中圖分類號：TU832.1 文獻標志碼：A 文章編號：1673-3851（2025）07-0541-15

引用格式：，等．指向型熱輻射裝置對室內(nèi)人員熱舒適影響的實驗與仿真研究[J」．浙江理工大學學報（自然科學），2025，53（4）：541-555.

Abstract：To clarify the improvement of thermal comfort of occupants under the influence of directional heat radiation （DHR） device in a slightly cold environment，and to explore the most effective seting conditions，first，an experimental study on human thermal comfort under the DHR device's active intervention of the local thermal environment was conducted，and the improvement of local thermal comfort，thermal sensation and whole-body thermal comfort were obtained. Then，the differences in the overallindoor thermal environment and the local thermal environment near the human body under different seting conditions were compared and analyzed through computational fluid dynamics （CFD） software，and the most efective setting conditions and the distribution law of thermal comfort indexes such as PMV-PPD under this condition were obtained. According to the results of the human thermal comfort experiment， when the DHR device was vertically oriented in a slightly cool environment，within a 3O-minute operation time，the average thermal sensation of the occupants changed from -0.4 to -0.6 ，which was better than the change from -0.4 to -1.6 without the device. This configuration significantly mitigated the declining trend in human thermal comfort. According to the simulation results，the most effective setting condition of the device was a surface temperature of 40^°C for the radiant pipe，a pipe diameter of DN32，a pipe spacing of 15cm ， and a distance of 85cm . Under this condition，the equivalent temperature of the thermal environment around the human body was about 21^°C ，the PMV value was between -0.5 and 0.5，and the PPD value was about 5% . Results show that deploying the DHR device in a slightly cool environment can improve the thermal environment around the human body，and can significantly improve the local sensation and overall thermal comfort of occupants by raising the average radiative temperature and equivalent temperature. The research could provide new ideas for the improvement of the thermal environment occupants' local and thermal comfort.

Key words：directional heat radiation； thermal comfort；local thermal environment；computational fluid dynamics; PMV-PPD

0引言

輻射供暖是冬季常用的一種供暖方式，現(xiàn)有輻射供暖方式主要包括輻射地板、熱輻射板、人體局部輻射加熱器等[1-3]。輻射供暖末端與室內(nèi)空間的換熱過程主要涉及輻射和自然對流兩種方式，且以輻射為主。相較于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，輻射供熱的房間溫度場分布更均勻，垂直溫度梯度更小，因而能較好改善人體熱舒適[4]

為了探究不同輻射供暖方式對人體熱舒適及室內(nèi)熱環(huán)境的影響，國內(nèi)外研究者主要針對不同輻射末端形式的復合供暖方式對室內(nèi)熱環(huán)境及人體熱舒適改善效果進行了研究。彭冬根等[5探究了地板輻射采暖復合機械送風的兩種送風氣流組織（上送風和中下送風）對人體熱舒適的影響，并綜合考慮室內(nèi)溫度分布以及頭足溫差等指標，發(fā)現(xiàn)在地板輻射采暖復合機械送風情況下，下送風氣流組織的效果更好。顏金波通過實驗對冬季辦公區(qū)域的工位輻射供暖末端的室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)節(jié)效果進行了研究，發(fā)現(xiàn)在一定條件下工位輻射供暖末端能改善受試者的局部熱感覺和全身熱舒適，空調(diào)的設定溫度區(qū)間可以顯著降低，在節(jié)約建筑能耗方面具有一定的潛力。于國清等在室內(nèi)環(huán)境溫度為 12～16^°C 的微冷環(huán)境下，研究輻射供暖地板與座椅（普通座椅與保溫座椅）對人體全身、局部熱感覺的影響，發(fā)現(xiàn)輻射供暖地板與保溫座椅的組合方式對提升受試者下半身的熱感覺效果顯著。

個性化熱舒適系統(tǒng)（Personal comfort system，PCS）能滿足個人局部熱環(huán)境自主控制，并減少傳統(tǒng)

HVAC系統(tǒng)因空間總體加熱或冷卻所消耗的額外能耗，因此關于輻射供暖方式結合個性化設備的研究近年來受到廣泛關注[8]。Zhang等[9]對冬季使用低功率暖足器（反射式熱燈）來改善局部熱感的效果進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在最初的“較高加熱設定值無暖足器\"條件和“較低加熱設定值加上可控暖足器”條件下，熱舒適性相同，說明低功率暖足器具有顯著的節(jié)能潛力。Zeiler等[10]在室內(nèi)環(huán)境溫度為 20°C 的涼爽環(huán)境下，使用輻射手加熱器照射全身熱感覺低于熱中性的受試者的手部，結果顯示適當提高指尖溫度可使全身熱感覺趨近中性，同時發(fā)現(xiàn)遠程感應的皮膚溫度可用于局部輻射加熱控制。Wang等[11研究了冬季辦公室中輻射式暖腿器對改善人體熱舒適的效果，發(fā)現(xiàn)在寒冷的環(huán)境中，輻射式暖腿器能有效提高局部皮膚溫度，人的熱感覺和熱舒適度得到了明顯的改善，但輻射腿部暖腿器的不對稱加熱使得小腿局部熱感覺不一致。

