基于人員流量的商業建筑夏季環境熱舒適模型研究

(上海泰豪環境科技有限公司, 上海 200092)

0 引 言

隨著城市化的發展,國內一、二線城市的大型商業綜合體建筑日益增多,為滿足建筑室內環境設置的空調系統越來越復雜,建筑能耗也急劇增長,但是很多商業綜合體的室內環境舒適性仍差強人意。這是因為建筑環境的熱舒適性與室內人員數量、室內設備發熱功率、運營管理水平等均有關系,由于商業綜合體的人員流量變化快速,而空調系統未能根據人員流量進行調節,不僅導致空調能耗的浪費,而且環境熱舒適性難以得到滿足。因此,建立商業綜合體建筑的環境熱舒適模型,不僅可以為商業綜合體建筑的室內熱環境設計、控制和評估提供依據,并且在保證舒適度的條件下盡可能地降低空調能耗。

1 熱舒適研究理論

1.1 熱舒適模型

熱舒適是人體對周圍環境在主觀上的感知過程?？諝庹{節領域普遍認可的熱舒適理論模型為Fanger教授建立的穩態能量平衡模型[1]?；谠撃Ｐ偷臒崾孢m評價指標PMV和PPD是目前最全面的評價熱環境指標。PMV為預測平均投票數,表征人體熱反應(冷熱感)的評價指標(同一環境中大多數人冷熱感覺的平均),PMV為0時人體熱舒適最佳。當PMV為0時,不滿意的投票平均值(PPD)為5%,表明最佳熱環境情況下仍有5%的人感到不滿意,這是由人的生理差異造成的。

國內學者對于商業綜合體建筑熱舒適的研究主要通過現場調研的方式,較少涉及評價模型。2008年王燁等人通過環境測試和問卷調查對某超市進行研究,得到的結果與PMV-PPD理論結果比較一致[2]。2004年張培紅等人對沈陽市商業建筑的冬季熱舒適展開問卷調查,考慮年齡、性別因素的影響,得到冬季室內控制溫度為18.5 ℃[3]。2013年趙西平等人調查西安某商場冬季室內熱舒適性,發現80%的人員感覺溫度過高,尤其是人流數量高峰期[4]。2017年錫望對北京某商業綜合體建筑中庭的夏季熱環境進行研究,發現夏季PMV均值達到+1(偏暖);13∶00～15∶00時間段PMV值達到最大(+3),熱舒適性最差;11∶00～12∶00、16∶00～17∶00時間段PMV值最低,熱舒適性最佳[5]。

1.2 人體熱舒適的影響因素

熱舒適的影響因素分為物理因素、生理因素以及其他條件因素。從物理角度,人感到舒適的必要條件是人體必需達到熱平衡狀態。人體與周圍環境的輻射、對流以及導熱是得熱或失熱過程,而蒸發則完全是失熱過程[6]。影響人體熱舒適的物理因素包括空氣溫度、空氣濕度、空氣流速、平均輻射溫度。從生理角度,人體的新陳代謝以及衣服的保溫性能影響人體的熱舒適狀態。因此,生理因素包括人體新陳代謝率和服裝熱阻。此外,個體差異也會影響熱環境的評價。當然,這些因素中物理因素對人體熱舒適的影響占據主要作用。

商業綜合體建筑的特征是人員流量變化頻繁,高峰期人員密度極大,低谷期人員密度極小,這些特征導致室內溫度控制的難度增加,室內容易出現過冷、過熱的情況,不僅增加空調能耗,而且造成人員的不舒適性。

2 商業建筑室內熱環境的溫度控制模型分析

2.1 控制溫度與熱舒適的關系

早有學者研究控制溫度(熱中性溫度)與熱舒適的關系。文獻[7]認為人會對室內溫度有一個期望值,且該期望值會隨著室外溫度的變化而變化。根據國內外學者多年的研究,認為控制溫度與室外環境溫度具有較強的相關性,且一般通過實地調查與測試,采用線性回歸方法對數據進行處理,得到控制溫度與室外溫度的線性方程式。一般將這種室內外溫度的關系稱為熱適應模型。2003年楊柳對我國5個代表城市的住宅建筑進行現場測試和問卷調查[8],得出人體控制溫度與室外空氣溫度的綜合線性關系式。2008年葉曉江等人通過環境參數測量和問卷調查結合的方式,分析和探討上海地區室內外氣候條件的關系[9],最終得到關系式。

