王晏平，吳　軍，程海峰，占霞飛

(安徽建筑大學(xué),環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

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基于PMV-PPD對皖南古民居室內(nèi)熱濕環(huán)境預(yù)測與評價

王晏平，吳軍，程海峰，占霞飛

(安徽建筑大學(xué),環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

摘要：本文基于室內(nèi)熱濕環(huán)境評價的預(yù)測冷、熱感指標(biāo)PMV與預(yù)測不滿意率PPD兩個指標(biāo)的基礎(chǔ)上，分別就走訪問卷、實地測量以及CFD中模擬技術(shù)得出PMV-PPD。從三個方面對室內(nèi)熱濕環(huán)境進(jìn)行了較為系統(tǒng)的評價，并且探討了這三種方式評價的可行性。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)熱濕環(huán)境評價；預(yù)測冷熱感指標(biāo)；預(yù)測不滿意率；三個方面

0引言

隨著當(dāng)今我國科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，如何去提供與維持舒適的室內(nèi)熱環(huán)境已經(jīng)成為當(dāng)今學(xué)者的一個重大課題。PO Fanger教授在1970時候根據(jù)人體熱平衡方程提出了PMV概念[1-2]，目前已經(jīng)在室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)中得到廣泛使用。皖南山區(qū)具有江南的溫和濕潤氣候的特征，常年雨水充沛以致于該地區(qū)濕度較大。皖南古民居為磚木結(jié)構(gòu)的粉墻黛瓦，房屋滲漏的現(xiàn)象比較常見，室內(nèi)的木構(gòu)件易發(fā)霉腐爛，居住環(huán)境較差。因此本文則主要通過以走訪問卷、實驗測量與Airpak模擬技術(shù)三種方式分別得到黃山市黟縣地區(qū)PMV-PPD的數(shù)值與分布情況。通過三者數(shù)值進(jìn)行比較，科學(xué)的對該地區(qū)室內(nèi)熱濕環(huán)境進(jìn)行較為全面的評價。

1熱舒適問卷調(diào)查結(jié)果分析

1.1PMV與PPD

1.人體熱舒適是對周圍熱濕環(huán)境的直接主觀感受。丹麥工業(yè)大學(xué)PO Fanger教授在研究室內(nèi)熱舒適性時，根據(jù)熱平衡的原理制定了ISO-7730標(biāo)準(zhǔn)，提出了一個對熱舒適較為可觀的一個評價標(biāo)準(zhǔn)—PMV(Predicted Mean Vote)。PMV取不同值的時候?qū)?yīng)的ASHRAE中冷熱感尺度如下表1[3]。

Tab.1　ASHRAE of thermal sensation scale of PMV

2．不同人由于受到生理以及心理的影響，及時在相同情況下對熱舒適的感受也不盡相同，因此又提出的另外一個評價標(biāo)準(zhǔn)—PPD(Predicted Percentage of Dissatisfied)。如圖1[3]給出了PMV與PPD的關(guān)系。

圖1PMV與PPD關(guān)系

該曲線反應(yīng)出了即使人體在舒適條件PMV=0情況下，也有5%的人群會感到不滿意。

1.2人口結(jié)構(gòu)分析

這里針對黃山市黟縣采用實地調(diào)查問卷以及實地測量，從而對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。這次調(diào)查問卷共走訪116戶人家，對163人進(jìn)行問卷調(diào)查。然而其中男性有74人，女性有89人。并且其中各個年齡段比例見圖2所示。

圖2調(diào)查各個年齡段的男女比例

這里將人口結(jié)構(gòu)分為四個年齡段：20歲以上、20～40歲、41～60歲和61歲以上。調(diào)查得出男性調(diào)查人數(shù)中20歲以下占13%,20～40歲占14%，41～60歲占39%，60歲以上占34%；在女性調(diào)查的人數(shù)中20歲以下占5%，20～40歲占20%，41～60歲47%，60歲以上占38%。根據(jù)當(dāng)?shù)厝丝谇闆r，較為年輕多出去打工，因此該比例符合當(dāng)?shù)噩F(xiàn)狀人口比例情況。

1.3極端天氣下的問卷調(diào)查分析

這里問卷選取黟縣宏村，室外氣溫達(dá)到38.5℃，空氣相對濕度達(dá)到75%的具有代表性極端天氣情況對室內(nèi)男女熱舒適感覺進(jìn)行走訪問卷，調(diào)查結(jié)果如圖3所示。

