室進(jìn)行人體熱舒適性試驗(yàn)及研究，包括溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、風(fēng)速場(chǎng)的測(cè)試及分析，能按不同要求進(jìn)行人體熱舒適性的客觀評(píng)價(jià)，并為主觀評(píng)價(jià)提供條件。

5)內(nèi)室配置人體熱/濕負(fù)荷模擬裝置。

6)可測(cè)試的空調(diào)設(shè)備類型：窗式、壁掛式、立柜式、吊頂式、天井式、風(fēng)管式、移動(dòng)式、多聯(lián)式空調(diào)設(shè)備。

2 試驗(yàn)室設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)室結(jié)構(gòu)（圖1）

圖1 試驗(yàn)室結(jié)構(gòu)圖

2.2 內(nèi)室

內(nèi)室尺寸8.8m(L)×8m(W)×3m(H)，四角及中間為現(xiàn)澆混凝土框架，與地板和屋頂一體澆注，外墻貼墻面磚，內(nèi)墻扇灰涂乳膠漆。一廳（A房）三房（B/C/D房），廳面積近30m2。外墻厚度240mm，內(nèi)墻180mm，房間的兩面內(nèi)墻用輕質(zhì)建筑材料，傳熱性能接近180mm磚墻，可局部移動(dòng)調(diào)整房間的面積。地面鋪設(shè)拋光磚。窗戶采用鋁塑窗，客廳2扇，每個(gè)房間1扇。門采用實(shí)木門。

內(nèi)室測(cè)量點(diǎn)：

1)溫度： 空間按平面550mm、垂直500mm左右的間隔，立體分布T型熱電偶測(cè)點(diǎn)矩陣，其中A房350點(diǎn)，B/C/D房共420點(diǎn)，另留64點(diǎn)熱電偶用于測(cè)試內(nèi)室墻壁溫度。熱電偶測(cè)點(diǎn)由上往下垂吊，通過滑軌可以移到房間側(cè)邊，以便進(jìn)行室內(nèi)主觀評(píng)價(jià)的時(shí)候不影響人的活動(dòng)。

2)濕度：配置8點(diǎn)濕度傳感器，可移動(dòng)并用于任意一個(gè)房間。

3)其他：1點(diǎn)三維風(fēng)速傳感器，12點(diǎn)無指向性風(fēng)速傳感器，1臺(tái)熱舒適度測(cè)量?jī)x。

4)試驗(yàn)空調(diào)設(shè)備用測(cè)量點(diǎn)：4臺(tái)電參數(shù)測(cè)量?jī)x,40點(diǎn)熱電偶，6點(diǎn)冷媒壓力傳感器。

內(nèi)室模擬人體熱/濕負(fù)荷：兩套500W功率的低熱流密度的可移動(dòng)電熱器，其功率可調(diào)節(jié)，用于模擬人體熱負(fù)荷；兩套超聲波加濕設(shè)備用于模擬人體濕負(fù)荷。

內(nèi)室與外室測(cè)試區(qū)之間的外墻內(nèi)部均勻分布PTC發(fā)熱帶，發(fā)熱功率可調(diào)節(jié)，墻內(nèi)分布多點(diǎn)熱電偶測(cè)量墻壁平均溫度。墻壁發(fā)熱功能用于模擬日照造成的墻面溫升。內(nèi)室空間熱電偶測(cè)點(diǎn)公布圖見圖2。

2.3 外室

外尺寸14m(L)×12m(W)×5.5m(H)，采用100mm厚雙面彩鋼硬質(zhì)聚胺脂保溫冷庫板拼裝，地面埋100mm聚胺脂保溫板，上澆混凝土。外環(huán)境室分A、B兩個(gè)工況分區(qū)，A分區(qū)工況溫度-20～60℃，濕度20～95%，并設(shè)置可進(jìn)行自然現(xiàn)象模擬的測(cè)試區(qū)域，A區(qū)用于模擬戶外氣候環(huán)境。B區(qū)工況溫度10～30℃，用于模擬相鄰的住戶。

外室空氣處理機(jī)組是營造戶外各種氣候環(huán)境的關(guān)鍵設(shè)備，采用臥式組合空調(diào)柜，分為吸入加熱段、冷凍段、吹出加熱段、循環(huán)風(fēng)機(jī)以及加濕段，冷凍段設(shè)有水除霜系統(tǒng)。空調(diào)柜內(nèi)分為3個(gè)并行系統(tǒng)（圖3），在低溫高濕等工況下，蒸發(fā)器的除霜過程采用三系統(tǒng)交替運(yùn)行的方式，降低除霜過程的工況溫度回升，延長(zhǎng)了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。