上述研究表明，在微冷的環(huán)境中通過采用不同形式的輻射末端與輔助裝置組合的復合供暖方式，或者個性化的局部輻射加熱裝置，均可以改善在室者的局部熱感覺和熱舒適，但既有的調(diào)節(jié)裝置大多固定于工位附近對空間的使用有較大的限制。為了提高空間的使用效果，Dai等[12]提出一種兼顧熱舒適改善和空間有效利用的指向型熱輻射（Directionalheatradiation，DHR）裝置，并對其熱環(huán)境調(diào)節(jié)機理進行了研究，但該裝置的最佳運行工況和裝置運行下人體局部熱感覺和熱舒適的改善效果尚不明確。

為了解決上述問題，本文通過DHR裝置作用下的人體熱舒適主觀調(diào)查實驗，探討裝置對人體局部熱感覺和整體熱舒適的改善效果；然后通過計算流體力學（Computational fluid dynamics，CFD）軟件對比分析DHR裝置不同設置運行工況下的室內(nèi)整體熱環(huán)境和人體周圍局部熱環(huán)境的差異，獲得本裝置的最佳運行工況與最佳工況運行下人體周圍熱舒適指標的分布，從而為室內(nèi)人體局部熱環(huán)境和整體熱舒適的改善提供新的思路

1人體熱舒適實驗

本文通過開展室內(nèi)局部熱環(huán)境在DHR裝置主動干預下的人體熱舒適實驗，對受試者的局部熱感覺、局部熱舒適、全身熱感覺和全身熱舒適投票值進行分析，以研究DHR裝置對受試者全身和局部熱舒適的影響，得到局部熱舒適、局部熱感覺與全身熱舒適的關系。

1.1人體熱舒適實驗裝置

人體熱舒適實驗裝置如圖1所示，由恒溫熱源、保溫水箱、自吸泵和DHR裝置等組成。在實驗過程中，熱介質(zhì)先從恒溫熱源進人保溫水箱，通過自吸泵進人輻射管內(nèi)部，提高輻射管表面溫度并使之維持在設定溫度。DHR裝置中DHR單元的輻射管表面覆蓋有高發(fā)射率的涂層，與圓柱形反射罩的高反射率涂層相互作用，可以提高輻射能量利用率。DHR裝置通過輻射管輸出輻射能量，通過反射罩的旋轉調(diào)節(jié)輻射能量輸出方向，可以對人體周圍不同區(qū)域進行局部加熱，調(diào)節(jié)人體的局部輻射熱環(huán)境，改善人體局部熱感覺。

DHR裝置由多個平行布置的DHR單元組成DHR單元的工作原理示意圖如圖2所示。DHR單元是一個可以旋轉的漫射單元，由一根輻射管和一個半圓柱形反射罩組成，反射罩背后為保溫層。將反射罩開口表面視為一個假想面（黑體），其熱力學溫度為 T_ro ，DHR單元的反射罩開口表面法線為N₁ ，被輻射表面的法線為 N₂ 。當DHR單元反射罩固定在一個位置并豎直設置（正向設置）或者有一定角度（指向設置）時，法線 N₁ 和 N₂ 與連接線的夾角分別為 β₁ 和 β₂ 。

DHR單元對被輻射表面輸出的輻射能量如式（1）所示：

其中： Q_1-2 為DHR單元對被輻射表面輸出的輻射能量， J;σ 為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)， W/（m²?K⁴） ：A₁ 為DHR單元開口表面面積， m²;A₂ 為被輻射表面面積， m²：F_1-2 為反射罩開口表面對被輻射表面的角系數(shù)；S為連接線長度， m 。

從圖2（b）可以看出：當DHR單元旋轉角度為α 并朝向被輻射表面時，反射罩開口表面法線 N_?1 與連接線 S 重合（指向設置），反射罩開口表面對被輻射表面的角系數(shù) F_1-2 隨角度 β₁ 減少到 0^° 而增大 （α=β₁） ），指向設置的DHR單元開口表面對被輻射表面的輻射能上升，被輻射表面的輻射溫度升高。

1. 2 人體熱舒適實驗設計

人體熱舒適實驗房間示意圖與實驗場景照片如圖3所示。實驗房間分為A室與B室兩部分，主觀評價實驗在B室內(nèi)進行。房間地面距離實驗室地面 0.2m ，兩個房間內(nèi)的溫濕度均能實現(xiàn)獨立控制，B室被A室包圍，A室的圍護結構由保溫材料構成，確保室內(nèi)熱環(huán)境不受外部影響。在實驗過程中，控制A室與B室的室內(nèi)溫度為 （16.5±0.5）^°C ，室內(nèi)濕度為 （50±10）% 。

人體熱舒適實驗參考ThermalEnuironmentalConditions for Human Occupancy （ANSI/ ASHRAEStandard 55-201o） 和 Ergonomics of the physicalenvironment-Subjective judgement scales for assessingphysical environments（DS/ISO 10551： 2019） 中的熱舒適性主觀評價體系進行設計。受試者的熱感覺通過7點量表進行評估，包括寒冷（一3）、涼（一2）、稍涼（一1）適中（O）、稍暖 （+1） 、暖 （+2） 熱 （+3） 等7個方面。對于熱舒適度，受試者需要從舒適（0）、稍有不適（一1）、不舒適（一2）、非常不舒適（一3）、無法忍受（一4）等5個方面評估局部和全身的熱舒適。通過G^* power3軟件確定受試者人數(shù)為10人。在樣本數(shù)量為10、樣本效應值在 ～0.8 時，在組間對照的情況下，樣本的統(tǒng)計功效即置信度可以達到0.87。在浙江理工大學隨機抽取5名健康男性和5名健康女性，受試者基礎數(shù)據(jù)平均值如表1所示。

