基于人員流量的商業(yè)建筑夏季環(huán)境熱舒適模型研究

(上海泰豪環(huán)境科技有限公司, 上海 200092)

0 引 言

隨著城市化的發(fā)展,國(guó)內(nèi)一、二線(xiàn)城市的大型商業(yè)綜合體建筑日益增多,為滿(mǎn)足建筑室內(nèi)環(huán)境設(shè)置的空調(diào)系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜,建筑能耗也急劇增長(zhǎng),但是很多商業(yè)綜合體的室內(nèi)環(huán)境舒適性仍差強(qiáng)人意。這是因?yàn)榻ㄖh(huán)境的熱舒適性與室內(nèi)人員數(shù)量、室內(nèi)設(shè)備發(fā)熱功率、運(yùn)營(yíng)管理水平等均有關(guān)系,由于商業(yè)綜合體的人員流量變化快速,而空調(diào)系統(tǒng)未能根據(jù)人員流量進(jìn)行調(diào)節(jié),不僅導(dǎo)致空調(diào)能耗的浪費(fèi),而且環(huán)境熱舒適性難以得到滿(mǎn)足。因此,建立商業(yè)綜合體建筑的環(huán)境熱舒適模型,不僅可以為商業(yè)綜合體建筑的室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計(jì)、控制和評(píng)估提供依據(jù),并且在保證舒適度的條件下盡可能地降低空調(diào)能耗。

1 熱舒適研究理論

1.1 熱舒適模型

熱舒適是人體對(duì)周?chē)h(huán)境在主觀上的感知過(guò)程?？諝庹{(diào)節(jié)領(lǐng)域普遍認(rèn)可的熱舒適理論模型為Fanger教授建立的穩(wěn)態(tài)能量平衡模型[1]?；谠撃Ｐ偷臒崾孢m評(píng)價(jià)指標(biāo)PMV和PPD是目前最全面的評(píng)價(jià)熱環(huán)境指標(biāo)。PMV為預(yù)測(cè)平均投票數(shù),表征人體熱反應(yīng)(冷熱感)的評(píng)價(jià)指標(biāo)(同一環(huán)境中大多數(shù)人冷熱感覺(jué)的平均),PMV為0時(shí)人體熱舒適最佳。當(dāng)PMV為0時(shí),不滿(mǎn)意的投票平均值(PPD)為5%,表明最佳熱環(huán)境情況下仍有5%的人感到不滿(mǎn)意,這是由人的生理差異造成的。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于商業(yè)綜合體建筑熱舒適的研究主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的方式,較少涉及評(píng)價(jià)模型。2008年王燁等人通過(guò)環(huán)境測(cè)試和問(wèn)卷調(diào)查對(duì)某超市進(jìn)行研究,得到的結(jié)果與PMV-PPD理論結(jié)果比較一致[2]。2004年張培紅等人對(duì)沈陽(yáng)市商業(yè)建筑的冬季熱舒適展開(kāi)問(wèn)卷調(diào)查,考慮年齡、性別因素的影響,得到冬季室內(nèi)控制溫度為18.5 ℃[3]。2013年趙西平等人調(diào)查西安某商場(chǎng)冬季室內(nèi)熱舒適性,發(fā)現(xiàn)80%的人員感覺(jué)溫度過(guò)高,尤其是人流數(shù)量高峰期[4]。2017年錫望對(duì)北京某商業(yè)綜合體建筑中庭的夏季熱環(huán)境進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)夏季PMV均值達(dá)到+1(偏暖);13∶00～15∶00時(shí)間段PMV值達(dá)到最大(+3),熱舒適性最差;11∶00～12∶00、16∶00～17∶00時(shí)間段PMV值最低,熱舒適性最佳[5]。

1.2 人體熱舒適的影響因素

熱舒適的影響因素分為物理因素、生理因素以及其他條件因素。從物理角度,人感到舒適的必要條件是人體必需達(dá)到熱平衡狀態(tài)。人體與周?chē)h(huán)境的輻射、對(duì)流以及導(dǎo)熱是得熱或失熱過(guò)程,而蒸發(fā)則完全是失熱過(guò)程[6]。影響人體熱舒適的物理因素包括空氣溫度、空氣濕度、空氣流速、平均輻射溫度。從生理角度,人體的新陳代謝以及衣服的保溫性能影響人體的熱舒適狀態(tài)。因此,生理因素包括人體新陳代謝率和服裝熱阻。此外,個(gè)體差異也會(huì)影響熱環(huán)境的評(píng)價(jià)。當(dāng)然,這些因素中物理因素對(duì)人體熱舒適的影響占據(jù)主要作用。

