楊昌智，文 潔，蔣新波

(湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

熱濕環(huán)境參數(shù)對PMV及空調(diào)能耗的影響研究

楊昌智?，文 潔，蔣新波

(湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

通過正交數(shù)值實驗分析了熱濕環(huán)境參數(shù)對PMV影響的顯著性，在通常的環(huán)境參數(shù)變化范圍內(nèi)，影響程度從大到小依次是：空氣溫度、風速、平均輻射溫度及相對濕度.分析了4大環(huán)境參數(shù)在定PMV控制時對能耗的影響規(guī)律及影響顯著程度.保持PMV不變的前提下，分別比較了不同熱濕環(huán)境參數(shù)組合下的能耗，發(fā)現(xiàn)不同組合之間能耗差異較大，說明其中存在最優(yōu)參數(shù)組合，使得滿足人體熱舒適的前提下能耗最小.研究結(jié)果為今后實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的PMV優(yōu)化控制提供了方向和依據(jù).

熱濕環(huán)境參數(shù)；預(yù)測平均冷熱感投票值(PMV)；能耗；影響顯著性；最優(yōu)參數(shù)組合

目前，大多數(shù)舒適性空調(diào)均采用定溫控制，然而，影響人體熱舒適性的環(huán)境因素除了溫度還有相對濕度、風速和平均輻射溫度，人體的熱舒適感是這些因素共同作用的結(jié)果.在兩個圍護結(jié)構(gòu)等條件完全相同的房間，即使溫度相同，而其他熱濕參數(shù)不同的情況下，人體的熱舒適度是不同的[1]，同時，房間熱濕參數(shù)的不同組合，空調(diào)的能耗也可能不同.研究如何在保證人體熱舒適的前提下，最大限度節(jié)約空調(diào)能耗，成為暖通空調(diào)領(lǐng)域值得研究的課題.

對于熱濕環(huán)境參數(shù)對人體熱舒適及空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響，已有一些研究：文獻[2-3]通過圖表形式分析了環(huán)境參數(shù)對PMV的影響，但由于各個參數(shù)物理單位不同，比較基準不統(tǒng)一，以圖表方式并不能直觀比較出各參數(shù)對PMV 影響的顯著程度.而關(guān)于熱舒適控制中環(huán)境參數(shù)對能耗的影響研究，則主要集中在溫濕度或溫度與風速的耦合變化方面，并且大多停留在定性的層面[4-7].如文獻[4-5]利用ET*作為熱舒適度指標，提出了在某一相對濕度下的最佳室內(nèi)設(shè)計狀態(tài)點，即能耗最低點.文獻[6]則在PMV控制中利用增加風速的方法來提高溫度的設(shè)定值，從而使能耗降低.文獻[7]利用PMV，CO2濃度及能耗作為控制指標，求解出了在滿足人體舒適度及室內(nèi)空氣質(zhì)量要求的前提下，能耗最小時空氣溫度、相對濕度、風速及新風量的實時最優(yōu)值.以上研究在對最優(yōu)組合的求解時，將其中1～2個參數(shù)設(shè)定為不變且忽略了平均輻射溫度對能耗的影響，將其假定為不變或等于空氣溫度，并將平均輻射溫度認為不可控．近年來，隨著輻射空調(diào)技術(shù)、溫濕度獨立控制技術(shù)等新技術(shù)的出現(xiàn)，為全面調(diào)控熱濕環(huán)境參數(shù)(包括平均輻射溫度)，實現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)組合提供了可能.