圖3夏天最熱天男女熱舒適比例

由圖3可知，在夏天最熱這種極端天氣下，宏村地區(qū)當(dāng)?shù)厝藗冎心行愿械绞孢m占11%，稍熱占45%，較熱占40%，熱占4%。而在女性的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)感到舒適占11%，稍熱占51%，較熱占36%，熱占2%。從上面比較可以看出，在最熱天的情況下絕大部分感覺到稍熱或者較熱，僅有少部分人感到舒適或者熱。

2實地儀器測量分析

2.1測量原理

1．PMV在穩(wěn)態(tài)的環(huán)境下的計算公式如式(1)[4]

PMV=(0.303e-0.036M+0.028){M-W-

3.05×10-3[5733-6.99(M-W)-Pa]

-0.42[(M-W)-58.15]-1.72×10-5

M(5867-Pa)-0.0014M(34-ta)-

(1)

式中：

M—人體新陳代謝率，W/m2；

W—人所作的功，W/m2；

Pa—空氣對應(yīng)水蒸氣分壓力，Pa；

ta—空氣溫度，。C；

tr—室內(nèi)的平均太陽輻射溫度，。C；

fc1—人體穿衣與未穿衣外表面積之比；

tc1—衣服外表面的溫度，。C；

hc—外表面的對流換熱系數(shù)，w/(m2?k)；

由于上式中變量過多，測量起來比較困難，故需要對其進(jìn)行一些假設(shè)[5]：(1)靜坐時M=58.15W/m2；輕微勞作時M=69.78W/m2。(2)人所做的功W=0。(3)取fc1=1.1(4)將室內(nèi)的平均太陽輻射溫度近似等于室內(nèi)空氣溫度。

2．鑒于PMV代表是絕大部分人在同一環(huán)境下熱感覺，然而不能代表所有人的熱感覺。PPD則表示對環(huán)境的不滿意百分比[6]，F(xiàn)anger利用概率分析的方法，從而給出了PMV-PPD的定量關(guān)系如式(2)[7]：

PPD=100-95×e[-(0.03353PMV4+0.2197PMV2)]

(2)

2.3測量數(shù)據(jù)處理

(1)選取黟縣宏村夏季最熱的具有代表性的三天進(jìn)行測量，這樣可以測得夏季極端天氣下的舒適性。(2)測點選擇在某一個古民居的餐廳內(nèi)，外墻是該鎮(zhèn)最普通的磚墻，外墻內(nèi)表面是用木板全部封起來的，相當(dāng)于起到裝修的作用，內(nèi)墻是木墻。在南外墻有一個窗戶，詳細(xì)見表2。

表2　氣象參數(shù)和熱舒適測量

(1) 從上表可以看出宏村地區(qū)濕度很大，平均濕度維持在80%以上，且早晚濕度相對較大，中午濕度相對較小。

(2) 室內(nèi)平均干球溫度在29℃，與有關(guān)規(guī)范中28℃相差不大，人體會感到稍熱或者較熱。

(3) 當(dāng)室內(nèi)溫度低于30℃時，則PMV的值在0～1范圍以內(nèi)，人體還是感覺較舒適的；當(dāng)室內(nèi)溫度高于30℃時，PMV的值基本大于2，此時人體是不舒適的。

(4) 當(dāng)室內(nèi)溫度低于30℃時，則PPD的值在26%～27%范圍以內(nèi)，人體還是感覺較舒適的；當(dāng)室內(nèi)溫度高于30℃時，PPD的值基本大于30%，此時人體是不舒適的。

(5) 從表中可以看出，室內(nèi)風(fēng)速基本都很小，說明室內(nèi)空氣流通很慢，非常不利于室內(nèi)換氣，導(dǎo)致空氣品質(zhì)很差。

3CFD模擬

3.1建立物理模型

研究對象為黃山市黟縣地區(qū)某一個農(nóng)家樂空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)房間。空調(diào)房間的尺寸為5×4×3m。東墻有2×1.3m的窗戶，南北墻分別為空調(diào)房間鄰墻且該房間位于第二層。鑒于當(dāng)?shù)貫樯絽^(qū)，夏季室外空氣溫度與風(fēng)速適宜情況下，僅靠開窗即可滿足室內(nèi)熱舒適性要求。本文是針對夏季該地區(qū)最熱天情況下空調(diào)房間的模擬，該客房有兩個人，有一臺電視機(jī)，同時有兩臺日光燈照明。房間內(nèi)選用空調(diào)冷量為2.2Kw,熱量為1.8Kw，循環(huán)風(fēng)量為150m3/h。建模過程通過一定的簡化處理，其三維模型如下圖4所示。

