Fanger热舒适理论的应用问题探讨

Fanger热舒适理论的应用问题探讨（下一篇）DiscussionsontheapplicationofFanger’sthermalcomfortabletheory李世刚，连之伟上海交通大学制冷与低温研究所，上海，200240摘要：现在有些人对Fanger热舒适理论的认识模糊，直接用PMV—PPD公式计算值作为热舒适评价依据，出现了PMV方程的误用和滥用，并推导出某些不准确的结果，针对这一误区，本文详细介绍了Fanger教授热舒适方程使用中的限制条件，通过对PMV方程的推导过程的分析，说明PMV方程的适用范围，结合现在对热舒适理论研究的进展，指出了Fanger热舒适理论与现有的评价方法的区别。并针对过冷和过热环境，指出如何正确使用现有热舒适指标来评价该热环境。关键词：热舒适方程；舒适条件；应用范围中图分类号:TU111.191文献标志码：A_________________________________________________________________________________0前言：生理学研究表明当人处于热舒适条件下，其思维、观察能力和操作技能等都处于最佳状态。因此，研究热舒适性的目的已远远超出满足人体舒适的范畴，具有重要意义。ASHRAE中把热舒适环境定义为：人在心理状态上感到满意的热环境。很多学者对热舒适的评价方法进行了研究，并根据各种不同的评价方法先后提出了一系列的评价指标。如有效温度(ET)、新有效温度(ET*)、标准有效温度(SET)、热应力指标(H.S.I)、预测平均评价(PMV)等，为建筑热工设计和室内热环境的评价提供了重要的设计依据和评价方法【1～3】。其中，最有代表性的是丹麦科技大学Fanger教授的研究工作。Fanger教授不仅建立了人体热平衡方程，绘制了舒适图，还制定了PMV值七点式标尺，确定了PMV数学解析式及PMV与PPD指标间的定量关系[4]。经过多年实践检验，现在得到世界上的大多数专家的认可，其中PMV和PPD指标已被订入国际标准ISO7730，奠定了人体舒适研究领域发展的理论基础，具有里程碑的意义。但是Fanger教授的理论是基于在特定的状态参数下(接近舒适区域)的实验结果得来的，且实验中可改变的参数非常有限，非实验区域都是通过公式来预测，使用时需注意使用条件。现在很多人在应用热舒适理论时，经常直接套_______________________________________作者简介：李世刚(1983.12－)，男，江苏人，主要研究方向：人体热舒适，气流仿真。联系手机:[phone]；Email:[e-mail]用公式，对于公式使用时的限定条件及修正，新的评价指标概念较模糊。针对这种情况，本文将通过介绍Fanger热舒适理论及其应用情况，对于使用中存在的一些误区给予分析,并指出在具体应用过程中应该注意的事项。对于Fanger热舒适理论不适用的热环境，介绍现有的评价指标；对于Fanger热舒适理论的修正本文也将给予列出。1热舒适理论Fanger热舒适方程基于的先决条件就是认为人体热舒适最基本的条件是维持人体热平衡，基本热力学过程可用下式描述：（1)其中：△S为人体蓄热量；M为人体代谢产热量；E为人体总的蒸发散热量；W为人体所作的机械功；R，C分别为着装人体外表面与其周围环境之间的辐射散热量和对流散热量。如果R、C只考虑失热，人体处于热平衡状态时，△S=0，则(1)可写成（2）Fanger教授以此式为出发点，得出式中各项的数学关系式，从而建立了Fanger热舒适方程【1】。1.1人体代谢产热量人体代谢产热量(M)与人的活动水平有关，由于活动类型比较难界定，为了定量数字化，现在通常用耗氧量来计算【3】：(3)RQ为呼吸系数，即呼出二氧化碳和吸入氧气的摩尔比值。1.2辐射散热量辐射热交换量(R)采用下面公式[l-2]:(4)着装体外表面的辐射发射率；为着装体有效辐射面积；着装面积系数。