室内热环境（精选7篇）
室内热环境 篇1
0 引言
随着工业生产的持续发展和人们对舒适性要求的不断提高,中央空调系统在大空间建筑中的应用也越来越广泛。从保证人体舒适度和节省能耗两方面考虑,研究大空间建筑的中央空调系统是很有必要的。
1 建筑实例概况
本文所选建筑为某工厂印刷车间,位于河北保定。夏季室外计算干球温度34.8 ℃,湿球温度26.8 ℃,室外平均风速2.1 m/s,大气压力100.26 Pa;室内设计干球温度25 ℃,相对湿度50%;冬季室外计算干球温度-9 ℃,冬季室外最冷月相对湿度45%,室外平均风速3 m/s,大气压力102.04 kPa,室内设计干球温度22 ℃,相对湿度50%[2]。房间长33.0 m,宽9.0 m,吊顶高度7.8 m,建筑面积为297 m2。
2 数值模拟
2.1 物理模型
根据厂房的建筑尺寸建立三维立体模型,以东、高度、南作为坐标的x,y,z方向。吊顶布置两排风口,北侧为送风口,南侧为排风口,且送、排风口均采用散流器;北墙采用条形风口侧壁送风,风口中心距地面高度为4.0 m,南墙采用条形风口侧壁排风,风口中心距地面高度为0.4 m;在室内南侧放置了一台全自动印刷机。房间西墙、南墙为内墙,其他墙为外墙,所有门均为内门。所建立厂房的物理模型如图1所示。
本文计算对象为形状较复杂的建筑空间,在模型的网格划分中,对模型的送、排风口进行了单独划分,同时对整体模型进行区域划分。经统计,模型约划分为264 520个网格。
2.2 边界条件
房间内各模型的边界条件类型如表1所示。
3 两种空调方案下室内热环境的数值模拟及结果分析
3.1 全室性空调工况室内热环境的数值模拟
采用该厂房原有的气流组织方式进行常温送风全室性空调工况的数值模拟。
该建筑原设计采用的是常温全室性全新风空调系统,室内空调设计温度(24±2)℃,相对湿度(50±10)%,夏季送风温度为14 ℃,室内设计冷负荷为90 kW,冷负荷指标为303 W/m2,总送风量为22 000 m3/h。顶送、顶排风散流器的尺寸均为360 mm×360 mm,分别为8个;单侧条形送风口尺寸为1 500×40,共15个,单侧排风口尺寸为1 500×60,共15个。吊顶送(排)风承担总送(排)风量的30%,侧送(排)承担总送(排)风量的70%。
根据该厂房的建筑尺寸,x=10.5 m和z=2.5 m为人员的工作区,因此取x=10.5 m和z=2.5 m为分析截面。模拟结果如图2所示。
从图2a),图2b)可以看出,当采用全室性空调时,空调区域的温度在24 ℃～26 ℃,气流速度小于0.3 m/s,根据模拟结果图进行取值,在人员工作区域取点计算等效吹风感温度。经计算,
3.2 分层空调工况室内热环境的数值模拟
在大空间建筑空调设计中,为了节省初投资和运行能耗,一般采用分层空调的设计方案。
本文在对所选定的厂房进行常温送风分层空调系统模拟时,以侧墙条形风口中心标高4.0 m作为分层空调的垂直分界面,仅对4.0 m以下的区域进行空调,而对4.0 m以上的区域设置排风。由文献[2]可知,当采用分层空调时,夏季室内冷负荷减少系数可取30%进行计算。采用与全室性空调工况相同的送风温差,则总送风量降为15 400 m3/h,厂房下部南墙设单侧排风口,排风量为10 500 m3/h(约占总排风量的70%),顶部两排散流器均为排风口,排风量为5 200 m3/h(约占总排风量的30%),这时侧送风口(条形风口)尺寸为1 600 mm×40 mm,共15个,下侧排风口(条形风口)尺寸为1 500 mm×40 mm,共15个,上排风口(散流器)的尺寸为150 mm×150 mm,共16个,模拟结果如图3所示。
从图3可以看出,当采用常温送风分层空调时,房间下部空调区域的温度在24 ℃～26 ℃,气流速度小于0.3 m/s,经计算,
4 结语
对于大空间建筑,当采用全室性空调工况和分层空调工况进行数值模拟时,室内空调区域温度均在24 ℃～26 ℃,气流速度均小于0.3 m/s,ADPI均大于80%;两种空调工况室内热环境都能满足设计要求,但分层空调系统工作区域的温度分布比全室性空调系统工作区域的温度分布稍好。当采用分层空调时,室内设计冷负荷减少30%,室内热环境仍能满足设计要求,因此文献[2]提到的分层空调可节省30%的设计冷负荷是合理的。原因在于分层空调仅对下部区域进行空调,而对上部非空调区域只通风的空调方式,未考虑上部非空调区域围护结构、灯具及吊顶等形成的冷负荷,可实现制冷空调系统的节能。因此,分层空调是一种有效的节能措施,应当广泛应用于大空间建筑的空调系统设计中。
参考文献
[1]何光华,金涛.大面积厂房空调技术现状与展望[J].工程建设与设计,1999(3):16-18.
[2]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1993:829-886.
[3]黄雪莲,戴有为,梅启元.空调房间气流组织的数值模拟[J].南京理工大学学报,2003,8(4):355-358.
[4]王福军.计算流体力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.
[5]陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,1988.
室内热环境 篇2
通过CFD技术对暖通空调系统进行相应的模拟早在1974年就已有先例,许多学者及研究人员将其用于室内空气品质的评价和评估[1],Airpak软件隶属于CFD技术中一个针对于空调室内热湿环境的模拟软件,尤其擅长模拟不同的住宅、办公建筑的空调系统形式,以及不同送风方式及不同的空调形式下的室内的各项热舒适性指标,从而为工作者对室内环境进行全方位的评价提供便利。热舒适是指人们对所处环境的满意度的评价,人们所感觉到的“冷热适中”的感觉就是所说的热舒适[2]。
本文通过airpak软件对壁挂式和柜式这两种形式的空调系统进行模拟分析,主要探究其空气调节方式下室内的温度场、速度场、空气龄及相应的PPD数值等内容,全面综合的评价出室内最优的空调系统形式。
1 分散式空调系统种类
目前住宅式建筑最常用的空调系统形式为分散式空调系统,其又被称为冷剂式空调系统,属于局部空调机组的范畴,由于局部式空调机组使用灵活、控制方便的特点,其能够被应用与诸多场所,因此也被开发出了多种种类的机组形式供选择使用。
按室内装置的形式可以将其归结为窗式、壁挂式、嵌墙式、柜式、吊顶式,如今又出现了一种可移动式空调。窗式为最早使用的形式,其冷凝器突出安装在室外,噪音较大;壁挂式为分体式空调,室内机组部分噪音低;嵌墙式两侧均为离心风机,机组不突出墙外,可供新风,适用于办公楼的外区;柜式类似与壁挂式,制冷量一般情况下大于壁挂式;吊顶式做成分体型,不占据室内空间,最适于餐厅等;移动式可以在室内自由移动,出风通过软管经窗户排出室内,不同的房间使用之前需重新拆卸安装。壁挂式和柜式空调以其低噪音,控制方便,较为节省空间等优点被广泛的应用与住宅场所。
2 建立模型
2.1 物理模型
本文所研究的房间模型如下,其尺寸大小为4.2m×2.6m×5m,类似于一住宅建筑的客厅大小,分别采用两种送风形式,方案一为壁挂式侧送下回,送风口尺寸为0.5m×0.3m;方案二为柜式空气调节,出风口尺寸0.46m×0.23m。为了避开门的位置,且尽量不使人产生吹风感,充分考虑将处理过的冷风送到人的活动区域,故摆放位置如图1所示。