在人體熱舒適實驗開始前，受試者需避免劇烈運動、飲酒等行為，并在中性環(huán)境下適應 20min ，確保在評價階段有平穩(wěn)的心理及生理狀態(tài)。在服裝方面，受試者穿著冬季的普通衣服，如外套、內(nèi)衣、長袖打底衫或者襯衫、毛衣、褲子、襪子和鞋子，實驗開始前受試者應脫掉外套。通過受試者衣服的熱阻（平均總衣服熱阻為 1.39Clo 或 1.4Clo ，比冬天最典型的辦公室著裝略多）和室內(nèi)環(huán)境參數(shù)計算得到PMV值為一0.69，為微冷環(huán)境。人體熱舒適實驗工況設置如表2所示，DHR裝置設置在頭部上方70cm 處，實驗過程中受試者需對DHR裝置開啟和關閉2種工況下的局部和全身熱舒適進行評價。

人體熱舒適實驗流程如圖4所示，在經(jīng)過20min的適應階段后，受試者填寫問卷，問卷內(nèi)容包括受試者全身的熱感覺和熱舒適，以及手部、足部、頭部、腿部的局部熱感覺和熱舒適，此后每隔 10min 再次填寫問卷。在實驗過程中，受試者不允許增減衣服，并且在不調(diào)整椅子位置的情況下保持坐姿。

1. 3 人體熱舒適實驗結果

1.3.1 受試者對熱環(huán)境評價情況

人體熱舒適實驗中受試者的局部與全身熱感覺投票值如圖5所示。圖5（a）顯示：在裝置未開啟的情況下（工況1），受試者的全身熱感覺投票值最初為一0.4，每 10min 降低 ～0.4 ，在實驗結束時降低至一1.6，說明受試者全身熱感覺越來越冷；4個部位的局部熱感覺投票值的變化情況說明了足部和腿部的熱感覺投票值在實驗過程中逐漸降低，從開始的0降低至實驗結束時的一1.6，頭部的熱感覺投票值在前 10min 維持不變但在后 20min 降低，而手部的熱感覺投票值基本保持不變，出現(xiàn)這種情況的原因是，在微冷環(huán)境中，人體在平靜狀態(tài)下，對外界的散熱量大于人體自身產(chǎn)生的熱量，在肢體末端出現(xiàn)寒冷感覺，并逐漸影響全身熱感覺，受試者的全身和局部熱感覺投票值逐漸降低。從圖5（b）可以看出：在裝置開啟的情況下（工況2），受試者的全身熱感覺投票值最初為一0.4，每 10min 降低 ～0.1 ，在實驗結束時降低至一0.8，全身熱感覺降低程度較工況1更?。粡?個部位的局部熱感覺投票值的變化情況可以看出，受試者足部和腿部的熱感覺從最初的一0.4降低至實驗結束的一0.8，降低趨勢比工況1更小，手部、頭部的熱感覺均有向暖趨勢，其原因是，在微冷環(huán)境中開啟DHR裝置后，受試者受到DHR裝置的熱輻射，得到一部分熱量，受試者人體對外界的散熱量仍大于人體自身產(chǎn)生的熱量與DHR裝置對人體的輻射能量之和，受試者的熱感覺下降趨勢得到明顯改善。以上結果表明在微冷環(huán)境中開啟DHR裝置，可以改善受試者的全身熱感覺和局部熱感覺，并且避免受試者出現(xiàn)寒冷感覺。

人體熱舒適實驗中受試者的局部與全身熱舒適投票值如圖6所示。圖6（a）表明：在裝置未開啟的情況下（工況1），受試者的全身熱舒適投票值最初為一0.4，狀態(tài)為稍有不適，每 10min 降低 ～0.4 ，在實驗結束時降低至一1.6，說明受試者在實驗中越來越不舒適；4個部位的局部熱舒適投票值的變化情況說明了受試者足部和腿部的局部熱舒適在實驗開始后逐漸降低，從實驗開始時的一0.4和0降低至實驗結束時的一1.5和一1.1，達到不舒適狀態(tài)，手部和頭部的局部熱舒適從一0.1降低至一0.8，其原因是，人體在感覺到寒冷后，寒冷感沒有及時消除，則會產(chǎn)生不適感，受試者的全身和局部熱舒適投票值逐漸降低。從圖6（b）可以看出：在裝置開啟的情況下（工況2），受試者的全身熱舒適投票值在最初為-0.4 ，在實驗結束時降低至一0.8，為稍有不適狀態(tài)，整體降低程度小于工況1;從4個部位的局部熱舒適投票值的變化情況可以看出，受試者足部和腿部的熱舒適從最初的一0.4降低至實驗結束的一1.0，而手部的局部熱舒適基本保持不變，其原因是，在微冷環(huán)境中開啟DHR裝置后，受試者的全身熱感覺和局部熱感覺得到改善，寒冷感得到緩解，從而不適感也得到緩解。以上結果表明DHR裝置可以改善冬季室內(nèi)微冷環(huán)境中人員的局部熱舒適，消除室內(nèi)人員出現(xiàn)的局部不適從而改善室內(nèi)人員的全身熱舒適。

