1、第十一章人工环境的评价指标第十一章人工环境的评价指标第一节热舒适指标常见的人体热舒适描述方法。包括PMV (Predicted Mean Vote). PPD (PredictedPercentage of Dissatisfied).有效温度ET (Efective Temperature),标准有效温度SET.以及过渡活动状态的热舒适指标:相对热指标RW1 ( Relative Warrmth Index)和热损失率HDR (Heat Deficit Rate)等。这些指标是人体对热湿环境的反应。此外，本节还介绍其他与气流组织相关的热舒适描述参数:不均匀系数和空气扩散性能指标ADPI等。一
2、：.预测平均评价PMV0和预测不满意百分比PPDPMV (Predicted Mean Vote)指标是利用了人体热平衡的原理而得出的，其理论依据是当人体处于稳态的热环境下，人体的热负荷越大。人体偏离热舒适的状态就越远。即人体热负荷TL正值越大。人感觉越热，负值越大，人感觉越冷。P. 0. Fanger 收集了1396名美国与丹麦受试对象的冷热感觉资料。得到了表征人体热感觉与人体热负荷间关系的回归公式:PMV - o. 303exp (- 0.036MD) + 0. 0275 T. (11-1) .其中人体热负荷TL.是人体产热量与人体向外界散出热量之间的差值。值得注意的是，这里有一个假定条件
3、，即人体的平均皮肤温度ta和出汗造成的潜热散热E是人体保持舒适条件下的数值。因此。当人体偏离热舒适较多情况下。例如在热或者寒冷状态下。PMV的预测值存在有较大偏差的。同时，由定义可知。人体热负荷TL就是人体热平衡方程(2-1)中的蓄热率S.即把蓄热率看作是造成人体不舒适的热负荷。如果将其中对流，辐射和燕发散热的各项展开，可以得到如下公式:TL=M-W- (3.96X 10fa(T。+273*-(T, + 273+ fah,(Ta-T.)+3.05X 10-5733-6.99(M-W)-P.+0.42(M-W- 58.15)+1.7X 10-M(5867- P) + 0.0014M(34- T.
4、)(11-2)式中 M一人体能量代谢率。决定于人体的活动量大小。W/m2 ;w-人体所做的机械功，W/m;f-一服装的面积系数:h,- -对流换热系数。W/ (m K):T.-人体周围空气温度.C:Ta-人体表面的温度.C;T,一环境的平均辐射温度,C, P.-人体周国水蒸气分压力， kPa.PMV指标采用了7级分度，见表11-1.PMV指标代表了同- -环境下绝大多数人的感觉。因此可用PMV指标预测热环境下人体的热反应。由于人与人之间存在生理差别，故Fanger又提出了预测不满意百分比PPD0指标来表示人群对热环境不满意的百分数.并利用慨率分析方法。确定了PMV与PPD指标之间的数学关系:P
5、PD = 100- 95exp- (0.03353PMV* + 0. 2179 PMV2) (11-3)由于，PMV指标是在稳定条件下利用热舒适方程导出的，其仅适用于稳态热环境中的人体热舒适评价。而不适用于动态热环境(或者称为过渡热环境)的热舒适评价。因为在PMV指标中。人体热负荷TL.又相当于人体热平衡方程中的蓄热本S。如果人从寒冷的环境进人到温暖的环境里，人体的蓄热率s是正值。但该蓄热率有助于改善人体的热舒适。因此并不能看作是导致不舒适的人体热负荷。从炎热环境进人到中性环境也是一样的。在这种情况下。蓄热率S为负值是有助于改善人体的热感觉的。而并不会成为人体的热负荷。二、有效温度ET和标准有
