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

摘要：通過(guò)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(shuō)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).

關(guān)鍵詞： 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

中圖分類號(hào)：TU111.195 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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(guò)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(lái)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(lái)，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(guò)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(guò)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(jué)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(guó)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(shuō)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(jué)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.

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(zhǎng)沙市一個(gè)典型2人辦公室為例，長(zhǎng)寬高分別為5 m，3 m和4 m.南向?yàn)榧託饣炷镣鈮?，?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(lái)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(guò)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%.

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(guò)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.

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?gòu)?.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?gòu)?.2 m/s變化到0.3 m/s 時(shí)，負(fù)荷約變化3.0%.

以上分析是在固定兩個(gè)參數(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)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(méi)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(lái)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(jiàn)，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.

4 結(jié)論

通過(guò)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(guò)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(wú)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(shuō)明在保證人體熱舒適的前提下，存在最優(yōu)參數(shù)組合，使得能耗最小.本文分析熱濕環(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(guò)變化調(diào)節(jié)其他參數(shù)來(lái)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.

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