非均勻的建筑熱環境評價研究進展

程遠達，林成楷，王昊博，魏 進，秦智勝，吳 璠，楊晉明

(太原理工大學 土木工程學院，太原 030024)

1 非均勻建筑熱環境的特點

非均勻的建筑內環境一般由建筑室內各表面輻射溫度不同或者建筑強烈的外擾(如室外冷熱輻射、太陽輻射等)造成[1-2]，穩態的非均勻輻射工況一般出現在特定的功能用房或者安設輻射供暖或供冷的房間中[2-3]，而且通過實驗研究可以發現經典的PMV評價方式及其期望因子e模型在非均勻建筑內環境的偏離程度較大[3]。在現有的運行建筑當中，非均勻的建筑內環境往往伴隨著許多環境參數的動態變化，比如在運行的辦公建筑由于太陽輻射的日變化和空調系統的集約式運行，使得房間的溫度場并不均勻，并且其他環境參數如風速和濕度也處于變化中[4]，這使得傳統熱評價指標的評價準確性都有所下降。在諸如地鐵站或者船舶艙室[5-6]等變化性劇烈的非穩態環境當中，其熱環境不均勻性較辦公建筑更顯著，此時采用已經驗證過的較為適用的非均勻性質及動態性質的熱指標如RWI和DPMV進行熱舒適評價[5-6]，而非采用經典的PMV指標進行評價。

所以，在現實條件下，非均勻建筑熱環境較為常見，要準確評價其熱舒適性質，充要條件就是所選取的評價指標或評價方式要充分考慮其環境參數的時間變化特性和空間分布特性。時間變化特性和空間分布特性的不同，會使得相同的熱環境評價指標的精確度有所不同，甚至出現評價偏離實際熱感覺和評價失效的情況。

2 非均勻建筑熱環境的評價方法介紹

2.1 采用動態性的熱舒適指標進行評價

已被認可的、動態性的熱舒適評價指標可被用于評價非均勻、動態的建筑熱環境，比如RWI、HDR、基于SET的PTS模型和DPMV等指標模型。這些指標在原理上即考慮環境參數的動態變化，以及建筑熱環境中不均勻的因素[6-9]。這些評價指標對經典熱舒適評價模型均勻性、穩態的相關假設做出合理的類比、改良，通過實驗驗證和軟件模擬，得到了適用于特定類型的非均勻環境熱舒適評價方式。

在經典熱舒適模型中，PMV-PPD是目前已開發的、世界上使用最廣泛的經驗熱舒適預測指標[5]，該指標是基于人體與均勻熱環境之間進行熱交換而建立的穩態模型；其中，PMV即預測平均投票數，PPD為預期不滿意百分率。PMV-PPD指標的理論依據是，當人體處于穩態的熱環境下，人體自身的熱負荷越大，則實時的生理狀態偏離熱舒適的狀態就越遠；換言之，當人體熱負荷TL值越大，人感覺越熱；當其值越小，人感覺越冷。

DPMV動態熱舒適指標用人體動態熱負荷DTL(類似于T L預測均勻、穩態熱環境下人體熱感覺的方法)來預測非均勻、動態的熱環境下人體熱感覺[5]，該方法的主要特征在于，DTL在計算中考慮了人體熱負荷的時變特性，從而使得最終計算的結果值DPMV也具有時變性質，DTL的具體計算式如下：

(1)

從DTL的計算式可見，該值為與TL類似的中間變量值，單位與TL相同，皆為W/m2；K1和K2是對動態負荷的貢獻因子。當人長時間處在靜態熱環境中，人體與環境達到生理平衡后，產熱量等于散熱量，且隨時間變化很小，使得式(1)中的兩個微分項最終為0，這時該計算式就回到了經典熱舒適PMV-PPD評價模型。

在人員流動性較大的公共場所，如車站、地鐵站和加油站，人員停留時間短，所受影響因素多，應該作為非均勻、非穩態環境來研究，因此采用相對熱指標RWI和熱損失率HDR來評價是比較合適的[6-7]。一般來說RWI適用于較暖環境，而HDR適用于冷環境[7]。RWI是無量綱指標，這點與PMV類似，如果在不同的環境條件和活動情況下，具有相同的RWI值，則表明在這些情況下的人體熱感覺是相近的。HDR考慮了溫度、濕度、輻射、空氣流速、人體代謝率、服裝熱阻等影響人體熱舒適的因素，反映了人體單位皮膚面積上的熱損失，是個具體的單位面積熱量值[6]。RWI的計算式如下[8]：

1) 當空氣中水蒸氣分壓力≤2 269 Pa時，RWI的計算式為：

(2)

2) 當空氣中水蒸氣分壓力>2 269 Pa時，RWI的計算式為：

(3)

式中：M為人體的新陳代謝率，W/m2；τ為過渡過程中所經歷的時間，s；ta為環境空氣的干球溫度，℃；Icw為服裝熱阻，clo；Ia為服裝的空氣外邊界層熱阻，clo；R為單位皮膚面積的平均輻射得熱量，W/m2.