商業(yè)綜合體建筑的特征是人員流量變化頻繁,高峰期人員密度極大,低谷期人員密度極小,這些特征導(dǎo)致室內(nèi)溫度控制的難度增加,室內(nèi)容易出現(xiàn)過(guò)冷、過(guò)熱的情況,不僅增加空調(diào)能耗,而且造成人員的不舒適性。

2 商業(yè)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的溫度控制模型分析

2.1 控制溫度與熱舒適的關(guān)系

早有學(xué)者研究控制溫度(熱中性溫度)與熱舒適的關(guān)系。文獻(xiàn)[7]認(rèn)為人會(huì)對(duì)室內(nèi)溫度有一個(gè)期望值,且該期望值會(huì)隨著室外溫度的變化而變化。根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者多年的研究,認(rèn)為控制溫度與室外環(huán)境溫度具有較強(qiáng)的相關(guān)性,且一般通過(guò)實(shí)地調(diào)查與測(cè)試,采用線(xiàn)性回歸方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到控制溫度與室外溫度的線(xiàn)性方程式。一般將這種室內(nèi)外溫度的關(guān)系稱(chēng)為熱適應(yīng)模型。2003年楊柳對(duì)我國(guó)5個(gè)代表城市的住宅建筑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和問(wèn)卷調(diào)查[8],得出人體控制溫度與室外空氣溫度的綜合線(xiàn)性關(guān)系式。2008年葉曉江等人通過(guò)環(huán)境參數(shù)測(cè)量和問(wèn)卷調(diào)查結(jié)合的方式,分析和探討上海地區(qū)室內(nèi)外氣候條件的關(guān)系[9],最終得到關(guān)系式。

以上控制溫度與熱舒適的分析僅考慮室外空氣溫度,建立的模型均只有室外空氣溫度是唯一影響因素。實(shí)際上,商業(yè)建筑由于人員流量變化較大,會(huì)直接影響到控制溫度和熱舒適,因此以下對(duì)控制溫度的分析將在室外空氣溫度的基礎(chǔ)上加人員流量的影響。

2.2 基于人員流量的商業(yè)建筑控制溫度模型分析方法

根據(jù)Fanger教授的熱舒適理論及PMV指標(biāo),通過(guò)分析人員流量與控制溫度之間的關(guān)系,建立基于人員流量的商業(yè)建筑室內(nèi)控制溫度模型。PMV的影響因素包括人體新陳代謝率、人體所做的機(jī)械功、平均輻射溫度、服裝熱阻、空氣溫度、空氣相對(duì)濕度以及空氣流速。根據(jù)PMV的定義,PMV為0時(shí)人體熱舒適最滿(mǎn)意。PMV的計(jì)算公式:

(1)

式中:M——人體能量代謝產(chǎn)熱量,W/m2;

W——人體所作的外部機(jī)械功,W/m2;

Pa——空氣中的水蒸氣分壓力(與環(huán)境溫度和濕度有關(guān)),Pa;

fcl——著裝時(shí)人的體表面積與裸露時(shí)人的體表面積之比,夏季一般取0.5;

ta——空氣溫度(即室內(nèi)控制溫度),℃;

hc——對(duì)流換熱系數(shù),W/( m2·K);

tcl——服裝表面溫度(與服裝熱阻有關(guān)),℃。

基于人員流量的商業(yè)綜合體溫度控制模型分析方法如圖1所示,首先分析人員流量與平均輻射溫度(自變量)之間的關(guān)系,通過(guò)控制PMV為0,求得人體熱舒適的空氣溫度,該空氣溫度即商業(yè)建筑中的控制溫度(因變量)。然后對(duì)求得的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線(xiàn)性回歸計(jì)算,得出基于人員流量的商業(yè)綜合體建筑溫度控制模型。傳統(tǒng)PMV模型中人員流量為固定值,本文考慮人員流量變化的情況,人員流量的變化主要對(duì)平均輻射溫度產(chǎn)生影響。