1 熱濕環(huán)境參數(shù)對PMV的影響

為研究溫度、濕度、風速以及平均輻射溫度對PMV影響的顯著程度，設(shè)計了一個以PMV為目標函數(shù)的四因素四水平的正交數(shù)值實驗，選用正交表L16(45).各參數(shù)的取值范圍參考GB 50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》中舒適性空調(diào)夏季室內(nèi)設(shè)計參數(shù)規(guī)定的范圍：空氣溫度ta為24～28 ℃，風速v≤0.25 m/s，相對濕度Φ為40%～70%，平均輻射溫度tr假定與空氣溫度相同，為24～28 ℃，人體能量代謝率取靜坐時狀態(tài)58.2 W/m2,機械功為0，衣服熱阻為夏季標準著裝熱阻0.08 m2·K/W.實驗結(jié)果如表1所示．通過比較各個參數(shù)的極差大小發(fā)現(xiàn)，在GB 50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的夏季室內(nèi)設(shè)計參數(shù)的范圍內(nèi)，從對PMV的影響程度而言，從大到小依次是：空氣溫度、風速、平均輻射溫度及相對濕度.文獻[2]通過圖表分析指出，當風速大于一定值時，4個因素對人體熱感覺的影響程度將有所變化，從大到小排列為：空氣溫度、平均輻射溫度、風速及相對濕度.由于本文僅研究風速在GB 50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的v≤0.25 m/s范圍內(nèi)參數(shù)對PMV影響顯著程度，故此類情況暫不作討論.從數(shù)值實驗結(jié)果我們還可以發(fā)現(xiàn)，將這些參數(shù)任意組合，其PMV值差別較大，PMV的最大與最小值之差為1.39，同時，部分組合情況下PMV已經(jīng)超出了中國GB 50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》中夏季對PMV的規(guī)定值為0～1.這說明若設(shè)計時室內(nèi)參數(shù)(如溫度、相對濕度、風速)在規(guī)范推薦的范圍內(nèi)任意取值，人體并不一定能感覺舒適，而需要對參數(shù)進行優(yōu)化組合，使其能滿足人體熱舒適度要求.

表1 熱濕環(huán)境參數(shù)對PMV影響顯著性分析

注：括號內(nèi)為水平號，括號外為水平號對應(yīng)的參數(shù)值.Ki為任一列上水平號為i時，所對應(yīng)的PMV的之和.ki=Ki/4.R為極差，任一列上R=max{k1，k2，k3，k4}-min{k1，k2，k3，k4}.

2 定PMV時熱濕環(huán)境參數(shù)對能耗的影響

文中能耗的比較以夏季工況下湖南省長沙市一個典型2人辦公室為例，長寬高分別為5 m,3 m和4 m.南向為加氣混凝土外墻，內(nèi)外抹灰，其余為內(nèi)墻，南向外墻上有一扇寬1.8 m高2 m的雙層鋁合金外窗.人均新風量取30 m3/h，單位面積設(shè)備和照明負荷分別為13 W/ m2和11 W/ m2.人體能量代謝率取靜坐時狀態(tài)58.2 W/m2,機械功為0，衣服熱阻為夏季標準著裝熱阻0.08 m2·K/W.房間負荷計算采用諧波反應(yīng)法.

2.1 定PMV時空氣溫度與相對濕度對能耗的影響

在風速與平均輻射溫度不變的前提下，若要保證PMV不變，則當空氣溫度升高時必須要依靠降低相對濕度來補償.夏季，空氣溫度升高，室內(nèi)外溫差減小，從而房間新風負荷和圍護結(jié)構(gòu)傳熱相應(yīng)減小.在一般情況下，室內(nèi)外溫差每減少1 ℃，通過圍護結(jié)構(gòu)的傳熱量將下降3%～10%[8].而當溫度升高引起相對濕度減小時，房間新風負荷將增大.圖1顯示出保持室內(nèi)風速v=0.1 m/s，平均輻射溫度tr=26 ℃的情況下，當PMV=0時，空氣溫度和相對濕度耦合變化下房間負荷情況.從圖1可以看出， 在定PMV控制中，隨著相對濕度的增加(即空氣溫度的降低)，圍護結(jié)構(gòu)傳熱增加，新風負荷減少，房間總負荷減少.當平均輻射溫度、風速一定時，空氣溫度每變化1 ℃，房間負荷約平均變化4.3%，而相對濕度每變化10%，房間負荷約平均變化2.1%.

