洪　華，劉家林（貴陽建筑勘察設(shè)計(jì)有限公司，貴陽550081）

外窗輻射對(duì)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的影響研究

洪華，劉家林
（貴陽建筑勘察設(shè)計(jì)有限公司，貴陽550081）

根據(jù)房間所處內(nèi)外區(qū)不同，建立數(shù)學(xué)模型并求解。分別計(jì)算有外窗和無外窗兩種狀態(tài)下房間PMV值的變化情況，以及當(dāng)PMV值不變時(shí)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的變化情況。結(jié)果表明在PMV值不變的情況下，冬季供暖應(yīng)適當(dāng)提高有外窗房間的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，以保證室內(nèi)人體的熱舒適性。

冬季供暖；平均輻射溫度；外窗輻射

0　引言

隨著生活水平的不斷提高，南方地區(qū)供暖需求更加強(qiáng)烈，越來越多的住宅及公共建筑均進(jìn)行冬季供暖。在以往的設(shè)計(jì)及研究中，建筑內(nèi)外區(qū)均采用相同的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度。因?yàn)閮?nèi)外區(qū)房間外窗面積不一樣，如果采用相同室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，由于外窗的存在，人體熱舒適性會(huì)產(chǎn)生差異。本文將從平均輻射溫度對(duì)人體舒適性的影響出發(fā)，通過計(jì)算分析外窗輻射對(duì)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的影響。

1　數(shù)學(xué)計(jì)算公式及求解

評(píng)價(jià)溫度和環(huán)境熱舒適，可用PMV、PPD指標(biāo)，由此相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為ISO-7730［1］。在該標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)PMV-PPD指標(biāo)的推薦值在-0.5～+0.5之間，相當(dāng)于人群中允許有10%的人感覺不滿意。除了ISO-7730外，還有ISO-7726針對(duì)熱環(huán)境的物理量測(cè)量?jī)x器的方法；ISO-8996人類工程學(xué)新陳代謝量的確定；ISO-9920針對(duì)衣著的熱特性估計(jì)等。本文采用ISO-7730中PMV的數(shù)學(xué)計(jì)算公式，通過計(jì)算分析有外窗和無外窗兩種情況下人體熱舒適性差異。

根據(jù)文獻(xiàn)［1，2］PMV計(jì)算公式如下:

其中:

式中:

M—代謝率，W·m2；

hc—對(duì)流熱交換系數(shù)，W/m2·h·℃；

tr—平均輻射溫度，℃；

Pa—環(huán)境空氣的蒸汽壓，kPa；

ta—空氣溫度，℃；

fcl—著裝體表面積與裸體體表面積的比值，取1.18；

Icl——服裝熱阻，m2·℃/W；

ν——風(fēng)速，m/s；

φ——相對(duì)濕度，%；

ta——室內(nèi)空氣溫度，℃；

to——室外計(jì)算溫度，℃；

tcl——服裝表面溫度，℃；

K——外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，（W/m2·℃），取0.9；

an——內(nèi)表面換熱系數(shù)，W/m2·℃，取8.7；

PMV——預(yù)測(cè)平均投票。

上述等式中tcl需要通過方程求解，求解過程較為復(fù)雜，可以采用代入法進(jìn)行求解，具體求解過程如下:

①假定tcl值；②根據(jù)式2求出tcl2；③重復(fù)①～②步驟，當(dāng)|tcl2-tcl|≤0.005時(shí)得出tcl值；④輸入已知條件及tcl值計(jì)算出PMV值。

文獻(xiàn)［3］已通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)PMV數(shù)學(xué)計(jì)算公式的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證分析，實(shí)驗(yàn)測(cè)試值和理論計(jì)算值偏差符合誤差允許范圍，本文中不再贅述。

圖1　房間A、B簡(jiǎn)圖

2　建立計(jì)算模型

本文以如圖1 A、B兩個(gè)房間建立模型進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。

根據(jù)圖1中所示的兩個(gè)房間建立簡(jiǎn)單的輻射計(jì)算模型，計(jì)算中A、B兩個(gè)房間室內(nèi)、室外氣象參數(shù)及墻體傳熱系數(shù)等均相同。由于實(shí)際計(jì)算中平均輻射溫度的計(jì)算過程較為復(fù)雜，室外物體的輻射溫度也難以確定，為方便計(jì)算本文對(duì)計(jì)算模型做了簡(jiǎn)化處理。平均輻射溫度計(jì)算公式簡(jiǎn)化為式（4）［2］。對(duì)于房間B，平均輻射溫度可直接按式（5）得出，對(duì)于房間A當(dāng)人體面對(duì)外窗時(shí)，人體可直接與室外物體發(fā)生輻射換熱，因此計(jì)算中取tpr（font）= to。且計(jì)算中除tpr（font）外，其余朝向輻射溫度tpr均相等，因此式（4）可簡(jiǎn)化為:

