動(dòng)態(tài)室內(nèi)空調(diào)環(huán)境與節(jié)能研究

韓冬瑞 武同

摘 要：傳統(tǒng)舒適性空調(diào)在提供穩(wěn)定室內(nèi)空調(diào)環(huán)境的同時(shí)，既消耗了相對(duì)多的能源，又削弱了人們適應(yīng)突變環(huán)境的能力，因此進(jìn)行動(dòng)態(tài)室內(nèi)空調(diào)環(huán)境與節(jié)能性研究顯得尤為重要。文章介紹了動(dòng)態(tài)室內(nèi)空調(diào)環(huán)境的含義，通過對(duì)人體熱舒適機(jī)理進(jìn)行分析研究，提出了室內(nèi)空調(diào)環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化的方法，并分析了動(dòng)態(tài)空調(diào)控制系統(tǒng)的節(jié)能性，得出動(dòng)態(tài)空調(diào)控制系統(tǒng)能在滿足人體熱舒適要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的運(yùn)行效率，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：人體熱舒適；節(jié)能；動(dòng)態(tài)參數(shù)控制

中圖分類號(hào)：TU831 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）29-0008-02

現(xiàn)代人類的生活和工作跟室內(nèi)環(huán)境息息相關(guān)，尤其是城鎮(zhèn)居民幾乎80%以上的時(shí)間（西方國(guó)家達(dá)90%）是在室內(nèi)環(huán)境中渡過的，這主要是得益于室內(nèi)環(huán)境的改善，但是這消耗掉了太多的能源資源。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)室內(nèi)采暖和空調(diào)能耗占到了建筑總能耗的55%，是建筑最大的耗能點(diǎn)。而近幾年建筑能耗在能源消費(fèi)總量中所占的比例已經(jīng)上升到了27.8%。因此，節(jié)約建筑室內(nèi)因采暖和空調(diào)而消耗掉的能量顯得尤為重要，但是節(jié)約能耗不能以犧牲室內(nèi)環(huán)境舒適性為代價(jià)，合理確定室內(nèi)環(huán)境舒適性標(biāo)準(zhǔn)和空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行控制方案，對(duì)于改善人體舒適性和降低建筑能耗都具有重要的意義。

1 動(dòng)態(tài)室內(nèi)空調(diào)環(huán)境

現(xiàn)在室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是依據(jù)最大負(fù)荷工況，并且將運(yùn)行參數(shù)設(shè)定為某一固定值。設(shè)備在運(yùn)行時(shí)此值不能隨室外環(huán)境的改變而變化，而是通過控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用將室內(nèi)空氣狀態(tài)參數(shù)穩(wěn)定在這一固定值周圍，形成所謂的穩(wěn)態(tài)室內(nèi)空調(diào)環(huán)境?？墒呛芏嗾{(diào)研表明，人們對(duì)這種室內(nèi)環(huán)境的舒適性并不滿意，而是更容易接受動(dòng)態(tài)的室內(nèi)空調(diào)環(huán)境。

動(dòng)態(tài)室內(nèi)空調(diào)環(huán)境是指空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)不斷變化的室外環(huán)境而相應(yīng)改變其參數(shù)設(shè)定值，或是最佳參數(shù)組合，設(shè)備在運(yùn)行時(shí)室內(nèi)空氣狀態(tài)參數(shù)不是穩(wěn)定在某一固定值周圍，而是變化的，形成的是能夠滿足人體熱舒適要求的動(dòng)態(tài)環(huán)境，同時(shí)還能夠達(dá)到建筑節(jié)能的目的。

2 動(dòng)態(tài)人體熱舒適

許多研究表明，人們對(duì)其所在的周圍的環(huán)境氣候所產(chǎn)生的冷和熱的感覺，是人們?cè)诒姸嘁蛩毓┩凶饔孟碌纳矸从?，這其中影響人體舒適程度的最主要因素有：空氣溫度（T）、相對(duì)濕度（φ）、流動(dòng)速度（ν）與平均輻射溫度（Tr）。討論人體熱舒適，不僅要考慮單一參數(shù)，同時(shí)還要考慮不同參數(shù)的相互組合對(duì)熱舒適的影響。

空氣溫度直接決定人體與空氣之間溫差，會(huì)影響人體熱量平衡，是影響人體舒適性的一項(xiàng)重要參數(shù)。人體通過機(jī)體可以感知周圍環(huán)境的冷與熱。根據(jù)人的冷熱感覺不同，環(huán)境可以被分為七級(jí)：冷、較涼、涼、舒適、暖、較熱、熱。

相對(duì)濕度反映空氣的干燥程度，影響人體皮膚表面汗液的蒸發(fā)速度，進(jìn)而影響人體溫度和舒適性。相對(duì)濕度過低時(shí)皮膚表面汗液的蒸發(fā)速度快，可使皮膚變干燥、粗糙、脫皮損傷，甚至削弱皮膚保護(hù)功能；相對(duì)濕度過高時(shí)皮膚表面汗液的蒸發(fā)速度慢，從而減少出汗，甚至關(guān)閉汗腺，感到皮膚粘滯、悶熱。事實(shí)上，從對(duì)人體熱舒適的影響來說，無論是冬季還是夏季，相對(duì)濕度相對(duì)其它因素均較小。例如，對(duì)于輕體力勞動(dòng)者，相對(duì)濕度變化10%，只是相當(dāng)于溫度變化0.3 ℃。一般夏季相對(duì)濕度在40%～60%，冬季在30%～40%人體感覺比較舒適。