HDR的計算式如下所示[8]：

(4)

式中：D為熱債，J/m2；Δτ為暴露時間，s；τ為過渡過程中經過的時間，s；Icl為總體的服裝熱阻，clo.

除了上述所述的動態熱舒適評價指標，基于標準有效溫度SET建立的預測熱感覺PTS模型，可以評價許多類別的建筑熱環境，且和經典PMV評價指標相比，該模型的評價結果更為靠近人體的實際熱感覺；該模型與上述的幾個評價指標相比，還考慮了人體的自主調節性和對熱環境的適應性。該評價利用ASHRAE熱舒適數據庫中的數據，結合了標準有效溫度SET，建立能夠體現不同建筑環境和人群適應性的熱感覺預測評價模型，即預測熱感覺PTS模型[9]。該模型不僅能夠對各種環境下人的熱感覺進行預測，還能夠反映不同地區人員適應性差異。

PTS模型的一大特征就是能夠反映不同人群的熱適應過程的獨立特征，這個獨立特征即不同地區、不同類型建筑熱環境的人體熱舒適評價特性和人群熱適應特性，這個特征不同于傳統PMV模型中環境參數與熱感覺的規律是恒定的[9]。如圖1所示，PTS模型是建立在TSV和SET擬合回歸分析的基礎上的，這個建立過程決定了PTS模型與人體的具體熱適應能力和具體建筑熱環境特性緊密關聯。

圖1 PTS模型圖[9]Fig.1 PTS model diagram[9]

2.2 采用連續性的熱舒適指標進行周期評價

采用具有延續性的能耗指標，合理改良其評價考慮基準，可使得這類指標變得具有熱舒適評價及預測能力，典型指標如基于熱適應溫度曲線的度小時數[10]或綜合熱舒適率[11]，這類指標具有評價能耗使用預期狀況以及熱舒適的雙重能力，可以適用于動態非均勻的建筑熱環境評價中。

林宇凡等[12]通過全國范圍的調研，發現人體熱舒適溫度與室外氣溫呈線性關系，在不同地區，這一線性關系有所不同，主要是因為不同地區的社會經濟水平、社會習俗及氣候環境均存在差異，導致適應特性的不同；在此基礎上，可以得到基于不同氣候區的熱適應模型。

改進后的空調度小時數CDH和供暖度小時數HDH表示的是自然室溫與人體熱舒適溫度的接近程度[10]，這兩個指標可以被用來評價夏季和冬季自由運行單體建筑的不舒適程度。這里的改進之處在于，度日數的舒適溫度不再是恒定不變的室內設計溫度，而是與室外溫度相關的人體熱舒適溫度，這一舒適溫度來源于林宇凡等[12]的熱適應模型，改進后的空調度小時數CDH和供暖度小時數HDH定義分別為[10]：

(5)

式中：ti為逐小時的平均溫度，℃；t為人體舒適溫度，℃；τ″為時間，h.

從上式可見，度小時數越小，自由運行建筑的室溫舒適度越高，空調和供暖能耗使用潛力越小；反之，度小時數越大，自由運行建筑室溫的室溫舒適度越低，空調和供暖能耗使用潛力越大。當度小時數為0時，此時達到理想狀態，即不依靠空調和供暖設備，也能達到舒適，并且設備能耗使用潛力為0.

提出這一指標的意義不僅在于延續性的熱舒適評價，而且為節能的建筑設計提供科學的理論依據，以減小兩個度日數為目標，優化建筑結構和材料的設計和區域劃分，最后再考慮設備的使用，大大提高節能設計的效率。

度小時數指標的意義在于揭示自由運行建筑的自然室溫舒適度以及可能的用能量，屬于較為初步的熱舒適周期評價指標，但無法評價裝有各類建筑設備建筑的實際熱舒適狀況，因此，宜采用綜合熱舒適率進行熱舒適評價[11]。熱舒適率評價指標的算法構建核心是溫頻法(BIN法)，在此基礎上借助室內平均熱感覺投票(MTSV)與室內操作溫度的線性關系得到的熱舒適周期評價指標。

熱舒適率的計算有兩個先決條件，一個是統計全年室內各個溫度段出現的小時數并計算出現頻率，另一個是尋求室內平均熱感覺投票(MTSV)與室內操作溫度的線性擬合關系。在此二者的計算基礎上，計算室內的綜合熱舒適率，其具體計算式如下：

(6)

TCR(綜合)=TCRs+TCRw.