圖1 定PMV時不同溫濕度組合對能耗影響

2.2 定PMV時平均輻射溫度對能耗的影響

很多情況下都假設(shè)墻體與周圍空氣充分換熱，將室內(nèi)平均輻射溫度等于空氣溫度處理.但實際上，平均輻射溫度并不等于空氣溫度，特別是采用輻射空調(diào)方式時，平均輻射溫度對能耗的影響較大.

夏季，降低室內(nèi)平均輻射溫度可以提高空氣溫度的設(shè)定值.圖2為室內(nèi)風速v=0.1 m/s，相對濕度為50%的情況下，當保持PMV=0時，空氣溫度和平均輻射溫度耦合變化下房間負荷情況.從圖2可以看出，平均輻射溫度每變化1 ℃，房間負荷約平均變化4.2%，且平均輻射溫度越低，其對能耗的影響越顯著.低溫輻射供冷技術(shù)正是利用這一點，通過降低圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，從而降低室內(nèi)的平均輻射溫度，在同等熱舒適條件下，室內(nèi)設(shè)計溫度提高，輻射供冷系統(tǒng)與對流換熱系統(tǒng)相比，可節(jié)能30%以上[9].而當風速提高時，平均輻射溫度對能耗作用減弱，因為空氣溫度對PMV的影響隨著風速的增加而增強，在定PMV控制中，風速增大，平均輻射溫度同樣變化1 ℃，能夠補償?shù)目諝鉁囟戎禍p少，其對能耗的影響減弱.

圖2 定PMV時平均輻射溫度對能耗影響

2.3 定PMV時風速對能耗影響

夏季，增加風速可以補償空氣溫度的升高.一般情況下，室內(nèi)風速在0.6 m/s以下時，每增加0.1 m/s，相當于環(huán)境溫度增加0.3～0.6 ℃；室內(nèi)風速為0.6～1.0 m/s時，每增加0.1 m/s，相當于環(huán)境溫度增加0.15 ℃[10].圖3為相對濕度為50%，平均輻射溫度tr=26 ℃的情況下，當保持PMV=0時，空氣溫度和風速耦合變化下房間負荷情況.從圖3可以看出，當風速在0～0.1 m/s內(nèi)變化時，對能耗影響較小，負荷約變化1.3%，隨著風速的增大，其對能耗影響增強.風速從0.1 m/s變化到0.2 m/s時，負荷約變化5.5%，當風速從0.2 m/s變化到0.3 m/s 時，負荷約變化3.0%.

圖3 定PMV時風速對能耗影響

以上分析是在固定兩個參數(shù)基礎(chǔ)上，通過另外兩個參數(shù)的組合研究熱濕環(huán)境參數(shù)在定PMV控制中對能耗影響顯著性，對變化參數(shù)條件和采用不同組合方式時的情況作者也進行了分析，限于篇幅在此不一一列出．但從研究中可以發(fā)現(xiàn)，雖然參數(shù)變化時，各個熱濕環(huán)境參數(shù)對能耗影響的絕對值將發(fā)生變化，但其對能耗的作用規(guī)律以及參數(shù)之間影響顯著性大小沒有改變.當風速小于0.1 m/s時，其對能耗影響最小，空氣溫度和平均輻射溫度對能耗影響相當，并且影響顯著性要大于相對濕度.隨著風速增大，風速和空氣溫度對能耗影響作用增強.當風速為0.1～0.2 m/s時，影響程度從大到小依次為：風速、空氣溫度、平均輻射溫度及相對濕度.當風速為0.2～0.3 m/s時，影響程度從大到小變化為：空氣溫度、風速、平均輻射溫度及相對濕度.

3 不同熱濕環(huán)境參數(shù)組合能耗比較

由前述分析可以知道，在保持PMV不變的情況下，影響PMV的4個熱濕環(huán)境參數(shù)之間是相互耦合的，當其中一個參數(shù)變化時，就需要變化其他的參數(shù)來進行補償，而各個參數(shù)對PMV及能耗的影響程度是不一樣的，而且參數(shù)之間耦合變化時對能耗的影響方向往往是相反的，這樣就導(dǎo)致了不同參數(shù)的組合在達到同樣的人體舒適度的前提下，能耗會有所不同，這其中存在一組最優(yōu)參數(shù)使能耗最低.

