人體熱舒適性評價試驗室的研制

鄭毅穗，毛海蓮，劉 旭，肖向前

（中國電器科學研究院有限公司，廣州 510300）

前言

舒適性空調(diào)設備以營造適合室內(nèi)人員工作和生活的環(huán)境為目的，舒適的環(huán)境可提高人的工作效率和生活質(zhì)量。目前無論是家庭還是辦公場所，絕大多數(shù)空調(diào)設備都是以控制室內(nèi)的溫度穩(wěn)定在某個溫度為目標。為適應消費者的更高需求，現(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)有空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)率先開始研究以人體熱舒適性作為控制目標的高端空調(diào)設備。人體熱舒適性評價試驗室是新型空調(diào)設備開發(fā)和測試的關鍵試驗裝備，其綜合了制冷空調(diào)技術、自動控制技術、檢測分析技術和計算機技術，是一種新型的高科技試驗裝備。

本文介紹了人體熱舒適性評價試驗室的主要結構和特點。

1 試驗室原理及技術指標

人體對所處環(huán)境的熱舒適性感覺是一種主觀心理意識，與人體產(chǎn)生熱量和流失熱量的平衡關系、人體生理健康狀態(tài)以及心理因素有關，因此其評價也是主觀評價方法。一些歐美國家對人體熱舒適性方面做了大量研究工作，采用問卷調(diào)查的方式對不同性別、年齡甚至不同體質(zhì)人群進行數(shù)據(jù)采集，分析總結出一套適用于多數(shù)人群的人體熱舒適性評價方法。環(huán)境因素中對人體熱舒適感覺影響最大的因素是溫度，其次是濕度、風速和照度等，測量這些環(huán)境參數(shù)并通過儀表或計算可以得出該環(huán)境的人體熱舒適性指標，如美國ASHRAE（美國供暖制冷空調(diào)工程師協(xié)會）使用的是7級熱感覺指標，范圍是-3～+3, 0是最舒適狀態(tài)，朝負方向是偏冷感，朝正方向是偏熱感。

房屋的圍護結構和保溫性能、門窗以及戶外的氣候環(huán)境等因素都會對空調(diào)設備營造的室內(nèi)環(huán)境造成影響。為真實模擬空調(diào)設備的運行條件，試驗室需要真實的房屋結構，房屋外面能夠模擬各種氣候條件。房屋內(nèi)則需要配置溫度、濕度、風速等與人體熱舒適性有關的傳感器，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分析。根據(jù)不同容量的空調(diào)設備的需要，房間面積還要能夠調(diào)整。

國內(nèi)民用建筑多數(shù)是鋼筋混凝土框架和空心磚墻體結構，為適應各種類型的空調(diào)設備開發(fā)并建立有代表性的測試環(huán)境，我們確定采用一廳三房單層鋼筋混凝土框架和磚墻結構的民居，民居外采用保溫冷庫建立外室，包圍著民居（下面稱民居為內(nèi)室），外室配置空氣處理設備，用于模擬各種戶外氣候環(huán)境。

