自然通风环境不同热舒适模型的比较

1、PMV模型

20世纪70年代丹麦学者Fanger在大量实验数据统计分析的基础上结合人体热舒适方程提出了PMV-PPD 热舒适评价指标,PMV指标综合考虑了空气温度、相对湿度、平均辐射温度、空气流速、人体新陈代谢率和服装热阻6个影响因素,是考虑热舒适感诸多因素较全面的指标,也是较权威的、有代表性的热舒适评价指标。[1]

随着PMV指标在评价室内环境方面的广泛应用,越来越多的现场调查表明,PMV指标在预测自然通风建筑内的非空调环境时会出现较大误差。

自然通风环境热舒适

PMV模型是在稳态空调环境中建立的,仅考虑了服装热阻、人体新陈代谢率及其他室内环境因素的影响,没有考虑人自身的适应行为,也没有充分考虑室外气候的影响;而以自然通风为主的建筑,其室内环境不是一个封闭环境,因此PMV模型在自然通风建筑中应用时有较大误差,需要寻求新的评价方法和模型。

2、PMVe模型

Fanger认为造成非空调环境下PMV 模型预测值与实际热舒适调查结果存在较大偏差的原因有2个:[2]

1)对炎热环境下人体的新陈代谢率估算偏高。
因为当人感觉热时,会无意识地放慢活动,通过降低新陈代谢率的方式适应炎热的环境。因此,通过输入一个相对较小的人体新陈代谢率可以改善由于高估人体活动而造成的与真实热感觉存在偏差的问题。

2)非空调环境中居住者对环境的期望值低。
这些居住者长期生活在室内偏热的环境中,与已经习惯空调建筑的人不同,他们更能接受炎热环境。

Fanger综合考虑以上2种原因,提出了在温暖气候条件下非空调环境的PMV 修正模型——PMVe模型,即在输入一个相对较小的新陈代谢率计算出的PMV 值的基础上乘以一个值为0.5~1.0的期望因子e,得到PMVe值来预测自然通风建筑中人体的热舒适性。

非空调环境下PMVe模型

图 非空调环境下PMVe模型的预测结果与热舒适实测结果比较

PMVe模型的预测结果与实测结果吻合度较高,但当居住者认为自己处于热中性时,修正后的PMV 值不等于0,即PMVe模型不能修正热中性的情况。

3、适应性模型

适应性模型是将室内设计温度或可接受温度与室外气象参数进行关联的模型。适应性模型认为人不再是环境的被动接受者,人在创造其所偏爱的热环境过程中起着积极作用

De Dear等人认为,人体会通过自我调节行为来调节由环境刺激引起的不舒适,使其向舒适的方向发展;这种调节包括3种适应模式,通过这3种适应模式,人体达到减少自身热不舒适的目的。

人体适应性示意

图:人体适应性示意图

我国在适应性模型方面作了大量研究。茅艳在文献的实际调研数据基础上,对我国4个典型气候分区的12个代表城市的住宅室内热环境及热舒适状况进行了现场调查和测试,用线性回归法建立了适用于我国不同气候区的人体热舒适适应性模型,线性回归方程如下:

热舒适适应性模型

在适应性模型中,唯一的影响因素是室外空气温度,而对人体热舒适有重要影响的环境因素(如室温、风速和相对湿度等)没有考虑在内。

Fanger等人指出,未来人们也许会改变活动方式或穿着新型的服装,因此在未来的自然通风建筑中,适应性模型未必适用。

4、预测适应性平均热感觉(aPMV)模型

Yao等人发展了de Dear的适应性理论,将适应性理论与PMV 模型相结合,充分考虑人体3种适应性的影响,在PMV 模型的基础上将心理适应和行为调节作为人体热感觉的负反馈环节,运用自动控制“黑箱”理论建立了适用于炎热和寒冷地区自然通风建筑的预测适应性平均热感觉(aPMV)模型,并由此得到了aPMV 与PMV 的关系式:[3]

热舒适预测适应性平均热感觉(aPMV)模型

式中,λ为适应性系数,λ=Ks/(tm -tn),其中Ks为大于0的系数,取决于气候、季节、建筑形式和功能、社会文化背景以及其他瞬时物理环境中的相关因素,tm为室外空气温度,tn为室内空气温度。

5、总结[3]

1)Fanger提出的PMVe模型在取得合理的期望因子e的前提下可以很好地预测自然通风建筑中人的热舒适性,但PMVe模型的一个明显缺陷是不能修正室内中性温度。

2)利用适应性模型可以很好地预测自然通风建筑中人的热舒适状况,但由于适应性模型是根据现场测试和问卷调查的结果通过回归分析建立的,因此,地域、气候、测试样本大小、受试者的年龄、人的适应性行为是影响适应性模型的因素。此外,对于气候适宜地区的自然通风建筑,使用PMV 模型预测结果较好。

3)自然通风热舒适评价模型应客观反映人体热感觉,综合考虑包括环境参数、人体心理以及社会文化因素等多种因素的影响。适应性模型和PMV评价模型各有优缺点,应将二者统一,而不是对立割裂开来,国内研究者对二者结合所做的研究还不够。虽然aPMV 模型将PMV 模型和适应性模型结合起来,但并没有阐明aPMV模型中人体的适应性理论的作用机理。因此,在今后的研究中,应对适应性模型和PMV模型结合的作用机理进行更为深入的理论分析,最终形成能够展示环境参数和人体热适应理论结合机理的更为明确的评价模型。

参考资料:
[1] 建环视界:热舒适的数学模型
[2] 建环视界:修正的PMV模型(ePMV模型)
[3] 端木琳,任雨婷,金权,王宗山. 自然通风建筑热舒适评价模型[J]. 暖通空调,2016,03:1-8.

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