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        基于人員流量的商業(yè)建筑夏季環(huán)境熱舒適模型研究

        2018-05-24 01:27:38
        現(xiàn)代建筑電氣 2018年4期
        關(guān)鍵詞:熱阻舒適性商業(yè)

        (上海泰豪環(huán)境科技有限公司, 上海 200092)

        0 引 言

        隨著城市化的發(fā)展,國內(nèi)一、二線城市的大型商業(yè)綜合體建筑日益增多,為滿足建筑室內(nèi)環(huán)境設(shè)置的空調(diào)系統(tǒng)越來越復(fù)雜,建筑能耗也急劇增長,但是很多商業(yè)綜合體的室內(nèi)環(huán)境舒適性仍差強(qiáng)人意。這是因?yàn)榻ㄖh(huán)境的熱舒適性與室內(nèi)人員數(shù)量、室內(nèi)設(shè)備發(fā)熱功率、運(yùn)營管理水平等均有關(guān)系,由于商業(yè)綜合體的人員流量變化快速,而空調(diào)系統(tǒng)未能根據(jù)人員流量進(jìn)行調(diào)節(jié),不僅導(dǎo)致空調(diào)能耗的浪費(fèi),而且環(huán)境熱舒適性難以得到滿足。因此,建立商業(yè)綜合體建筑的環(huán)境熱舒適模型,不僅可以為商業(yè)綜合體建筑的室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計(jì)、控制和評估提供依據(jù),并且在保證舒適度的條件下盡可能地降低空調(diào)能耗。

        1 熱舒適研究理論

        1.1 熱舒適模型

        熱舒適是人體對周圍環(huán)境在主觀上的感知過程??諝庹{(diào)節(jié)領(lǐng)域普遍認(rèn)可的熱舒適理論模型為Fanger教授建立的穩(wěn)態(tài)能量平衡模型[1]?;谠撃P偷臒崾孢m評價(jià)指標(biāo)PMV和PPD是目前最全面的評價(jià)熱環(huán)境指標(biāo)。PMV為預(yù)測平均投票數(shù),表征人體熱反應(yīng)(冷熱感)的評價(jià)指標(biāo)(同一環(huán)境中大多數(shù)人冷熱感覺的平均),PMV為0時人體熱舒適最佳。當(dāng)PMV為0時,不滿意的投票平均值(PPD)為5%,表明最佳熱環(huán)境情況下仍有5%的人感到不滿意,這是由人的生理差異造成的。

        國內(nèi)學(xué)者對于商業(yè)綜合體建筑熱舒適的研究主要通過現(xiàn)場調(diào)研的方式,較少涉及評價(jià)模型。2008年王燁等人通過環(huán)境測試和問卷調(diào)查對某超市進(jìn)行研究,得到的結(jié)果與PMV-PPD理論結(jié)果比較一致[2]。2004年張培紅等人對沈陽市商業(yè)建筑的冬季熱舒適展開問卷調(diào)查,考慮年齡、性別因素的影響,得到冬季室內(nèi)控制溫度為18.5 ℃[3]。2013年趙西平等人調(diào)查西安某商場冬季室內(nèi)熱舒適性,發(fā)現(xiàn)80%的人員感覺溫度過高,尤其是人流數(shù)量高峰期[4]。2017年錫望對北京某商業(yè)綜合體建筑中庭的夏季熱環(huán)境進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)夏季PMV均值達(dá)到+1(偏暖);13∶00~15∶00時間段PMV值達(dá)到最大(+3),熱舒適性最差;11∶00~12∶00、16∶00~17∶00時間段PMV值最低,熱舒適性最佳[5]。

