南方供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的研究

張 帝 沈致和

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南方供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的研究

張 帝 沈致和

（合肥工業(yè)大學(xué) 合肥 23009）

平均輻射溫度、室內(nèi)空氣溫度、空氣流速和相對(duì)濕度是影響人體熱舒適的重要因素，人體熱舒適是其影響因素綜合作用的結(jié)果。各地采暖室外計(jì)算溫度不同，由于不同室外溫度對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度影響，采用理論計(jì)算的方法，得出壁面冷輻射換熱對(duì)人體熱舒適的影響。從而探討了在室內(nèi)供暖設(shè)計(jì)時(shí)，目前冬季室內(nèi)熱環(huán)境研究較少的非傳統(tǒng)供暖區(qū)域南方舒適節(jié)能的供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度情況。

采暖室外計(jì)算溫度；平均輻射溫度；室內(nèi)空氣溫度；熱舒適南方地區(qū)

0 引言

隨著南方極端天氣頻現(xiàn)，加之居民生活水平不斷提高使人們對(duì)供暖的需求越來(lái)越迫切，社會(huì)上對(duì)南方需要供暖的理念已經(jīng)基本達(dá)成一致。但是傳統(tǒng)采暖習(xí)慣造成的南方區(qū)域沒(méi)有集中供暖管網(wǎng)系統(tǒng)，環(huán)境污染，資源浪費(fèi)，以及南方寒冷期較短且居住分散都造成集中采暖的困難，給南方區(qū)域的集中供暖問(wèn)題帶來(lái)了很多的障礙和阻力[1]。因此，重慶大學(xué)付祥釗教授就提出南方地區(qū)采暖應(yīng)合理選定技術(shù)路線，采用適合該地區(qū)社會(huì)與自然特點(diǎn)的供暖方式，在室內(nèi)環(huán)境健康舒適和供暖能效兩個(gè)方面超越北方集中供暖[2,3]。根據(jù)江億的研究從長(zhǎng)期來(lái)看，全國(guó)建筑總能耗不能超過(guò)10億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。江億說(shuō)，無(wú)論是從全球碳減排的要求出發(fā)，還是從中國(guó)可獲取能源的總量出發(fā)，這根紅線永遠(yuǎn)都不能逾越。但2012年，全國(guó)建筑用能總量已經(jīng)超過(guò)7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤[4]。因此，南方供暖的最大障礙無(wú)疑是如何能夠盡最大的可能進(jìn)行節(jié)能。

影響人體熱舒適性的環(huán)境因素主要有：環(huán)境周?chē)諝鉁囟?、環(huán)境空氣相對(duì)濕度、環(huán)境空氣流速、平均輻射溫度[5]等，人體熱舒適是其影響因素綜合作用的結(jié)果。而室內(nèi)供暖計(jì)算溫度是供暖設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)節(jié)中最重要的參數(shù)之一，據(jù)估計(jì)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)和室外計(jì)算參數(shù)一定的條件下，室內(nèi)計(jì)算溫度每降低1，耗能量可以減少5%～10%[6,7]。各地采暖室外計(jì)算溫度不同，由不同室外溫度對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度影響，從而導(dǎo)致壁面冷輻射換熱對(duì)人體熱舒適的影響。從而探討了在室內(nèi)供暖設(shè)計(jì)時(shí)，目前冬季室內(nèi)熱環(huán)境研究較少的非傳統(tǒng)供暖區(qū)域南方舒適節(jié)能的供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度情況。

本文首先以達(dá)到傳統(tǒng)供暖區(qū)域代表城市北京在室內(nèi)溫度為18℃[8]環(huán)境下相同的人體熱舒適為標(biāo)準(zhǔn)，理論計(jì)算了不同采暖室外計(jì)算溫度下，對(duì)應(yīng)的室內(nèi)平均輻射溫度和室內(nèi)空氣溫度情況。

1 人體熱舒適理論分析

1.1 熱平衡方程式[9,10]

式中，為人體新陳代謝率，kcal/(h·m2)；為對(duì)流熱交換系數(shù)，kcal/(h·m2·℃)；t為平均輻射溫度，℃；為衣服外表面平均溫度，℃；P為環(huán)境空氣的蒸汽壓，mmHg；為空氣溫度，℃；為著裝體表面積與裸體體表面積的比值；為機(jī)械效率；為服裝熱阻，clo；為杜波依斯體表面積，m2。

