熱濕工況下工位輻射空調(diào)的熱舒適實(shí)驗(yàn)研究

何梅玲++李念平++何穎東++賀德

摘要：

為研究熱濕工況下使用工位輻射空調(diào)的人體熱舒適情況，在人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，通過(guò)改變環(huán)境背景溫度來(lái)影響人體的熱感覺(jué)，并采用熱感覺(jué)投票（TSV）作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)研究了人體頭部、軀干、上肢、下肢以及整體熱感覺(jué)情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，盡管背景環(huán)境參數(shù)超出舒適范圍，但使用工位輻射空調(diào)能維持受試者的舒適狀態(tài)，即背景溫度穩(wěn)定在28 ℃時(shí)，平均整體熱感覺(jué)投票值低于+0.2；背景溫度為30 ℃時(shí)，受試者熱感覺(jué)仍能滿足ASHRAE規(guī)范中規(guī)定的80%可接受范圍要求。

關(guān)鍵詞：

熱感覺(jué)；熱舒適；環(huán)境參數(shù)；工位空調(diào)

Abstract：

This study focuses on thermal comfort of subjects with radiant panel workstation in hothumid environment. The experiments are carried out in the experimental chamber. Thermal sensations of whole body， head， trunk， upper limb and lower limb of subjects are collected on the basis of sevenscale vote. The obtained results indicate that the average vote of thermal sensation at 28 ℃ is lower than +0.2， and subjects could maintain comfortable condition well with radiant panel workstation （within the 80% acceptable range of ASHRAE Standard） although indoor environment is as high as 30 ℃ . This study provides a new way for both extending comfortable temperature range and saving energy in buildings.

Keywords：

thermal sensation； thermal comfort； environmental parameter； radiant panel workstation

在傳統(tǒng)空調(diào)環(huán)境中，即使溫濕度在舒適區(qū)間內(nèi)，建筑中的人仍會(huì)抱怨其所處的室內(nèi)環(huán)境[1]。許多研究已經(jīng)證實(shí)，相比傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)，輻射空調(diào)系統(tǒng)不僅能創(chuàng)造更舒適的室內(nèi)環(huán)境，還具有節(jié)能優(yōu)勢(shì)[14]。輻射空調(diào)系統(tǒng)提供了高品質(zhì)的室內(nèi)環(huán)境，又具備節(jié)能潛力，有著傳統(tǒng)空調(diào)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，符合未來(lái)空調(diào)的發(fā)展方向：健康、節(jié)能和人性化[5]。相同溫度時(shí)，人在輻射供冷環(huán)境中感覺(jué)更涼快[2]。一些學(xué)者認(rèn)為，在同樣溫度下人體在輻射供冷環(huán)境中對(duì)氣溫的感覺(jué)比在對(duì)流空調(diào)環(huán)境中的感覺(jué)低2 ℃[6]。毛細(xì)管輻射空調(diào)有望成為未來(lái)空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展的新選擇[7]。

為了深入研究輻射供冷熱環(huán)境中人體的熱舒適特性，近年來(lái)許多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究。Corgnati等[8]通過(guò)模擬全空氣系統(tǒng)和輻射供冷系統(tǒng)產(chǎn)生的熱環(huán)境，發(fā)現(xiàn)輻射供冷系統(tǒng)垂直溫差更小、室內(nèi)風(fēng)速更低、人員吹風(fēng)感更弱。Zhao等[9]模擬裝有地面輻射供冷系統(tǒng)的高大空間建筑室內(nèi)熱環(huán)境，發(fā)現(xiàn)使用地板輻射供冷與全空氣系統(tǒng)相比具有更高的能效和舒適性。Imanari等[1]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了在輻射空調(diào)和對(duì)流空調(diào)環(huán)境中人體熱舒適特性，發(fā)現(xiàn)輻射供冷環(huán)境下的舒適度優(yōu)于對(duì)流空調(diào)環(huán)境下的舒適度。Kitagawa等[10]發(fā)現(xiàn)在輻射供冷環(huán)境中，適當(dāng)提高風(fēng)速可以有效降低人體的熱感，從而有效地提高了舒適性。周慧鑫等[11]對(duì)地板輻射供冷結(jié)合新風(fēng)系統(tǒng)的空調(diào)方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，表明該系統(tǒng)具有一定的蓄冷特性，不僅能滿足人體對(duì)熱舒適性的要求，并且能有效克服供冷能力較低和結(jié)露等問(wèn)題。高志宏等[12]通過(guò)CFD模擬計(jì)算，得到了不同輻射板位置和室內(nèi)熱源情況下冷板供冷能力及室內(nèi)熱環(huán)境分布情況，以得到最優(yōu)的舒適環(huán)境?，F(xiàn)有研究表明，輻射空調(diào)系統(tǒng)雖然擁有舒適的優(yōu)勢(shì)，但還存在以下問(wèn)題：1）研究主要集中在ASHRAE舒適范圍內(nèi)，對(duì)熱濕環(huán)境下輻射空調(diào)的舒適性研究較少；2）當(dāng)前針對(duì)輻射換熱環(huán)境的研究涉及局部熱舒適較少。文獻(xiàn)[1319]表明，對(duì)流環(huán)境下，身體局部的熱感覺(jué)與整體熱感覺(jué)存在關(guān)聯(lián)性。Sakoi等[20]通過(guò)在人體和假人模型的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)頭部散熱量越大人感覺(jué)越舒適，足部則有相反的結(jié)果。因此，在輻射換熱環(huán)境中，不僅應(yīng)考慮整體熱舒適性，也應(yīng)注重身體局部的熱舒適性。