試驗室的主要技術參數(shù)：

1)外室環(huán)境工況：溫度-20～60℃，相對濕度20～95%。

2)外室設置自然現(xiàn)象模擬區(qū)，配置日照，降雨、降雪、吹風裝置。

3)內(nèi)室一扇墻的內(nèi)部安裝加熱裝置，能夠調(diào)節(jié)墻外表面溫度（最高60℃）。

4)內(nèi)室進行人體熱舒適性試驗及研究，包括溫度場、濕度場、風速場的測試及分析，能按不同要求進行人體熱舒適性的客觀評價，并為主觀評價提供條件。

5)內(nèi)室配置人體熱/濕負荷模擬裝置。

6)可測試的空調(diào)設備類型：窗式、壁掛式、立柜式、吊頂式、天井式、風管式、移動式、多聯(lián)式空調(diào)設備。

2 試驗室設計

2.1 試驗室結構（圖1）

圖1 試驗室結構圖

2.2 內(nèi)室

內(nèi)室尺寸8.8m(L)×8m(W)×3m(H)，四角及中間為現(xiàn)澆混凝土框架，與地板和屋頂一體澆注，外墻貼墻面磚，內(nèi)墻扇灰涂乳膠漆。一廳（A房）三房（B/C/D房），廳面積近30m2。外墻厚度240mm，內(nèi)墻180mm，房間的兩面內(nèi)墻用輕質(zhì)建筑材料，傳熱性能接近180mm磚墻，可局部移動調(diào)整房間的面積。地面鋪設拋光磚。窗戶采用鋁塑窗，客廳2扇，每個房間1扇。門采用實木門。

內(nèi)室測量點：

1)溫度： 空間按平面550mm、垂直500mm左右的間隔，立體分布T型熱電偶測點矩陣，其中A房350點，B/C/D房共420點，另留64點熱電偶用于測試內(nèi)室墻壁溫度。熱電偶測點由上往下垂吊，通過滑軌可以移到房間側邊，以便進行室內(nèi)主觀評價的時候不影響人的活動。

2)濕度：配置8點濕度傳感器，可移動并用于任意一個房間。

3)其他：1點三維風速傳感器，12點無指向性風速傳感器，1臺熱舒適度測量儀。

4)試驗空調(diào)設備用測量點：4臺電參數(shù)測量儀,40點熱電偶，6點冷媒壓力傳感器。

內(nèi)室模擬人體熱/濕負荷：兩套500W功率的低熱流密度的可移動電熱器，其功率可調(diào)節(jié)，用于模擬人體熱負荷；兩套超聲波加濕設備用于模擬人體濕負荷。

內(nèi)室與外室測試區(qū)之間的外墻內(nèi)部均勻分布PTC發(fā)熱帶，發(fā)熱功率可調(diào)節(jié)，墻內(nèi)分布多點熱電偶測量墻壁平均溫度。墻壁發(fā)熱功能用于模擬日照造成的墻面溫升。內(nèi)室空間熱電偶測點公布圖見圖2。

2.3 外室

外尺寸14m(L)×12m(W)×5.5m(H)，采用100mm厚雙面彩鋼硬質(zhì)聚胺脂保溫冷庫板拼裝，地面埋100mm聚胺脂保溫板，上澆混凝土。外環(huán)境室分A、B兩個工況分區(qū)，A分區(qū)工況溫度-20～60℃，濕度20～95%，并設置可進行自然現(xiàn)象模擬的測試區(qū)域，A區(qū)用于模擬戶外氣候環(huán)境。B區(qū)工況溫度10～30℃，用于模擬相鄰的住戶。

外室空氣處理機組是營造戶外各種氣候環(huán)境的關鍵設備，采用臥式組合空調(diào)柜，分為吸入加熱段、冷凍段、吹出加熱段、循環(huán)風機以及加濕段，冷凍段設有水除霜系統(tǒng)?？照{(diào)柜內(nèi)分為3個并行系統(tǒng)（圖3），在低溫高濕等工況下，蒸發(fā)器的除霜過程采用三系統(tǒng)交替運行的方式，降低除霜過程的工況溫度回升，延長了系統(tǒng)運行時間。

外環(huán)境室有換氣裝置，以便在主觀評價過程保證外環(huán)境室的空氣質(zhì)量接近自然環(huán)境。

A區(qū)空氣調(diào)節(jié)柜置于外室外部，其回風口在內(nèi)室D房所在的回風通道，出風沿著內(nèi)室房頂?shù)娘L管輸送到試驗A區(qū)的測試區(qū)頂部，通過散流器向下均勻送出。B區(qū)的送回風方式與A區(qū)類似。

