袁于單

（貴州茅臺(tái)酒廠（集團(tuán)）置業(yè)投資發(fā)展有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081）

0 引言

目前，我國(guó)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域取得了顯著成績(jī)，經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)型也在不斷升級(jí)，在經(jīng)濟(jì)和科技的雙重作用下，建筑行業(yè)迎來(lái)了巨大的發(fā)展機(jī)遇，也逐漸成為影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)[1]。隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)和城鎮(zhèn)建設(shè)腳步的不斷加深，人們的物質(zhì)生活和精神追求不斷提高，對(duì)建筑的實(shí)用性和舒適性的要求也在不斷提高[2]。在建筑工程的大系統(tǒng)中，建筑暖通是十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，也是決定使用者舒適程度的關(guān)鍵因素，同時(shí)建筑暖通也是建筑使用期間能源消耗的最主要環(huán)節(jié)[3]。該文主要引入舒適度指標(biāo)，并采用皮爾遜指數(shù)法進(jìn)行衡量，在滿(mǎn)足人體舒適度需求的前提下，優(yōu)化建筑暖通系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以達(dá)到節(jié)約能耗并提高舒適度的目的，研究?jī)?nèi)容如下。

1 研究方法

1.1 舒適度指數(shù)

基于人體熱特征，通過(guò)人體的散熱機(jī)制來(lái)解決RC 熱網(wǎng)絡(luò)的生物生理學(xué)偏微分方程如公式（1）所示，在MATLAB中通過(guò)有限體積數(shù)值法即可求解公式（1）。

式中：r為人體各范圍半徑，是溫度變化的唯一維度；MR為靜代謝率；ρ1為人體內(nèi)部密度，kg/m3；k1為人體內(nèi)部導(dǎo)熱率；V1為人體內(nèi)部體積，m3；ρ2、k2、V2分別為人體外部密度、導(dǎo)熱率以及體積等參數(shù)，其單位同上述；c3為血液在恒壓下的熱容；T1為人體內(nèi)層溫度，℃；T2為皮膚溫度，℃。

其中有關(guān)人體參數(shù)及范圍見(jiàn)表1。

表1 人體熱特征

舒適度指標(biāo)[4-5]是利用公式（1）計(jì)算所得人體生理參數(shù)確定室內(nèi)溫度和相對(duì)濕度的動(dòng)態(tài)管理方案，舒適度的皮爾遜指數(shù)如公式（2）所示。

式中：M為新陳代謝，W/kg；W為人體活動(dòng)，W/kg；Pva為空氣壓力，kg/m2；Tin為人體內(nèi)部溫度，℃；Fcl為衣物的視角系數(shù)；Tmr為平均輻射點(diǎn)溫度，℃；hcl為衣物傳熱系數(shù)，W/（m2·K）。

皮爾遜指數(shù)為表示舒適度而采用的DISC 相關(guān)性如公式（3）所示。

式中：T3為皮膚溫度最小值，℃；Qev1為汗液蒸發(fā)熱功率，W；Qev1為需要蒸汗液蒸發(fā)熱功率，W；Qevmax為最大汗液蒸發(fā)熱功率，W；Qevd為汗液蒸發(fā)散失熱功率，W。

