第十一章人工环境的评价指标

第十一章人工环境的评价指标第一节热舒适指标常见的人体热舒适描述方法。包括PMV(PredictedMeanVote).PPD(PredictedPercentageofDissatisfied).有效温度ET(EfectiveTemperature),标准有效温度SET.以及过渡活动状态的热舒适指标:相对热指标RW1(RelativeWarrmthIndex)和热损失率HDR(HeatDeficitRate)等。这些指标是人体对热湿环境的反应。此外，本节还介绍其他与气流组织相关的热舒适描述参数:不均匀系数和空气扩散性能指标ADPI等。一：.预测平均评价PMV0和预测不满意百分比PPDPMV(PredictedMeanVote)指标是利用了人体热平衡的原理而得出的，其理论依据是当人体处于稳态的热环境下，人体的热负荷越大。人体偏离热舒适的状态就越远。即人体热负荷TL正值越大。人感觉越热，负值越大，人感觉越冷。P.0.Fanger收集了1396名美国与丹麦受试对象的冷热感觉资料。得到了表征人体热感觉与人体热负荷间关系的回归公式:PMV-[o.303exp(-0.036MD)+0.0275]T.(11-1).其中人体热负荷TL.是人体产热量与人体向外界散出热量之间的差值。值得注意的是，这里有一个假定条件，即人体的平均皮肤温度ta和出汗造成的潜热散热E是人体保持舒适条件下的数值。因此。当人体偏离热舒适较多情况下。例如在热或者寒冷状态下。PMV的预测值存在有较大偏差的。同时，由定义可知。人体热负荷TL就是人体热平衡方程(2-1)中的蓄热率S.即把蓄热率看作是造成人体不舒适的热负荷。如果将其中对流，辐射和燕发散热的各项展开，可以得到如下公式:TL=M-W-(3.96X10°fa[(T。+273*-(T,+273]+fah,(Ta-T.)+3.05X10-[5733-6.99(M-W)-P.]+0.42(M-W-58.15)+1.7X10-M(5867-P)+0.0014M(34-T.))(11-2)式中M一人体能量代谢率。决定于人体的活动量大小。W/m2;w-人体所做的机械功，W/m';f-一服装的面积系数:h,--对流换热系数。W/(m'●K):T.-人体周围空气温度.C:Ta-人体表面的温度.C;T,一环境的平均辐射温度,C,P.-人体周国水蒸气分压力，kPa.PMV指标采用了7级分度，见表11-1.PMV指标代表了同--环境下绝大多数人的感觉。因此可用PMV指标预测热环境下人体的热反应。由于人与人之间存在生理差别，故Fanger又提出了预测不满意百分比PPD0指标来表示人群对热环境不满意的百分数.并利用慨率分析方法。确定了PMV与PPD指标之间的数学关系:PPD=100-95exp[-(0.03353PMV*+0.2179PMV2)](11-3)由于，PMV指标是在稳定条件下利用热舒适方程导出的，其仅适用于稳态热环境中的人体热舒适评价。而不适用于动态热环境(或者称为过渡热环境)的热舒适评价。因为在PMV指标中。人体热负荷TL.又相当于人体热平衡方程中的蓄热本S。如果人从寒冷的环境进人到温暖的环境里，人体的蓄热率s是正值。但该蓄热率有助于改善人体的热舒适。因此并不能看作是导致不舒适的人体热负荷。从炎热环境进人到中性环境也是一样的。在这种情况下。蓄热率S为负值是有助于改善人体的热感觉的。而并不会成为人体的热负荷。二、有效温度ET'和标准有效温度SET1919年，美国采暖通风与空调工程师学会(ASHRAE)鉴于人们在空调工程中急需有关湿度对舒适影响的资料，新建了一个实验室对其进行研究。“有效温度指标”是它的首批科研课题之一。直到1967年的ASHRAE手册仍然采用了这个指标。有效温度ET(ElfetiveTemperature)通过人体实验获得。井将相同有效温度的点作为等舒适线系绘制在湿空气焓湿图上或绘成诺模图的形式,其定义为:“干球温度、湿度，空气流速对人体温暖感或冷感影响的综合数值，该数值等效于产生相同感觉的静止饱和空气的温度。”