1.2 衣服外表面溫度

1.3 預(yù)測(cè)平均投票

對(duì)于舒適方程滿意，即是最佳熱舒適條件。一般使用七級(jí)心理-物理ASHRAE分級(jí)法來(lái)測(cè)定人體的熱感覺(jué)（見(jiàn)PMV熱感覺(jué)標(biāo)尺表），PMV指數(shù)是根據(jù)人體平衡的基本方程式以及心理生理學(xué)主觀熱感覺(jué)的等級(jí)為出發(fā)點(diǎn)，考慮了人體熱舒適感的諸多有關(guān)因素的全面評(píng)價(jià)指標(biāo)。PMV指數(shù)表明群體對(duì)于（+3～-3）7個(gè)等級(jí)熱感覺(jué)投票的平均指 數(shù)[11]。

表1 PMV熱感覺(jué)標(biāo)尺

注：其中正值表示熱的一側(cè)，負(fù)值表示冷的一側(cè)。

PMV指數(shù)可通過(guò)人體熱平衡計(jì)算得到，根據(jù)人體的代謝率、服裝的隔熱值、空氣溫度、平均輻射溫度、相對(duì)空氣流速及空氣濕度而來(lái)。

式中，為預(yù)測(cè)平均投票。

1.4 環(huán)境空氣的蒸汽壓方程

式中：P為環(huán)境空氣的蒸汽壓，mmHg；為相對(duì)濕度，%。

1.5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度方程

2 實(shí)例計(jì)算

2.1 研究對(duì)象選取

由于本文主要是針對(duì)非傳統(tǒng)供暖區(qū)域南方舒適節(jié)能的供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度情況進(jìn)行研究，并以北京為例進(jìn)行對(duì)比，因此本文選取如下南方的典型城市作為模擬對(duì)象。北京、鄭州、合肥、武漢、成都、重慶、以及廣州等地進(jìn)行分析研究。

表2 各地的室外采暖計(jì)算溫度[13]

2.2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻的相關(guān)參數(shù)

（1）選用37墻，名稱為37磚墻_7，構(gòu)建號(hào)為7，主要為370mm厚重砂漿粘土和瀝青蛭石板，熱阻為2.368(m2·K)/W；傳熱系數(shù)為0.396W/(m2·K)。

（2）選用24墻，名稱為24磚墻_15_2，構(gòu)建號(hào)為24，主要為重砂漿粘土和多孔混凝土，熱阻為1.247(m2·K)/W；傳熱系數(shù)為0.712W/(m2·K)。

（3）選用37墻，名稱為37磚墻_4，構(gòu)建號(hào)為2，主要為370mm厚重砂漿粘土，熱阻為0.629(m2·K)/W；傳熱系數(shù)為1.270W/(m2·K)。

（4）選用37墻，名稱為37磚墻_10，構(gòu)建號(hào)為13，主要為370mm硅酸鹽磚砌體，熱阻為0.449(m2·K)/W；傳熱系數(shù)為1.648W/(m2·K)。

（5）選用24墻，名稱為24磚墻_10，構(gòu)建號(hào)為12，主要為240mm硅酸鹽磚砌體，熱阻為0.300(m2·K)/W；傳熱系數(shù)為2.185W/(m2·K)。

2.3 基本參數(shù)設(shè)置

假設(shè)人體處于靜坐情況，此時(shí)人體新陳代謝率為69.78w/m2，衣服熱阻為1.3clo，空氣相對(duì)濕度為0.5，空氣流速為0.1m/s，著裝體表面積與裸體表面積比值為1.18[13]。聯(lián)立基于同等PMV指標(biāo)的室內(nèi)空氣溫度比較方程組，通過(guò)VB編輯計(jì)算程序，利用控制變量法分別針對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻傳熱系數(shù)、室外采暖計(jì)算溫度t以及同一PMV值的時(shí)候平均輻射溫度t，室內(nèi)空氣溫度t和衣服外表面溫度t的變化對(duì)方程進(jìn)行求解，求解的結(jié)果如下表所示。

表3 同一地區(qū)不同外墻傳熱系數(shù)K/W·(m2·K)-1下所對(duì)應(yīng)的PMV值

表4 K=0.396W/(m2·K)，PMV=1.101，tmrt、ta、tcl與tw的變化關(guān)系

表5 K=0.712W/(m2·K)，PMV=1.041，tmrt、ta、tcl與tw的變化關(guān)系

表6 K=1.270W/(m2·K)，PMV=0.391，tmrt、ta、tcl與tw的變化關(guān)系

表7 K=1.648W/(m2·K)，PMV=0.861，tmrt、ta、tcl與tw的變化關(guān)系

續(xù)表7 K=1.648W/(m2·K)，PMV=0.861，tmrt、ta、tcl與tw的變化關(guān)系

表8 K=2.185W/(m2·K)，PMV=0.751，tmrt、ta、tcl與tw的變化關(guān)系

3 結(jié)果分析

（1）從表3中可知，在相同的傳熱系數(shù)下，人體熱舒適性評(píng)價(jià)PMV值隨著室外采暖溫度的升高而升高；在同一地區(qū)相同的室外采暖計(jì)算溫度下，人體熱舒適性評(píng)價(jià)PMV值隨著外墻傳熱系數(shù)值的升高而減小。但是總體來(lái)說(shuō)，對(duì)人的熱舒適影響不是太大。其中北京人們感覺(jué)最明顯PMV值相差也僅僅不到0.4而已。