(7)

式中：TH為熱舒適區間的上限值；TL為熱舒適區間的下限值；fa為溫度間隔為1 ℃的各溫度段出現的頻率；MTSVa為出現頻率為fa溫度段的平均溫度Ta對應的人體平均熱感覺投票結果。綜合熱舒適率(TCR綜合)為夏季綜合熱舒適率和冬季綜合熱舒適率的總和，該值越大，其對應的室內熱環境質量越好。

2.3 對經典PMV模型進行修正后的改進型評價

對經典PMV做動態性和非均勻性的修正，可以使PMV的計算和實際熱感覺情況較修正前接近[13-15]。對于許多辦公建筑而言，不均勻和非穩態的特性主要由太陽輻射及其日變化引起，故應修改其室內平均輻射溫度的計算方式，修改后的計算式體現了太陽高度角、方位角、角系數的影響，使得改良后的PMV的預測性變得較為合理。

目前很多建筑采用玻璃幕墻、透明屋頂等結構形式，房間獲得良好采光的同時，更多的太陽光入射進室內，對熱環境影響十分顯著。在太陽輻射影響下的熱環境具有明顯的非均勻特征以及動態特征[13-14]。滕潤等[13]通過采用人體與各個表面和太陽輻射之間的熱平衡關系式來計算平均輻射溫度，從而使得計算后的PMV對實際環境熱舒適評價的準確性有了明顯的提升，其計算考慮層面如圖2所示。

圖2 人體與周邊環境的熱濕交換[15]Fig.2 Heat and moisture exchange of human body with surrounding environment[15]

在經典PMV模型提出之后，Gagge建立了二節點模型將人體看作兩個同心圓柱層，即核心層和皮膚層[16]。陳瑾等[16]通過該模型，選取適用于礦井環境下的環境參數計算值，并取得工作面不同位置處人體皮膚溫度的求解曲線，使得改進型評價模型的準確性有了明顯的改善。

2.4 基于模糊數學原理的構建熱舒適評價體系

基于模糊數學原理的數學模型的評價，可建立起黑箱或者灰箱子模型，建立環境參數和熱舒適結果的直接數學對應關系[17]或者建立起經典模型指標和熱舒適結果的對應關系[18]。這種處理方法依賴于標準、有效、大量的試驗數據的搜集和處理上，在達到具有統計意義量值的要求時，可以發現其評價準確度和實際高度符合。

宗宏[17]認為室內熱舒適性的評價是一個模糊性的事件，他根據哈爾濱市冬季供暖期某高校教室190份室內熱環境現場測試原始環境參數數據和主觀問卷調查，利用模糊數學基本理論確定了室內溫度、相對濕度和服裝熱阻等經典PMV模型中的重要計算參數相對于熱舒適各投票評價等級的隸屬函數，從而建立了嚴寒地區冬季高校教室內熱舒適性模糊綜合評判模型。同時，將該模型的計算結果與現場測試的，基于環境參數計算的其他熱舒適評價指標進行比較，該模型的預測精度較高，這說明用模糊數學理論進行室內的熱舒適性分析及評價是可行的。

除了采用模糊數學方法研究室內具體熱環境評價的方法之外，建立起PMV經典模型預測值和實際熱感覺之間的黑箱模型是更為直接的評價方法。該方法的優勢在于可以體現非穩態、非均勻環境下人體的熱適應和調節能力與穩態、均勻環境之間的異同點，而這一方法產生的評價模型被稱為適應性模型即aPMV模型[19]。

適應性模型則是通過針對自由運行建筑的現場測試和問卷調研得到，通過熱感覺投票的統計學處理確定室內熱環境的可接受程度。適應性模型當中包含有人體與環境的熱濕交換過程，即PMV 模型在適應變化的熱環境中不斷調節的過程，而PMV預測值與實際熱感覺投票的差異是由于人體對變化的熱環境達到適應水平造成的，實際熱感覺投票結果與環境之間關系類似于自動控制的黑箱環狀負反饋關系[18]，該關系的邏輯如圖3所示。

圖3 適應性預計平均熱感覺模型框圖[18]Fig.3 Block diagram of adaptive prediction average thermal sensation model[18]

在aPMV模型中，其與PMV的數學關系主要由自適應性系數λ決定，該系數與評價建筑所在區域的氣候類型、人群的適應性等因素有關，這就要求在不同類型建筑中，通過大量的熱濕環境測試和熱舒適問卷調查這兩類數據，經過統計分析才可以得到aPMV模型。aPMV模型與PMV模型的關系如下式[18]所示：

aPMV=PMVI(1+λPMV) .