2.2 数学模型
本文通过Airpak软件,利用零方程模型对问题进行求解,为使问题简化,作如下假设:
(1)空气为不可压缩流体,符合Bossinesq假设;
(2)不考虑围护结构及室内物体的热辐射作用;
(3)忽略由于窗户的严密性导致的冷风侵入问题;
(4)流体流动为稳态流动;
(5)流体的紊流粘性为各项同性。
CFD技术模拟过程中,需要建立合适的控制方程,在此基础上对研究的问题进行特定条件和假设情况下的求解,一般来说流体的流动必须符合质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律和组分守恒定律,其通用的方程形式为:
稳流条件下,首项可以省略,式中ρ为密度,U为速度矢量,φ为因变量,可用于代表温度等参数,ωφ为扩散系数,S为源项,与所研究的特定问题有关。
3 模拟计算与结果
3.1 边界条件设定
该模型中热源较为简单,有人员、电视机、电灯,模拟进行的边界条件设定如下表1所示。
3.2 实验结果及分析
3.2.1 空气龄分布
对实验结果进行分析的过程中,以ISO标准规定的关于室内热环境舒适性评价为基准,采用建筑物特定通风情况下局部空气滞留时长中所规定的空气龄评价指标对本模拟房间进行分析,并取人静坐高度1.1m作为典型截面进行对比分析(图3)。
3.2.2 温度分布
空气龄是指空调房间内空气在某区域所逗留时间的长短,一定程度上反应了室内空气的流通状况,能够直观的表达出室内“死角”的存在,从两者的空气龄分布图可以看出,壁挂式空调送风状态下,室内空气分布比较均匀,空气零值较小,空气流动状况较好;柜式送风条件下,空气龄值最大为103.2,峰值大于壁挂式空调送风形式,空气龄相对来说较大。
根据模型中模拟的实际情况,沙发处为人所活动的常在区域,故取z=2.0m,x=2.4m处,温度随高度的变化情况见表,GK1为柜式空调送风的温度随y方向上的变化情况,GK2为壁挂式空调送风时温度随y方向上的变化情况。壁挂式送风情况下较柜式来说,在人的活动区域,取静坐高度1.1m左右(0.8-1.2m)来看,壁挂式送风的温度基本保持在25.4℃左右浮动,符合夏季空调系统室内计算参数25℃[3];柜式送风情况下,温度大约在24.6℃左右,也就是说在这一高度取值范围内温度整体要偏高与柜式送风温度(图4)。
3.2.3 PPD值比较
PPD为预测不满意百分比,也就是说为人群对热环境不满意的百分数,按照ISO7730[4]所标注的推荐值给以得出,当PPD值小于10%为满意度较好,也就是热舒适性较好。根据如下公式对两种情况下的PPD值进行模拟计算:
结果表明柜式PPD=12%,壁挂式PPD=9%,考虑到住宅内人们以静坐为主,对温度的要求稍高,而从柜式空调温度分布图可看出,其在人员活动范围内温度低于壁挂式。
3.2.4 湿度和风速
有实验数据可得室内的湿度变化两种情况下并无明显差别,不管哪一种形式,其相对湿度均保持在45%左右上下波动,这也符合夏季空调系统对室内湿度40%-65%的要求。风速大小在本文中到达人员活动区域的风速均小于0.3m/s,人员没有吹风感,较为舒适。
4 结论
Airpak软件模拟室内热湿环境能够为室内空调的位置及送风形式提供借鉴,本文通过对壁挂式空调和柜式空调两种情况下的室内温度、空气龄、PPD、风速等参数的模拟,结果表明:使用壁挂式空调,对于住宅建筑有较好的热舒适性,其PPD值小于柜式空调送风,人员活动区温度值满足人员静坐时所需求的温度,故建议家庭用空调形式,可选择壁挂式空调,同时也可节约存放空间。
参考文献
[1]李燚琳,田慧玲,高建成.室内气流组织和空气品质的数值研究[J].建筑节能,2010,22.
[2]葛凤华,刘晔,窦燕书,等.室内气流组织和空气品质的数值分析[J].吉林建筑工程学院学报,2007,24(1):47-51.
[3]GB50189—2005,公共建筑节能设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2005.
[4]ISO7730:Moderate thermal environments-Determ-ination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort[S].1994.
室内热环境 篇3
为了解在气候转向干燥的有利气候时间内室内热环境是否得到改善,于2009年11月28日～29日对一典型的广府民居进行了热环境测量,民居为广州市番禺区小谷围岛穗石村北约坊和兴里20号,民居距今约150年,处在正常使用中,户主姓林,测量中称为林伯。天气情况为:多云间阴天,14 ℃～25 ℃,吹轻微的偏东转偏北风[3]。民居如图1,图2所示。
1 室内温湿度情况分析
建筑功能分为客厅、主人房与杂物间等,室内热环境考察对象为客厅与卧室。参考图3得到室内温湿度分布情况为:
在白天午后时段,室外空气温度升高,空气饱和水蒸气分压力增高,相对湿度降低,民居室内受到围护结构的遮挡,温度变化小,湿度有所下降,高于室外湿度;在晚上,由于天空的长波辐射,室外空气温度降低较多,湿度升高,民居内则由于墙体的蓄热性能,温度变化不大,高于室外温度,这时室外湿度高于室内空气湿度。温度和湿度从室外空气至客厅到达卧室,绝对值变化幅度依次衰减:室外温度日较差为9.48 ℃,客厅温度日较差为4.59 ℃,卧室温度日较差为3.7 ℃;室外空气湿度日较差为32.04%,客厅空气湿度日较差为13.26%,卧室空气湿度日较差为9.54%。
2 室内风速情况分析
风速与热舒适采用了人工计量,民居中分别居住着一对老夫妇,大约晚上七八点钟老人们就准备睡觉,为不致特别打扰老人休息,故只在白天时段进行测量。
风从院落至天井至客厅再到卧室,风在流动过程中不断衰减,建筑内部风速约在0.2 m/s。风速流动特性为:院落为风速活跃的区域,风速稍大,为室内通风的主要动力来源;从院落至天井至客厅再到卧室,风在向内部进行流动的过程中有衰减,至卧室风速降至最低,甚至为0;客厅门白天一般打开,可接收来自院落和内天井的空气流动,但客厅内风速仅为0.1 m/s～0.2 m/s左右,稍有风感。
3 室内热舒适情况
当时人们一般穿一件长袖T恤与长裤或者外面加一件普通外套,故服装热阻大约为0.8 clo～1.0 clo,人们在室内的活动量比较小,测量过程中假设人们静坐或进行轻微活动,人体代谢率设置为1 Met,图4为热舒适测量曲线。在人的代谢率和服装热阻不改变的情况下,室内舒适与气温是密切相关的,起伏规律与温度变化相同;PMV变化范围为-0.1～1.4,传统民居内的热舒适性是十分良好的。在中午前后高温时段,人们一般可以通过减少衣物的方法,达到舒适。
4 结语
广府式民居是在不断适应珠三角地区热湿气候的过程中而不断发展定型的,形成别具特色,特点鲜明的建筑形式与建筑风格,体现着气候的适应性和文化的延续性。通过民居的热环境测量分析得到,室内温度约为19℃～25℃,湿度变化为60%～75%,风速为0.1 m/s～0.2 m/s,舒适感介于中性与微暖之间,是十分舒适且有效率的区间。测量结果表明随着室外气候向有利方向转变,各项室内舒适指标都得比较良好,温度昼夜变化较小;室内湿度降低;由于建筑不开窗或少开窗的缘故,室内风速低,依赖天井进行十分微弱的空气交换;昼夜通过适当增减衣物可以达到个人热舒适。
参考文献
[1]华南理工大学.建筑物理[M].广州:华南理工大学出版社,2002:8.