3.2模擬計算

3.2.1簡化計算

(1)室內(nèi)空氣為不可壓縮流體且為恒定流動。(2)認(rèn)為房間時密閉的，忽略門和窗戶的漏風(fēng)狀況。(3)忽略人體和室內(nèi)其他物體相互熱輻射。

3.2.2邊界條件與計算

本文模擬夏季室外溫度37℃，房間熱源為日光燈、電視、人員(靜坐)。具體相關(guān)邊界條件如下表3所示。

圖4某徽派建筑立體模型(左)和標(biāo)準(zhǔn)間三維模型(右)

表3模擬計算邊界條件

3.3模擬計算結(jié)果與分析

本次模擬選取了Y=1.5與Y=2.5這兩個截面PMV與PPD如圖5、6所示。

從圖5可以看出PMV的絕大部分位于0～2.25之間，對照表1可以得出此時人體會感到較熱或者稍熱；從垂直結(jié)構(gòu)分析來看，越往上PMV的值則越大，靠近空調(diào)一側(cè)基本維持在0～0.75，人體比較舒適；在離空調(diào)較遠(yuǎn)一側(cè)，在高度約1.5m處PMV的值在1.5以上，此時人體會感到稍熱。對應(yīng)圖6來看，越往上PPD值反而越小，在靠近空調(diào)一側(cè)不滿意度PPD值在37.5%～62.5%；在背離空調(diào)和靠近窗戶一側(cè)則PPD值在62.5%以上。

4PMV與PPD的調(diào)查、實驗與模擬值的比較

本文通過走訪問卷、實驗測量以及CFD模擬值均得出PMV與PPD的值，得到相關(guān)折線圖如圖7所示。

圖5PMV分布(Y=1.5與Y=2.5)

圖6PPD分布(Y=1.5與Y=2.5)

圖7夏季黟縣地區(qū)PMV與PPD變化曲線

從圖7可以看出實驗值、調(diào)查值、以及模擬值的PMV與PPD均呈現(xiàn)不均勻的彈性變化；其中模擬值相對比較偏大，調(diào)查值相對比較偏小,且實驗值、調(diào)查值、以及模擬值的變化趨勢相近。

5結(jié)論

(1)走訪調(diào)查人體熱舒適比例呈現(xiàn)正態(tài)分布規(guī)律；夏季最熱天男女對熱感覺所占比例基本持平，有85%人只會感到稍熱或者較熱；冬季最冷天時候，有87%以上男女只會感到稍冷或者較冷。

(2)在夏季最熱天時，黟縣地區(qū)室內(nèi)溫度普遍低于30℃，平均濕度在80%以上，室內(nèi)空氣流速低于0.02m/s；0.4≤PMV≤2.4，10%≤PPD≤68%，對應(yīng)表1中，人體會感到稍熱或者較熱。

(3)對于該地區(qū)農(nóng)家樂空調(diào)房間模擬中，絕大部分時候0≤PMV≤2.25，37.5%≤PPD≤62.5%，此時對照表1標(biāo)準(zhǔn)也是會感到稍熱或者較熱，與實驗值和調(diào)查走訪的數(shù)值相近。

(4)實驗值、走訪調(diào)查值以及軟件模擬值均顯示PMV與PPD的值呈現(xiàn)不均勻彈性變化，但總體變化趨勢相近。

(5)基于對PMV與PPD的模擬，不僅對調(diào)查值與實驗值有很好的補(bǔ)充，同時可直觀形象地觀測到PMV與PPD值的分布，對今后熱舒適性研究具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

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7Fanger P O. Thermal Comfort-Analysis and Applications in Environmental Engineering [M].McGraw-Hill, New York,1972.

Numerical Prediction and Evaluation of Indoor Thermal and Humidity
Environment of South-Anhui Ancient Residence City Based on the PMV-PPD

WANG Yanping, WU Jun, CHENG Haifeng, ZHAN Xiafei

(Environment and Energy Engineering college, Anhui Jianzhu University,Hefei,230022,China)

Abstract:In this paper, based on the two index predicted mean vote (PMV) of the indoor thermal and humidity environment and predicted percentage of dissatisfied (PPD), and we obtained the PMV-PPD through the questionnaire, visited field measurements and CFD simulation technology, respectively. It is systematically evaluated on indoor thermal and humidity environment from three aspects, and discussed the feasibility of these three ways.

Key words:indoor thermal and humidity environment; PMV; PPD; three ways

作者簡介：王晏平(1959-)，男，副教授，主要研究方向為暖通空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化與節(jié)能。

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150615

中圖分類號：TK018

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-8382(2015)06-073-05

收稿日期：2015-05-15

基金項目：安徽省軟科學(xué)研究計劃項目(12020503071)