1. 3.2 局部熱感覺與全身熱舒適的關系

局部熱感覺、局部熱舒適、全身熱舒適等評價指標的相互關系是合理評價不均勻熱環(huán)境的重要問題[13]。通過對實驗結果進行多元線性回歸分析，可以得出DHR裝置作用下局部熱感覺與全身熱舒適之間的關系，如式（2）所示：

OTCV=-0.0957+0.298TSV₁+0.354TSV₂+

0.51TSV₃+0.55TSV₄

其中： OTCV 為全身熱舒適投票值； TSV₁ 為頭部熱感覺投票值； TSV₂ 為手部熱感覺投票值； TSV₃ 為腿部熱感覺投票值； TSV₄ 為足部熱感覺投票值。

從式（2）中的常數(shù)項可以看出，當所有局部熱感覺投票值為0時，全身熱舒適值為一0.0957，表示在本實驗環(huán)境下，當受試者各部位局部熱感覺為中性時，狀態(tài)為基本舒適。

局部熱感覺與全身熱舒適多元線性回歸結果如表3所示。從表3可以看出：手部和足部的局部熱感覺樣本數(shù)據(jù) P 值最小，說明數(shù)據(jù)差異最顯著；多元線性回歸結果的決定系數(shù) R² 為0.97，表明結果置信度較高，參數(shù)系數(shù)值是衡量自變量與因變量關系強度的指標，系數(shù)絕對越大，該項自變量對因變量影響越顯著；在DHR裝置作用下，腿部和足部的熱感覺對全身熱舒適的影響最顯著，而頭部的熱感覺對全身熱舒適的影響最小。

1. 3.3 局部熱舒適與全身熱舒適的關系

局部熱舒適與全身熱舒適之間的關系如式（3）

所示，局部熱舒適與全身熱舒適的關系和局部熱感覺與全身熱舒適的關系類似。式（3）中的常數(shù)項表

示在本實驗環(huán)境下，當受試者頭部、手部、腿部和足部的熱舒適為中性即各部位局部熱舒適投票值為0時，全身熱舒適值為一0.0306，為基本舒適狀態(tài)。

OTCV=-0.0306-0.133TCV₁+0.332TCV₂+

0.623TCV₃+0.709TCV₄

其中： TCV₁ 為頭部熱舒適投票值； TCV₂ 為手部熱舒適投票值； TCV₃ 為腿部熱舒適投票值； TCV₄ 為足部熱舒適投票值。

局部熱舒適與全身熱舒適多元線性回歸結果如表4所示。表4顯示：頭部和腿部的局部熱感覺樣本數(shù)據(jù) P 值最小，說明數(shù)據(jù)差異最顯著；多元線性線性回歸結果的決定系數(shù) R² 為0.98，說明結果置信度較高；腿部和足部的局部熱舒適同樣也是影響全身熱舒適最顯著的部位，手部的局部熱舒適對全身熱舒適影響較小。綜上所述，在偏冷環(huán)境中調(diào)節(jié)人體全身熱舒適應以改善人體腿部、足部局部熱舒適為重點，同時應盡量兼顧頭部和手部的熱舒適，這與已有文獻結論[14-15]相符。

2 CFD仿真實驗

本文通過建立DHR不同設置工況的物理模型，經(jīng)過CFD模擬計算得到不同輻射管表面溫度、不同管徑、不同作用距離、不同管間距設置下模擬房間的穩(wěn)態(tài)溫度場；通過對比不同工況設置下的房間溫度分布，得到裝置最佳運行工況

2.1 物理模型

本文建立的DHR不同設置工況的物理模型如圖7（a）所示，CFD模擬對象房間尺寸為 2.0m× 1.4m×2.4m ，人體模型為坐姿，高 1.3m 。在建立的幾何模型中對人體模型進行簡化處理，通過刪除對房間內(nèi)流場影響較小的人體幾何特征保證計算速度。使用ANSYS軟件劃分網(wǎng)格，通過對人體周圍區(qū)域及裝置周圍區(qū)域局部加密保證計算精度，網(wǎng)格劃分情況如圖7（b）所示，網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格。圖7（c給出了不同網(wǎng)格數(shù)量下 Y=1.4m 截面平均溫度變化曲線，除了網(wǎng)格數(shù)量為 5.27×10⁵ 和6.74×10⁵ 的計算結果偏低外，其他網(wǎng)格數(shù)量計算結果接近?？紤]到計算精度與計算時間，選取 8.59× 10⁵ 的網(wǎng)格數(shù)量進行計算，該數(shù)量下網(wǎng)格整體收斂性較好，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.85，平均偏斜系數(shù)為0.21。

2.2 邊界條件與求解器設置

本仿真實驗主要探究DHR裝置冬季最佳運行工況，故在模擬過程中忽略室外氣溫波動。設置DHR裝置主要照射部位為人體上半部及腿部上表面，房間各壁面溫度為恒定 15.00^°C ，反射罩上壁面絕熱，人體模型頭部皮膚溫度 33.00^°C ，手臂溫度