室内热环境 篇4
建筑是人类生存与行为的物质条件之一, 是人类发展到一定阶段的产物。古代人类面对的首要问题是如何在恶劣的自然环境中保护自己、求得生存。从巢居、穴居、散居到建房聚居的过程正是人类力图适应自然、利用自然、改造自然、不懈地改善其生存环境的真实写照。随着不同时期社会生产力和科学技术发展, 人们对建筑室内环境的追求也在不断的进步。现代社会人的一生绝大部分时间是在室内度过, 建筑室内环境直接关系到人们的安全、健康、舒适和效率。近年来随着我国经济发展, 人民生活水平显著提高, 消费结构从“衣、食”逐步向“住、行”方向升级, 生活从生存型向小康型、舒适型转变, 对建筑室内热湿环境的要求逐渐提高。根据我国《绿色建筑评价标准》 (GB/T50378-2006) , 绿色建筑是指在建筑的全寿命周期内, 最大限度地节约资源 (节能、节地、节水、节材) 、保护环境和减少污染, 为人们提供健康、适用和高效的使用空间, 与自然和谐共生的建筑。良好的室内热湿环境是绿色建筑的重要特征之一, 也是保证人们正常生活和工作的重要条件。
目前, 中国建筑能耗约占全社会能源总消耗的30%左右 (如图1.1) , 根据发达国家的经验, 这一比例将逐步增加到40%左右。近年来, 我国空调、采暖、热水、电气等日常设备日趋扩大与普及, 居民能源、资源消耗强度将逐步提升, 民众对建筑人居环境质量的要求也不断提高。例如, 空调销售的年增长率约20%左右 (如图1.1) 。高速城镇化进程中高投入粗犷式经济模式导致资源需求呈刚性增长, 节能减排面临着巨大的挑战。一方面, 随着城镇化进程, 新建建筑和既有建筑用能导致建筑能耗居高不下;另一方面我国大部分住宅、办公建筑, 尤其是冬季寒冷、夏季炎热季节下的北方农村住宅及长江流域、夏热冬冷地区等南方建筑的室内热湿环境条件亟待改善, 如图1.2所示, 通过对全国包括哈尔滨、北京、西安、重庆、成都、长沙、武汉、上海、福州、广州等14个主要城市的室内热环境现状调查发现, 我国南方和北方主要城市夏季室内温度超过30℃, 我国南方地区冬季室内温度低于15℃, 与室外温度相近。因此, 采取行之有效的措施, 遏制建筑能耗的快速增长, 实现建筑业的健康、可持续发展意义重大。
建筑业的健康、可持续发展追寻的不单单是建筑能耗的降低, 而应该是在保障室内热湿环境质量的前提下寻求建筑能耗降低的方法。因此, 怎样的热湿环境质量才是满足人体舒适、健康要求的, 如何营造出健康舒适的热湿环境是研究建筑节能及绿色建筑的基础性问题。
美国采暖制冷与空调工程师学会的标准 (ASHRAE 55) 中, 对热舒适定义为:“人对于热湿环境的主观满意程度”。在国内外学者近一个世纪的研究中, 丹麦工业大学Fanger教授的研究最具代表性, 其研究成果PMV-P P D指标已相继作为制定国际标准ISO7730和美国ASHARE55标准的主要依据。我国众多建筑规范、标准中所采用的与人体热舒适紧密关联的室内温湿度设计参数的依据也主要参考这两个标准。但是, 国外标准都是以欧美国家的人群为研究对象, 在相对稳定实验条件下建立起来的, 试图将室内舒适性热湿环境认定为一个热物理参数稳定不变的环境。
由于地域、气候条件、生活习惯和适应性等差异, 特别是人们日常所在的热湿环境是一个受多种热湿环境参数扰动影响、不断变化的动态过程, 同时人不仅是环境刺激的被动接受者, 还是积极的调节者和适应者。人是自然进化而来, 随自然节律一年四季不同时期对室内热湿环境参数要求也会不同。当前, 可持续发展、节能减排已成为我国的基本国策, 因此用尽可能小的能源代价营造舒适的热湿环境已经变得越来越迫切, 这也全方位地体现了绿色建筑“节约能源、节省资源、保护环境、以人为本”的理念。
2、国内外室内热湿环境评价方法简介
不少国内外学者重点针对建筑室内各种热湿环境的舒适性评价指标、模型和标准进行了研究。
1919年, 美国采暖、制冷与空调工程师协会ASHRAE新建了一个实验室, 研究创立了ET指标, 其目的在于研究湿度对热感觉的影响程度。上世纪50年代至60年代, 随着空调技术应用于工业和民用建筑, 室内热湿环境的舒适性营造技术及评价研究在北美和欧洲广泛开展。1955年, 比兹堡大学的Belding和Hatch提出了热应力指数HSI, 提供了一种按照人体活动产热, 衣着及周围热湿环境对人的生理机能综合影响的分析方法。1971年, 美国耶鲁大学Pierce研究所的Gagge提出了新有效温度 (SET*) 指标, 但该指标只适用于着装轻薄、活动量小、空气流速低的环境。随后, Gagge又综合考虑了不同的活动水平和服装热阻的影响, 提出了标准有效温度 (SET) 指标, 它是根据生理条件制定的一项合理的热舒适指标。
1970年, 丹麦工业大学的Fanger教授提出了著名的热舒适方程, 并在此基础上得到了稳态环境热舒适评价和预测的PMV-PPD指标。1984年, 国际标准组织采用PMV-PPD热舒适评价指标制定了ISO7730-1984和ISO7730-2005最新标准。1992年, 美国采暖、制冷与空调工程师协会也采用PMV-PPD指标制定了ASHRAE55-1992标准。这两个标准主要适用于评价和预测稳态环境的热舒适。所谓稳态热湿环境, 是指空气温度、相对湿度、平均辐射温度、空气流速等环境参数不随时间变化而变化的环境。这样的环境通常只能是在人工控制下的稳态空调环境。已有研究大多以稳态环境下人体热平衡方程为基础, 认为人体是外界热刺激的被动接受者, 通过和外界环境的热湿交换来影响生理参数, 进而产生不同的热感觉。
同期还开展了动态热湿环境评价及适应性模型研究。如上世纪60年代, 英国Humphreys对来自不同国家的36个受试者进行了有关中性温度的研究, 发现非采暖空调与采暖空调这两类建筑的情况明显不同, 且非采暖空调建筑内热舒适与室外温度的关系接近于线性, 提出了最佳室内热湿环境的适应性方法。由此, 非空调建筑室内的热适应性研究开始得到了重视。1976年, 美国运输部为地铁车站站台、站厅和列车空调设计参数的确定提出了考虑人体在过渡空间环境的热舒适指标相对热指标RWI和热损失率HDR。1997年, 重庆大学运用工程控制理论提出了用于自由运行建筑室内热湿环境评价的APMV模型, 此模型充分考虑了人体对于室内热湿环境的生理、心理及行为适应性, 能更为准确的评价实际建筑热湿环境的人体热感觉。2002年, 面对非采暖空调环境下PMV与实际热舒适调查结果有着较大偏差的事实, Fanger教授提出了在原有的稳态空调条件下的P M V指标前分别乘以0.5～1.0的修正系数, 即PMVe=e×PMV, 用于非采暖空调环境。Humphreys、deDear等针对非采暖空调建筑提出了“适应性模型 (Adaptive Model) ”, 认为该模型明确提出了人在非空调环境下具有很好的生理、行为和心理适应能力。ASHRAE55标准2004版以适应性模型为基础提出了非人工冷热源热湿环境的图示评价方法, 如图2.1。
3、我国民用建筑室内热湿环境评价方法