但有效温度过高地估计了湿度在低温下对凉爽和舒适状态的影响。因此又产生了新的有效温度ET*.1971年，Gagge等人把皮肤湿润度的概念引进ET'.以提供一个适用于穿标准服装，坐着工作的人体舒适指标。其数值是通过对身着0.6clo服装、静坐在流速0.15m/s空气中的人。进行的热舒适实验，并采用相对湿度为50%的空气温度作为与其冷热感相同环境的等效温度而得出的:即同样着装和活动的人，在某环境中的冷热感与在相对湿度50%空气环境中的冷热感相同。则后者所处环境的空气干球温度就是前者的ET'.该指标只适用于着装轻薄，活动量小，风速低的环境。在ASHRAE舒适标准54-74和ASHRAE的1977年版手册基础篇中，可以查阅到相关的内容。在综合考虑了不同的活动水平和衣服热阻后，新有效温度的内容又有所扩展，形成了更为通用的指标一标准有效温度(SED).不同于仅根据主观评价。由经验推导得到的有效温度指标，它以人体生理反应模型为基础。由人体传热的物理过程分析得出。因面被称为是合理的导出指标。标准有效温度包含平均皮肤温度和皮肤湿润度，以便确定某个人的热状态。ASHRAE的标准有效温度SET(SuandardElectiveTemperature)中定义为:在温度为SET的假想等温热环境中，空气相对湿度为50%，空气静止。人体身着与活动量对应的标准服装，其皮肤润湿度和通过皮肤的换热量与实际环境下相同。SET与ET.主要的不同是考虑了服装热阻的影响。表1-2给出了ASHRAE里的不同SET对应的温热感觉。生理现象及健康状态的。确定某一状态下的标准有效温度SET值需要分两步进行。首先要求出一个人的皮肤温度和皮肤湿润度。可通过实测完成。也可较为容易地利用第二章中提到的Gagge二节点体温调节数学模型计算出来。在这里。我们采用后一计算方法。第二步就是求出产生相同皮肤温度和皮肤湿润度的标准环境温度。可借助变换热损失方程通过对人体的传热分析完成。若所讨论的活动量不是标准情况，则把标准环境的衣着情况修正为活动量的函数便可解决这个问题。由于SET没有限制室内外的情况，因此可以利用SET进行室外热环境热舒适评价。这里人体对短波的吸收率和长波发射事已考虑在内。SET在计算过程中所采用的人体新陈代谢率为1.Omet、着衣量为0.5clo.利用SET分布参数，就可以方便地计算及评价室外不同建筑布局。不同绿化方式对应下的室外热舒适状况。我国有研究者通过回归统计，提出--种可由室外环境参数直接计算SET的关联式。在这里，T,为室内测试点的平均辐射温度，K;T,=i,+273.15;Ba为天空辐射的角系数:Bu为人体表面辐射的角系数:Ba,+Bh.一1sTae为有效天空温度，或称天空背景温度，K。一种估算有效天空温度的方法。是根据地面附近空气与大气层的辐射热平衡关系式面建立标准有效温度的最初设想是预测人体排汗时的不舒适感。经过发展。现在已经能表示各种衣着条件。活动强度和环境变量的情况。标准有效温度值反映了人体热感觉，但与空气温度并没有直接的关系，比如。一个穿轻薄服装的人坐在24C.相对湿度50%和较低空气流速的房间里。根据定义他是处于标准有效温度为24C的环境中。如果他脱去衣服。标准有效温度就降至20C.因为他的皮肤温度与一个穿轻薄服装坐在20C空气中的人皮肤温度相同。尽管标准有效温度反映了人体热感觉，但由于它需要计算皮肤温度和皮肤湿润度。因此应用比较复杂。反而不如只能措述坐着活动的ET应用广泛。三、过渡活动状态的热舒适指标RWI和HDR在实际的人工环境工程设计中，经常会遇到人员短暫停留的过渡区问。该过渡区间可能连接着两个不同空气温度、湿度等热环境参数的空间。人员经过或在该区间作短暂停留而且活动状态有所改变的时候，对该空间的热环境参数的感觉与他在同--空间作长期静止停留时的感觉是不同的。因此需要给出人体对这类过渡空间的热舒适指标。以指导这类空间空调设计参数的确定。