空氣流動(dòng)速度在一定條件下會(huì)影響皮膚表面水分的蒸發(fā)速度。而室內(nèi)空氣紊流強(qiáng)度和紊流頻率在熱環(huán)境中，能夠增加人體冷感和空氣新鮮感。研究表明室內(nèi)空氣流速限制在1.2 m/s以內(nèi)，人體一般不會(huì)有吹冷風(fēng)感。但在室內(nèi)溫度和相對(duì)濕度較高的情況下，適當(dāng)提高室內(nèi)空氣流速仍能滿足人體熱舒適的要求。

平均輻射溫度取決于周圍物體表面溫度。有研究表明，為保持室內(nèi)人員的熱舒適狀態(tài)，周圍空氣溫度與室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度之差不能超過7 ℃。

3 室內(nèi)空調(diào)環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

從影響人體熱舒適主要環(huán)境因素來分析，圍圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度決定了平均輻射溫度，王怡通過對(duì)冬季集中供暖房間和空調(diào)房間熱環(huán)境的調(diào)查分析得出，身穿標(biāo)準(zhǔn)冬季衣服時(shí)，平輻射溫度每改變1 ℃，相當(dāng)于氣溫改變0.75 ℃，或相當(dāng)于有效溫度改變0.5 ℃。在實(shí)際生產(chǎn)、生活中，空氣溫度并不等于平均輻射溫度，對(duì)于很少局部輻射源且不考慮垂直溫差的常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)建筑，一般不考慮平均輻射溫度對(duì)人體舒適性的影響。因而，可以從空氣溫度、相對(duì)濕度、流動(dòng)速度來分析使用常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的建筑物環(huán)境參數(shù)對(duì)人體熱舒適性的影響。

空氣溫度是影響熱舒適性的最主要因素。連之偉等研究得出溫度在影響人體熱舒適的各參數(shù)中權(quán)重系數(shù)為0.53。人體熱舒適性與相對(duì)濕度的關(guān)系有兩層：

一是在同樣的舒適感時(shí)，室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度每降低5.56 ℃與干球溫度提高1 ℃及相對(duì)濕度降低25%大致相當(dāng)；

二是較低的相對(duì)濕度可以增強(qiáng)舒適感和空氣品質(zhì)。1992年美國(guó)ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)提出相對(duì)濕度上限是60%?？諝饬鲃?dòng)速度在一定程度上增強(qiáng)體表水分蒸發(fā)，水分蒸發(fā)吸收皮膚熱量而使人體感覺舒適，可是過大的空氣流動(dòng)速度會(huì)引起吹冷風(fēng)感。合理的做法是在風(fēng)速允許范圍內(nèi)適當(dāng)提高風(fēng)速來改善人體的熱濕感，提高熱舒適性。

從空調(diào)系統(tǒng)能耗角度來分析，室內(nèi)空氣狀態(tài)參數(shù)設(shè)定值的改變會(huì)引起空調(diào)能耗的變化。室內(nèi)空氣溫度對(duì)人體熱舒適的影響大于對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響；而相對(duì)濕度對(duì)人體熱舒適影響則小于對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響。所以在不影響人體熱舒適的條件下，可以在溫濕度的一定范圍內(nèi)通過適當(dāng)降低溫度，增大濕度的方法來實(shí)現(xiàn)節(jié)能。有資料表明，在夏季將溫度設(shè)定值降低1℃，空調(diào)系統(tǒng)能耗將增加9%，冬季將溫度設(shè)定值提高1 ℃，空調(diào)系統(tǒng)能耗將增加12%。

在熱濕環(huán)境下通過調(diào)節(jié)空氣流動(dòng)速度進(jìn)行參數(shù)的重新組合也可以滿足熱舒適的要求。涂光備等人通過實(shí)驗(yàn)分析得出廉價(jià)節(jié)能的熱舒適控制策略：在空氣干球溫度低于29.3 ℃，相對(duì)濕度為70%的條件下，可以通過提高空氣流速來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的舒適性。閆斌等人通過對(duì)某一建筑計(jì)算得出，以25 ℃為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度每提高1℃，相對(duì)能耗將減少6%。以相對(duì)濕度50%為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)濕度每提高5%，空調(diào)能耗將減少10%。