外環(huán)境室有換氣裝置，以便在主觀評(píng)價(jià)過程保證外環(huán)境室的空氣質(zhì)量接近自然環(huán)境。

A區(qū)空氣調(diào)節(jié)柜置于外室外部，其回風(fēng)口在內(nèi)室D房所在的回風(fēng)通道，出風(fēng)沿著內(nèi)室房頂?shù)娘L(fēng)管輸送到試驗(yàn)A區(qū)的測(cè)試區(qū)頂部，通過散流器向下均勻送出。B區(qū)的送回風(fēng)方式與A區(qū)類似。

A區(qū)的測(cè)試區(qū)的頂部設(shè)置降雨噴頭和噴霧降雪裝置，降雨90～150 mm/h分三檔，模擬降雪10～20 mm/h（水量）分兩檔，另外還配置有：

圖2 內(nèi)室空間熱電偶測(cè)點(diǎn)分布圖

圖3 三個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的A 區(qū)空氣處理柜

可移動(dòng)式日照模擬裝置，照射面積2.5m×2m，照射距離、角度可調(diào)整，主要照射窗戶和試驗(yàn)空調(diào)設(shè)備的室外機(jī)，照射強(qiáng)度0.6～1.13Kw/m2。

可移動(dòng)式吹風(fēng)裝置，裝置出風(fēng)口截面積1m×1m，風(fēng)速1～8m/s，可調(diào)整裝置與試驗(yàn)品距離和角度。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

試驗(yàn)室設(shè)備安裝完畢并完成試運(yùn)轉(zhuǎn)后，進(jìn)行各種工況測(cè)試，見表1。

表1 試驗(yàn)工況

外室A區(qū)進(jìn)行了GB/T 7725-2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》要求的各種工況試驗(yàn)，還進(jìn)行了降雪、降雨等自然現(xiàn)象模擬測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，外室能夠模擬各種戶外氣候環(huán)境，溫度和濕度的控制精度和穩(wěn)定性高，除霜工況下空氣處理機(jī)除霜過程溫度波動(dòng)到達(dá)設(shè)計(jì)要求。

我們自行開發(fā)了3D數(shù)據(jù)場(chǎng)分析軟件，采集內(nèi)室空間立體溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)并在顯示器上顯示空間溫度場(chǎng)分布三維彩色云圖，可以自由旋轉(zhuǎn)三維視角并進(jìn)行三維空間切片形成二維數(shù)據(jù)場(chǎng)分布圖形顯示，并可將一段時(shí)間內(nèi)的三維或二維空間分布圖形生成avi等格式的動(dòng)畫文件，直觀呈現(xiàn)一段時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)場(chǎng)整體狀態(tài)變化情況（圖4）。

試驗(yàn)空調(diào)設(shè)備室內(nèi)機(jī)安裝在內(nèi)室客廳或房間，室外機(jī)安裝在A區(qū)。在A區(qū)和B區(qū)不同環(huán)境條件下，測(cè)試空調(diào)設(shè)備運(yùn)行時(shí)房間的升/降溫速度、溫度場(chǎng)分布，以及房間多個(gè)位置的濕度分布以及氣流場(chǎng)分布，可以直觀地評(píng)價(jià)空調(diào)設(shè)備的制冷或制熱性能狀況。采用舒適性測(cè)試儀器測(cè)量并計(jì)算出內(nèi)室環(huán)境的人體熱舒適性指標(biāo)。

圖4 三維溫度分布云圖和二維切片圖

圖5 房間溫度布點(diǎn)

圖6日照裝置、吹風(fēng)裝置

4 結(jié)論

以人體熱舒適性為主要控制目標(biāo)的新型空調(diào)設(shè)備是一種新型高科技產(chǎn)品，目前國內(nèi)幾個(gè)實(shí)力雄厚的空調(diào)企業(yè)正在進(jìn)行開發(fā)，但尚未有產(chǎn)品推出，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也在制定當(dāng)中。日本有空調(diào)企業(yè)較早進(jìn)行這方面的研究，在日本本土有相關(guān)產(chǎn)品推出，但規(guī)模不大。

本試驗(yàn)室已經(jīng)在國內(nèi)兩家知名空調(diào)企業(yè)和一家駐華日資企業(yè)獲得應(yīng)用，從使用效果來看，試驗(yàn)室提供了新型空調(diào)設(shè)備開發(fā)所需的硬件和軟件平臺(tái)，為企業(yè)開發(fā)以人體熱舒適性為控制目標(biāo)的新型空調(diào)產(chǎn)品，進(jìn)行空調(diào)設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)以及進(jìn)行環(huán)境舒適性主觀評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)積累起到了重要作用。

[1]GB 50243-2002，通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].

[2]ASHRAE ANSI/ASHRAE 55-1992 Thermal environmental conditions for human occupancy. Atlanta: 1992 [S].

[3]吳業(yè)正, 韓寶琦. 制冷原理及設(shè)備[M]. 第二版. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 1997.

[4]GB 50096-1999，住宅設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]GB/T 7725-2004，房間空氣調(diào)節(jié)器[S].