32.00^°C ，腿部溫度 32.00^°C ，手部溫度 31.00^°C ，足部溫度 29.00^°C^[16] ，除裸露皮膚如頭與手外，其余皮膚表面均設置薄殼傳熱（通過自定義材料傳熱系數(shù)）用于模擬冬季著衣。本文設置了如表5所示的8種仿真實驗工況，在計算過程中，除DHR裝置工況設置不同外，其余條件均相同。

Fluent求解器設置如表6所示，為了獲得人體周圍輻射熱環(huán)境，仿真實驗過程不設置流體進出口，室內(nèi)空氣流速較小，房間內(nèi)流域可以看作不可壓縮的湍流運動，Realizable k-ε 模型對不可壓縮的湍流運動模擬效果較好，因此湍流模型采用Realizablek-ε 模型。DO模型適用范圍最廣泛，能用于計算如煙氣、水蒸氣等介質(zhì)參與輻射的情況，模擬效果較真實情況接近，本文中輻射換熱過程選擇DO模型。

2.3 仿真實驗結果

2.3.1 DHR裝置有效性驗證

圖8為工況0和工況1中的房間溫度穩(wěn)定時的人體中心截面溫度分布云圖。圖8（a）顯示：在裝置關閉情況下（工況0），房間內(nèi)溫度穩(wěn)定后，溫度分布集中在 15.00～17.50^°C 之間，從人體表面到距離人體表面 10cm 處環(huán)境溫度整體偏低，為 17.50～ 18.25^°C ，人體皮膚表面溫度與周圍空氣溫度溫差約為 13^°C 。圖8（b）表明：在裝置開啟情況下（工況1），房間內(nèi)溫度穩(wěn)定后，溫度分布集中在 17.50～ 22.50^°C 之間，從人體表面到距離人體表面 10cm 處溫度分布在 18.25～22.50^°C 之間，人體皮膚表面溫度與周圍空氣溫度平均溫差為 9^°C 。以上結果表明了，人體周圍熱環(huán)境溫度在開啟DHR裝置后升高，人體皮膚表面溫度與周圍空氣溫度溫差減小，人體對外散熱量減小。

2.3.2不同輻射管表面溫度設置下房間的溫度分布圖9為工況1、2、3中的房間溫度穩(wěn)定時的人體中心截面溫度分布云圖。圖9（a）顯示：當輻射管表面溫度為 30.00^°C 時（工況1），房間內(nèi)溫度分布集中在 17.50～22.50^°C 之間；圖9（b）與圖9（c）顯示：當輻射管表面溫度分別為 40.00，50.00° 時（工況2和工況③），房間內(nèi)溫度分布集中在 17.50～25.00^°C 之間，從人體表面到距離人體表面 10cm 處溫度分布以 22.50～25.00°C 為主，人體皮膚表面溫度與周圍空氣溫度溫差約為 8^°C 。從圖9可以看出：隨著輻射管表面溫度的升高，房間內(nèi)溫度隨之上升，溫度分布以更高溫度為主，具體表現(xiàn)為較低溫度等溫面面積變小，較高溫度等溫面面積變大；距離人體表面 10cm 處的溫度也隨著輻射管表面溫度的升高而升高，在輻射管表面溫度從 30.00^°C 變?yōu)?40.00^°C 時，距離人體表面 10cm 處溫度從 18.25^°C 升高至 22.50^°C ;輻射管表面溫度從 40.00^°C 升高至 50.00^°C 時，距離人體表面 10cm 處溫度從 22.50^°C 升高至 23.50^°C 。

圖10為工況1、2、3中的房間溫度穩(wěn)定時的距離地面高度 1.4m 處的截面溫度分布云圖。圖10（a）顯示：當輻射管表面溫度為 30.00^°C 時（工況1），截面溫度分布集中在 17.00～19.00^°C 之間，在中心以 20.00^°C 為主；圖10（b）顯示：當輻射管表面溫度為 40.00^°C 時（工況2），截面溫度分布在 17.00～ 21.00°C 之間，在中心以 21.00～23.00^°C 為主；圖10（c顯示：當輻射管表面溫度為 50.00^°C 時（工況3），截面溫度分布集中在 17.00～23.00° 之間，在中心以 23.00～26.00^°C 為主。從圖10可以看出：隨著輻射管表面溫度升高，截面溫度平均值隨之上升，具體表現(xiàn)為從截面中心到房間壁面的溫度梯度變大，中心區(qū)域溫度分布更均勻；截面中心溫度也隨輻射管表面溫度升高而升高，在輻射管表面溫度從 30.00^°C 升高至 40.00^°C 時，截面中心溫度從 20.00°C 升高至 23.00^°C ，在輻射管表面溫度從 40.00^°C 變?yōu)?50.00^°C 時，截面中心溫度從 23.00^°C 升高至 26.00°C ，在輻射管周圍出現(xiàn)較強的熱量堆積現(xiàn)象，不利于人體熱舒適。以上結果表明，輻射管表面溫度為 40.00^°C 時房間內(nèi)部的熱環(huán)境可以更好滿足室內(nèi)人員熱舒適需求。