        1.2 人體熱舒適的影響因素

        熱舒適的影響因素分為物理因素、生理因素以及其他條件因素。從物理角度,人感到舒適的必要條件是人體必需達(dá)到熱平衡狀態(tài)。人體與周圍環(huán)境的輻射、對流以及導(dǎo)熱是得熱或失熱過程,而蒸發(fā)則完全是失熱過程[6]。影響人體熱舒適的物理因素包括空氣溫度、空氣濕度、空氣流速、平均輻射溫度。從生理角度,人體的新陳代謝以及衣服的保溫性能影響人體的熱舒適狀態(tài)。因此,生理因素包括人體新陳代謝率和服裝熱阻。此外,個體差異也會影響熱環(huán)境的評價(jià)。當(dāng)然,這些因素中物理因素對人體熱舒適的影響占據(jù)主要作用。

        商業(yè)綜合體建筑的特征是人員流量變化頻繁,高峰期人員密度極大,低谷期人員密度極小,這些特征導(dǎo)致室內(nèi)溫度控制的難度增加,室內(nèi)容易出現(xiàn)過冷、過熱的情況,不僅增加空調(diào)能耗,而且造成人員的不舒適性。

        2 商業(yè)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的溫度控制模型分析

        2.1 控制溫度與熱舒適的關(guān)系

        早有學(xué)者研究控制溫度(熱中性溫度)與熱舒適的關(guān)系。文獻(xiàn)[7]認(rèn)為人會對室內(nèi)溫度有一個期望值,且該期望值會隨著室外溫度的變化而變化。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者多年的研究,認(rèn)為控制溫度與室外環(huán)境溫度具有較強(qiáng)的相關(guān)性,且一般通過實(shí)地調(diào)查與測試,采用線性回歸方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到控制溫度與室外溫度的線性方程式。一般將這種室內(nèi)外溫度的關(guān)系稱為熱適應(yīng)模型。2003年楊柳對我國5個代表城市的住宅建筑進(jìn)行現(xiàn)場測試和問卷調(diào)查[8],得出人體控制溫度與室外空氣溫度的綜合線性關(guān)系式。2008年葉曉江等人通過環(huán)境參數(shù)測量和問卷調(diào)查結(jié)合的方式,分析和探討上海地區(qū)室內(nèi)外氣候條件的關(guān)系[9],最終得到關(guān)系式。

        以上控制溫度與熱舒適的分析僅考慮室外空氣溫度,建立的模型均只有室外空氣溫度是唯一影響因素。實(shí)際上,商業(yè)建筑由于人員流量變化較大,會直接影響到控制溫度和熱舒適,因此以下對控制溫度的分析將在室外空氣溫度的基礎(chǔ)上加人員流量的影響。

        2.2 基于人員流量的商業(yè)建筑控制溫度模型分析方法

        根據(jù)Fanger教授的熱舒適理論及PMV指標(biāo),通過分析人員流量與控制溫度之間的關(guān)系,建立基于人員流量的商業(yè)建筑室內(nèi)控制溫度模型。PMV的影響因素包括人體新陳代謝率、人體所做的機(jī)械功、平均輻射溫度、服裝熱阻、空氣溫度、空氣相對濕度以及空氣流速。根據(jù)PMV的定義,PMV為0時人體熱舒適最滿意。PMV的計(jì)算公式:

        (1)

        式中:M——人體能量代謝產(chǎn)熱量,W/m2;

        W——人體所作的外部機(jī)械功,W/m2;

        Pa——空氣中的水蒸氣分壓力(與環(huán)境溫度和濕度有關(guān)),Pa;

        fcl——著裝時人的體表面積與裸露時人的體表面積之比,夏季一般取0.5;

        ta——空氣溫度(即室內(nèi)控制溫度),℃;

        hc——對流換熱系數(shù),W/( m2·K);

        tcl——服裝表面溫度(與服裝熱阻有關(guān)),℃。

        基于人員流量的商業(yè)綜合體溫度控制模型分析方法如圖1所示,首先分析人員流量與平均輻射溫度(自變量)之間的關(guān)系,通過控制PMV為0,求得人體熱舒適的空氣溫度,該空氣溫度即商業(yè)建筑中的控制溫度(因變量)。然后對求得的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸計(jì)算,得出基于人員流量的商業(yè)綜合體建筑溫度控制模型。傳統(tǒng)PMV模型中人員流量為固定值,本文考慮人員流量變化的情況,人員流量的變化主要對平均輻射溫度產(chǎn)生影響。