6、效温度SET1919年，美国采暖通风与空调工程师学会(ASHRAE) 鉴于人们在空调工程中急需有关湿度对舒适影响的资料，新建了一个实验室对其进行研究。“有效温度指标”是它的首批科研课题之一。直到1967年的ASHRAE手册仍然采用了这个指标。有效温度ET (Elfetive Temperature)通过人体实验获得。井将相同有效温度的点作为等舒适线系绘制在湿空气焓湿图上或绘成诺模图的形式,其定义为:“干球温度、湿度，空气流速对人体温暖感或冷感影响的综合数值，该数值等效于产生相同感觉的静止饱和空气的温度。”但有效温度过高地估计了湿度在低温下对凉爽和舒适状态的影响。因此又产生了新的有效温度ET*
7、.1971年，Gagge等人把皮肤湿润度的概念引进ET.以提供一个适用于穿标准服装，坐着工作的人体舒适指标。其数值是通过对身着0. 6clo服装、静坐在流速0. 15m/s空气中的人。进行的热舒适实验，并采用相对湿度为50%的空气温度作为与其冷热感相同环境的等效温度而得出的:即同样着装和活动的人，在某环境中的冷热感与在相对湿度50%空气环境中的冷热感相同。则后者所处环境的空气干球温度就是前者的ET.该指标只适用于着装轻薄，活动量小，风速低的环境。在ASHRAE舒适标准54-74和ASHRAE的1977年版手册基础篇中，可以查阅到相关的内容。在综合考虑了不同的活动水平和衣服热阻后，新有效温度的内
8、容又有所扩展，形成了更为通用的指标一标准 有效温度(SED).不同于仅根据主观评价。由经验推导得到的有效温度指标，它以人体生理反应模型为基础。由人体传热的物理过程分析得出。因面被称为是合理的导出指标。标准有效温度包含平均皮肤温度和皮肤湿润度，以便确定某个人的热状态。ASHRAE的标准有效温度SET (Suandard Elective Temperature)中定义为:在温度为SET的假想等温热环境中，空气相对湿度为50%，空气静止。人体身着与活动量对应的标准服装，其皮肤润湿度和通过皮肤的换热量与实际环境下相同。SET与ET.主要的不同是考虑了服装热阻的影响。表1-2给出了ASHRAE里的不同
9、SET对应的温热感觉。生理现象及健康状态的。确定某一状态下的标准有效温度SET值需要分两步进行。首先要求出一个人的皮肤温度和皮肤湿润度。可通过实测完成。也可较为容易地利用第二章中提到的Gagge二节点体温调节数学模型计算出来。在这里。我们采用后一计算方法。第二步就是求出产生相同皮肤温度和皮肤湿润度的标准环境温度。可借助变换热损失方程通过对人体的传热分析完成。若所讨论的活动量不是标准情况，则把标准环境的衣着情况修正为活动量的函数便可解决这个问题。由于SET没有限制室内外的情况，因此可以利用SET进行室外热环境热舒适评价。这里人体对短波的吸收率和长波发射事已考虑在内。SET在计算过程中所采用的人体
10、新陈代谢率为1. Omet、着衣量为0. 5clo.利用SET分布参数，就可以方便地计算及评价室外不同建筑布局。不同绿化方式对应下的室外热舒适状况。我国有研究者通过回归统计，提出- -种可由室外环境参数直接计算SET的关联式。在这里，T,为室内测试点的平均辐射温度，K; T, =i, +273.15;Ba为天空辐射的角系数: Bu为人体表面辐射的角系数: Ba, +Bh.一1sTae为有效天空温度，或称天空背景温度，K。一种估算有效天空温度的方法。是根据地面附近空气与大气层的辐射热平衡关系式面建立标准有效温度的最初设想是预测人体排汗时的不舒适感。经过发展。现在已经能表示各种衣着条件。活动强度和
11、环境变量的情况。标准有效温度值反映了人体热感觉，但与空气温度并没有直接的关系，比如。一个穿轻薄服装的人坐在24C.相对湿度50%和较低空气流速的房间里。根据定义他是处于标准有效温度为24C的环境中。如果他脱去衣服。标准有效温度就降至20C.因为他的皮肤温度与一个穿轻薄服装坐在20C空气中的人皮肤温度相同。尽管标准有效温度反映了人体热感觉，但由于它需要计算皮肤温度和皮肤湿润度。因此应用比较复杂。反而不如只能措述坐着活动的ET应用广泛。三、过渡活动状态的热舒适指标RWI和HDR在实际的人工环境工程设计中，经常会遇到人员短暫停留的过渡区问。该过渡区间可能连接着两个不同空气温度、湿度等热环境参数的空间