筆者以一種新型工位輻射空調(diào)末端裝置（以下簡(jiǎn)稱“工位輻射空調(diào)”）為基礎(chǔ)，研究輻射供冷辦公環(huán)境中的人體熱舒適性。研究在湖南大學(xué)人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了在偏離舒適區(qū)環(huán)境中受試者的整體熱感覺(jué)及身體局部熱感覺(jué)狀況，并與對(duì)流環(huán)境對(duì)比，確定該新型輻射空調(diào)系統(tǒng)末端裝置對(duì)提高熱濕環(huán)境中人員熱舒適性的效果。〖BJ（0，4*2，0，0〗〖BJ）〗

1實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)施

1.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境與受試者

實(shí)驗(yàn)在湖南大學(xué)人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)安裝了一套新型工位輻射空調(diào)末端裝置（已申請(qǐng)專利），該裝置以毛細(xì)管輻射板作為工位的隔板和桌面，整張桌子由5塊輻射板構(gòu)成。輻射工位由冷水機(jī)組提供循環(huán)冷凍水，實(shí)驗(yàn)期間，開(kāi)啟的輻射板板面溫度控制在24 ℃，未開(kāi)啟的輻射板板面溫度同環(huán)境空氣溫度，室內(nèi)環(huán)境空氣溫度為26、28、30 ℃，該裝置結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1，該裝置實(shí)物圖見(jiàn)圖2。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)背景環(huán)境參數(shù)由另外一套空調(diào)系統(tǒng)控制。

環(huán)境溫度和相對(duì)濕度采用TR72i溫濕度測(cè)試儀測(cè)量，測(cè)量溫濕度范圍0～50 ℃、10%～95% RH；采用美國(guó)TSI8347熱式風(fēng)速儀測(cè)定室內(nèi)風(fēng)速，測(cè)量風(fēng)速范圍0～20 m/s；輻射板面溫度通過(guò)貼片式鉑電阻PT100進(jìn)行測(cè)量，并接無(wú)紙記錄儀記錄。

共有16名受試者參與實(shí)驗(yàn)，受試者均為大學(xué)生，男生、女生各8名，身高165±6.9 cm，體重60±10.2 kg。受試者均來(lái)自于夏熱冬冷地區(qū)或至少在該地區(qū)生活一年，身體健康，參加實(shí)驗(yàn)前具有良好的睡眠及飲食，且未喝含酒精或咖啡因的飲料。試驗(yàn)中的受試者的服裝為夏季標(biāo)準(zhǔn)著裝，上身穿短袖T恤、下身穿薄長(zhǎng)褲，受試者的服裝熱阻約為05 clo。

1.2實(shí)驗(yàn)工況

考慮到頭部易熱、足部易冷，實(shí)驗(yàn)并未開(kāi)啟所有輻射板，只開(kāi)啟了桌面以及桌面前上隔板兩塊輻射板。背景區(qū)溫度選用26、28、30 ℃，另外設(shè)置3個(gè)不使用工位輻射空調(diào)的對(duì)照組，共6個(gè)工況。

受試者到達(dá)實(shí)驗(yàn)室后，按實(shí)驗(yàn)要求整理服裝，在進(jìn)入工作區(qū)之前先在背景區(qū)靜坐20 min，以減少外界環(huán)境對(duì)受試者感覺(jué)的影響。同時(shí)，在此段時(shí)間由實(shí)驗(yàn)人員向受試者介紹實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所要注意的事項(xiàng)，受試者填寫(xiě)個(gè)人信息。然后受試者進(jìn)入工作區(qū)，按事先安排好的位置坐下開(kāi)始正式的測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中受試者可以看書(shū)、聽(tīng)音樂(lè)、操作電腦或輕聲交談，但談話不能涉及問(wèn)卷內(nèi)容。受試者進(jìn)入工作區(qū)，立即填寫(xiě)第1份問(wèn)卷，以后每隔10 min填寫(xiě)1份，每次實(shí)驗(yàn)受試者使用工位輻射空調(diào)末端裝置40 min，共填寫(xiě)5份答卷。熱感覺(jué)投票（TSV）采用7個(gè)等級(jí)的衡量標(biāo)準(zhǔn)。熱感覺(jué)投票劃分等級(jí)見(jiàn)表1。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1動(dòng)態(tài)的整體和局部熱感覺(jué)