面对国家的重大需求, 政府相关部门出台了一系列建筑节能措施, 国务院机关事务管理局要求国家政府办公机构夏季空调温度不得低于26℃。然而, 舒适的热环境并不仅仅是由单一参数所决定, 因此开展动态舒适热环境营造的基础科学问题研究至关重要。针对此问题, 2008年国家自然科学基金设重点项目“建筑热环境动态调节与控制的理论与方法 (50838009) ”研究课题, 由重庆大学牵头承担;“十一五”期间, 国家科技部设置科技支撑计划重大项目课题“建筑室内热湿环境控制与改善关键技术研究 (2006BAJ02A09) ”, 由重庆大学牵头承担完成, 在理论研究和工程应用研究方面取得了系列标志性成果。在此基础上, 我国住房和城乡建设部于2009年开始了《民用建筑室内热湿环境评价标准》的编制工作, 着眼于对室内热湿环境的评价问题, 考虑我国地域广阔、气候差异明显、人体感官差异大的特点, 以室内温湿度参数为主要控制对象, 综合考虑风速、表面辐射等综合因素的影响, 建立适合中国国情的建筑室内热湿环境参数的分区域、分等级的评价标准, 最终为创建舒适、适宜、节能的室内热湿环境提供有力的科学依据。
我国《民用建筑室内热湿环境评价标准》的舒适性评价方法将民用建筑分为两大类分别进行评价。一类是针对使用采暖、空调等人工冷热源进行热湿环境调节的房间或区域进行评价, 称之为“人工冷热源热湿环境”评价。另一类是针对未使用人工冷热源, 只通过自然调节或机械通风进行热湿环境调节的房间或区域的进行评价, 我们称之为“非人工冷热源热湿环境”评价。
对于“人工冷热源热湿环境”和“非人工冷热源热湿环境”的评价都可采用计算法或图示法进行评价;不具备条件时, 可采用大样本问卷调查法。同时, 根据建筑的使用要求、气候、适应性等条件, 为了合理控制室内热湿环境, 鼓励营造节能、健康、舒适的室内热湿环境, 我国的建筑室内热湿环境细分为Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级三个等级, 分别对应90%以上人群满意的环境, 75%～90%人群满意的环境, 75%以下人群满意的环境。
1.人工冷热源热湿环境评价
人工冷热源热湿环境的评价方法可根据室内热湿环境条件的实际情况选择计算法或图示法进行评价。
1) 计算法
人工冷热源热湿环境评价的计算法采用国际标准中的预计平均热感觉指标P M V、预计不满意者的百分数PPD指标进行评价。PMV是根据人体热平衡的基本方程式以及生理心理学主观热感觉的等级为出发点, 考虑了人体热舒适感的诸多有关因素的评价指标, PMV表明人群对于冷 (-3) 、凉 (-2) 、较凉 (-1) 、适中 (0) 、较暖 (+1) 、暖 (+2) 、热 (+3) 七个等级热感觉投票的平均指数。PPD是处于热环境中的人群对于热湿环境不满意的预计投票平均值。
Fanger收集了1396名美国和丹麦受试者的冷热感觉资料, 得出P M V指标与人体能量代谢率、人体所做的机械功、水蒸气分压力、空气温度、穿衣面积系数、衣服外表面温度、平均辐射温度、对流换热系数等因素有关, 关系式如下:
式中:M——人体能量代谢率, W/m2;
W——人体所做的机械功, W/m2;
Pa——水蒸气分压力, Pa;
ta——空气温度, ℃;
fcl——穿衣面积系数;根据Icl获得;
Icl——衣服热阻, clo;
tcl——衣服外表面温度, ℃;
——平均辐射温度, ℃;
hc——对流换热系数, W/ (m2×K)
P M V指标代表了同一环境下绝大多数人的感觉。但是人与人之间存在生理差别, P M V指标并不一定能够代表所有人的感觉。因此, Fanger又提出了预计不满意者的百分数PPD (Predicted Percent Dissatisfied) 指标来表示人群对热环境不满意的百分数, 并利用概率分析方法, 得到了PMV与PPD之间的定量关系, 如式3.2和图3.1:
从此图可看出当P M V=0, PPD=5%时, 即在现实中要营造一个让所有人都满意的热环境 (即PPD=0%) 是难以做到的。人们可以利用PMV-PPD指标来评价室内热湿环境, 这一方法在国际上, 尤其是在人工热湿环境评价中最常使用, 如国际标准ISO7730-2005及美国标准ASHRAE55-2004, 并称之为PMV-PPD方法。
在进行人工冷热源热湿环境评价时, 可利用式3.1和式3.2分别计算求得PMV值和PPD值, 并根据表3.1中人工冷热源热湿环境的各评价等级对PMV、PPD指标的要求来判定室内热湿环境等级。
2) 图示法
在工程应用中常采用图示法对人工冷热源热湿环境进行评价。参考美国ASHRAE55标准给出的热舒适区, 图3.2所示横坐标是含湿量, 指湿空气中水蒸气质量与干空气质量之比值;纵坐标是体感温度 (Top) , 指具有黑色内表面的封闭环境的平均温度, 在该封闭环境中, 人体通过辐射和对流交换的热量与人体在实际环境中交换的热量相等。
采用图示法进行评价时, Ⅰ级评价等级的体感温度 (Top) 应符合图3.2中0.5clo或1.0clo对应的体感温度上下限值的要求。对于其他服装热阻所对应的评价等级体感温度上下限应按线性插值确定。
1——服装热阻为0.5clo的Ⅰ级区 (实线区域) ;
2——服装热阻为1.0clo的Ⅰ级区 (虚线区域) 。
在夏季情况下, 可通过改变人体着装即减小衣服热阻或提高空气流速来达到室内热湿环境的舒适性要求, 图3.3参考ASHRAE55标准, 适用于室内人员坐姿活动 (代谢率约为1.1met) 的情况, 给出了不同衣着条件下, 提高空气流速后体感温度的上限值。
t a——空气温度;t r——平均辐射温度;1——服装热阻为0.5clo的适宜区;2——服装热阻为1.0clo的适宜区。
因此, 采用图示法对人工冷热源热湿环境进行评价时, 在自身服装热阻确定的情况下, 可根据室内体感温度值查阅图3.2和图3.3来判定室内热湿环境的评价等级。
2.非人工冷热源热湿环境评价
长期以来人们所追求的“舒适建筑”, 力图对室内热湿环境参数进行恒温恒湿控制, 忽略了人体的热适应性。恒温恒湿稳态环境必须借助采暖空调控制来实现, 从而导致建筑高能耗。因此, 非人工冷热源热湿环境营造和评价对降低建筑能耗有重大指导意义。
重庆大学研究课题组应用工程控制原理开展了动态热环境的评价研究, 在稳态热平衡的PMV模型基础上提出了用于实际建筑热湿环境评价的适应性平均热感觉指标 (APMV) 模型。
稳态热平衡的PMV模型可用图3.4表示。预计平均热感觉指标 (PMV) 可用下式3.3表示:
式中:δ——物理刺激量;
G——人体感受量。
APMV模型对稳态热平衡模型进行了改进, 认为热湿环境的刺激会引起人体生理、心理和行为的适应性调节, 从而形成负反馈, 其过程可反映于适应性平均热感觉指标 (APMV) 模型当中, 如图3.5。
APMV模型很好地解决了世界上关于静态热平衡模型与适应性模型的争论, 不仅考虑了影响人体热平衡的参数, 同时也考虑了人们对于热湿环境变化而进行的行为、生理和心理适应调节。根据调节模型图, 预计适应性平均热感觉指标 (APMV) 可根据下式计算确定:
式中:Kδ——大于0的系数, 取决于气候、季节、建筑形式及功能, 社会文化背景以及其它瞬时物理环境中的相关因素
APMV——预计适应性平均热感觉指标;
λ——自适应系数, λ=Kδ/δ;
PMV——预计平均热感觉指标。
该模型分别采用中国重庆大学、印度尼西亚T.H.K A R O N U和英国Reading大学的实验调查结果对夏季和冬季的情况进行了验证, 通过验证结果可知APMV模型更能反映人们的实际热感觉, 有较高的适用性。
1) 计算法
在进行非人工冷热源热湿环境评价时, 可利用式3.4计算求得APMV值, 并根据表3.2中非人工冷热源热湿环境的各评价等级对APMV指标的要求来判定室内热湿环境等级。
2) 图示法