(8)

式中：λ為自適應系數，為常數，通過實測確定。

3 不同非均勻建筑熱環境評價方法的比較

不同類別的非均勻建筑熱環境評價方法各有特點，這些方法都是在不斷研究和修繕中逐步總結出來的。有的評價指標是從人的熱反應狀態出發，建立起熱反應和熱環境評價級別的量化關系，如PMV、DPMV、HDR和RWI，或者在此基礎上考慮人適應性的調節作用指標如PTS和aPMV；有的指標則是直接建立起環境參數和熱環境價級別的量化關系，如改進型的空調度小時數CDH和供暖度小時數HDH、綜合熱舒適率TCR(綜合)和基于模糊數學原理構建的適用于具體場合的熱評價級別與環境參數的函數關系式。表1為本文所提及的現今較為常用的不同熱環境評價指標的對比。

表1 不同熱環境評價指標的對比Table 1 Comparison of different thermal environment evaluation indicators

4 結束語

通過關于現行的幾類非均勻建筑熱環境評價方法的總結和使用方法的介紹，筆者認為這幾類評價方法都從不同程度上提高了熱環境評價的準確度，比經典的PMV模型更加準確地評價人員所處的熱環境，但其接近程度卻有所不同，這是由所使用方法的原理造成的。

本文所介紹的評價方法從原理而言，可總結為三類：一類是既有的其他熱舒適評價指標，這類評價指標主要在特定熱環境評價時很有效，但對于其他類別的非均勻建筑熱環境評價的精度就有待商榷了；另一類即在經典PMV模型的計算過程上進行修正，如進行動態化的計算，以及考慮環境影響參數和具體的計算以反映所評價熱環境的環境參數變化特性，這能有效提高評價的精度；最后一類是采取數據化的方法，通過建立較為數據化的指標和模型，直接建立起人的熱感覺和環境參數間的對應關系，只要能測量所需的計算參數，即可進行定量化的評價。

對于本文上述的熱環境評價指標，筆者認為評價應從時間尺度進行分類，分別對應于建筑管理層面和建筑設計層面的熱環境評價。非均勻建筑環境評價應分為瞬時評價和長周期評價兩個層次指標，瞬時評價展現為得到逐時刻的狀態點評價指標，多作為建筑管理層面的設備系統控制參數，靜態評價指標為長周期時段的評價指標，多用于建筑設計層面的方案選擇。如果熱環境的評價參數是作為系統或設備進行工況調整的依據，則應具有較好的時效性并且容易通過環境參數測量獲得；從這一方面考慮，aPMV和PMV的計算參數測量較RWI、HDR簡便、直接，較多計算參數為從環境中得到的測量參數，但aPMV比較適用于非人工冷熱源環境，PMV比較適用于人工冷熱源環境；同時，基于模糊數學原理簡建立的熱舒適評價體系雖然可視性強，但應用范圍往往局限于某類特定環境；PTS可反映不同侯群的適應能力特點，該指標建立基礎的SET，綜合考慮了皮膚溫度、皮膚潤濕度、人體代謝率、人體衣著狀況及其他環境參數，相比于aPMV和PMV而言，它的適用范圍也比較廣泛，應是比較好的瞬時熱環境評價指標。當熱環境評價指標是作為建筑設計前的方案預選和建成后評估的評價標準之一時，則應具有能反映一個時間段運行的總體熱環境狀況的功能，這就要求采用周期性評價。改進型的空調度小時數CDH和供暖度小時數HDH能在很大程度上反映具體建筑的總體熱環境舒適水平，其建立在對大量數據進行統計學處理后所得到的熱適應曲線之上，具有比較強的代表性，該指標較為適合在建筑設計階段，通過軟件模擬的方式呈現，以便設計人員進行方案選優；而綜合熱舒適率的計算是基于建筑建成后的實地調研和測量的結果，適用于對建成后建筑的整體運行效果評估。

各類別評價都有很不錯的應用價值，但從本質上揭示非均勻建筑熱環境的非均勻特性和動態特性，并做定量化規律分析，才能從根本上解決問題。