熱濕環(huán)境參數(shù)對(duì)PMV及空調(diào)能耗的影響研究

楊昌智，文 潔，蔣新波

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

熱濕環(huán)境參數(shù)對(duì)PMV及空調(diào)能耗的影響研究

楊昌智?，文 潔，蔣新波

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

通過正交數(shù)值實(shí)驗(yàn)分析了熱濕環(huán)境參數(shù)對(duì)PMV影響的顯著性，在通常的環(huán)境參數(shù)變化范圍內(nèi)，影響程度從大到小依次是：空氣溫度、風(fēng)速、平均輻射溫度及相對(duì)濕度.分析了4大環(huán)境參數(shù)在定PMV控制時(shí)對(duì)能耗的影響規(guī)律及影響顯著程度.保持PMV不變的前提下，分別比較了不同熱濕環(huán)境參數(shù)組合下的能耗，發(fā)現(xiàn)不同組合之間能耗差異較大，說明其中存在最優(yōu)參數(shù)組合，使得滿足人體熱舒適的前提下能耗最小.研究結(jié)果為今后實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的PMV優(yōu)化控制提供了方向和依據(jù).

熱濕環(huán)境參數(shù)；預(yù)測(cè)平均冷熱感投票值(PMV)；能耗；影響顯著性；最優(yōu)參數(shù)組合

目前，大多數(shù)舒適性空調(diào)均采用定溫控制，然而，影響人體熱舒適性的環(huán)境因素除了溫度還有相對(duì)濕度、風(fēng)速和平均輻射溫度，人體的熱舒適感是這些因素共同作用的結(jié)果.在兩個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)等條件完全相同的房間，即使溫度相同，而其他熱濕參數(shù)不同的情況下，人體的熱舒適度是不同的[1]，同時(shí)，房間熱濕參數(shù)的不同組合，空調(diào)的能耗也可能不同.研究如何在保證人體熱舒適的前提下，最大限度節(jié)約空調(diào)能耗，成為暖通空調(diào)領(lǐng)域值得研究的課題.

對(duì)于熱濕環(huán)境參數(shù)對(duì)人體熱舒適及空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響，已有一些研究：文獻(xiàn)[2-3]通過圖表形式分析了環(huán)境參數(shù)對(duì)PMV的影響，但由于各個(gè)參數(shù)物理單位不同，比較基準(zhǔn)不統(tǒng)一，以圖表方式并不能直觀比較出各參數(shù)對(duì)PMV 影響的顯著程度.而關(guān)于熱舒適控制中環(huán)境參數(shù)對(duì)能耗的影響研究，則主要集中在溫濕度或溫度與風(fēng)速的耦合變化方面，并且大多停留在定性的層面[4-7].如文獻(xiàn)[4-5]利用ET*作為熱舒適度指標(biāo)，提出了在某一相對(duì)濕度下的最佳室內(nèi)設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)，即能耗最低點(diǎn).文獻(xiàn)[6]則在PMV控制中利用增加風(fēng)速的方法來提高溫度的設(shè)定值，從而使能耗降低.文獻(xiàn)[7]利用PMV，CO2濃度及能耗作為控制指標(biāo)，求解出了在滿足人體舒適度及室內(nèi)空氣質(zhì)量要求的前提下，能耗最小時(shí)空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速及新風(fēng)量的實(shí)時(shí)最優(yōu)值.以上研究在對(duì)最優(yōu)組合的求解時(shí)，將其中1～2個(gè)參數(shù)設(shè)定為不變且忽略了平均輻射溫度對(duì)能耗的影響，將其假定為不變或等于空氣溫度，并將平均輻射溫度認(rèn)為不可控．近年來，隨著輻射空調(diào)技術(shù)、溫濕度獨(dú)立控制技術(shù)等新技術(shù)的出現(xiàn)，為全面調(diào)控?zé)釢癍h(huán)境參數(shù)(包括平均輻射溫度)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)組合提供了可能.