2.3.3 不同輻射管管徑設置下房間的溫度分布

圖11為工況2與工況4中的房間溫度穩(wěn)定時的人體中心截面溫度分布云圖。圖11（a）顯示：當輻射管管徑為DN20（工況2）時，房間內(nèi)溫度分布集中在 17.50～22.50^°C 之間，從人體皮膚表面到距離人體表面 10cm 處溫度分布以 22.25～25.00°C 為主，人體皮膚表面溫度與周圍空氣溫度溫差約為8°C ；圖11（b）顯示：當輻射管管徑為DN32（工況4）時，房間內(nèi)溫度分布集中在 17.50～23.25°C 之間，從人體皮膚表面到距離人體表面 10cm 處溫度分布以23.25～25.00 為主，人體皮膚表面溫度與周圍空氣溫度溫差約為 7% 。從圖11可以看出：隨著輻射管管徑增大，房間內(nèi)溫度隨之升高，具體表現(xiàn)為較低溫度等溫面面積變小，較高溫度等溫面面積變大；距離人體表面 10cm 處的溫度也隨著輻射管管徑的增大而升高，當輻射管管徑從DN20增大到DN32時，距離人體表面 10cm 處溫度從 22.50^°C 升高至 23.50^°C 。

主要原因是輻射管表面積增大，單位時間內(nèi)輸出的輻射能量增多，在溫度場分布中表現(xiàn)為照射部位附近的溫度升高，人體皮膚表面與周圍空氣的溫度差更小。

圖12為工況2和工況4中的房間溫度穩(wěn)定時的距離地面高度 1.4m 處的截面溫度分布云圖。圖12（a）顯示：當輻射管管徑為DN20時（工況2），截面溫度分布集中在 17.00～21.00^°C 之間，在中心區(qū)域以21.00～23.00^°C 為主；圖12（b）顯示，當輻射管管徑為DN32時（工況4），截面溫度分布集中在 20.00～ 25.00^°C 之間，在中心區(qū)域以 22.00～25.00° 為主。從圖12可以看出，隨著輻射管管徑增大，截面溫度隨之升高，具體表現(xiàn)從截面中心到房間壁面溫度梯度變大，中心區(qū)域溫度分布更均勻；截面中心溫度也隨輻射管管徑增大而升高，當輻射管管徑從DN20增大到DN32時，截面中心溫度從 23.00^°C 升高至 25.00^°C 。工況4中在輻射管周圍也出現(xiàn)了熱量堆積現(xiàn)象，但相較于表面溫度為 50.00^°C 的工況3，輻射管周圍溫度更低，熱量堆積更少。以上結果表明，DN32管徑下的房間溫度和人體周圍熱環(huán)境能夠更好滿足人體熱舒適。

2.3.4不同輻射管管間距設置下房間的溫度分布

圖13為工況4和工況7中的房間溫度穩(wěn)定時的人體中心截面溫度分布云圖。圖13（a）顯示：當管間距為 15cm （工況4）時，房間內(nèi)溫度分布集中在 17.50～23.25°C 之間，從人體表面到距離人體表面 10cm 處溫度分布以 23.25～25.00°C 為主，人體皮膚表面溫度與周圍空氣溫度溫差約為7°C 。圖13（b）顯示：當管間距為 30cm （工況7）時，房間內(nèi)溫度分布集中在 15.00～20.00^°C ，從人體表面到距離人體表面 10cm 處溫度分布在18.25～20.00^°C 之間，人體皮膚表面溫度與周圍空氣溫度溫差約為 11°C 。從圖13中可以看出，當輻射管管間距增大時，房間溫度隨之下降，具體表現(xiàn)為較低溫度等溫面面積變大，較高溫度等溫面面積變??；距離人體表面 10cm 處溫度也隨輻射管管間距增大而減小，當輻射管管間距從 15cm 增大到 30cm 時，距離人體表面 10cm 處溫度從23.25°C 降低至 20.00^°C 。

圖14為工況4和工況7中的房間溫度穩(wěn)定時的距離地面高度 1.4m 處的截面溫度分布云圖。圖14（a）顯示：當輻射管間距為 15cm 時（工況4），截面溫度分布集中在 20.00～25.00^°C 之間，在中心區(qū)域以 22.00～25.00°C 為主；圖14（b）顯示，當輻射管管間距為 30cm 時，截面溫度分布集中在16.00～21.00^°C 之間，在中心區(qū)域以 21.00～23.00 ^°C 為主。從圖14中可以看出：輻射管管間距增大時，截面溫度隨之降低，具體表現(xiàn)為截面平均溫度降低，中心到房間壁面溫度梯度變小，整體溫度分布更不均勻；截面中心溫度也隨輻射管管間距增大而降低，當輻射管管間距從 15cm 增大到 30cm 時，截面中心溫度從 25.00^°C 降低至 23.00^°C 。工況7的截面中心區(qū)域的溫度更低，表明該工況下截面中心區(qū)域收到的輻射能較工況4更少。主要原因是由于管間距變大，反射罩周圍空氣受自然對流影響增大，導致在部分有角度的反射罩周圍出現(xiàn)了熱量散佚的現(xiàn)象。在相同DHR裝置鋪設寬度情況下，管間距的增大意味著更少的DHR單元數(shù)量，在其他條件不變的情況下，DHR單元數(shù)減小，會使DHR 裝置輻射功率減小，單位時間內(nèi)被輻射面獲得的輻射能量更少。以上結果表明，在DHR裝置設置時，應當選擇更小的管間距來提高DHR裝置輻射功率，以獲得更均勻的溫度分布。