4 動(dòng)態(tài)室內(nèi)環(huán)境空調(diào)系統(tǒng)控制

4.1 動(dòng)態(tài)參數(shù)控制策略

目前國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都在致力于動(dòng)態(tài)空調(diào)策略下的人體熱舒適性研究。動(dòng)態(tài)參數(shù)控制策略是指隨著室內(nèi)空氣狀態(tài)參數(shù)的變化而相應(yīng)改變空調(diào)控制狀態(tài)的一種策略，從而實(shí)現(xiàn)送風(fēng)溫度、濕度和送風(fēng)方式的動(dòng)態(tài)化。有研究結(jié)果表明：由中性環(huán)境到冷環(huán)境或熱環(huán)境時(shí)，人體皮膚冷熱感覺出現(xiàn)“滯后”；而從冷環(huán)境或熱環(huán)境到中性環(huán)境時(shí)，人體皮膚冷熱感覺會(huì)出現(xiàn)“超越”，這反映出人體皮膚對(duì)熱的感覺具有更好的承受力?；谌梭w熱感覺的這種特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究了關(guān)于動(dòng)態(tài)室內(nèi)空調(diào)環(huán)境的溫度動(dòng)態(tài)化控制和風(fēng)速動(dòng)態(tài)化控制。

溫度動(dòng)態(tài)化是指空調(diào)系統(tǒng)向室內(nèi)供冷直至人體達(dá)到熱舒適要求之后停止供冷，此后室內(nèi)空氣會(huì)吸收室內(nèi)熱源及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱量，室溫隨時(shí)間的進(jìn)行不斷增加，人體感覺到越來越熱?？梢娫跓岵▌?dòng)作用下， 人體皮膚熱感覺出現(xiàn)"滯后"，而且人體所能接受溫度變化范圍隨熱波動(dòng)速率增大而變大。得出的結(jié)論是，在一定時(shí)間間隔△t之后再向室內(nèi)供冷，只要△t不是太大，同樣能使環(huán)境維持在較高的熱舒適性水平。

風(fēng)速動(dòng)態(tài)化控制是指通過編制程序調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)最大程度地模擬自然風(fēng)。已有研究表明人體對(duì)自然風(fēng)的可接受程度最高。采用風(fēng)速動(dòng)態(tài)化控制不僅可以形成類似自然風(fēng)增加人體舒適感，還能補(bǔ)償溫度升高達(dá)到節(jié)能的效果。董靜通過研究得出，采用動(dòng)態(tài)風(fēng)速能夠達(dá)到既改善熱環(huán)境又不引起吹風(fēng)不適感，給出了滿足人體舒適感的較佳工況：相對(duì)濕度50%，服裝熱阻為0.6 clo的情況下，當(dāng)動(dòng)態(tài)溫度波動(dòng)范圍為27～29 ℃時(shí)，人體熱感覺指標(biāo)TSV（thermal sensation vote）值基本在（-0.5，+0.5）的范圍內(nèi)波動(dòng)，可較好地滿足人體舒適性需要。

4.2 動(dòng)態(tài)空調(diào)系統(tǒng)控制的節(jié)能性分析

在一些低能耗建筑中，應(yīng)該優(yōu)先考慮采用動(dòng)態(tài)空調(diào)控制系統(tǒng)的形式（如盡可能的使用自然通風(fēng)、被動(dòng)式制冷、夜間通風(fēng)、白天混合通風(fēng)等）來制冷。而且國(guó)外有學(xué)者研究，室內(nèi)人員對(duì)室內(nèi)環(huán)境的滿意情況更多的與居住者是否能夠?qū)ζ渲車h(huán)境進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)有關(guān)，而與室內(nèi)實(shí)際空氣參數(shù)值的關(guān)系并不大。如果室內(nèi)人員能夠通過改變遮陽(yáng)效果、調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、濕度等來適當(dāng)控制室內(nèi)環(huán)境，就更容易對(duì)室內(nèi)環(huán)境感到滿意，這樣還能實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能。

已有業(yè)內(nèi)學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)證明動(dòng)態(tài)空調(diào)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)很好的節(jié)能效果。Kenzo Yone zawa等人根據(jù)居住者的熱感覺通過啟停熱源數(shù)量控制、新風(fēng)量控制和夜間清洗控制等方式來實(shí)現(xiàn)控制節(jié)能。通過PMV值的控制使室內(nèi)環(huán)境處在舒適性范圍內(nèi)，制熱時(shí)使PMV值處在舒適性下限，制冷時(shí)使PMV值處在舒適性上限，以此來降低空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著節(jié)能意識(shí)的不斷深入，在改善室內(nèi)環(huán)境、保證熱舒適性的前提下降低空調(diào)系統(tǒng)能耗越來越得到人們關(guān)注。雖然空調(diào)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)都符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，但是，對(duì)其帶來室內(nèi)環(huán)境有時(shí)候我們還是感到不滿意。所以，在空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不能局限于當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，除了考慮建筑功能特點(diǎn)及具體的地域和氣候條件之外，更為重要的是通過分析熱舒適要求規(guī)律和建筑全年的負(fù)荷變化規(guī)律，來確定合適的空調(diào)系統(tǒng)形式和合理的空調(diào)控制策略。動(dòng)態(tài)室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)不但能夠提供動(dòng)態(tài)熱舒適環(huán)境，還能降低其運(yùn)行能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。如果與自然通風(fēng)、被動(dòng)式冷卻等調(diào)節(jié)方式相結(jié)合，將會(huì)帶來更好的節(jié)能效果。

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