1 熱濕環(huán)境參數(shù)對(duì)PMV的影響

為研究溫度、濕度、風(fēng)速以及平均輻射溫度對(duì)PMV影響的顯著程度，設(shè)計(jì)了一個(gè)以PMV為目標(biāo)函數(shù)的四因素四水平的正交數(shù)值實(shí)驗(yàn)，選用正交表L16(45).各參數(shù)的取值范圍參考GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中舒適性空調(diào)夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)規(guī)定的范圍：空氣溫度ta為24～28 ℃，風(fēng)速v≤0.25 m/s，相對(duì)濕度Φ為40%～70%，平均輻射溫度tr假定與空氣溫度相同，為24～28 ℃，人體能量代謝率取靜坐時(shí)狀態(tài)58.2 W/m2,機(jī)械功為0，衣服熱阻為夏季標(biāo)準(zhǔn)著裝熱阻0.08 m2·K/W.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示．通過比較各個(gè)參數(shù)的極差大小發(fā)現(xiàn)，在GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)的范圍內(nèi)，從對(duì)PMV的影響程度而言，從大到小依次是：空氣溫度、風(fēng)速、平均輻射溫度及相對(duì)濕度.文獻(xiàn)[2]通過圖表分析指出，當(dāng)風(fēng)速大于一定值時(shí)，4個(gè)因素對(duì)人體熱感覺的影響程度將有所變化，從大到小排列為：空氣溫度、平均輻射溫度、風(fēng)速及相對(duì)濕度.由于本文僅研究風(fēng)速在GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的v≤0.25 m/s范圍內(nèi)參數(shù)對(duì)PMV影響顯著程度，故此類情況暫不作討論.從數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們還可以發(fā)現(xiàn)，將這些參數(shù)任意組合，其PMV值差別較大，PMV的最大與最小值之差為1.39，同時(shí)，部分組合情況下PMV已經(jīng)超出了中國GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中夏季對(duì)PMV的規(guī)定值為0～1.這說明若設(shè)計(jì)時(shí)室內(nèi)參數(shù)(如溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速)在規(guī)范推薦的范圍內(nèi)任意取值，人體并不一定能感覺舒適，而需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，使其能滿足人體熱舒適度要求.

表1 熱濕環(huán)境參數(shù)對(duì)PMV影響顯著性分析

注：括號(hào)內(nèi)為水平號(hào)，括號(hào)外為水平號(hào)對(duì)應(yīng)的參數(shù)值.Ki為任一列上水平號(hào)為i時(shí)，所對(duì)應(yīng)的PMV的之和.ki=Ki/4.R為極差，任一列上R=max{k1，k2，k3，k4}-min{k1，k2，k3，k4}.

2 定PMV時(shí)熱濕環(huán)境參數(shù)對(duì)能耗的影響

文中能耗的比較以夏季工況下湖南省長沙市一個(gè)典型2人辦公室為例，長寬高分別為5 m,3 m和4 m.南向?yàn)榧託饣炷镣鈮Γ瑑?nèi)外抹灰，其余為內(nèi)墻，南向外墻上有一扇寬1.8 m高2 m的雙層鋁合金外窗.人均新風(fēng)量取30 m3/h，單位面積設(shè)備和照明負(fù)荷分別為13 W/ m2和11 W/ m2.人體能量代謝率取靜坐時(shí)狀態(tài)58.2 W/m2,機(jī)械功為0，衣服熱阻為夏季標(biāo)準(zhǔn)著裝熱阻0.08 m2·K/W.房間負(fù)荷計(jì)算采用諧波反應(yīng)法.

2.1 定PMV時(shí)空氣溫度與相對(duì)濕度對(duì)能耗的影響

在風(fēng)速與平均輻射溫度不變的前提下，若要保證PMV不變，則當(dāng)空氣溫度升高時(shí)必須要依靠降低相對(duì)濕度來補(bǔ)償.夏季，空氣溫度升高，室內(nèi)外溫差減小，從而房間新風(fēng)負(fù)荷和圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱相應(yīng)減小.在一般情況下，室內(nèi)外溫差每減少1 ℃，通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量將下降3%～10%[8].而當(dāng)溫度升高引起相對(duì)濕度減小時(shí)，房間新風(fēng)負(fù)荷將增大.圖1顯示出保持室內(nèi)風(fēng)速v=0.1 m/s，平均輻射溫度tr=26 ℃的情況下，當(dāng)PMV=0時(shí)，空氣溫度和相對(duì)濕度耦合變化下房間負(fù)荷情況.從圖1可以看出， 在定PMV控制中，隨著相對(duì)濕度的增加(即空氣溫度的降低)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱增加，新風(fēng)負(fù)荷減少，房間總負(fù)荷減少.當(dāng)平均輻射溫度、風(fēng)速一定時(shí)，空氣溫度每變化1 ℃，房間負(fù)荷約平均變化4.3%，而相對(duì)濕度每變化10%，房間負(fù)荷約平均變化2.1%.