實(shí)驗(yàn)設(shè)定的背景環(huán)境溫度為26、28、30 ℃，相對(duì)濕度為80%，風(fēng)速在0.15 m/s之內(nèi)。如圖3所示，工位輻射空調(diào)開(kāi)啟的情況下，頭部的熱感覺(jué)會(huì)明顯低于工位輻射空調(diào)不開(kāi)啟的情況。當(dāng)溫度為26、28 ℃時(shí)，頭部的熱感覺(jué)穩(wěn)定在0～0.5之間，熱感不強(qiáng)；當(dāng)溫度為30 ℃時(shí)，雖然受試者頭部的熱感覺(jué)有高于+0.6的情況，但隨著使用輻射工位時(shí)間的增加，熱感覺(jué)最終低于+0.5。而在不使用工位輻射空調(diào)的情況下，除了背景環(huán)境溫度為26 ℃時(shí)受試者處于較為舒適的狀態(tài)，在28、30 ℃時(shí)，受試者頭部熱感覺(jué)均隨著時(shí)間的增加而逐漸升高，并接近有點(diǎn)熱（+1）的狀態(tài)。

如圖4所示，工位輻射空調(diào)開(kāi)啟的情況下，軀干的熱感覺(jué)明顯低于工位輻射空調(diào)不開(kāi)啟的情況，與頭部的熱感覺(jué)類似。當(dāng)溫度為26、28 ℃時(shí)，軀干的平均熱感覺(jué)投票值穩(wěn)定在0～0.4之間，受試者處于一個(gè)較為舒適的狀態(tài)；當(dāng)溫度為30 ℃時(shí)，雖然受試者軀干熱感覺(jué)在+0.6左右，但是，在不使用工位輻射空調(diào)的情況下，除了背景環(huán)境溫度為26 ℃時(shí)，受試者熱感覺(jué)基本穩(wěn)定在+0.4之內(nèi)，其他兩個(gè)溫度，受試者熱感覺(jué)隨著時(shí)間的增加，均超過(guò)了+0.6。

如圖5所示，在工位輻射空調(diào)開(kāi)啟的情況下，同頭部和軀干的熱感覺(jué)，上肢熱感覺(jué)明顯低于工位輻射空調(diào)未開(kāi)啟的情況，且比頭部和軀干的效果更加明顯。當(dāng)背景溫度為26、28 ℃時(shí)，上肢因?yàn)榕c桌面直接接觸，會(huì)感覺(jué)偏涼，熱感覺(jué)小于0。當(dāng)背景溫度為28、30 ℃時(shí)，上肢熱感覺(jué)在-0.1～+0.1之間，非常接近中性狀態(tài)。在輻射空調(diào)未開(kāi)啟情況下，當(dāng)背景溫度為28、30 ℃時(shí)，受試者上肢平均熱感覺(jué)投票超過(guò)了+0.6。

如圖6所示，在工位輻射空調(diào)開(kāi)啟時(shí)，同頭部、軀干、上肢的熱感覺(jué)，下肢的熱感覺(jué)明顯低于工位輻射空調(diào)未開(kāi)啟的情況。當(dāng)背景溫度為26、28 ℃時(shí)，下肢熱感覺(jué)穩(wěn)定在+0.4之內(nèi)，當(dāng)背景溫度為30 ℃時(shí)，下肢熱感覺(jué)未超過(guò)+0.6。未開(kāi)啟工位輻射空調(diào)時(shí)，當(dāng)背景溫度為28、30 ℃時(shí)，受試者下肢熱感覺(jué)在+0.6左右。

如圖7所示，在工位輻射空調(diào)開(kāi)啟的情況下，同局部熱感覺(jué)類似，整體的熱感覺(jué)明顯低于工位空調(diào)未開(kāi)啟的情況，且隨著使用輻射工位時(shí)間增加，整體熱感覺(jué)由熱的一側(cè)降至冷的一側(cè)。當(dāng)背景溫度為26、28 ℃時(shí)，整體熱感覺(jué)穩(wěn)定以后在-0.2～0.2之間，受試者逐漸趨向于舒適狀態(tài)。當(dāng)背景溫度為30 ℃時(shí)，整體熱感覺(jué)在+0.7左右。未開(kāi)啟工位輻射空調(diào)時(shí)，當(dāng)背景溫度為28 ℃，受試者整體熱感覺(jué)超過(guò)+0.8，而當(dāng)背景溫度為30 ℃時(shí)，受試者最終整體熱感覺(jué)超過(guò)了+1.3。