通过对全国五个气候区, 14个主要城市建筑室内外热湿环境的大量现场调查和测试形成了图3.6所示的非人工冷热源热湿环境各评价等级范围。
采用图示法进行评价时, 室内热湿环境的Ⅰ级和Ⅱ级评价等级所对应的体感温度范围如图3.6所示, Ⅰ级区为图中的深灰色区域对应90%以上人群满意的环境, Ⅱ级区为图中的浅灰色区域对应75%～90%人群满意的环境。图3.6的横坐标是室外平滑周平均温度, 它是指连续7天室外日平均温度的指数加权值, 室外平滑周平均温度比图2.1 ASHRAE-55 2004的横坐标室外月平均温度更能反映实际情况。
1——Ⅰ级区;2——Ⅱ级区
在评价非人工冷热源热湿环境时, 根据建筑所处地区分别应用严寒地区和寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区适用的体感温度范围进行评价。根据评价日的室外平滑周平均温度确定室内体感温度各等级范围, 通过与室内体感温度值比较确定室内热湿环境等级。
4、结束语
民用建筑室内热湿环境的营造应在满足室内热湿环境评价等级的前提下, 充分发挥人体适应性行为调节能力, 最大限度利用自然资源, 以被动调节方式为主, 辅以主动调节方式对室内热环境进行调节改善。对于采用采暖、空调等人工冷热源的热湿环境, 人们可以有不同的空调、采暖使用习惯, 可以采用不同的设置温度、运行模式等适应性调节行为来调节室内热环境, 从而降低建筑能耗;对于非人工冷热源热湿环境, 人们采用通风调控、遮阳调控等气候适应性调节方法对室内热湿环境进行调节, 可以大大减少空调、采暖时间, 从而降低建筑的耗能。
室内热环境 篇5
林芝位于西藏的东南部,北纬26°52′~30°40′,东经92°09′~98°47′,平均海拔3000m。地形呈北高南低,印度洋、太平洋的暖流常年进入,形成了林芝地区特有的热带湿润和半湿润气候,雨水相对较多[1]。由于气候条件的特殊性,林芝地区传统民居与西藏拉萨、日喀则等少雨地区的平顶民居相比表现出不同的特征。
林芝地区的传统民居是西藏民居的重要组成部分,并已有一定数量的相关研究,但是目前研究主要集中在其文化含义和建造方法的定性研究方面,对于其热工性能以及室内热环境的定量分析研究相对缺乏。同时随着生活水平和建造技术规模的提高,基于现代材料和建造技术的民居已经开始大量出现并取代传统民居。为更好地了解传统民居的热工性能,传承传统可持续建筑技术及生态经验,需要对传统民居的热环境进行研究并与现代民居进行对比分析。
本文选择林芝地区传统民居和现代民居通过冬季热环境参数测量,对冬季室内热环境等进行评价和对比,为对进一步了解地方民居的热工性能提供科学的依据。
1 林芝地理位置及气候特点
林芝为西藏的主要林区和农区,森林覆盖率高达46.1%[2],年平均气温8.6℃,冬季为12月至1月,夏季为7至8月,其中最冷月1月,最热月7月。在中国建筑气候区划中属于寒冷地区,在西藏气候分区上属于高原温带[3],相对于西藏其他地区,林芝地区气候湿润,降水量较大,同时森林植被较丰富。其气候特点可以概述为常年湿度大,年降水量600~900mm;冬季平均相对湿度在50%以上;气温日较差大,冬季日较差大于10℃(表1);太阳辐射强度大,以冬季12月为例,水平总辐射强度峰值可达600 w/m2,平均值大于140 w/m2,。其中散射辐射强度平均值为35 w/m2。说明林芝地区在冬季主要依靠太阳直射得热作为主要热量来源(图1)。
2 林芝地区传统民居特点
由于林芝特殊的地理及气候条件,在适应地方气候,利用地方材料的原则之下,林芝传统民居也形成了西藏传统民居中独特的林区民居形态,包括夯土民居、土石民居、木头建筑和草房等不同类型[2]。
以传统土石民居为例,在平面布局上多为长方形平面,朝向为南向或东南向,以利于充分获得日照。平面布局常见的形式为中部设置过道,将平面分为左右两个功能区,平面简洁,使用效率较高。
在建筑形式上采用类似于硬山的坡屋顶形式,但两侧山墙处的三角区并不砌满,只砌筑部分梯形墙墩以支撑坡屋顶,留有较大的空隙以方便搬运物品,同时也利用屋顶的通风除湿。
在建筑材料上,充分利用当地石材及木材。外墙采用当地石材,等做成“下大上小”收分墙体。内部使用木质梁柱结构,地板及隔墙为木地板。林芝地区由于雨量较多,一般一层不采用夯土或土坯作为外围护结构材料。
3 研究对象
本文以林芝八一镇传统土石民居和采用现代材料的新民居为研究对象,两个建筑位于同一个村落,外部气候条件相同。传统民居建筑为东南朝向,建筑平面为长方形,屋顶为木板瓦屋面的两坡屋顶。空间布局是该地区常见的功能布置,一层作为储藏室和包含厨房,卧室及起居综合功能的起居室,该房间内设置有火塘用于炊事及附带的取暖功能。在南向阳光最佳的房间,室内设置卡垫作为主要活动空间。二层包括卧室及经堂。楼梯位于建筑的中部,左右呈对称式布局,一二层空间分隔基本一致。一层层高2.2m,二层层高3.1m;一层墙体为石块及黏土砌筑,平均厚度为820mm;二层墙体土坯砖与黏土砌筑,平均厚度为400mm;内墙及地面楼面均为木板;外窗为木窗框,单层玻璃,各朝向窗墙比分别为南向0.467,东向0.122,西向0.162,北墙没有开窗。测量期间,该房屋起居室内没有使用采暖设备。(图2、3)。
现代民居为单层建筑。建筑主体及门窗均采用现代材料。墙体为水泥砂浆砌筑的200mm厚空心混凝土砌块,屋顶为彩钢屋面板,室内顶棚为塑料吊顶,窗户为塑钢推拉窗。建筑平面采用长方形的平面形式,功能布局西端为卧室,东端为起居室与卧室嵌套布局。在测量期间,起居室采用火炉间歇性采暖(图4、5)。
4 实地测量分析
4.1 测量时间及参数
本文选取2010年12月1日0时至2010年12月25日0时的测量数据为研究依据。主要测量的环境参数有室外温湿度、风速,住宅室内典型房间温湿度,风速。温湿度的测量采用温湿度自记录仪,间隔时间为15分钟;室内外风速测量为每周一次共三天,选择白天劳作时间9:00至18:00人工测量记录,间隔时间为1小时。室内外温湿度采用国产温湿度自记录仪,风速采用国产电子微风仪(型号EY3-2A)及热球风速仪(型号ZRQF)。
4.2 测量结果
数据来源:中国建筑热环境分析专用气象数据集
(1)传统民居室内外空气温度
图6给出传统民居室内外温度测量结果,可以看出一层测点1和二层测点3室内温度的波动振幅都远小于室外的温度波幅。两个房间的室内温度最低值和最高值出现时间基本一致,最高值出现在15:00至17:00之间,最低值出现在08:00至09:30之间。与室外温度峰值出现时间相比,室内最低温度的出现时间一般均推迟2小时,室内最高温度推迟1小时。一层室内温度最高值在8℃以下,均低于室外温度最高值;最低值在0℃以上,远高于室外温度最低值。二层室内温度最高值与一层基本一致;最低值低于一层室内温度最低值,在0℃左右,但大于室外温度最低值。总体而言,白天室外温度较高热量向室内传递,夜间室外温度大幅降低,热量由室内向室外传递。传统民居室内温度的波幅较小,远小于室外温度波幅,说明室内环境具有较好的热稳定性,围护结构具有一定的蓄热能力和热惰性,能够起到平抑室内温度波动的作用。
(2)传统民居室内空气温度
位于同一朝向的一层房间测点1和二层房间测点3,室内温度波动趋势一致,但一层房间温度波幅略小。除个别时间外,一层房间温度均高于二层房间。一层房间平均温度为4.79℃,二层平均温度为3.83℃,平均温差0.96℃。在12月13号之前,一二层室内最低温度差相差较小,在0.5℃以内;在12月13号之后,由于室外最低温度大幅下降,一、二层室内温度差加大,一、二层室内最低温度差达到1℃至2℃。位于二层过道测点2的温度变化趋势与测点3一致,平均温度为4.58℃,略高于测点3,测点2与测点3的平均温差为0.75℃。
