基于耗散率的夏季不同年齡人群熱舒適性分析

張又升，趙敬德，李雷雷

(東華大學 環境科學與工程學院， 上海 201620)

張又升，趙敬德，李雷雷

(東華大學 環境科學與工程學院， 上海 201620)

摘要：以理論分析為手段，建立了夏季空調房間人體平衡系統模型，在基礎代謝率的前提下對不同年齡人群耗散率進行了比較分析；同時，對人體的耗散率和預測平均投票數(PMV)指標進行了對比分析，并對不同年齡人群進行調研.結果表明，耗散率指標可以用來評價人體熱舒適性，并能反映不同年齡段人群的熱舒適感覺．

關鍵詞：耗散率； 熱舒適； 不同年齡人群

1數學模型

1.1人體模型

圖1　人體熱力()平衡系統Fig.1　　　　Thermodynamics (exergy) balance　　　of human-body

Ein-Eout=Estore+Econsume

(1)

Ein=Emet+Einhaled+Ecore-w+Eshell-w+Eabsorbed

(2)

Eout=Eexhaled+Eem+Econ+Esw

(3)

Estore=Ecore+Eshell

(4)

1.3人體熱舒適性評價指標

PMV是評價人體熱舒適性的一種常用指標，+3、+2、+1、0、-1、-2、-3分別代表人們熱感覺的7個等級值，分別對應于熱、溫暖、較溫暖、適中、較涼、涼、冷，其計算式為

(5)

(6)

(7)

(8)

PMV值反映了人體內部產生的熱量與人向周圍環境散失熱量的平衡程度，表明群體對環境熱感覺投票的平均值，主要通過估算人體活動代謝率以及服裝的隔熱值獲得，同時還和環境空氣溫濕度、平均輻射溫度、相對空氣流速有關.另外，從式(5)右邊每一項的系數也可以看出PMV是一個估算值．

PMV適用的群體是健康的成年男性和女性，而對不同年齡段的人群(兒童和老人)的適用性有待考慮；而從HEC的推理計算過程看，其適用于不同年齡段的群體．

2實際算例

2.1研究對象

本文以上海地區典型夏季某辦公室為研究對象進行計算分析，房間大小為4.8m×3.2m×3.5m(長×寬×高)，假設室內設定恒定的溫度(26℃)和相對濕度(60%).采用KANOMAX 6004 型熱線風速儀測量人體周圍氣流速度和房間溫度，其風速測量精度為±(指示值的5%+0.1)m/s，風溫測量精度為±1℃，進行多次測量取平均值. 采用testo 830-T4型紅外測溫儀(分辨率為0.1℃，精度為±0.5℃)測量人體皮膚表面溫度和衣服表面溫度，多次測量取平均值.室外參數根據文獻[15]查得，文中一些參數根據文獻[16]獲得．

因為不同的人體在不同活動狀態下其機體代謝率不同，故本文主要針對人體在基礎代謝狀態下進行分析，基礎代謝率可根據文獻[14]中的公式(如式(6)所示)得出.

基礎代謝率(W/m2)=20.2×耗氧量(L/h)/體表面積(m2)

(6)

式(6)中的體表面積可根據Stevenson公式(如式(7)所示)計算得出.

體表面積(m2)=0.006 1×身高(cm)+0.012 8×體重(kg)-0.152 9

(7)

不同年齡段人群的基礎代謝率如表1所示．

表1　正常基礎代謝率平均值

2.2計算分析

(a) 男性

(b)女性

不同年齡人群的HEC和PMV的關系如圖3所示.由圖3可知，在室內外環境相同條件下，17歲之前HEC值較大，這是因為該年齡段人群生理調節快，基礎代謝率大；18～50歲的男性不同人群HEC值在1.86W/m2左右(女性在1.77W/m2左右)，因為該人群身體生理調節和基礎代謝穩定；由于老人的基礎代謝率比成年人小，生理調節慢，故HEC值在50歲后明顯變小；另外，年齡段相同，不同性別其HEC值也不相同，男性比女性的HEC值大．圖3中不同年齡人群的PMV變化趨勢和HEC相同，但是PMV值均在-0.5～-0.1，均在人體舒適范圍內[2]．