=l+0.20(5)简化后公式为：1.3对流散热量着装人体外表面与周围环境之间的对流热交换量（C）利用下式计算：（6）?式中：hc对流换热系数，?（7）?V为人体周围空气的相对流速。1.4人体总的蒸发散热量人体总的蒸发散热量可分为四项【2－3】（8）式中：Cr呼吸的显热损失量；Er呼吸的潜热损失量；Es皮肤显性出汗热损失量；Ed皮肤不显性出汗热损失量。其中（9）1.5人体所作的机械功人体所作的机械功(W)与代谢产热量有关(10)?η机械效率，η=W/M，是一给定值，它与人的活动和风速有关，一般为0.2～0.24。1.6热平衡方程将式(3)、(4)、(6)、(8)、（10）代入式(2)中，整理后得被动热平衡状态下的Fanger热舒适方程：(11)2.对Fanger理论的发展由于实验条件和数量，以及整体热舒适理论水平的限制，Fanger教授提出的理论不可避免的的具有一定的局限性和偏差。随着时间的推移，经过很多工作者的研究发现，人员，环境等的参数也发生了变化，适当的修正也就很必要了。2.1?关于辐射散热量的计算对于辐射散热量中的着装面积系数（公式5）的计算，现在ASHARE推荐值为相对于公式（5），它的数值有所变大，且表达式不单一。主要是因为Fanger教授研究对象是穿着短袖的人员，且服装热阻没有改变。现在对不同着装热阻的人员的大量研究，结合现在人员的整体着装，服装特性，提出了新的通用公式。2.2关于对流散热量对流散热量计算中，最主要的就是确定对流换热系数，公式（7）与ASHARE推荐使用的公式相差不大，计算时一般不会产生很大误差。但是应该注意，在得出公式的研究中，受试人员的状态是静止的，如果人员是活动的，则采用相对风速才可以得到合理的结果，但该公式只有对风速小于2.6m/s时才能得到正确结果；对于高风速也是不适合的，因为人体对流散热量在高风速下（大于2m/s）时已经不随风速显著增加了；该公式只适用于接近海平面上时的正常气压。2.3关于蒸发散热量对于皮肤不显性出汗热损失，现在计算中，一般采用ts为人体平均皮肤表面温度。该公式仅在27℃t--s37℃时才具有小于3%的误差，对于不在此范围内的温度，还是要采用公式（9）计算。2.4关于热平衡方程式的发展在文献[5]中，对公式（1）还增加考虑了导热传热，公式变为，K即为导热传热。它主要针对人体和外界物体有直接接触，或者人员身上穿的是液冷服之类与人体温度相差较大的服装时的情况。在对于站立人群的研究中，我们一般不予考虑，只在人体与外界有直接接触且接触面积较大时才加以考虑。Fanger热舒适方程理论上可以计算出任何类型服装、任何类型活动下合理的舒适参数，但是它是基于实验和一系列的假设得来的，对于一些变量极端值并不适用。3.热舒适性评价指标及其应用继热舒适方程之后，Fanger等人又绘制和制定了舒适图、PMV和PPD等综合评定热舒适的指标。3.1舒适图舒适图是Fanger热舒适方程的图解法，在实际使用中较为方便。在舒适图中，给出了热舒适区，便于直观判断环境是否达到舒适。对于舒适温度，1961年Nevins[6]指出热舒适温度标准：干球温度：1900年18～21℃，1960年的24～26℃；有效温度：1923年18℃，1941年20℃。这种上升趋势可能是由于人们着装逐年变薄及生活方式、饮食习惯和热舒适期望值的改变引起的。而ASHRAE55中舒适标准温度下限从74年的21.8到81年的22.2再到92年的23度,近20年来,下限值约上升了1度。现在亚洲很多学者认为由于该图中的舒适区域是以欧美国家的青年为研究对象，而亚洲人和欧美人的新陈代谢不同，地区气候不同，对于热环境的适应性和心理期望值不同，这些都导致对于该舒适区范围的质疑，所以很多专家推荐制定地区舒适区标准[7-9]。3.2PMV指标PMV表示大量人对服装和环境热感觉的预测平均表决票数。现在已经被ASHEAR改进后采用，作为热舒适性的推荐评价指标。