不同房间温度及波幅区别产生的原因受以下2个方面因素的影响:
①外墙材料及厚度不同,其蓄热能力与热阻不同(表2)。从表2可以看出,一层石材外墙的热阻小于二层土坯外墙,但蓄热性能较大。因此一层房间的温度波动相对较小,热稳定性能较高;同时由于两个房间室内均无热源,室内热量依靠室外向室内传热及阳光辐射得热,因此热阻较小,蓄热能力较高的围护结构热工性能相对更好。
②坡屋顶与二层屋顶之间与形成夹层,一方面遮挡了日照,一方面由于坡屋顶两侧山墙没有封闭,夹层内空气流动带走热量,也增大了二层房间通过屋面的热损失。
(3)传统民居室内外相对湿度比较
从图7中可以看到,室外相对湿度15%-90%之间,平均值为63%,夜间室外较为潮湿,而白天室外较为干燥。室内的相对湿度在40%~70%之间,室内湿度波幅小于室外。各测点湿度全天平均值分别为50.5%,54.1%和53.8%。其中一层房间测点1湿度波幅最小,湿度最大值出现在上午,即室内温度最低时段;湿度最低值出现在夜间。二层走廊测点2湿度及房间测点3的湿度波幅基本一致。
(4)传统民居与现代民居温度对比
图8显示了传统民居测点3与现代民居测点4的卧室温度比较,平均温度分别为4.79℃及6.39℃。对比测点3与测点4,可以看出两者平均温差为1.5℃。新民居测点4温度有两个峰值,分别出现在上午9点和下午13点左右。第一个温度峰值出现的时间相对提前4至5个小时,与日常起居活动有关。第二个峰值与传统民居测点3和室外温度峰值出现时间基本一致,本文选取第二峰值进行比较。新民居测点4的第二峰值与最低值均大于传统民居测点1,测点4温度波幅约5℃,远大于传统民居测点1的波幅2℃。根据测点3和4的房间的布局,可以看出测点3所在的传统民居房间的南侧,北侧及东侧三面均为外墙,而测点4所在的新民居房间位于建筑中部,仅南侧为外墙,同时东侧相邻为有采暖房间,因此测点3所在房间的热损失要大于测点4所在房间,而两者温差较小,且传统民居房间温度波幅较小,说明传统民居一层房间的外围护结构较之现代民居具有较好的热稳定性和保温能力。从表3可以看出现代民居外墙采用的混凝土空心砌块热阻和热惰性指标都小于传统民居,特别是蓄热能力非常低,因此现代民居的外墙热稳定性相对较差。
图9为相对湿度比较,传统民居测点3的湿度在40%~70%之间,平均值53.8%,现代民居测点4的湿度在20%~50%之间,平均值为34.8%。两个房间湿度相差较大,表明传统民居卧室的空气更为潮湿。
图10为传统民居测点1和现代民居测点5的起居室温度对比。其中现代民居测点5在测量期间有火炉作为热源,采暖方式为间歇性采暖,其平均温度为9.51℃,温度峰值接近20℃,同时温度波幅较大。两个测点温度最高和最低值出现时间基本一致,最低温度值接近。说明在夜间两个房间的温度趋于一致,而现代民居的起居室热稳定性较差,人体热感觉的变化较大。
图11显示湿度对比,现代民居测点5的湿度波幅和平均值均大于传统民居测点1,其相对湿度平均值分别为53.5%和为50.5%。而同时测点5的温度大于测点1,因此说明现代民居起居室的室内空气相对更为潮湿。这与起居室的特殊功能相关,起居室是住户的主要人员活动和休息空间,同时包括厨房的炊事功能,因此该房间的空气湿度相对较大,同时由于现代民居采用铝合金窗较之传统民居的木框窗密闭性更好,降低白天室内湿气向外渗透。
(5)传统民居与现代民居室内风速对比
图12显示12月5日,12日及19日两种民居室内外风速测量数据,从图中可以看出两种民居不同房间室内风速值基本接近,平均值在0.02m/s左右,都低于室外风速均值0.2m/s。其中传统民居室内风速略高于现代民居。测量期间房间门窗基本保持关闭状态,室内风速不同主要在于传统民居采用木质窗框,密闭性相对铝合金较差。
5 传统民居冬季热舒适评价
根据实测数据,在无采暖的情况下传统民居冬季12月室内平均温度分别为3.83℃和4.79℃,与室外平均温差相对较少,但与最高值最低值相差较大。最高值出现在中午12点之后,在5~10℃之间,最低值出现在夜间至第二天上午9点之前,在0℃以上;室内相对湿度在40%~70%之间,平均湿度在50%左右,变化趋势与温度呈反向变化。温度和湿度的波动幅度都小于室外温湿度的波动幅度。根据相关研究,藏族人体室内热舒适感觉的温度范围为17.67~20.3℃(clo=1.05,M=1.0met)[4]。从图13焓湿图的热舒适范围,可以看出传统民居的室内湿度在热舒适范围内,但温度在舒适范围之外。说明在冬季必须采用人工采暖达到室内热舒适。而采用火炉作为热源的现代民居白天温湿度均在热舒适范围之内,夜间温湿度也不能达到热舒适范围。
分析
通过对林芝地区传统民居的冬季热环境实测及对比分析,可以看出:
(1)冬季室外气温日较差大,白天气温较高,夜间气温低于0℃。而传统民居在无热源的条件下,室内温度较低,但夜间最低值一直高于0℃,同时温度较为稳定,说明外围护结构具有较好的蓄热性能,能够平抑温度的剧烈波动,维持较稳定的室内热环境,但其热阻较低,需要增加保温层提高围护结构热阻,改善热工性能。民居内墙采用木板,其热阻和蓄热能力都较低,在个别房间采暖的条件下,会造成房间向走道或其他房间热传递而增加热损失。
(2)从传统民居的各朝向窗墙比可以看出,开窗的目的主要针对获得南向日照,以在日照时数较少的条件下,充分利用太阳辐射。而北墙完全不开窗以减小北向的热损失。这种方式也符合西藏自治区《居住建筑节能设计标准》中对林芝地区的各朝向窗墙比的规定:东西向应不大于0.25,北向不大于0.2,南向直接收益式窗户应不小于0.55。但由于夜间室外温度较低,南向较大的开窗也成为夜间外围护结构失热较大的部分,因此传统民居中采用较厚的窗帘进行夜间保温,在窗帘及玻璃之间形成空气间层,降低夜间室内向室外的对流及辐射散热。在平面布局上,所有房间的门都不直接开向室外,入户处设置过道作为缓冲空间,降低冷风渗透。
(3)传统民居坡屋顶由于两侧山墙不封闭,以利用屋顶存放物品的通风。但同时形成的空气对流,增加了顶层房间的热损失。因此坡屋顶仅作为防雨的功能,没有保温功能。
(4)在室外气温较低的冬季,充分利用厨房炊事产生的热量形成集中供暖空间,同时传统民居厚重的外墙具有较大的蓄热能力,在夜间火炉停止工作后,墙体释放热量可以减缓内部温度的降低。因此厨房作为温度较高的空间成为日常活动和休息的多功能用房。
结语
林芝传统民居是在严峻气候条件下形成的一种居住形态,利用适应气候的低技术最大程度减少热量损失实现合理的热舒适环境。其所能达到的效果需要通过实测进行评价,同时必须认识传统的实现热舒适的技术手段十分有限,这种舒适是建立在特定的文化背景之下和较落后的生活水平基础上。因此需要从不同角度全面的理解传统民居所采取的技术以及所能达到的室内热环境。
参考文献
[1]杨勤业,郑度.西藏地理[M].北京:五洲出版社,2004:3-10.
[2]木雅·曲吉建才.西藏民居[M].北京:中国建筑工业出版社,2009:163-171.
[3]张谊光,黄朝迎.西藏气候带的划分问题[J].气象,1981(04):6-8.
[4]Atsushi Deguchi.Thermal Comfort of Tibetan People in Indoor Space.2010年建筑环境科学与技术国际学术会议论文集[c].南京:东南大学出版社,2010:101-110.