在KSU 模型中，冷環(huán)境中的熱感指數(shù)TSV取決于εvc，而在暖環(huán)境中，則取決于εWSW，其表示如公式（4）所示。

式中：εWSW、εvc分別為散熱和升溫時(shí)的熱輻射系數(shù)。

根據(jù)皮爾遜指數(shù)所示，TSV值在-1~1，人體感受到的舒適度最佳。

1.2 計(jì)算模型簡(jiǎn)介

準(zhǔn)確設(shè)計(jì)暖通空調(diào)系統(tǒng)對(duì)建筑工程來(lái)說(shuō)是十分必要的，而建立空調(diào)環(huán)境的溫度和濕度設(shè)定點(diǎn)是進(jìn)行精細(xì)化能量控制的第一步[7]。該文即從居民舒適度角度出發(fā)，建立考慮人體感受的動(dòng)態(tài)調(diào)整溫度和濕度的設(shè)定點(diǎn)，從而達(dá)到優(yōu)化建筑暖通設(shè)計(jì)，節(jié)省建筑能耗的目的。計(jì)算流程圖如圖1 所示。整個(gè)系統(tǒng)的工作模式為先通過(guò)改變室內(nèi)空氣溫度和相對(duì)濕度，確定所有可能組合產(chǎn)生的舒適指數(shù)值。然后在第一優(yōu)化步驟的下游評(píng)估最大化熱舒適性的組合，最后確定使能耗最小化的唯一組合?？刂品桨富谙到y(tǒng)打開(kāi)時(shí)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)人員的生理參數(shù)（體表溫度和心跳）和運(yùn)行期間建筑物的熱物理參數(shù)（例如平均輻射溫度、墻壁溫度的平均值）。

圖1 計(jì)算流程圖

計(jì)算模型的原理是在計(jì)算過(guò)程中，一旦在典型的時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)確定了要在房間內(nèi)設(shè)置的參數(shù)的最佳組合，房間內(nèi)的居住者在感受到室內(nèi)溫濕度變化后，開(kāi)始與由對(duì)流和輻射熱交換決定的周?chē)h(huán)境進(jìn)行熱交互，因此他所暴露的熱瞬變導(dǎo)致個(gè)體達(dá)到表面溫度（在下一個(gè)時(shí)間步驟的開(kāi)始，與上一個(gè)不同）。因此，改變居住者的生理特征，特別是體表溫度，就必須設(shè)置與先前不同的室內(nèi)空氣溫度，以滿(mǎn)足居住者的舒適度需求。

1.3 模型建立

為驗(yàn)證舒適度指標(biāo)在建筑暖通設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和對(duì)暖通系統(tǒng)的優(yōu)化效果，該文采用MATLAB 建立試驗(yàn)場(chǎng)，對(duì)上述模型進(jìn)行分析。模擬單個(gè)辦公空間的能量消耗情況，該房間長(zhǎng)8.0m，寬6.0m，高2.7m，窗戶(hù)面積為12m2，建筑物整體面積為48m2，體積為129.6m3。模型中所有墻體均與外界接壤，僅南側(cè)有單個(gè)窗戶(hù)。模擬組件參數(shù)見(jiàn)表2。該模型主要用于驗(yàn)證舒適度指標(biāo)在建筑暖通設(shè)計(jì)和節(jié)能措施優(yōu)化中的應(yīng)用情況，其中舒適度指標(biāo)主要從人體以及環(huán)境中獲取，但在實(shí)際模擬工作中的相關(guān)數(shù)據(jù)由人為提供。

表2 模型建材參數(shù)表

模擬過(guò)程中，主要模擬從早9 點(diǎn)至下午5 點(diǎn)，室內(nèi)燈具和其他電器的能耗分別為6W/m2和350W，暖通系統(tǒng)打開(kāi)時(shí)，其余荷載即被設(shè)定為恒定值，假設(shè)辦公室人員心率HR為70B/min，初始皮膚溫度為33.7°C，衣物阻力lcl分別為1.01clo 和0.5clo，其余參數(shù)的設(shè)置均按照相關(guān)要求和實(shí)際情況進(jìn)行布置。

2 計(jì)算結(jié)果分析

本節(jié)包括模擬結(jié)果及其在空間加熱和冷卻需求、熱舒適性評(píng)估以及個(gè)體熱調(diào)節(jié)響應(yīng)方面的研究結(jié)果分析，模擬計(jì)算了2 個(gè)特定的每周間隔（1 月的第1 周和8 月的第1 周），以明確室內(nèi)空氣溫度、相對(duì)濕度和居住者的舒適度指標(biāo)的變化規(guī)律。