表2為PMV=0時不同參數(shù)組合的能耗比較，并求出了在不同組合下房間的負荷.從表2可以看出，在保持舒適度不變的前提下，不同熱濕參數(shù)組合的能耗是不同的，其中最大與最小值之間相差有884 W，相當于最大值的31%.可見，在保持相同的熱舒適度的前提下，存在最優(yōu)的參數(shù)組合，使得能耗最小.

表2 PMV=0時不同參數(shù)組合的能耗比較

4 結(jié) 論

通過以上研究，可以得出以下結(jié)論：

就熱濕環(huán)境參數(shù)對PMV影響的顯著程度而言，在GB 50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的范圍內(nèi)從大到小依次是：空氣溫度、風速、平均輻射溫度及相對濕度.

在定PMV控制時，各參數(shù)耦合變化時對能耗影響作用較為復(fù)雜，采用分別固定其中2個參數(shù)、改變第3個參數(shù)，通過定PMV得出第4個參數(shù)，再計算出房間空調(diào)能耗的方法，探討了各參數(shù)對能耗影響顯著性，發(fā)現(xiàn)當風速小于0.1 m/s時，其對能耗影響最小，空氣溫度和平均輻射溫度對能耗影響相當，并且影響顯著性要大于相對濕度.隨著風速增大，風速和空氣溫度對能耗影響作用增強.當風速為0.1～ 0.2 m/s時，影響程度為：風速>空氣溫度>平均輻射溫度>相對濕度.當風速為0.2～0.3 m/s時，影響程度從大到小變化為：空氣溫度、風速、平均輻射溫度及相對濕度.

由四大熱濕環(huán)境參數(shù)對PMV及對能耗的影響顯著性分析可以發(fā)現(xiàn)，空氣溫度無論對人體熱舒適性還是空調(diào)能耗都有較大的影響，在定PMV控制中，改變空氣溫度應(yīng)作為控制首選.相對濕度的變化對PMV及空調(diào)能耗都不敏感，因此在定PMV控制中，其設(shè)定值可以在其他參數(shù)確定以后，從屬于PMV值得到.

保持PMV不變，不同熱濕環(huán)境參數(shù)的組合，空調(diào)能耗存在較大差異，說明在保證人體熱舒適的前提下，存在最優(yōu)參數(shù)組合，使得能耗最?。疚姆治鰺釢癍h(huán)境參數(shù)對PMV及空調(diào)能耗的影響規(guī)律為進一步全面尋找最佳參數(shù)組合奠定了基礎(chǔ).通過變化調(diào)節(jié)其他參數(shù)來實現(xiàn)定PMV的優(yōu)化控制，涉及的影響因素眾多，關(guān)系復(fù)雜，具體的優(yōu)化控制方法有待進一步研究.

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Study on the Influence of Thermal Environmental Parameters on PMV and Energy Consumption

YANG Chang-zhi?, WEN Jie, JIANG Xin-bo

(College of Civil Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China)

Through orthogonal numerical experiments, the significance of the effect of four thermal environmental parameters on PMV was compared, which indicates that the degree of the influence of four thermal environmental parameters on PMV in descending order is air temperature, indoor wind velocity, mean radiant temperature and relative humidity within the usual range. Furthermore, the influencing laws and the significance of the effect of the four environmental parameters on energy consumption under PMV control were analysed. Under the premise that PMV remains unchanged, the energy consumption of different combinations of thermal environment parameters were compared. It is found that there is a huge difference between different combinations on energy consumption, which indicates the presence of an optimal combination consumes the minimum energy while satisfying human thermal comfort. The above analysis provides directions and basis for the further study of PMV optimal control of air-conditioning systems.

thermal environmental parameters;PMV(Predicted Mean Vote);energy consumption; significance of the effect;optimal combination of parameters

1674-2974(2015)01-0104-05

2014-03-21

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2012BAJ24B03)

楊昌智(1963-)，男，湖南寧遠人，湖南大學教授，博士生導(dǎo)師?通訊聯(lián)系人，E-mail:yang0369@126.com

TU111.195

A