（2）從表4、5、6、7、8中可知，在不同地區(qū)的室外采暖計(jì)算溫度下，在達(dá)到相同的舒適度評(píng)價(jià)的時(shí)候，不同地區(qū)的室內(nèi)空氣溫度是不一樣的。在相同的舒適度情況下，室外采暖溫度越高，其室內(nèi)空氣溫度的設(shè)計(jì)值應(yīng)該越小。

（3）橫向比較表4、5、6、7、8可知，隨著外墻傳熱系數(shù)的增大，室外采暖溫度越高，其室內(nèi)空氣溫度就應(yīng)該越低，并且表8的差值最大，接近2℃。

（4）從表4、5、6、7、8中可知，室外設(shè)計(jì)溫度越高，壁面冷輻射換熱對(duì)人體熱舒適的影響越小，對(duì)應(yīng)的舒適性溫度可以降低。由此得到：由于非傳統(tǒng)供暖區(qū)域南方地區(qū)的采暖室外計(jì)算溫度高于傳統(tǒng)采暖區(qū)域北方地區(qū)，同樣舒適條件下，對(duì)應(yīng)的室內(nèi)供暖設(shè)計(jì)溫度可以比北方地區(qū)低，從而達(dá)到節(jié)能目的。

（5）從表中可以看出，在不考慮南北地區(qū)維護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的區(qū)別情況下，僅考慮由于各地的室外計(jì)算溫度的不同，一般南北地區(qū)的室內(nèi)空氣溫度的變化值一般在2℃左右。因此各地的設(shè)計(jì)部門(mén)，在設(shè)計(jì)冬季的采暖負(fù)荷的時(shí)候，一定要對(duì)各自的采暖負(fù)荷進(jìn)行合理的設(shè)定，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

（6）隨著外墻傳熱系數(shù)的增大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱情況越好，同一地區(qū)的PMV值會(huì)越來(lái)越小，相對(duì)應(yīng)的室內(nèi)空氣溫度越低，人體衣服外表面溫度會(huì)越來(lái)越低，平均輻射溫度也會(huì)越來(lái)越低，室內(nèi)空氣溫度也會(huì)越來(lái)越低。

4 結(jié)論

根據(jù)對(duì)北京與南方典型城市在不同工況下的模擬計(jì)算分析，可知室內(nèi)空氣溫度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)和平均輻射溫度是影響人體熱舒適性的三個(gè)重要因素，在不同的室外采暖計(jì)算溫度下，室內(nèi)環(huán)境的平均輻射溫度以及與之相適應(yīng)室內(nèi)舒適空氣溫度也在不斷的變化。而在圍護(hù)結(jié)構(gòu)和室外計(jì)算參數(shù)一定的條件下，室內(nèi)計(jì)算溫度每降低1℃，耗能量可以減少5%～10%。因此針對(duì)不同室外采暖計(jì)算溫度，尋找到合適的舒適節(jié)能供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，為南方供暖能耗的降低提供一定參考。

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Interior Design in Southern Heating Temperature

Zhang Di Shen Zhihe

( Hefei University of Technology, Hefei, 230009 )

Mean radiation temperature, indoor air temperature, relative humidity and air velocity are important factors effecting on human thermal comfort, and it is the comprehensive effect of influencing factors. There are different heating outdoor calculated temperatures in different regions, based on the different outdoor temperatures have different affects on the building palisade structure wall temperature, by the means of the theoretical calculation, the effects of the wall cold radiation heat transfer on thermal comfort were obtained, then the comfortable and energy efficient heating indoor design temperature of the non-traditional heating south regions were studied, whose heating outdoor calculation temperatures are generally higher than traditional heating south regions.

outdoor calculated temperatures for heating; mean radiation temperature; indoor air temperature; thermal comfort in the south

1671-6612（2017）02-215-06

TU832

A

張 帝（1990.6-），男，碩士，講師，E-mail：zhangdi_hfut@163.com

沈致和（1963.8-），男，研究生導(dǎo)師，E-mail：1178843091@qq.com

2015-12-04