圖1 定PMV時(shí)不同溫濕度組合對(duì)能耗影響

2.2 定PMV時(shí)平均輻射溫度對(duì)能耗的影響

很多情況下都假設(shè)墻體與周圍空氣充分換熱，將室內(nèi)平均輻射溫度等于空氣溫度處理.但實(shí)際上，平均輻射溫度并不等于空氣溫度，特別是采用輻射空調(diào)方式時(shí)，平均輻射溫度對(duì)能耗的影響較大.

夏季，降低室內(nèi)平均輻射溫度可以提高空氣溫度的設(shè)定值.圖2為室內(nèi)風(fēng)速v=0.1 m/s，相對(duì)濕度為50%的情況下，當(dāng)保持PMV=0時(shí)，空氣溫度和平均輻射溫度耦合變化下房間負(fù)荷情況.從圖2可以看出，平均輻射溫度每變化1 ℃，房間負(fù)荷約平均變化4.2%，且平均輻射溫度越低，其對(duì)能耗的影響越顯著.低溫輻射供冷技術(shù)正是利用這一點(diǎn)，通過降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，從而降低室內(nèi)的平均輻射溫度，在同等熱舒適條件下，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度提高，輻射供冷系統(tǒng)與對(duì)流換熱系統(tǒng)相比，可節(jié)能30%以上[9].而當(dāng)風(fēng)速提高時(shí)，平均輻射溫度對(duì)能耗作用減弱，因?yàn)榭諝鉁囟葘?duì)PMV的影響隨著風(fēng)速的增加而增強(qiáng)，在定PMV控制中，風(fēng)速增大，平均輻射溫度同樣變化1 ℃，能夠補(bǔ)償?shù)目諝鉁囟戎禍p少，其對(duì)能耗的影響減弱.

圖2 定PMV時(shí)平均輻射溫度對(duì)能耗影響

2.3 定PMV時(shí)風(fēng)速對(duì)能耗影響

夏季，增加風(fēng)速可以補(bǔ)償空氣溫度的升高.一般情況下，室內(nèi)風(fēng)速在0.6 m/s以下時(shí)，每增加0.1 m/s，相當(dāng)于環(huán)境溫度增加0.3～0.6 ℃；室內(nèi)風(fēng)速為0.6～1.0 m/s時(shí)，每增加0.1 m/s，相當(dāng)于環(huán)境溫度增加0.15 ℃[10].圖3為相對(duì)濕度為50%，平均輻射溫度tr=26 ℃的情況下，當(dāng)保持PMV=0時(shí)，空氣溫度和風(fēng)速耦合變化下房間負(fù)荷情況.從圖3可以看出，當(dāng)風(fēng)速在0～0.1 m/s內(nèi)變化時(shí)，對(duì)能耗影響較小，負(fù)荷約變化1.3%，隨著風(fēng)速的增大，其對(duì)能耗影響增強(qiáng).風(fēng)速從0.1 m/s變化到0.2 m/s時(shí)，負(fù)荷約變化5.5%，當(dāng)風(fēng)速從0.2 m/s變化到0.3 m/s 時(shí)，負(fù)荷約變化3.0%.

圖3 定PMV時(shí)風(fēng)速對(duì)能耗影響

以上分析是在固定兩個(gè)參數(shù)基礎(chǔ)上，通過另外兩個(gè)參數(shù)的組合研究熱濕環(huán)境參數(shù)在定PMV控制中對(duì)能耗影響顯著性，對(duì)變化參數(shù)條件和采用不同組合方式時(shí)的情況作者也進(jìn)行了分析，限于篇幅在此不一一列出．但從研究中可以發(fā)現(xiàn)，雖然參數(shù)變化時(shí)，各個(gè)熱濕環(huán)境參數(shù)對(duì)能耗影響的絕對(duì)值將發(fā)生變化，但其對(duì)能耗的作用規(guī)律以及參數(shù)之間影響顯著性大小沒有改變.當(dāng)風(fēng)速小于0.1 m/s時(shí)，其對(duì)能耗影響最小，空氣溫度和平均輻射溫度對(duì)能耗影響相當(dāng)，并且影響顯著性要大于相對(duì)濕度.隨著風(fēng)速增大，風(fēng)速和空氣溫度對(duì)能耗影響作用增強(qiáng).當(dāng)風(fēng)速為0.1～0.2 m/s時(shí)，影響程度從大到小依次為：風(fēng)速、空氣溫度、平均輻射溫度及相對(duì)濕度.當(dāng)風(fēng)速為0.2～0.3 m/s時(shí)，影響程度從大到小變化為：空氣溫度、風(fēng)速、平均輻射溫度及相對(duì)濕度.