相对热指标RWI(RelativeWarmnthIndex)和热损失率HDR(HeatDeficitRate)是美国运输部为确定地铁车站站台。站厅和列车空调的设计乡数提出的考虑人体在过渡空间环境的热舒适指标。这两个指标是根据ASHRAE的热舒适实验结果得出的。RWI适用于较暖环境，而HDR适用于冷环境。但它没有考虑人体在过渡区间受到变化温度刺激时出现的热感觉“滞后和“超前的现象。而仅考虑了过渡状态人体的热平衡。它对动态过程的考虑反映在:(1)认为人在一种活动状态过渡到另--种状态时。要经过6min的过程代谢率M才能达到最终活动状态下的稳定代谢率。在这个过渡过程中。代谢率与时间呈线性关系。(2)人的活动会导致出汗并湿润服装。同时人的活动会扰动周围气流，导致服装热阻有所改变。认为一种活动状态过渡到另一种活动状态时，服装热阻要经过6nin方能达到新的稳定值。其问服装热阻与时间呈线性关系。1.相对热指标RWIRWI是无量纲指标。如果在两种不同的环境条件和活动情况下，具有相同的RWI值.则表明人在这两种情况下的热感觉是近似的。其定义式为:RW的分度与ASHRAE热感觉标度之间的关系见表11-3.图11-1给出了RWI与不舒适感觉百分比的关系。如果给定各连续过渡空间的空气参数、人员衣着以及进人这些空间后的活动状态，计算各连续过渡空间的RWI值。就可以得到人员依次进人这些过渡空间时的相对热感觉是比前一个空间更凉爽些还是更暖些，也可以用于确定各功能空间的设计参数。2.热损失率HDR热损失率HDR综合考虑了温度、湿度，辐射，风速、人体代谢率，服装等影响人体热舒适的因素。反映了人体单位皮肤面积上的热损失，单位是W/m'.人的平均皮肤温度是随着外界环境的变化面变化的。感觉基本舒适的平均皮肤温度范围约为30.6~35C.在冷环境下，人体的体温调节中枢首先会使皮肤血管收缩。皮肤温度降低.从而减少散热量。当平均皮肤温度下降到舒适下限30.6C时。如果散热量仍然大于发热量，体温进一步下降，人体出现热赤字(heatdefici).HDR值即表示人体在较冷环境下。平均皮肤温度为舒适皮肤温度下限时的净热损失速率，即负的人体蓄热率。HDR的定义式如下:HDR对时间的积分即热赤字。HDR≤0是不出现热赤字的必要条件。由于人体具有一定的蓄热量，当人体的热赤字达到约100kJ/m2时。才会感到冷不适。相反。当人体蓄热量达到100kJ/m'时。将感到热不适。即当-HDR100/0r时。人体就感到冷不适。也就是说。在过渡空间中，适宜的HDR值与人员的退留时间成反比。因此。可采取人员的平均逗留时间来确定适宜的过渡空间室内设计参数。在上述RWI和HDR表达式中。1.(r)是衣服被汗湿润后的热阻，和代谢率M(r)--样在改变活动状态后的前6min内是两个状态之间的时间t的线性函数。单位为clo;如果考虑人体运动诱导产生的相对风速为V.则根据文献[6]给出的图线所导出的服装外空气边界层1.的拟合公式有:式中T-空气温度，K。四、热应力指数HSI热应力指数HSI(HeatStressIndex)是由匹兹堡大学的Belding和Hatch于1955年提出的。其目的在于把环境变量综合成-一个单-的指数。用于定量表示热环境对人体的作用应力。具有相同指数值的所有环境条件作用于某个人所产生的热过劳均相同。例如A和B是两个不同的环境，A环境空气温度高但相对湿度低。B环境空气温度低但相对湿度高。如果两个环境具有相同的热应力指数值。则对某个人应产生相同的热过劳。热应力指数HSI假定皮肤温度恒定在35C.在燕发热调节区内。认为所需要的排汗量为En等于代谢量减去对流和辐射散热量。不计呼吸散热。则得出热应力指数HSI为:五、湿黑球温度WBGT湿黑球温度WBGT(Wet-Bulb-GlobeTemperature)是-一个环境热应力指数，它号虑了室外炎热条件下太阳辐射的影响，适用于室外炎热环境，目前在评价户外作业热环境时应用广泛。其标准定义式为:.黑球温度与空