Fanger教授将PMV与给定环境下人体实际热流量与实际活动量下最佳热流量间的不平衡联系起来，求得PMV为：?(13)式中（14）ASHARE现在对式（14）略有改动:表1Fanger的七点式热感觉标尺热感觉冷凉稍凉舒适稍暖暖热对应标度-3-2-10123式（13)也可求出PMV，但是计算相当复杂，一般都利用表（1）值来直接预测人们在各种情况下的热感觉。同时也可以用表来评价服装的隔热值和环境微小气候是否符合舒适标准。研究表明湿度在一定范围内时，对热感觉影响很小，这就使得表的应用范围大大扩大了，但在有辐射热和相对湿度大于50％的环境条件下，要慎重使用表内数值。需要记住的是，热感觉指数是来自于实验的基本条件：1）人体长时间处于比较稳定的热平衡状态；2）皮肤表面具有接近舒适的温度和湿度；3）人体具有接近舒适的最佳排汗率；4）忽略年龄，体型，性别，等次要因素的影响。当条件仅与热适中有稍许不同时,从函数上能得到最大的精确度；当PMV数值偏离舒适区较大时应小心使用，因为PMV方程没有考虑到人体自身的生理调节功能，因此当在标尺的两端时，由于汗腺的分泌蒸发问题，可产生严重的错误。3.3PPD指标为了预测人们对热环境的不满意率，Fanger教授又提出了PPD，即平均不满意度指标。Fanger教授找到了PPD与PMV之间的定量关系：（15）由Fanger教授统计分析的PMV-PPD关系以及舒适区可知在舒适区的确定原则是使80%的人满意。国际标准ISO7730推荐PPD值要小于10％，对应的是在文献[10]给出了在高温环境下的直接使用PMV方程会产生明显的错误，采用方程计算显示在温度34度时PMV-PPD指标值随着空气流速v的增大而变大，随着服装热阻的增加而减小，即随风速的增大，服装热阻的减小，人体的热舒适度越差，人们感到越热，但实际情况下，在没有空调时采用电风扇降温，在一定温度下，风速越大，衣服越薄，人们感觉越凉快，因此，这种情况下PMV-PPD方程已经不再适用了。人在过热环境下，心跳加快，皮肤血管内的血流量激烈增加。通常采用直肠温度表示人体的“核心”温度。它的温度升高值是工作强度和环境湿度的函数[5]。人在过冷环境中，感到不舒服。过冷会影响人的情绪以及人的动作的灵活性，随着环境温度的降低，手指，耳朵和脚等的疼痛随之而来。对于过冷环境现在一般采用“风冷指标”I来评价，I＝h(ts—ta)；其中：h＝[10．45一ⅴ十(100ⅴ)0.5]×4，传热系数；ⅴ空气流速；ts皮肤温度；ta环境空气温度。文献[11]的研究结果表明：对处于“中性一热”状态的人来说，适宜的吹风会增加人的舒适感，使人心理上更易产生愉悦、满意的感觉。即此时人虽然不是处于热中性状态，但人体却可以是热舒适的。由于空气的自然对流作用，很容易造成一些空间上部温度高、下部温度低的现象。实验结果表明：虽然受试者处于热中性状态，但随着头部与踝部周围空气温差的增加，对热环境的不满意率也在增加，即感觉不舒适的百分率也会加大。3结束语Fanger热舒适方程是以人体热平衡为出发点的，认为热平衡是人体热舒适的必要条件。但是热平衡可以通过生理调节能力来实现例如出汗和寒颤，但这些都不是舒适状态；另外，人体还可能会处于整体热平衡、局部热不平衡状态，这也会引起局部不舒适。因此，热平衡不是人体热舒适的充分条件。这些状态就不能用Fanger热舒适理论来评价。另外Fanger热舒适方程及其评价指标只适用于一般室内着装、代谢产热量从安静变化到较高活动水平的环境中，人体在极端热和冷环境中的不舒适感及局部不舒适感影响因素需进一步研究。现在很多学者对于人体热舒适是否是在稳态热平衡下达到产生质疑，并通过一些实验结果和现实中的现象提出了人体热平衡是在动态变化中达到的，长期处于同一个热环境并不能使人感到舒适。越来越多的人开始考虑人员的心理因素，把它作为人体舒适度的一个重要影响因素。对于地区、人种等，Fanger认为不是影响的因素，现在研究发现他们对于热舒适也是有较大影响的。无论如何，Fanger热舒适理论还是现在接受最广泛