以上控制溫度與熱舒適的分析僅考慮室外空氣溫度,建立的模型均只有室外空氣溫度是唯一影響因素。實際上,商業建筑由于人員流量變化較大,會直接影響到控制溫度和熱舒適,因此以下對控制溫度的分析將在室外空氣溫度的基礎上加人員流量的影響。

2.2 基于人員流量的商業建筑控制溫度模型分析方法

根據Fanger教授的熱舒適理論及PMV指標,通過分析人員流量與控制溫度之間的關系,建立基于人員流量的商業建筑室內控制溫度模型。PMV的影響因素包括人體新陳代謝率、人體所做的機械功、平均輻射溫度、服裝熱阻、空氣溫度、空氣相對濕度以及空氣流速。根據PMV的定義,PMV為0時人體熱舒適最滿意。PMV的計算公式:

(1)

式中:M——人體能量代謝產熱量,W/m2;

W——人體所作的外部機械功,W/m2;

Pa——空氣中的水蒸氣分壓力(與環境溫度和濕度有關),Pa;

fcl——著裝時人的體表面積與裸露時人的體表面積之比,夏季一般取0.5;

ta——空氣溫度(即室內控制溫度),℃;

hc——對流換熱系數,W/( m2·K);

tcl——服裝表面溫度(與服裝熱阻有關),℃。

基于人員流量的商業綜合體溫度控制模型分析方法如圖1所示,首先分析人員流量與平均輻射溫度(自變量)之間的關系,通過控制PMV為0,求得人體熱舒適的空氣溫度,該空氣溫度即商業建筑中的控制溫度(因變量)。然后對求得的多組數據進行多元線性回歸計算,得出基于人員流量的商業綜合體建筑溫度控制模型。傳統PMV模型中人員流量為固定值,本文考慮人員流量變化的情況,人員流量的變化主要對平均輻射溫度產生影響。

圖1 基于人員流量的商業綜合體溫度控制模型分析方法

3 基于人員流量的商業建筑控制溫度模型分析過程

3.1 上海地區商業建筑室內控制溫度的參數設定

商業建筑中,PMV影響參數的取值和計算方式如下:

(1) 人體新陳代謝率和機械功的取值。人體新陳代謝率取決于人體的活動狀態[10],商業建筑大部分乘客在處于走動站立狀態,根據上海地區標準,人體代謝率取74 W/m2,人體做功平均為30 W/m2。

(2) 平均輻射溫度的確定。人員在建筑內的輻射熱交換包括人員與周邊的輻射熱交換、人員與人員之間的輻射熱交換。人員與人員的輻射熱交換占比最高,因此平均輻射溫度與人員流量密切相關。根據平均輻射溫度法,假定封閉空間與環境之間熱交換等于實際環境的輻射熱交換,則可以理論分析出不同人員流量下人體的平均輻射溫度[11]。

假設人體表面溫度為31 ℃,建筑周邊壁面溫度為24 ℃,人體截面取長軸半徑0.2 m,短軸半徑0.15 m的橢圓,身高取1.7 m。假設建筑物為長、寬、高分別為1 m、1 m、4 m的長方體，平均輻射溫度為

(2)

式中:Fj——周圍環境各表面面積,m2;

tj——周圍環境各表面溫度,℃。

根據式(2)計算,當人員密度由0.25人/m2變化至1.5人/m2時,人體平均輻射溫度如表1所示。

表1 人體平均輻射溫度

(3) 服裝熱阻的取值。不同的氣候條件下,人的穿衣方式也不同,因而服裝熱阻與外界氣溫有著直接聯系。根據調研資料,上海地區在夏季(室外氣溫35 ℃時),服裝熱阻一般為0.30 clo;初秋季節(室外氣溫25 ℃時),服裝熱阻一般為0.60 clo,根據線性插值法求得服裝熱阻與室外氣溫之間的關系式:

Icl=-0.03tout+1.35

(3)