3 不同熱濕環(huán)境參數(shù)組合能耗比較

由前述分析可以知道，在保持PMV不變的情況下，影響PMV的4個(gè)熱濕環(huán)境參數(shù)之間是相互耦合的，當(dāng)其中一個(gè)參數(shù)變化時(shí)，就需要變化其他的參數(shù)來進(jìn)行補(bǔ)償，而各個(gè)參數(shù)對(duì)PMV及能耗的影響程度是不一樣的，而且參數(shù)之間耦合變化時(shí)對(duì)能耗的影響方向往往是相反的，這樣就導(dǎo)致了不同參數(shù)的組合在達(dá)到同樣的人體舒適度的前提下，能耗會(huì)有所不同，這其中存在一組最優(yōu)參數(shù)使能耗最低.

表2為PMV=0時(shí)不同參數(shù)組合的能耗比較，并求出了在不同組合下房間的負(fù)荷.從表2可以看出，在保持舒適度不變的前提下，不同熱濕參數(shù)組合的能耗是不同的，其中最大與最小值之間相差有884 W，相當(dāng)于最大值的31%.可見，在保持相同的熱舒適度的前提下，存在最優(yōu)的參數(shù)組合，使得能耗最小.

表2 PMV=0時(shí)不同參數(shù)組合的能耗比較

4 結(jié) 論

通過以上研究，可以得出以下結(jié)論：

就熱濕環(huán)境參數(shù)對(duì)PMV影響的顯著程度而言，在GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的范圍內(nèi)從大到小依次是：空氣溫度、風(fēng)速、平均輻射溫度及相對(duì)濕度.

在定PMV控制時(shí)，各參數(shù)耦合變化時(shí)對(duì)能耗影響作用較為復(fù)雜，采用分別固定其中2個(gè)參數(shù)、改變第3個(gè)參數(shù)，通過定PMV得出第4個(gè)參數(shù)，再計(jì)算出房間空調(diào)能耗的方法，探討了各參數(shù)對(duì)能耗影響顯著性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速小于0.1 m/s時(shí)，其對(duì)能耗影響最小，空氣溫度和平均輻射溫度對(duì)能耗影響相當(dāng)，并且影響顯著性要大于相對(duì)濕度.隨著風(fēng)速增大，風(fēng)速和空氣溫度對(duì)能耗影響作用增強(qiáng).當(dāng)風(fēng)速為0.1～ 0.2 m/s時(shí)，影響程度為：風(fēng)速>空氣溫度>平均輻射溫度>相對(duì)濕度.當(dāng)風(fēng)速為0.2～0.3 m/s時(shí)，影響程度從大到小變化為：空氣溫度、風(fēng)速、平均輻射溫度及相對(duì)濕度.

由四大熱濕環(huán)境參數(shù)對(duì)PMV及對(duì)能耗的影響顯著性分析可以發(fā)現(xiàn)，空氣溫度無論對(duì)人體熱舒適性還是空調(diào)能耗都有較大的影響，在定PMV控制中，改變空氣溫度應(yīng)作為控制首選.相對(duì)濕度的變化對(duì)PMV及空調(diào)能耗都不敏感，因此在定PMV控制中，其設(shè)定值可以在其他參數(shù)確定以后，從屬于PMV值得到.

保持PMV不變，不同熱濕環(huán)境參數(shù)的組合，空調(diào)能耗存在較大差異，說明在保證人體熱舒適的前提下，存在最優(yōu)參數(shù)組合，使得能耗最?。疚姆治鰺釢癍h(huán)境參數(shù)對(duì)PMV及空調(diào)能耗的影響規(guī)律為進(jìn)一步全面尋找最佳參數(shù)組合奠定了基礎(chǔ).通過變化調(diào)節(jié)其他參數(shù)來實(shí)現(xiàn)定PMV的優(yōu)化控制，涉及的影響因素眾多，關(guān)系復(fù)雜，具體的優(yōu)化控制方法有待進(jìn)一步研究.