        圖1 基于人員流量的商業(yè)綜合體溫度控制模型分析方法

        3 基于人員流量的商業(yè)建筑控制溫度模型分析過程

        3.1 上海地區(qū)商業(yè)建筑室內(nèi)控制溫度的參數(shù)設(shè)定

        商業(yè)建筑中,PMV影響參數(shù)的取值和計(jì)算方式如下:

        (1) 人體新陳代謝率和機(jī)械功的取值。人體新陳代謝率取決于人體的活動狀態(tài)[10],商業(yè)建筑大部分乘客在處于走動站立狀態(tài),根據(jù)上海地區(qū)標(biāo)準(zhǔn),人體代謝率取74 W/m2,人體做功平均為30 W/m2。

        (2) 平均輻射溫度的確定。人員在建筑內(nèi)的輻射熱交換包括人員與周邊的輻射熱交換、人員與人員之間的輻射熱交換。人員與人員的輻射熱交換占比最高,因此平均輻射溫度與人員流量密切相關(guān)。根據(jù)平均輻射溫度法,假定封閉空間與環(huán)境之間熱交換等于實(shí)際環(huán)境的輻射熱交換,則可以理論分析出不同人員流量下人體的平均輻射溫度[11]。

        假設(shè)人體表面溫度為31 ℃,建筑周邊壁面溫度為24 ℃,人體截面取長軸半徑0.2 m,短軸半徑0.15 m的橢圓,身高取1.7 m。假設(shè)建筑物為長、寬、高分別為1 m、1 m、4 m的長方體,平均輻射溫度為

        (2)

        式中:Fj——周圍環(huán)境各表面面積,m2;

        tj——周圍環(huán)境各表面溫度,℃。

        根據(jù)式(2)計(jì)算,當(dāng)人員密度由0.25人/m2變化至1.5人/m2時,人體平均輻射溫度如表1所示。

        表1 人體平均輻射溫度

        (3) 服裝熱阻的取值。不同的氣候條件下,人的穿衣方式也不同,因而服裝熱阻與外界氣溫有著直接聯(lián)系。根據(jù)調(diào)研資料,上海地區(qū)在夏季(室外氣溫35 ℃時),服裝熱阻一般為0.30 clo;初秋季節(jié)(室外氣溫25 ℃時),服裝熱阻一般為0.60 clo,根據(jù)線性插值法求得服裝熱阻與室外氣溫之間的關(guān)系式:

        Icl=-0.03tout+1.35

        (3)

        式中:Icl——服裝熱阻,m2·℃/W;

        tout——室外空氣溫度,℃。

        (4) 室內(nèi)相對溫度和流速的取值。對上海地區(qū)部分商業(yè)建筑測試表明,室內(nèi)空氣相對濕度均值為54%,空氣流速為0.5 m/s。

        地緣文明指的是地緣理論在文明領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用,以文明研究的視角“對特定民族、國家或文明之間存在的不可更改、不可復(fù)制、不可逃避的毗鄰關(guān)系進(jìn)行描述,進(jìn)而對古往今來人類共同體之間因先天性頻臨關(guān)系而發(fā)生的經(jīng)濟(jì)、文化和政治互動或者互動中的可能性加以討論?!盵1]顯而易見,地緣文明的地理性是在特定空間區(qū)域范圍內(nèi)的文明或歷史文化的地緣集合體,這些地緣集合體擁有類似的歷史文化記憶,分享類似的語言、宗教、風(fēng)俗習(xí)慣和價(jià)值觀。

        3.2 上海地區(qū)商業(yè)建筑室內(nèi)控制溫度模型的確定

        將以上計(jì)算得到的參數(shù)結(jié)果帶入到式(1)的PMV方程,令PMV=0,即可得到最佳室內(nèi)控制溫度。通過PMV計(jì)算的最佳控制溫度如表2所示,空氣流速為0.5 m/s。