式中:Icl——服裝熱阻,m2·℃/W;

tout——室外空氣溫度,℃。

(4) 室內相對溫度和流速的取值。對上海地區部分商業建筑測試表明,室內空氣相對濕度均值為54%,空氣流速為0.5 m/s。

地緣文明指的是地緣理論在文明領域中的研究與應用，以文明研究的視角“對特定民族、國家或文明之間存在的不可更改、不可復制、不可逃避的毗鄰關系進行描述，進而對古往今來人類共同體之間因先天性頻臨關系而發生的經濟、文化和政治互動或者互動中的可能性加以討論?！盵1]顯而易見，地緣文明的地理性是在特定空間區域范圍內的文明或歷史文化的地緣集合體，這些地緣集合體擁有類似的歷史文化記憶，分享類似的語言、宗教、風俗習慣和價值觀。

3.2 上海地區商業建筑室內控制溫度模型的確定

將以上計算得到的參數結果帶入到式(1)的PMV方程,令PMV=0,即可得到最佳室內控制溫度。通過PMV計算的最佳控制溫度如表2所示,空氣流速為0.5 m/s。

將計算結果進行兩元線性回歸,得到基于人員流量和室外空氣溫度的商業建筑室內控制模型:

tin=0.30tout-0.36n+16.21

(4)

式中:tin——控制溫度,℃;

n——人員密度,人/m2。

由此可見,商業建筑室內控制溫度與室外溫度成正比,與室內人員流量成反比。根據計算結果,基于人員流量和室外空氣溫度的商業建筑室內最佳控制溫度曲線如圖2所示。

表2 通過PMV計算的最佳控制溫度 ℃

圖2 基于人員流量和室外空氣溫度的商業建筑室內最佳控制溫度

3.3 上海地區商業建筑室內舒適性調查

為了驗證模型的準確性,2017年8月某周末13∶00～15∶00時段對上海地區某商業建筑進行室內熱環境的測試以及舒適性問卷調查。該時段屬于人員流量較高的時段,平均人員流量達到1.38人/m2;室外平均溫度為33.8 ℃,室內環境溫度為27.5 ℃。

根據式(4)的室內控制溫度模型,室內最佳控制溫度為25.85 ℃。由于室內環境溫度高于最佳控制溫度,根據理論模型可以認為該商業建筑的人體熱舒適感覺為偏熱。問卷調查采用Fanger的熱感覺標尺,即冷(-3)、涼(-2)、微涼(-1)、居中(0)、稍暖(1)、暖(2)、熱(3),測試當天共收得樣本106份,結果顯示有高達87%的人員認為室內環境“稍暖”及以上,與模型分析的結果一致。

4 結 語

上海地區商業建筑的人員流量變化較大,但是空調控制溫度的設定模式不能根據人員流量變化進行調節,不但增加建筑空調能耗,而且降低建筑環境的熱舒適性?；诮浀涞腜MV室內熱舒適模型,考慮商業建筑內人員流量等因素,建立上海地區商業建筑室內控制溫度模型,并且通過調查問卷對模型進行了驗證。結果表明,該模型能夠根據人員流量較好地確定合理的空調控制溫度,以達到較好的室內熱舒適性。

[1]Moderatethermalenvironment—deteminationofthePMVandPPDindicesandspecificationoftheconditionforthemralcomfort:ISO7730[S].

[2]王燁,張金萍,朱琨.蘭州市某超市夏季室內空氣質量及熱舒適性研究[J].安全與環境學報,2008,8(2):92-97.

[3]張培紅,牛潤萍.沈陽市商場冬季熱舒適的實測調查研究[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版),2004,20(3):220-223.

[4]趙西平,王成林.商業建筑冬季室內熱舒適度研究分析[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版),2013,45(2):264-268.

[5]錫望.北京市大型商業建筑中庭空間夏季熱環境研究[D].北京:北京建筑大學,2017.

[6]劉念雄,秦佑國.建筑熱環境[M].北京:清華大學出版社,2005.

[7]dcDEARRJ,BRAGERGS.Thermalcomfortinnaturallyventilatedbuildings:RevisionstoASHRAEStandard55[J].EnergyandBuildings,2002,34(6):549-561.

[8]楊柳.建筑氣候分析與設計策略研究[D].西安:西安建筑科技大學,2003.

[9]葉曉江,連之偉,文遠高,等.上海地區適應性熱舒適研究[J].建筑熱能通風空調.2007,26(5):86-88.

[10]中等熱環境PMV和PPD指數的測定及熱舒適條件的規定:GB/T18049—2000[S].

[11]楊晚生.建筑環境學[M].武漢:華中科技大學出版社,2009.