2.3.5 不同輻射作用距離設置下房間的溫度分布

圖15為工況4、5、6中的房間溫度穩(wěn)定時的人體中心截面溫度分布云圖。圖15（a）顯示：當輻射作用距離為 70cm 時（工況4），房間內(nèi)溫度分布集中在 17.50～23.25^°C 之間，從人體皮膚表面到距離人體表面 10cm 處溫度分布以 23.25～25.00 為主，人體皮膚表面溫度與周圍空氣溫度溫差約為 7% ：圖15（b）顯示：當輻射作用距離為 85cm 時（工況5），房間內(nèi)溫度分布集中在 17.50～22.50^°C ，從人體皮膚表面到距離人體表面 10cm 處溫度分布以為 22.50～25.00^°C 為主，人體皮膚表面溫度與周圍空氣溫度溫差約為 9°C ；圖15（c）顯示：當輻射作用距離為 100cm 時（工況6），房間內(nèi)溫度分布集中在 15.00～22.50°C ，距離人體表面 10cm 處環(huán)境溫度為 20.00～22.50°C ，人體皮膚表面溫度與周圍空氣溫度溫差約為 10°C 。從圖15中可以看出，當輻射作用距離增大時，房間溫度隨之降低，溫度分布以更低溫度為主，具體表現(xiàn)為較低溫度等溫面面積變大，較高溫度等溫面面積變小，22.50^°C 等溫線離人體越來越近，人體周圍溫度降低；距離人體表面 10cm 處溫度也隨輻射作用距離增大而降低，當輻射作用距離從 70cm 增大到85cm 時，距離人體表面 10cm 處溫度從 23.25°C 降低至 22.50^°C ；當輻射作用距離從 85cm 增大到 100cm 時，距離人體表面 10cm 處溫度從22.50^°C 降低至 20.00^°C 。

圖16為工況4、5、6中的房間溫度穩(wěn)定時的距離地面高度 1.4m 處的截面溫度分布云圖。圖16（a）顯示：當作用距離為 70cm 時（工況4），截面溫度分布集中在 20.00～25.00°C ，在中心區(qū)域以22.00～25.00^°C 為主；圖16（b）顯示：當作用距離為 85cm 時，截面溫度分布集中在 19.00～24.00^°C 之間，中心區(qū)域以溫度分布 22.00～24.00^°C 為主；圖16（c）顯示：當作用距離為 100cm 時，截面溫度分布集中在 19.00～22.00^°C 之間，中心區(qū)域溫度分布以 22.00～23.00^°C 為主。從圖16中可以看出，當輻射作用距離增大時，截面溫度降低，具體表現(xiàn)為從截面中心到房間壁面溫度梯度變小，整體溫度分布更不均勻；截面中心溫度也隨輻射作用距離增大而減小，當作用距離從 70cm 增大到 85cm 時，截面中心溫度從 25.00°C 降低至 24.00^°C ；當作用距離從 85cm 增大到 100cm 時，截面中心溫度從24.00°C 降低至 23.00^°C 。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是輻射能量隨作用距離增大而減小，但更近的作用距離并不意味著室內(nèi)人員的感受會更好。輻射作用距離為 85cm 時人體周圍溫度分布與 70cm 輻射作用距離下的人體溫度分布較為接近。人體在模擬工況下為坐姿，考慮到在實際情況中，當人體需要站立時，70cm并不是一個足夠的空間，可以通過適當增大管徑和作用距離，來滿足室內(nèi)人員實際需求。以上結果表明，在 85cm 的輻射距離作用下，房間內(nèi)溫度分布較好，可以同時滿足室內(nèi)人員熱舒適需求和空間需求。

綜合上述結果，本裝置的最佳運行工況為，表面溫度 40.00°C ，管徑DN32，管間距 15cm ，作用距離85cm ，此時，人體表面 10cm 處的溫度為 22.50^°C ，滿足冬季供暖需求。

3最佳運行工況下熱環(huán)境分析

通過模擬實驗得出本裝置的最佳有效運行設置工況后，對其熱環(huán)境影響參數(shù)進行分析；通過編程實

現(xiàn)PMV-PPD及等效溫度 T_eq 的可視化，得到最佳運行工況下的熱舒適指標值具體分布情況。

3.1 平均輻射溫度

DHR裝置主要通過熱輻射改善人體周圍熱環(huán)境來提高人體熱舒適。平均輻射溫度是影響人體熱舒適的一個重要參數(shù)，在微冷環(huán)境中，相同的空氣溫度下，更高的平均輻射溫度能帶來更高的人體熱舒適。

在最佳運行工況下，人體中心截面的平均輻射溫度分布如圖17所示。被照射部位頭部、肩部附近的平均輻射溫度在 24.29^°C ，比未被照射部位的平均輻射溫度更高。由于裝置設置于人體正上方，人體上表面附近區(qū)域比下表面附近區(qū)域平均輻射溫度更高。

3.2 PMV-PPD熱舒適評價

Fanger[17提出的PMV-PPD整體熱舒適性評價指標，適用于評價健康人群在同一熱環(huán)境中的熱舒適。PMV值用來描述同一熱環(huán)境下絕大多數(shù)人的冷熱感覺，計算公式如下：