        將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行兩元線性回歸,得到基于人員流量和室外空氣溫度的商業(yè)建筑室內(nèi)控制模型:

        tin=0.30tout-0.36n+16.21

        (4)

        式中:tin——控制溫度,℃;

        n——人員密度,人/m2。

        由此可見,商業(yè)建筑室內(nèi)控制溫度與室外溫度成正比,與室內(nèi)人員流量成反比。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,基于人員流量和室外空氣溫度的商業(yè)建筑室內(nèi)最佳控制溫度曲線如圖2所示。

        表2 通過PMV計(jì)算的最佳控制溫度 ℃

        圖2 基于人員流量和室外空氣溫度的商業(yè)建筑室內(nèi)最佳控制溫度

        3.3 上海地區(qū)商業(yè)建筑室內(nèi)舒適性調(diào)查

        為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,2017年8月某周末13∶00~15∶00時段對上海地區(qū)某商業(yè)建筑進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境的測試以及舒適性問卷調(diào)查。該時段屬于人員流量較高的時段,平均人員流量達(dá)到1.38人/m2;室外平均溫度為33.8 ℃,室內(nèi)環(huán)境溫度為27.5 ℃。

        根據(jù)式(4)的室內(nèi)控制溫度模型,室內(nèi)最佳控制溫度為25.85 ℃。由于室內(nèi)環(huán)境溫度高于最佳控制溫度,根據(jù)理論模型可以認(rèn)為該商業(yè)建筑的人體熱舒適感覺為偏熱。問卷調(diào)查采用Fanger的熱感覺標(biāo)尺,即冷(-3)、涼(-2)、微涼(-1)、居中(0)、稍暖(1)、暖(2)、熱(3),測試當(dāng)天共收得樣本106份,結(jié)果顯示有高達(dá)87%的人員認(rèn)為室內(nèi)環(huán)境“稍暖”及以上,與模型分析的結(jié)果一致。

        4 結(jié) 語

        上海地區(qū)商業(yè)建筑的人員流量變化較大,但是空調(diào)控制溫度的設(shè)定模式不能根據(jù)人員流量變化進(jìn)行調(diào)節(jié),不但增加建筑空調(diào)能耗,而且降低建筑環(huán)境的熱舒適性?;诮?jīng)典的PMV室內(nèi)熱舒適模型,考慮商業(yè)建筑內(nèi)人員流量等因素,建立上海地區(qū)商業(yè)建筑室內(nèi)控制溫度模型,并且通過調(diào)查問卷對模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明,該模型能夠根據(jù)人員流量較好地確定合理的空調(diào)控制溫度,以達(dá)到較好的室內(nèi)熱舒適性。

        [1]Moderatethermalenvironment—deteminationofthePMVandPPDindicesandspecificationoftheconditionforthemralcomfort:ISO7730[S].

        [2]王燁,張金萍,朱琨.蘭州市某超市夏季室內(nèi)空氣質(zhì)量及熱舒適性研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2008,8(2):92-97.

        [3]張培紅,牛潤萍.沈陽市商場冬季熱舒適的實(shí)測調(diào)查研究[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,20(3):220-223.

        [4]趙西平,王成林.商業(yè)建筑冬季室內(nèi)熱舒適度研究分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,45(2):264-268.

        [5]錫望.北京市大型商業(yè)建筑中庭空間夏季熱環(huán)境研究[D].北京:北京建筑大學(xué),2017.

        [6]劉念雄,秦佑國.建筑熱環(huán)境[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

        [7]dcDEARRJ,BRAGERGS.Thermalcomfortinnaturallyventilatedbuildings:RevisionstoASHRAEStandard55[J].EnergyandBuildings,2002,34(6):549-561.

        [8]楊柳.建筑氣候分析與設(shè)計(jì)策略研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2003.

        [9]葉曉江,連之偉,文遠(yuǎn)高,等.上海地區(qū)適應(yīng)性熱舒適研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào).2007,26(5):86-88.

        [10]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:GB/T18049—2000[S].

        [11]楊晚生.建筑環(huán)境學(xué)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2009.

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