12、。人员经过或在该区间作短暂停留而且活动状态有所改变的时候，对该空间的热环境参数的感觉与他在同- -空间作长期静止停留时的感觉是不同的。因此需要给出人体对这类过渡空间的热舒适指标。以指导这类空间空调设计参数的确定。相对热指标RWI (Relative Warmnth Index)和热损失率HDR (Heat Deficit Rate)是美国运输部为确定地铁车站站台。站厅和列车空调的设计乡数提出的考虑人体在过渡空间环境的热舒适指标。这两个指标是根据ASHRAE的热舒适实验结果得出的。RWI 适用于较暖环境，而HDR适用于冷环境。但它没有考虑人体在过渡区间受到变化温度刺激时出现的热感觉“滞后和“超前
13、的现象。而仅考虑了过渡状态人体的热平衡。它对动态过程的考虑反映在:(1)认为人在一种活动状态过渡到另- - 种状态时。要经过6min的过程代谢率M才能达到最终活动状态下的稳定代谢率。在这个过渡过程中。代谢率与时间呈线性关系。(2)人的活动会导致出汗并湿润服装。同时人的活动会扰动周围气流，导致服装热阻有所改变。认为一种活动状态过渡到另一种活动状态时，服装热阻要经过6nin方能达到新的稳定值。其问服装热阻与时间呈线性关系。1.相对热指标RWIRWI是无量纲指标。如果在两种不同的环境条件和活动情况下，具有相同的RWI值.则表明人在这两种情况下的热感觉是近似的。其定义式为:RW的分度与ASHRAE热感
14、觉标度之间的关系见表11-3.图11-1 给出了RWI与不舒适感觉百分比的关系。如果给定各连续过渡空间的空气参数、人员衣着以及进人这些空间后的活动状态，计算各连续过渡空间的RWI值。就可以得到人员依次进人这些过渡空间时的相对热感觉是比前一个空间更凉爽些还是更暖些，也可以用于确定各功能空间的设计参数。2.热损失率HDR热损失率HDR综合考虑了温度、湿度，辐射，风速、人体代谢率，服装等影响人体热舒适的因素。反映了人体单位皮肤面积上的热损失，单位是W/m.人的平均皮肤温度是随着外界环境的变化面变化的。感觉基本舒适的平均皮肤温度范围约为30.635C.在冷环境下，人体的体温调节中枢首先会使皮肤血管收缩
15、。皮肤温度降低.从而减少散热量。当平均皮肤温度下降到舒适下限30. 6C时。如果散热量仍然大于发热量，体温进一步下降，人体出现热赤字(heatdefici). HDR值即表示人体在较冷环境下。平均皮肤温度为舒适皮肤温度下限时的净热损失速率，即负的人体蓄热率。HDR的定义式如下: HDR对时间的积分即热赤字。HDR0是不出现热赤字的必要条件。由于人体具有一定的蓄热量，当人体的热赤字达到约100kJ/m2时。才会感到冷不适。相反。当人体蓄热量达到100kJ/m时。将感到热不适。即当- HDR 100/0r时。人体就感到冷不适。也就是说。在过渡空间中，适宜的HDR值与人员的退留时间成反比。因此。可采
16、取人员的平均逗留时间来确定适宜的过渡空间室内设计参数。在上述RWI和HDR表达式中。1.(r)是 衣服被汗湿润后的热阻，和代谢率M(r)- -样在改变活动状态后的前6min内是两个状态之间的时间t的线性函数。单位为clo;如果考虑人体运动诱导产生的相对风速为V.则根据文献6给出的图线所导出的服装外空 气边界层1.的拟合公式有: 式中T-空气温度， K。四、热应力指数HSI热应力指数HSI (Heat Stress Index)是由匹兹堡大学的Belding和Hatch于1955年提出的。其目的在于把环境变量综合成-一个单-的指数。用于定量表示热环境对人体的作用应力。具有相同指数值的所有环境条件