圖1 基于人員流量的商業(yè)綜合體溫度控制模型分析方法

3 基于人員流量的商業(yè)建筑控制溫度模型分析過(guò)程

3.1 上海地區(qū)商業(yè)建筑室內(nèi)控制溫度的參數(shù)設(shè)定

商業(yè)建筑中,PMV影響參數(shù)的取值和計(jì)算方式如下:

(1) 人體新陳代謝率和機(jī)械功的取值。人體新陳代謝率取決于人體的活動(dòng)狀態(tài)[10],商業(yè)建筑大部分乘客在處于走動(dòng)站立狀態(tài),根據(jù)上海地區(qū)標(biāo)準(zhǔn),人體代謝率取74 W/m2,人體做功平均為30 W/m2。

(2) 平均輻射溫度的確定。人員在建筑內(nèi)的輻射熱交換包括人員與周邊的輻射熱交換、人員與人員之間的輻射熱交換。人員與人員的輻射熱交換占比最高,因此平均輻射溫度與人員流量密切相關(guān)。根據(jù)平均輻射溫度法,假定封閉空間與環(huán)境之間熱交換等于實(shí)際環(huán)境的輻射熱交換,則可以理論分析出不同人員流量下人體的平均輻射溫度[11]。

假設(shè)人體表面溫度為31 ℃,建筑周邊壁面溫度為24 ℃,人體截面取長(zhǎng)軸半徑0.2 m,短軸半徑0.15 m的橢圓,身高取1.7 m。假設(shè)建筑物為長(zhǎng)、寬、高分別為1 m、1 m、4 m的長(zhǎng)方體，平均輻射溫度為

(2)

式中:Fj——周?chē)h(huán)境各表面面積,m2;

tj——周?chē)h(huán)境各表面溫度,℃。

根據(jù)式(2)計(jì)算,當(dāng)人員密度由0.25人/m2變化至1.5人/m2時(shí),人體平均輻射溫度如表1所示。

表1 人體平均輻射溫度

(3) 服裝熱阻的取值。不同的氣候條件下,人的穿衣方式也不同,因而服裝熱阻與外界氣溫有著直接聯(lián)系。根據(jù)調(diào)研資料,上海地區(qū)在夏季(室外氣溫35 ℃時(shí)),服裝熱阻一般為0.30 clo;初秋季節(jié)(室外氣溫25 ℃時(shí)),服裝熱阻一般為0.60 clo,根據(jù)線(xiàn)性插值法求得服裝熱阻與室外氣溫之間的關(guān)系式:

Icl=-0.03tout+1.35

(3)

式中:Icl——服裝熱阻,m2·℃/W;

tout——室外空氣溫度,℃。

(4) 室內(nèi)相對(duì)溫度和流速的取值。對(duì)上海地區(qū)部分商業(yè)建筑測(cè)試表明,室內(nèi)空氣相對(duì)濕度均值為54%,空氣流速為0.5 m/s。

地緣文明指的是地緣理論在文明領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用，以文明研究的視角“對(duì)特定民族、國(guó)家或文明之間存在的不可更改、不可復(fù)制、不可逃避的毗鄰關(guān)系進(jìn)行描述，進(jìn)而對(duì)古往今來(lái)人類(lèi)共同體之間因先天性頻臨關(guān)系而發(fā)生的經(jīng)濟(jì)、文化和政治互動(dòng)或者互動(dòng)中的可能性加以討論?！盵1]顯而易見(jiàn)，地緣文明的地理性是在特定空間區(qū)域范圍內(nèi)的文明或歷史文化的地緣集合體，這些地緣集合體擁有類(lèi)似的歷史文化記憶，分享類(lèi)似的語(yǔ)言、宗教、風(fēng)俗習(xí)慣和價(jià)值觀。

3.2 上海地區(qū)商業(yè)建筑室內(nèi)控制溫度模型的確定

將以上計(jì)算得到的參數(shù)結(jié)果帶入到式(1)的PMV方程,令PMV=0,即可得到最佳室內(nèi)控制溫度。通過(guò)PMV計(jì)算的最佳控制溫度如表2所示,空氣流速為0.5 m/s。