圖3　不同年齡人群的HEC和PMV的關系Fig.3　　　　Relationship between HEC and PMV 　　　of different age pepole groups

(a)男性

(b) 女性

不同年齡人群PMV值隨室內溫度的變化關系如圖5所示.由圖5可知，不同年齡人群隨著房間溫度降低，其PMV值減小，但是，當溫度高于25℃時，不同年齡人群的PMV值均在-0.5～0.5，均在人體舒適范圍內[2]．

(a) 男性

(b) 女性

由圖3～5的分析可知，HEC指標可以用來評價人體熱舒適感覺，且不同年齡人群在相同環境中其HEC值不同，但是，根據PMV評判不同年齡段人群在相同環境中其熱舒適感覺均在舒適范圍內．

本文對500名不同年齡人群做了調研，在相同室內外環境中，分析不同年齡人群熱舒適感覺．調研對象為10歲以上不同年齡段人群(包括某輔導機構學生、東華大學學生、東華大學老年大學、松江區敬老院等群體)；調研時間是夏季(7、8月份)上海典型高溫段；調研主要內容是被調研者感覺最舒適時空調房間的溫度值.

根據數理統計學知識對調研結果進行處理，以年齡21～30歲調研者為例，圖6所示為擬合的正態分布曲線N(μ，σ2)，其服從正態分布N(25.47，0.882)，即該年齡段的大部分人感覺空調房間溫度為25.47℃左右時熱感覺舒適.根據調研結果擬合的正態分布曲線得到不同年齡人的熱感覺最舒適時空調房間溫度值如圖7所示.結果表明，不同年齡段人群的最佳熱舒適感所對應的房間溫度不同，結合圖4和5可知，PMV指標不能準確反映60歲以上老人群體和11～20歲人群的熱舒適感，而HEC作為評價人體的熱舒適性指標更能反映不同人群的熱舒適感覺．

圖6　被調研者熱舒適感覺溫度的正態分布曲線圖Fig.6　The normal distribution curve of temperatures corresponding to the certain thermal comfort feeling of the persons being surveyed

圖7　不同年齡人群最舒適熱感覺對應的溫度值Fig.7　The temperatures corresponding to the most comfortable thermal feeling of different age groups

3結語

本文運用HEC指標和PMV指標對不同年齡段人的熱舒適性進行比較，并結合調研結果進行分析，得出以下結論.

(2) 在室內外環境相同條件下，17歲之前HEC值較大，因為該年齡段人群生理調節快，基礎代謝率大；18～50歲的不同男性人群HEC值在1.86W/m2左右(女性在1.77 W/m2左右)，因為該人群生理調節和基礎代謝穩定；由于老人的基礎代謝率比成年人小，生理調節慢，故HEC值在50歲后明顯變小.

(4) 不同年齡段人群的最佳熱舒適感所對應的房間溫度不同，PMV指標不能準確反映60歲以上老人群體和11～20歲人群的熱舒適感.

(5) HEC可以作為評價人體的熱舒適性指標，并且其能反映不同年齡段人群的熱舒適感覺．

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Thermal Comfort Analysis Based on Exergy Consumption Rate for Different Age People Groups in Summer

ZHANGYou-sheng，ZHAOJing-de，LILei-lei

(School of Environmental Science and Engineering， Donghua University， Shanghai 201620， China)

Abstract:By means of exergy theory analysis, an exergy balance model was established for human body in building environment in summer and the exergy consumption rate of different age people groups was compared and analyzed under the premise of the basal metabolic rate. Meanwhile, the exergy consumption rate and the predicted mean vote (PMV) index of human body were compared, and a questionnaire survey was carried out,aiming at different age people groups. The result shows that exergy consumption rate can not only be an index to estimate the human body thermal comfort, but respond the thermal comfort feeling of different age people groups.

Key words:exergy consumption rate; thermal comfort;different age people groups

文章編號：1671-0444(2016)02-0268-05

收稿日期：2015-03-23

基金項目：上海市自然科學基金資助項目(13ZR1401500)

作者簡介：張又升(1990—)，女，重慶人，碩士研究生，研究方向為空調系統分析．E-mail：15202153592@163.com 趙敬德(聯系人)，男，副教授， E-mail：zhaojingde@dhu.edu.cn

中圖分類號：TU 119.1

文獻標志碼：A