17、作用于某个人所产生的热过劳均相同。例如A和B是两个不同的环境，A环境空气温度高但相对湿度低。B环境空气温度低但相对湿度高。如果两个环境具有相同的热应力指数值。则对某个人应产生相同的热过劳。热应力指数HSI假定皮肤温度恒定在35C.在燕发热调节区内。认为所需要的排汗量为En等于代谢量减去对流和辐射散热量。不计呼吸散热。则得出热应力指数HSI为:五、湿黑球温度WBGT湿黑球温度WBGT (Wet-Bulb-Globe Temperature)是-一个环境热应力指数，它号虑了室外炎热条件下太阳辐射的影响，适用于室外炎热环境，目前在评价户外作业热环境时应用广泛。其标准定义式为: .黑球温度与空气温度、
18、平均辐射温度及空气运动有关，面自然湿球温度则与空气湿度、空气运动、辐射温度和空气温度有关。因此。WBGT事实上是一个与影响人体环境热应力的所有因素都有关的函数。我国有研究者通过回归统计。提出一种可由室外环境参数直接计算WBGT的关联式。此时湿黑球温度被表示为WBGT*.其表达式如下向:文献8认为，上式与WBGT的计算公式(11-20) 的总相关系数为0.9858.平均相对误差为4%;并提出如果出于使用简便的目的。用空气温度代替平均辐射温度。用太阳直射照度代替总辐射照度，造成的平均相对误差为4. 5%左右。WBGT指数被广泛应用于估算工业环境的热应力潜能(Davis 1976)。在美国。国家职业
19、安全和健康协会(NIOSH)提出了热应力极限的标准(NIOSH 1986); 1S0标准7243也采用了WHGT作为热应力指标，表11-5为ISO标准7243推荐的WIGT阈值。1986年。NIOSH以体重70kg且皮肤表面积为1. 8m2的工作人员为参考对象。提出了WBGT与安全工作时间极限的关累如图11-2所示。六、风冷却指数WC在非常寒冷的气候中。影响人体热损失的主要因素是空气流速和空气温度。1945 年。Siple和Passel将这两个四素综合成-一个单一的指数来表示在皮肤温度为33C时皮肤表面的冷却速率。这一-指数被称为风冷却指数WCI (Wind Chill Index).即印:风
20、冷却指数WCI对人体的生理效应的表现关系如表11-6所示。由于该指数描述的热感觉适合于穿合适衣服的极地探险者。因此表中的“凉”与ASHRAE热感觉标度中的“凉”所表征的感觉是不一-致的。风冷却指数的线算图由图11-3给出。七、当量温度ET许多研究者对暖体假人这一-热环境测试工具。在热舒适方面的应用进行了探索。最早尝试进行暖体假人制作并用于热环境实验的是英国人叫。1929 年，一个简易的以英国热舒适标准为基础制作的“眼体假人”宣告完成。它是-一个直径190mm.高度550mm的铜制重直圆柱体。选择这一尺寸是考虑到，它通过对流和辐射散热的比例与人体类似。圆柱体由部热源加热。保持表面散热量为55W/
21、m.如果表面温度超过24C.继电器能自动切断电源。某一热环境的当量温度ET (Equivalent Temperature),就是指温度均- -的假想封闭空间的温度，黑色的假人在其中散失的热量与真实环境- -致.相比黑球温度计，假人的优点在于，它可以加热。从而对空气流动造成的冷却效果进行修正。在风速较大的情况下，这一修正显得尤其必要。也有人曾经研究过热环境物理量与人的主观感觉之间的关系，用上述的简易假人对环境进行了测试，结果发现当量温度与主观感觉之间具有很高的相关系数。基于以上测试结果提出的当量温度实验公式为国:研究表明，由上式计算的结果要偏冷。由于它未包含空气湿度项，故限定在25C以下使用，
22、风速的适用范围是0. 050.5m/s叫.这一指标可用于评价速度和温度梯度较大、太阳辐射不对称、热环境不均匀的车室内或座舱内环境。八、舒适指标CF随着载人航天技术的高速发展，出舱活动(EVA) 的重要性日益显著，已成为载人航天领域中一项必不可少的关键技术。保证航天员出舱活动时的热舒适性.是确保航天员生命安全、顺利完成出舱任务的重要条件之- -. 为了评价航天员在不同代谢率和环境下的热舒适状况，文献15提出了一种舒适指数的概念，其定义式为:当CF值为零时，舒适程度最高。当CF值大于零时，航天员将感觉较热。当CF值小于零时，航天员将感觉较冷。舒适指数用来评价相对热舒适在低代谢率时是有效的，在高代谢