[5]杨柳,朱新荣,刘艳峰,刘加平.西藏自治区《居住建筑节能设计标准》编制说明[J].暖通空调,2010(40):51-54.
[6]王芳,陈敬,刘加平.怒江中游河谷地区民居冬季室内热环境评价与分析[J].建筑技术,2011(27):40-46.
室内热环境 篇6
夏热冬暖地区为亚热带湿润季风气候,夏季长,冬季短,太阳辐射强[1]。提高建筑围护结构热工性能,改善室内热环境,降低建筑能耗是迫切需要解决的问题[2]。
建筑屋面绿化是以建筑物、构筑物顶部为载体,以植物为主体进行配置,不占用自然土壤的绿化方式,具有良好的节能减排效益[3]。屋面绿化可以大幅度提高屋顶的隔热性能,改善室内环境,减少空调能耗[3,4,5]。赵定国和薛伟成[6]报道夏季高温时段绿化屋面比裸屋面温度降低20℃以上,降低室内温度2℃左右。
本文在对广州大学图书馆的屋顶绿化工程进行现场实测的基础上,对其应用效果进行评价。
1 实验
1.1 项目简介
广州大学图书馆,主体高度31.5 m,总面积为46 744 m2,共5层,于2005年竣工投入使用。图1是建筑鸟瞰图。建筑屋顶面积约为6200 m2。本次屋顶净绿化面积4200 m2,另设步道552 m2,如图2所示。
1.2 屋面结构与绿化形式
图书馆原屋顶的建筑结构如下:
结构自防水混凝土层:钢筋混凝土现浇屋面板。
找坡层:水泥陶粒建筑找坡。
找平层:15 mm厚1∶3水泥砂浆抹平。
柔性防水层:1.2 mm厚SW-JS聚合物水泥基防水涂料。
隔热层:30 mm厚硬泡聚氨酯。
刚性防水层:40 mm厚C20细石钢筋混凝土。
面层:5 mm厚聚合物水泥砂浆,铺浅色地砖,设半缝内嵌耐候胶。
本工程所采用的屋面绿化植物为佛甲草,种植的方式为模块式预制箱式种植,如图3所示。
1.3 测试方案
测试时间为2015年10月15日、16日、19日和20日。为了对图书馆屋面绿化改造后的效果进行全面评价,本次现场测试的主要内容包括:绿化植物表面温度、植物土壤层温度、绿化屋面内表面温度,为了进行效果对比,还对屋面未绿化部分的外表面温度、内表面温度进行了测试。使用土壤温湿度记录仪进行土壤温度和屋面温度的采集,测点布置如图4所示。
为了直观地表现绿化屋面与非绿化屋面温度的差异,采用热红外成像仪(FLUKE Ti R1)测试屋面表面温度。屋面的内表面温度采用红外测温仪(testo 830-T1)测量。
2 屋面绿化测试结果与分析
2.1 绿化层温度变化(见图5、图6)
如图5和图6可见,种植模块箱底温度波幅小,温度维持在(22±2)℃,而未绿化屋面的温度波幅大,15日、16日温度在21.5~46.6℃,19日、20日温度在22.2~43.7℃。种植模块箱底的温度与未绿化屋面温度最大相差23.1℃。随着种植模块箱底温度、土壤温度、绿叶层中间温度到距植物表面1 m处空气温度逐渐升高,温度的波幅也越大。通过对不同位置温度峰值的分析,可以发现相对于未绿化屋面,绿叶层、土壤和种植模块箱底的温度峰值逐层都有温度延迟现象,种植模块箱底的温度峰值比未绿化屋面的峰值温度延迟了约3 h。通过以上分析可知,屋面绿化在减小温度波动和降低屋面温度效果显著。
2.2 绿化屋面植物表面与未绿化屋面温度变化
分别选取15日和16日中午12:00非绿化屋面、绿化屋面的热红外图像,见图7、图8。
由图7、图8可见,15日中午12:00时,非绿化的屋面最高温度为53.5℃,绿化的植物表面温度最高为45.7℃,相差7.8℃;16日,非绿化屋面最高温度为55.3℃,绿化植物表面温度最高为48.2℃,相差7.1℃。
2.3 绿化屋面与未绿化屋面内表面温度分布
图9分别给出了15日、16日、19日和20日屋面内表面的温度变化曲线。
由于绿化屋顶内表面温度测试房间是机房,出现测试的绿化内表面温度比种植模块箱底温度高的现象。由图9可以看出,绿化屋面对应的屋顶内表面的温度比较稳定,全天均维持在26℃左右,而非绿化屋面对应的屋顶内表面的温度变化幅度很大,从9:00~18:00温度一直呈上升趋势,最高达到33℃。与室外空气温度变化相比,可以发现未绿化屋面内表面的温度随着室外温度的升高而升高,当室外空气温度降低时,未绿化屋面内表面温度并没有随之降低,表现出延迟性。图9(c)、(d)中非绿化屋面内表面的温度出现比绿化屋面内表面温度低的情况,根据室外温度检测,发现在19日和20日早上的室外温度要比15日和16日相同时刻室外温度高1~2℃。
3 结语
采用屋面绿化,能够有效地降低屋面外表面的温度。通过测试可以发现,屋面绿化种植模块箱底的温度始终维持在(22±2)℃。相对于未绿化屋面而言,温度最大能降低23.1℃。而且屋面绿化能够保持屋面内表面的温度基本恒定,采用了绿化的屋面内表面的温度维持在26℃左右,而非绿化屋面内表面的温度则在测试时段(9:00~18:00)内一直升高,最高达33℃。屋面绿化不仅降低室内空调负荷,而且屋顶温度下降可降低人体与屋顶热辐射,从而改善人体热舒适度。
摘要：屋面绿化是常用的建筑节能措施。对夏热冬暖地区某图书馆的屋面绿化效果实测与分析,研究屋面绿化改善室内环境的实际效果。结果显示,10月份中午12:00植物表面温度比未绿化屋面低7.8℃;种植模块箱底温度比未绿化屋面最大可降低23.1℃。屋面绿化对改善楼板外表面温度,减少烘烤感效果显著。当未绿化屋面昼夜温差最大为25.1℃时,绿化屋面9:00~18:00内表面温度维持在26℃左右,说明屋面绿化能够很好地稳定楼板内表面温度。
关键词：屋面绿化,夏热冬暖地区,实测分析,屋面温度
参考文献
[1]JGJ 75—2003,夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准[S].
[2]罗志强,刘刚.夏热冬暖地区轻型绿化屋面隔热性能研究[J].建筑节能,2009(9):50-55.
[3]曾宪纯,邢艳艳,王立,等.既有建筑屋面隔热绿化应用技术研究[J].浙江建筑,2011(2):46-49.
[4]赵定国,薛伟成.轻型屋顶绿化的节电效果[J].上海农业学报,2008,24(1):99-101.
[5]陈宗美.日本的屋顶绿化[J].住宅产业,2005(Z1):81-84.