2.1 舒適度分析

熱負(fù)荷和能耗的計(jì)算結(jié)果如圖2 所示，其中圖2（a）為1 月份第1 周，圖2（b）為8 月份第1 周。該文中的舒適度指標(biāo)主要是通過(guò)公式（2）~公式（4）所示相關(guān)性系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)的。如圖2 所示，該文所得計(jì)算結(jié)果中，2 個(gè)時(shí)段的舒適度指標(biāo)均在-0.5~0.5，計(jì)算過(guò)程中舒適度的相關(guān)性在可接受范圍內(nèi)。

圖2 人員舒適度變化曲線

2.2 溫度變化分析

對(duì)建筑能耗和舒適度進(jìn)行分析的主要目的是比較供暖和制冷的能耗量和建筑暖通系統(tǒng)的最優(yōu)狀態(tài)。熱負(fù)荷和能耗的計(jì)算結(jié)果如圖3 所示，其中圖3（a）為1 月份第1周，圖3（b）為8 月份第1 周。在冬季一周中，由于天氣變化的特點(diǎn)，某些日子有供暖和制冷的共同需求，從圖3（a）可以看到，需要大量熱能進(jìn)行空間加熱能夠在冬季最大限度地提高熱舒適度，減少身體散熱。因此，為了滿(mǎn)足該條件，建筑暖通系統(tǒng)控制器在減少人體表面和周?chē)諝庵g的溫度差方面具有很好的作用。圖3（b）為夏季取樣周，研究結(jié)果表明，夏季時(shí)熱負(fù)荷和能耗存在部分位置低于采用動(dòng)態(tài)控制方案獲得的值，其原因在于夏季人體可通過(guò)排汗現(xiàn)象散發(fā)體內(nèi)熱量，流汗過(guò)程會(huì)增強(qiáng)居民熱的感覺(jué)，進(jìn)而導(dǎo)致流汗現(xiàn)象更明顯，此時(shí)人體需要更低的環(huán)境溫度，為保持令人滿(mǎn)意的溫濕度條件，需要加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行效果。

圖3 熱負(fù)荷和能耗曲線

2.3 能耗分析

為明確建筑暖通設(shè)備的能耗量，該文分別設(shè)置變溫1℃、2℃和3℃，對(duì)每年和每月的能耗量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。研究表明，該方案分別在變溫1℃、2℃和3℃條件下將全年溫濕度變化條件范圍降低了49%、57%和52%。值得注意的是，在所選案例中主要的冷卻需求中，最常出現(xiàn)的溫度為27℃、28℃和29℃，分別用于第一、第二和第三方案。所獲得的結(jié)果表明，在制冷季節(jié)的相關(guān)時(shí)間內(nèi)，控制室內(nèi)空氣溫度（設(shè)定值）大于26℃，能使能耗更低。與相關(guān)研究中的案例相比，第一種方案中與供暖相關(guān)的年能耗量是研究案例的116%，第二種方案高出32%，第三種方案高出62%。關(guān)于冷卻需求，所提出方案的能耗更接近參考案例的能耗。特別是第一種方案的消耗量減少了5%，第二種和第三種方案分別增加了16%和2%。

表3 各方案的年度能源分析

3 結(jié)論

該文從舒適度相關(guān)系數(shù)角度入手，研究考慮人體舒適性的建筑暖通系統(tǒng)的優(yōu)化措施，所得主要結(jié)論如下：1）將舒適度相關(guān)系數(shù)與建筑暖通設(shè)計(jì)相結(jié)合，提出將皮爾遜指數(shù)（PMV）用于衡量暖通設(shè)計(jì)過(guò)程中人體的舒適度，根據(jù)皮爾遜指數(shù)所示，TSV值在-1~1，人體感受到的舒適度最佳。2）通過(guò)MATLAB 建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)所提出的分析方法進(jìn)行計(jì)算，分析說(shuō)明該分析方法在分析人體舒適度、室內(nèi)溫、濕度變化以及統(tǒng)計(jì)建筑暖通系統(tǒng)能耗等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。研究結(jié)果對(duì)今后建筑暖通設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展具有一定的借鑒意義。