辐射温度与空气温度非均匀热环境人体热舒适评价研究

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建筑空间内壁面温度与空气温度存在差异而形成的非均匀热环境,是辐射板采暖、制冷、被动式太阳房等类型建筑中常见的热环境特征之一。建筑室内壁面温度与空气温度之间的差异及各壁面温度之间的非均匀性对人体各种形式的散热比例产生影响,导致室内人员热舒适状态发生变化。尽管操作温度可反映辐射温度与空气温度的综合作用,但在二者存在较大差别的情况下,难以表征此类非均匀热环境下的人体热舒适特征;且现有关于非均匀热环境的舒适问题研究主要聚焦在局部送风、垂直温差、不对称辐射,而对于辐射温度与空气温度差异化组合的非均匀热环境则研究较少,一定程度上阻碍了暖通空调系统的节能设计和个性化运行调节。基于建筑室内辐射温度与空气温度的差异及内表面辐射温度的非均匀现象,以壁面温度与空气温度差值作为非均匀性的表征参数,本研究通过人工气候室实验研究了两类典型非均匀热环境对人体热舒适的影响,包括:(1)室内所有内壁面温度相等、但壁面温度和空气温度不相等,即均匀辐射热环境(ANUE);(2)仅单一内壁面温度与空气温度不相等,即单壁面非均匀辐射热环境(SNUE)。此外,本研究探讨了在偏热的非均匀热环境中空气流速对人体热舒适的影响。本研究选取了一批健康受试者,针对上述两类典型非均匀热环境,根据室内壁面温度和空气温度之间的不同水平(0℃、2℃、5℃、10℃),共设置了22个室内热环境实验工况,开展了人工气候室实验;通过测试人体皮肤温度、心率、血压等客观生理参数,并调查收集人体热感觉、热舒适、可接受度等主观热反映,揭示了人体在非均匀热环境中的热反应特征;通过相关性分析和贝叶斯信息准则(BIC)判定,建立了适宜于两类非均匀热环境的人体热舒适模型(TDP模型),获得了满足人体热舒适需求的空气温度与辐射温度的组合关系。在此基础上,通过分析空气温度与辐射温度不同组合的非均匀热环境中空气流速对人体热反应的影响规律,掌握了偏热的非均匀热环境中空气流速对人体热舒适水平的改善程度。本研究的主要结果如下:(1)非均匀热环境中人体热感觉与热舒适存在分离现象,难以使用操作温度等集总化指标对室内热环境进行评价。以PPD=10%作为热舒适边界值,ANUE环境中,热中性和热舒适对应的操作温度(top)下限偏移量为1.5℃,上限偏移量为0.4℃;SNUE热环境中,当人体处于热中性状态时,不满意率的偏移量(?PPD)最大达到了22%。(2)建立了ANUE和SNUE环境中的人体热舒适模型(TDP模型),得到了满足不同热舒适度的壁面温度与空气温度的不同组合区间和多参数评价指标。在ANUE环境中,TDP小于25%时,空气温度的范围为23.6℃~28.7℃,壁面温度比空气温度高10℃;对于SNUE环境,TDP小于25%时,空气温度在23.6℃~27.8℃之间,单壁面辐射温度高于气温6.5℃。(3)偏热非均匀热环境中,空气流速的增大,改善了人体热舒适度。ANUE环境中,va=1.2m/s时人体对热环境的不满意度较va=0.6m/s时的不满意度最大降低25%;较va=0.1m/s相比,不满意度最大降低56%;在SNUE环境中,va=1.2m/s时人体对热环境的不满意度较va=0.6m/s时的不满意度降低2%~18%;较va=0.1m/s相比,降低11%~35%。本研究明确了空气温度与辐射温度差异化组合的两类典型非均匀热环境中人体热舒适特征,在传统使用操作温度等室内热环境评价的单一指标基础上,建立了室内空气温度、辐射温度、风速多参数评价指标体系,完善了建筑室内非均匀热环境评价方法。
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