[1] 楊昌智，張清琳，楊菊菊，等.定溫控制空調(diào)系統(tǒng)的舒適性及節(jié)能性分析[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2012,39(5):18-22.

YANG Chang-zhi, ZHANG Qing-lin, YANG Ju-ju,etal. Analysis of comfort and energy-consumption on temperature control air-conditioning system[J]. Journal of Hunan University: Natural Sciences, 2012, 39(5): 18-22.(In Chinese)

[2] 申歡迎，秦萍，董軍.環(huán)境因素對(duì)PMV指標(biāo)的影響分析[J].制冷與空調(diào), 2003(4):27-29.

SHEN Huan-ying, QIN Ping, DONG Jun. Analysis on the environment factors affecting the PMV index[J]. Refrigeration and Air-Conditioning, 2003 (4): 27-29.(In Chinese)

[3] 曾光，田永錚，趙華，等.環(huán)境因素及綜合因素對(duì)PMV指標(biāo)的影響分析[J].建筑節(jié)能, 2007, 35(3)：11-16.

ZENG Guang, TIAN Yong-zheng, ZHAO Hua,etal. Analysis on the environment and synthesis factors affecting the PMV index[J]. Building Energy Efficiency, 2007, 35(3): 11-16. (In Chinese)

[4] WAN J W,YANG Kun-li,ZHANG W J,etal.A new method of determination of indoor temperature and relative humidity with consideration of human thermal comfort[J]. Building and Environment, 2009, 44：411-417.

[5] 張景玲，萬建武.室內(nèi)溫、濕度對(duì)人體熱舒適和空調(diào)能耗影響的研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 30(1): 9-12.

ZHANG Jing-ling, WAN Jian-wu. Influence of indoor temperature and humidity on thermal comfort and energy consumption of air-conditioning systems[J]. Journal of Chongqing Jianzhu University, 2008, 30(1): 9-12.(In Chinese)

[6] YANG K H, SU C H. An approach to building energy savings using the PMV index[J]. Building and Environment, 1997, 32(1),25-30.

[7] ATTHAJARIYAKUL S,LEEPHAKPREEDA T. Real-time determination of optimal indoor-air condition for thermal comfort, air quality and efficient energy usage[J]. Energy and Buildings, 2004, 36: 720-733.

[8] 劉謹(jǐn). 基于PMV指標(biāo)的空調(diào)系統(tǒng)舒適控制研究[D].長沙：湖南大學(xué)土木工程學(xué)院, 2003:27-32.

LIU Jin. Study on comfortable control of air conditioning systems based on PMV index[D]. Changsha: College of Civil Engineering, Hunan University, 2003:27-32.(In Chinese)

[9] STETIU C．Energy and peak power potential of radiant cooling systems in US commercial building[J]. Energy and Buildings, 1999, 30(2)：127-138．

[10]韓滔. 基于動(dòng)態(tài)熱舒適的空調(diào)控制方案研究[D].成都：西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 2006:39-41.

HAN Tao. Study on air-conditioned control scheme based on dynamic thermal comfort[D]. Chengdu: School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, 2006:39-41.(In Chinese)

Study on the Influence of Thermal Environmental Parameters on PMV and Energy Consumption

YANG Chang-zhi?, WEN Jie, JIANG Xin-bo

(College of Civil Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China)

Through orthogonal numerical experiments, the significance of the effect of four thermal environmental parameters on PMV was compared, which indicates that the degree of the influence of four thermal environmental parameters on PMV in descending order is air temperature, indoor wind velocity, mean radiant temperature and relative humidity within the usual range. Furthermore, the influencing laws and the significance of the effect of the four environmental parameters on energy consumption under PMV control were analysed. Under the premise that PMV remains unchanged, the energy consumption of different combinations of thermal environment parameters were compared. It is found that there is a huge difference between different combinations on energy consumption, which indicates the presence of an optimal combination consumes the minimum energy while satisfying human thermal comfort. The above analysis provides directions and basis for the further study of PMV optimal control of air-conditioning systems.

thermal environmental parameters;PMV(Predicted Mean Vote);energy consumption; significance of the effect;optimal combination of parameters

1674-2974(2015)01-0104-05

2014-03-21

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAJ24B03)

楊昌智(1963-)，男，湖南寧遠(yuǎn)人，湖南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師?通訊聯(lián)系人，E-mail:yang0369@126.com

TU111.195

A