式中:sc為玻璃的遮陽系數(shù)。

綜合以上PMV計(jì)算公式可以看出，影響人體熱舒適的因素主要有:室內(nèi)空氣溫度ta、相對(duì)濕度φ、室內(nèi)空氣流速ν、平均輻射溫度、人體新陳代謝M和服裝熱阻Icl。根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］取室內(nèi)溫度ta=18℃、相對(duì)濕度φ=50%、空氣流速為ν=0.1m/s。查文獻(xiàn)［5］不同活動(dòng)的代謝率表A1可得:坐姿活動(dòng)的（辦公室、居所、實(shí)驗(yàn)室）M=69.78W/m2；查附錄E表E1服裝的各種典型組合的熱阻:日常著裝:有長(zhǎng)袖及長(zhǎng)腿的內(nèi)衣，襯衣、褲、V形領(lǐng)毛衣、夾克、襪、鞋Icl=0.2m2·℃/W（1.3clo）。

3　計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)上述條件聯(lián)立式（1）～（7）。分別對(duì)PMV值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下:

如圖2所示，PMV隨室外計(jì)算溫度to升高而增大；比較房間A、B，由于外窗的存在，房間A 的PMV值比房間B小，在冬季供暖情況下房間A冷感較房間B強(qiáng)烈且熱舒適性差。PMV差值隨室外計(jì)算溫度升高而減小，最大為0.293，最小為0.152。分析原因，隨著室外溫度升高，外窗、墻的輻射溫度差值減小，所以PMV差值減小。

圖2　PMV隨室外空調(diào)計(jì)算溫度變化（ta=18℃、M=69.78、sc=0.8）

圖3　PMV隨外窗遮陽系數(shù)變化（ta=18℃、M=69.78、to=0℃）

如圖3所示，房間A的PMV值始終小于房間B，隨著外窗遮陽系數(shù)的減小PMV值增大，兩者之間差值不斷減小。分析原因隨著外窗遮陽系數(shù)的減小，人體與室外物體的輻射換熱量不斷減小，人體通過外窗輻射換熱損失的熱量不斷減小，因此PMV值增大。

如圖4所示在PMV值不變的情況下，隨著室外溫度to升高，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度ta降低；有外窗房間A的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度明顯高于無外窗房間B，兩者差值隨著室外計(jì)算溫度升高而減小，最大為2.34℃，最小為1.31℃。通過分析，隨著室外溫度升高，外窗、墻的輻射溫度差值減小，在PMV值不變的情況下，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度差值減小。

圖4　室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度隨室外計(jì)算溫度變化（PMV=0.128、M=69.78、sc=0.8）

4　結(jié)論

（1）在保持人體代謝率及室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度不變的情況下，有外窗房間的PMV值始終低于無外窗房間，冷感比無外窗房間強(qiáng)烈，冬季采暖熱舒適性較無外窗房間差。且外窗遮陽系數(shù)越大，PMV值越小，可采取有效的遮檔措施降低外窗遮陽系數(shù)方式減小兩者之間差值。

（2）在保持人體代謝率及PMV值不變的情況下，有外窗房間要達(dá)到與無外窗房間相同的PMV值，則須提高有外窗房間的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度。

［1］ISO.International Standard 7730.Moderate Thermal Environment，Determination of PMV and PPD Indices and Specification of the condition for Thermal com fort.Geneva150，1984

［2］謝松甫.冷暖輻射空調(diào)室內(nèi)舒適性分析與節(jié)能研究［D］.華北電力大學(xué)，2014

［3］李芳艷.南方供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度及舒適性研究［D］.廣州大學(xué)，2010

［4］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50736-2012）［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社

［5］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.《中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測(cè)定及熱舒適條件的規(guī)定》（GB/T18049-2000）［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001

Research on the Influence of Radiation from External Window on Indoor Design Temperature

HONG Hua，LIU Jialin
（Guiyang Architectural Design and Surveying prospecting Co.，Ltd，Guiyang，550081，China）

Themathematicalmodel is established and solved according to the difference of the room in internal and external area，Calculating the changes of PMV value in difference room with externalwindows and no external windows，and Calculating the changes of indoor design temperaturewhen the PMV value is constant。The results show that to ensure the PMV value is unchanged，the indoor design temperature of the room with external windows is should be appropriately raised，to ensure the indoor human is thermal com fortable.

Heating in Winter；Indoor design temperature；Radiation from external window

TU831 文獻(xiàn)標(biāo)示碼:B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.011

ISSN1005-9180（2016）02-058-04

2016-2-20

洪華（1986-），男，工程師，從事暖通設(shè)計(jì)。Email:497203008@qq.com