A區(qū)的測試區(qū)的頂部設置降雨噴頭和噴霧降雪裝置，降雨90～150 mm/h分三檔，模擬降雪10～20 mm/h（水量）分兩檔，另外還配置有：

圖2 內(nèi)室空間熱電偶測點分布圖

圖3 三個并聯(lián)系統(tǒng)結構的A 區(qū)空氣處理柜

可移動式日照模擬裝置，照射面積2.5m×2m，照射距離、角度可調(diào)整，主要照射窗戶和試驗空調(diào)設備的室外機，照射強度0.6～1.13Kw/m2。

可移動式吹風裝置，裝置出風口截面積1m×1m，風速1～8m/s，可調(diào)整裝置與試驗品距離和角度。

3 測試結果與分析

試驗室設備安裝完畢并完成試運轉(zhuǎn)后，進行各種工況測試，見表1。

表1 試驗工況

外室A區(qū)進行了GB/T 7725-2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》要求的各種工況試驗，還進行了降雪、降雨等自然現(xiàn)象模擬測試。試驗結果表明，外室能夠模擬各種戶外氣候環(huán)境，溫度和濕度的控制精度和穩(wěn)定性高，除霜工況下空氣處理機除霜過程溫度波動到達設計要求。

我們自行開發(fā)了3D數(shù)據(jù)場分析軟件，采集內(nèi)室空間立體溫度測點數(shù)據(jù)并在顯示器上顯示空間溫度場分布三維彩色云圖，可以自由旋轉(zhuǎn)三維視角并進行三維空間切片形成二維數(shù)據(jù)場分布圖形顯示，并可將一段時間內(nèi)的三維或二維空間分布圖形生成avi等格式的動畫文件，直觀呈現(xiàn)一段時間內(nèi)數(shù)據(jù)場整體狀態(tài)變化情況（圖4）。

試驗空調(diào)設備室內(nèi)機安裝在內(nèi)室客廳或房間，室外機安裝在A區(qū)。在A區(qū)和B區(qū)不同環(huán)境條件下，測試空調(diào)設備運行時房間的升/降溫速度、溫度場分布，以及房間多個位置的濕度分布以及氣流場分布，可以直觀地評價空調(diào)設備的制冷或制熱性能狀況。采用舒適性測試儀器測量并計算出內(nèi)室環(huán)境的人體熱舒適性指標。

圖4 三維溫度分布云圖和二維切片圖

圖5 房間溫度布點

圖6日照裝置、吹風裝置

4 結論

以人體熱舒適性為主要控制目標的新型空調(diào)設備是一種新型高科技產(chǎn)品，目前國內(nèi)幾個實力雄厚的空調(diào)企業(yè)正在進行開發(fā)，但尚未有產(chǎn)品推出，相關的標準也在制定當中。日本有空調(diào)企業(yè)較早進行這方面的研究，在日本本土有相關產(chǎn)品推出，但規(guī)模不大。

本試驗室已經(jīng)在國內(nèi)兩家知名空調(diào)企業(yè)和一家駐華日資企業(yè)獲得應用，從使用效果來看，試驗室提供了新型空調(diào)設備開發(fā)所需的硬件和軟件平臺，為企業(yè)開發(fā)以人體熱舒適性為控制目標的新型空調(diào)產(chǎn)品，進行空調(diào)設備環(huán)境適應性試驗以及進行環(huán)境舒適性主觀評價的數(shù)據(jù)積累起到了重要作用。

[1]GB 50243-2002，通風與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S].

[2]ASHRAE ANSI/ASHRAE 55-1992 Thermal environmental conditions for human occupancy. Atlanta: 1992 [S].

[3]吳業(yè)正, 韓寶琦. 制冷原理及設備[M]. 第二版. 西安: 西安交通大學出版社, 1997.

[4]GB 50096-1999，住宅設計規(guī)范[S].

[5]GB/T 7725-2004，房間空氣調(diào)節(jié)器[S].