綜合以上局部以及整體熱感覺(jué)分析可知，工位輻射空調(diào)能在高溫高濕環(huán)境明顯改善人的舒適性。

2.2穩(wěn)態(tài)的整體與局部熱感覺(jué)

當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到20 min后，受試者的熱感覺(jué)基本穩(wěn)定，取最后3份問(wèn)卷的平均值作為穩(wěn)定期的數(shù)據(jù)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組進(jìn)入穩(wěn)定期后，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖8所示，當(dāng)背景溫度為26 ℃時(shí)，使用工位輻射空調(diào)降低了整體和局部的熱感，且使用輻射工位使得整體熱感覺(jué)和上肢熱感覺(jué)與對(duì)照組產(chǎn)生了極顯著差異（配對(duì)T檢驗(yàn)，P<0.01），而其他部位的熱感覺(jué)雖有所降低，但未產(chǎn)生顯著差異（P>0.05）。

如圖9所示，當(dāng)背景溫度為28 ℃時(shí)，相比26 ℃，使用工位輻射空調(diào)產(chǎn)生了更顯著的效果。相比對(duì)照組，工位輻射空調(diào)顯著降低了整體和局部熱感，其中上肢熱感覺(jué)降低最為明顯。特別地，兩種工況下，下肢熱感覺(jué)有顯著差異（P<0.05），頭部、軀干、上肢及整體熱感覺(jué)有非常顯著的差異（P<0.01）。這一結(jié)果表明在28 ℃時(shí)，工位輻射空調(diào)具有顯著改善熱舒適的效果。

如圖10所示，當(dāng)背景溫度為30 ℃時(shí)，使用工位輻射空調(diào)仍使得整體和局部熱感覺(jué)接近中性，整體熱感覺(jué)情況明顯優(yōu)于對(duì)照組（實(shí)驗(yàn)組整體熱感覺(jué)仍接近ASHRAE規(guī)范中規(guī)定的80%可接受范圍對(duì)應(yīng)值[21]，而對(duì)照組整體熱感覺(jué)超出80%可接受范圍）。兩種工況下，上肢的熱感覺(jué)的差別最大。兩種工況下，上肢熱感覺(jué)具有極顯著差異（P<0.01），頭部和整體熱感覺(jué)具有顯著差異（P<0.05），軀干和下肢的熱感覺(jué)則無(wú)顯著差異（P>0.05）。由此可知，在30 ℃背景的環(huán)境下，工位輻射空調(diào)雖不如28 ℃時(shí)的效果明顯，但仍能改善人體熱舒適性。

2.3節(jié)能性分析

現(xiàn)有模擬軟件中沒(méi)有相應(yīng)或接近的末端模型，因此，采用加州伯克利大學(xué)分析使用個(gè)人舒適系統(tǒng)產(chǎn)生的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能率的方法[2223]研究本工位末端裝置的預(yù)計(jì)節(jié)能效果。如圖11所示，夏季建筑室內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫度每提高1 ℃，空調(diào)系統(tǒng)約可實(shí)現(xiàn)節(jié)能10%。鑒于研究中工位輻射空調(diào)可將夏季舒適溫度范圍上限由26 ℃提升至30 ℃，預(yù)計(jì)其可實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能30%以上。

綜合以上結(jié)果可知，該工位輻射空調(diào)能有效擴(kuò)展夏季室內(nèi)舒適溫度范圍、提高夏季背景區(qū)空調(diào)設(shè)定溫度，且存在較大的節(jié)能潛力。

3結(jié)論

1）隨著使用輻射工位時(shí)間增加，受試者的整體熱感覺(jué)逐漸降低并接近中性，上肢熱感覺(jué)顯著低于身體其他部位熱感覺(jué)。

2）相比對(duì)照組，工位輻射空調(diào)有明顯的改善熱舒適的作用，但在26 ℃時(shí)，工位輻射空調(diào)的效果并不明顯。

3）當(dāng)溫度為28、30 ℃時(shí)，工位輻射空調(diào)仍能維持人體舒適性，而傳統(tǒng)的對(duì)流空調(diào)系統(tǒng)不能保證舒適性。

4）工位輻射空調(diào)能有效擴(kuò)展舒適溫度范圍、提高背景區(qū)空調(diào)設(shè)定溫度，為建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能提供新途徑。

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