冬季室内风速对人体热舒适的影响 篇7
ASHRAE Standard 55-1992把热舒适定义为对热环境表示满意的意识状态。它是人们生理和心理上的一种感觉, 热舒适是神经系统的一系列的活动, 这些活动使人在心理上产生快乐的感觉[1]。风速是影响人体热舒适的重要因素。室内风速会对人体产生两大作用:一是增强了人体与周围环境之间的换热;二是风速的加大可能会产生吹风感。这两种作用共同影响人体的热舒适感觉且在不同季节, 风速对人体的影响也不相同。随着风速的改变, 人体也会跟着进行一系列生理上的调节以适应不同的环境风速。这些生理参数的变化即是人体对不舒适的一种生理上的反映。因此研究受环境风速影响的人体生理参数及热感觉很有必要, 它综合了生理和心理因素, 可以为制定室内舒适标准提供重要而直接的指标。
二、机体对冷环境的反应[2]
机体在寒冷和低温环境中, 经由中枢神经系统、自主神经系统和内分泌系统等调节机构协同发挥作用, 使皮肤血管收缩, 皮肤血流量减少, 体表温度下降而减少体热放散, 与此同时人体通过战栗而使体热产量增加, 故而体温不致随环境温度降低而降低。机体在低温寒冷环境中时间过长, 或机体产热量减少, 不足以维持正常体温而发生体温降低时, 则出现机体代谢率降低, 氧耗量减少, 使神经系统功能处于抑制状态, 产生感觉减退, 反应迟钝, 嗜睡及意识障碍等自身防卫反应。
三、反映环境对人体影响的生理、心理指标
1. 体温[3]
体温是判断机体热平衡是否受到破坏的最直接的指标。体温增加表示机体产热大于散热, 此时体内有热蓄积;体温降低表示机体散热大于产热, 此时体内有热量损失。但是, 由于机体具有很大的热调节的能力。因此, 除了在很热或很冷的情况下, 机体的热平衡一般不容易受到破坏, 体温一般不会有大幅度的改变。根据体温的变化可以判断机体热平衡的情况:
S=0.82×P×ΔT式 (1)
式中:
S——体内蓄积或散失的热量 (千卡)
0.82——机体组织的热容量 (千卡/℃·公斤)
P——人体体重 (千克)
2. 神经系统[4]
神经系统是人体生理各部分中对环境反应最快的系统, 其中的感觉神经系统是神经系统感受到其他细胞或环境带来的信息并进行编码和传递的工具。运动神经系统是指执行运动的神经系统部分。例如:热环境中的温度是由感觉系统的温度觉接受其信号, ΔT—体温变化差数 (可为正值或负值, 单位:℃) 。再传递给大脑以此使人产生冷、热的感觉。而潮湿感是感觉系统中的冷觉和压觉相结合下人体接受到的感觉。神经系统是环境热信息的接受、处理的主要生理系统, 并且对神经——精神活动的影响, 直接关系到人体的工作能力和效率, 尤其与航空、军事上要求提高注意力和作战能力等方面都有密切关系, 近年来很受重视。通常采用神经传导速度来表征神经系统。神经传导速度是指传导最快的 (感觉、运动) 轴图的速度。
3. 热感觉[5]
环境对人体造成的热影响, 或者说热感觉、热效应、热应力等。这种属于人的主观感觉量如何准确地加以表达和使用, 是热环境研究的一个重要问题。为了使主观感觉定量化, 许多学者进行了分类研究, 最后为大多数人采用的是七级分级法, 如今大都采用此种方法, 即把热感觉分为热、暖和、稍暖、中性、稍凉、凉和冷七个级别。
(1) 实验方法
作为受试者的20位学生 (10个男生, 10个女生) 参与了这次试验。试验将主观问卷和客观现场测试相结合, 从不同方面和不同层次来检测这些生理参数在风速影响下的变化和趋势。进行问卷调查的同时, 记录下室内热环境参数。
(2) 实验内容
(1) 测点的布置
为了得到房间温度值, 热电偶传感器被布置三个部位, 它们分别距离地面0.1米、1米和1.5米。图1是整个实验室内试验设备放置和热电偶测点布置的示意图。
(2) 问卷
问卷内容包括受试者的个人背景资料、热感觉投票。把热感觉分为热、暖和、稍暖、中性、稍凉、凉和冷七个级别来进行投票。
(3) 生理参数的测试
本次实验测试的主要生理参数有:人体口腔温度、运动神经传导速度 (MCS) 、感觉神经传导速度 (SCS) 。体温采用常见的水银体温计进行测量, 精度为0.1℃。而神经传导速度的测试则是采用日本光电肌电/诱发电位检测仪MEB-9102, 它具有4通道, 最大刺激电流峰值为100mA, 采样频率50KHZ, 最大采样时间10分钟, 系统采用Windows界面, 界面友好, 具备波形预处理、伪迹排除等功能。
(3) 实验设计
在本实验中, 将热环境分为三个工况:1室内有风, 即不打开风源 (风速小于0.01 m/s) ;2室内小风, 即控制人体周围风速在0.2 m/s左右;3室内大风, 即控制人体周围风速在0.5 m/s。
实验流程如下:
受试者换衣、休息→ (无风) 受试者1感觉神经传导测试、温度、问卷→ (小风) 受试者1感觉神经传导测试、温度、问卷→ (无风) 受试者2感觉神经传导测试、温度、问卷→ (小风) 受试者2感觉神经传导测试、温度、问卷→ (小风) 受试者2感觉神经传导测试、温度、问卷→ (无风) 受试者3感觉神经传导测试、温度、问卷→ (小风) 受试者3感觉神经传导测试、温度、问卷。大风工况流程与小风工况相同。
在室内空气流速的控制上, 我们选择的是以落地扇为风源, 风向是迎着受试者正面吹过。风源与受试者的位置关系如图2所示:
下表为生理参数的采样时间表
四、分析与结论
1. 运动神经传导速度MSC
由图3、4可以看出, 在两种工况下, 受试者的神经传导速度均随着吹风时间的增大而降低。小风工况下, 0-10分钟内, 神经传导速度的变化较快, 10-20分钟内的神经传导速度变化比较缓慢;20-60分钟内的神经传导速度变化又加快, 但变化速率仍比第一时段小。大风工况下, 在0-20分钟内, 神经传导速度的变化较快, 相比小风工况变化较快的第一时段0-10分钟, 大风工况的第一时段由10分钟增加为20分钟。20-60分钟内, 变化减小。但同小风工况相比, 没有发现有变化率特别放缓的阶段。在速度值的变化上, 小风工况下, 受试者的神经传导速度大部分最终落在12m/s—23m/s内;大风工况下, 受试者的神经传导速度大部分最终落在12m/s—20m/s内。从本次实验得出, 持续吹风对人体运动神经传导速度的影响很大, 风速越大, MSC值变化就越大。
2. 感觉神经传导速度SCS
从图5、6, 我们可以看出, 在持续风速影响下, 感觉神经传导速度随着时间的增大而降低。在小风工况下, 也出现了类似中出现的变化放缓的阶段。在10-15分钟的时候, 在此时间段前, 即0-10分钟内, 传导速度的变化较快;在这个时段之后, 即15-60分钟, 速度变化加大, 但仍小于第一时段的变化率。这种趋势和小风工况时MSC的变化趋势类似。大风工况时, 0-10分钟时, 速度的变化较快, 之后, 速度变化减小, 但是没有明显的速度减缓阶段, 和同一工况时MSC的变化趋势类似。从变化范围来看, 两种工况下, 感觉神经传导速度均最终落在25m/s-30m/s的范围内。从这一点来讲, 持续吹风对人体感觉神经传导速度的影响较大。但不同风速对感觉神经速度值变化范围的影响几乎没有差别。
3. 体温
对比两种工况下人体温度值, 我们发现人体温度随吹风时间以及空气流速的变化而发生的变化并不显著。几乎没有变化。说明人体温度受风速的影响较小, 温度保持在一个相对稳定状态。这可能与人体本身的温度调节机制有关。
4. 热感觉
在两种工况下, 受试者热感觉的变化趋势都很明显, 吹风10分钟后, 大部分人的热感觉由微凉、稍暖变化到微凉、凉以及冷。40分钟后, 几乎所有受试者的热感觉都变为凉和冷, 并有很强的吹风感。没有出现试验前预期的热感觉变化快慢与风速大小有显著联系的现象。这说明持续吹风对热感觉变化的影响显著, 但是风速大小对人体热感觉变化快慢没有显著差别。
参考文献
[1]Harold G.Lorsch, Ossama A.Abdou.The impact of the building indoor environment on occupant productivity--Part2:effects of temperature[C].In:ASHRAE Trans, 1994, 13 (1) :895-901.
[2]张国高.高温生理与卫生.上海科学技术出版社, 1989.
[3]山西医学院.全国高等医药院校试用教材 (供卫生专业用) 人民卫生出版社, 1992.
[4]V.R.柏加珀, K, 法里.医学生理学北京:科学出版社, 2005.