其中： V_PM 表示PMV值； M 代表人體新陳代謝率，W/m² 5 W 表示人體對外做功， W/m²;P_a 表示水蒸氣分壓力， Pa;T_a 表示空氣溫度， ^°C：f_cl 表示穿衣人體與人體裸體表面積之比， T_cl 表示著衣外表面溫度， ^°C：T_r 表示平均輻射溫度， ^°C：h_c 表示對流傳熱系數(shù)， W/（m²?K） 。

PMV值根據(jù)人體對環(huán)境的感知程度由冷至熱分布在一 3. 0～3. 0 的區(qū)間內(nèi)，大于3.0或者小于-3.0 的值沒有意義。人體直接受到熱輻射的部位，如頭頂、肩部、大腿上方等，PMV值較大，在 0～ 0.6之間，說明人體在此處的熱感覺為中性到微暖；在未受到直接輻射區(qū)域，如背部、足部、大腿下側等，PMV值較低，在一 0.5～0 之間，說明人體在此處的熱感覺為稍冷至中性。

PPD值代表在一定熱環(huán)境下，感到不適人員占整體人員的比例，當PMV值為0時，代表熱環(huán)境最為適中，此時PPD的值為5，表示仍會有 5% 的人員對環(huán)境感到不適。PMV與PPD的數(shù)學關系式如下：

其中： D_PP 表示PPD值。利用Fluent求解器中的UDF模塊對PMV值和PPD值的數(shù)學分析式進行編程，實驗熱舒適性評價指標的可視化，人體中心截面的PMV值和PPD值分布如圖18與圖19所示。

當室內(nèi)環(huán)境達到穩(wěn)態(tài)后，人體周圍的PMV值分布在一 ?0.5～0.5 ，主要受到熱輻射的區(qū)域，出現(xiàn)了稍高的PMV值，達到 ～0.6 ，說明DHR在最佳工況運行下，室內(nèi)人員的熱舒適性較好，人體不會感到寒冷。人體周圍的PPD值在 ～5% ，整體熱環(huán)境呈現(xiàn)出離照射部位越遠，預測不滿意率越高的規(guī)律。

3.3 等效溫度 τ_eq 熱環(huán)境評價

Nilsson等[18]提出了等效溫度概念，該概念定義為一個假想的外殼的溫度。當空氣流速為0或空氣流速小于 0.1m/s 時，平均輻射溫度與空氣溫度相等。Madsen等[19]在久坐的條件下，通過總結空氣溫度、平均輻射溫度、風速、服裝熱阻與等效溫度的關系，得出該經(jīng)驗公式，可用式（6）表示：

T_eq=0.5（T_a+T_r）

其中： T_eq 表示等效溫度， ^°C：T_a 表示空氣溫度， °C ：T_r 表示平均輻射溫度， °C 。

利用Fluent求解器中的UDF模塊對等效溫度的數(shù)學分析式進行編程，得到人體中心截面等效溫度分布，如圖20所示。從圖20中可以看出，DHR裝置在最佳運行工況下運行時，能夠有效改善偏冷環(huán)境中人體周圍熱環(huán)境。此時，人體周圍輻射溫度高于 20.12^°C ，等效溫度在 ～21% ，人體周圍的熱舒適指標分布說明在室人員的熱舒適情況較好。

4結論

本文通過人體熱舒適主觀調(diào)查實驗研究了在該裝置作用下室內(nèi)人員局部和全身熱舒適的變化情況，通過分析得到了DHR裝置對室內(nèi)人員熱舒適改善效果；通過多元線性回歸得到了局部熱感覺、局部熱舒適和全身熱舒適的關系；通過模擬分析和Fluent編程得到了該裝置的最佳運行工況，實現(xiàn)了熱舒適指標的可視化，為本裝置實際應用提供相應模型和數(shù)據(jù)參考，得出如下結論：

a）在其他室內(nèi)環(huán)境均相同的情況下，引入DHR裝置后，受試者全身熱舒適下降值減小1.2，顯著減小人體熱舒適下降趨勢；裝置垂直向下指向設置時，能有效改善手部和腿部局部熱舒適；通過多元線性回歸分析得出，在微冷環(huán)境中，腿部和足部的局部熱舒適是影響全身熱舒適最顯著的部位。

b）CFD仿真實驗中，DHR裝置運行下的人體周圍平均輻射溫度均在 18^°C 以上；不同運行工況下的熱環(huán)境對比結果表明，裝置的最佳運行工況為表面溫度 40°C ，管徑DN32，管間距 15cm ，作用距離85cm ，此時人體周圍平均輻射溫度比其他工況高 ～2^°C 。

c）DHR裝置在最佳運行工況下運行時，人體周圍熱環(huán)境PMV分布在一0.5至 +0.5 之間，PPD值為 ～5% ，等效溫度為 ～21°C ，此時室內(nèi)人員有較好的全身熱舒適、局部熱舒適和接受度。實驗和仿真結果可為室內(nèi)人員局部熱環(huán)境和整體熱舒適的改善方法提供新思路。

由于實際條件限制，本文僅在實驗室環(huán)境中開展小型裝置人體熱舒適實驗和模擬實驗。為了獲得本裝置在實際建筑中的應用效果，后續(xù)應按照最佳工況設置補充制作裝置模型，并在實際建筑內(nèi)部進行供暖溫度范圍及人體適應性實驗

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（責任編輯：康 鋒）