將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行兩元線(xiàn)性回歸,得到基于人員流量和室外空氣溫度的商業(yè)建筑室內(nèi)控制模型:

tin=0.30tout-0.36n+16.21

(4)

式中:tin——控制溫度,℃;

n——人員密度,人/m2。

由此可見(jiàn),商業(yè)建筑室內(nèi)控制溫度與室外溫度成正比,與室內(nèi)人員流量成反比。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,基于人員流量和室外空氣溫度的商業(yè)建筑室內(nèi)最佳控制溫度曲線(xiàn)如圖2所示。

表2 通過(guò)PMV計(jì)算的最佳控制溫度 ℃

圖2 基于人員流量和室外空氣溫度的商業(yè)建筑室內(nèi)最佳控制溫度

3.3 上海地區(qū)商業(yè)建筑室內(nèi)舒適性調(diào)查

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,2017年8月某周末13∶00～15∶00時(shí)段對(duì)上海地區(qū)某商業(yè)建筑進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境的測(cè)試以及舒適性問(wèn)卷調(diào)查。該時(shí)段屬于人員流量較高的時(shí)段,平均人員流量達(dá)到1.38人/m2;室外平均溫度為33.8 ℃,室內(nèi)環(huán)境溫度為27.5 ℃。

根據(jù)式(4)的室內(nèi)控制溫度模型,室內(nèi)最佳控制溫度為25.85 ℃。由于室內(nèi)環(huán)境溫度高于最佳控制溫度,根據(jù)理論模型可以認(rèn)為該商業(yè)建筑的人體熱舒適感覺(jué)為偏熱。問(wèn)卷調(diào)查采用Fanger的熱感覺(jué)標(biāo)尺,即冷(-3)、涼(-2)、微涼(-1)、居中(0)、稍暖(1)、暖(2)、熱(3),測(cè)試當(dāng)天共收得樣本106份,結(jié)果顯示有高達(dá)87%的人員認(rèn)為室內(nèi)環(huán)境“稍暖”及以上,與模型分析的結(jié)果一致。

4 結(jié) 語(yǔ)

上海地區(qū)商業(yè)建筑的人員流量變化較大,但是空調(diào)控制溫度的設(shè)定模式不能根據(jù)人員流量變化進(jìn)行調(diào)節(jié),不但增加建筑空調(diào)能耗,而且降低建筑環(huán)境的熱舒適性?；诮?jīng)典的PMV室內(nèi)熱舒適模型,考慮商業(yè)建筑內(nèi)人員流量等因素,建立上海地區(qū)商業(yè)建筑室內(nèi)控制溫度模型,并且通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明,該模型能夠根據(jù)人員流量較好地確定合理的空調(diào)控制溫度,以達(dá)到較好的室內(nèi)熱舒適性。

[1]Moderatethermalenvironment—deteminationofthePMVandPPDindicesandspecificationoftheconditionforthemralcomfort:ISO7730[S].

[2]王燁,張金萍,朱琨.蘭州市某超市夏季室內(nèi)空氣質(zhì)量及熱舒適性研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2008,8(2):92-97.

[3]張培紅,牛潤(rùn)萍.沈陽(yáng)市商場(chǎng)冬季熱舒適的實(shí)測(cè)調(diào)查研究[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,20(3):220-223.

[4]趙西平,王成林.商業(yè)建筑冬季室內(nèi)熱舒適度研究分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,45(2):264-268.

[5]錫望.北京市大型商業(yè)建筑中庭空間夏季熱環(huán)境研究[D].北京:北京建筑大學(xué),2017.

[6]劉念雄,秦佑國(guó).建筑熱環(huán)境[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[7]dcDEARRJ,BRAGERGS.Thermalcomfortinnaturallyventilatedbuildings:RevisionstoASHRAEStandard55[J].EnergyandBuildings,2002,34(6):549-561.

[8]楊柳.建筑氣候分析與設(shè)計(jì)策略研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2003.

[9]葉曉江,連之偉,文遠(yuǎn)高,等.上海地區(qū)適應(yīng)性熱舒適研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào).2007,26(5):86-88.

[10]中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測(cè)定及熱舒適條件的規(guī)定:GB/T18049—2000[S].

[11]楊晚生.建筑環(huán)境學(xué)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2009.