23、率时可根据个体的具体情况进行适当调整。九、不均匀系数不均匀系数是与气流组织相关的热舒适指标。我们知道。室内各点的温度、风速等存在不同程度的差异，利用不均匀系数这一指标就可以表征由这种差异引起的室内热舒适性的不同。在工作区内选择n个测点。分别测得各点的温度和风速。求其算术平均值为:均方根偏差为十、空气扩散性能指标ADPI对舒适性空调而言，相对湿度在30% 70%的范围内对人体舒适性影响较小。空气温度与风速对人体的综合作用是人体热舒适性的主要影响因素。根据实验结果。有效温度差与室内风速之间存在下列关系：并且认为当SET在一1.7+1.1之间多数人感到舒适。因此。定义满足规定风速和温度要求的测点数与
24、总测点数之比为空气扩散性能指标ADPI (Air Diffusion Perform-ance Index),即:ADPI的值越大，说明感到舒适的人群比例越大。在一般情况下，应使ADPI80%。第二节空气质量评价指标一、空气龄与污染物年龄空气龄的概念最早于20世纪80年代由Sandberg提出叨。根据定义。空气龄是指空气进人房间的时间。在房间内污染源分布均匀且送风为全新风时，某点的空气龄越小，说明该点的空气越新鲜。空气质量就越好。它还反映了房间排除污染物的能力。平均空气龄小的房间，去除污染物的能力就强。由于空气龄的物理意义明显。因此作为衡量空调房间空气新鲜程度与换气能力的重要指标而得到广泛的应
25、用。从统计角度来看，房间中某一-点的空气由不同的空气微团组成。这些微团的年龄各不相同。因此该点所有微团的空气龄存在一个频率分布函数f (r)和累计分布函数F(r);传统上空气阶概念仅仅考虑房间内部，即房间进风口处的空气龄被认为是0 (100%的新鲜空气)。为综合考虑包含回风，混风和管道内流动过程的整个通风系统的效果。清华大学李先庭等人提出了全程空气龄的概念。即指空气微团自进人通风系统起经历的时间，井将房间人口处空气龄取为0而得到的空气龄称为房间空气格0时。较之房间空气龄，全程空气龄可看成绝对参数。不同房间的全程空气龄可进行比较。与空气龄类似的时间概念还有空气从当前位置到离开出口的残留时间ta
26、(residual li-fetime).反映空气离开房间时的驻留时间。(residence time) 等。见图11-4.对某一位置的空气微团，其空气龄、残留时间和驻留时间的关系为:对于一个通风房间来说，体平均的空气龄越小。说明房间里的空气从整体上来看越新鲜。房间内某点的污染物年龄类似于四口空气龄的概念， 是指污染物从产生到当前时刻的时间。也是该点排出污染物有效程度的指标。相似的概念还有污染物驻留时间，即污染物从产生到离开房间的时间。和空气龄类似，房间中某一点的污染物由不同的污染物微团组成。这些微团的年龄各不相同。因此该点所有污染物微团的污染物年龄存在- -个频率分布函数A(t)和累计分布函
27、数B(t)。累计分布函数与频率分布函数之间的关系为:与空气龄不同的是，某点的污染物年龄越短。说明污染物越容易来到该点。则该点的空气质量越差。反之。污染物年龄越大，说明污染物越难达到该点。该点的空气质量越好。二、换气效率对于理想“活塞流”的通风条件。房间的换气效率最高。此时，房间的平均空气龄最小。它和出口处的空气龄。房间的名义时间常数存在以下的关系:因此，可以定义新鲜空气置换原有空气的快慢与活塞通风下置换快慢的比例为通风效率。根据换气效率的定义式可知。几100%.换气效率越大。说明房间的通风效果越好。如图11-5所示。典型通风形式的换气效率如下:活塞流，n =100%;全面孔板送风。n100%i
28、单风口下送上回， -50%100%.与房间总体换气效事相对应。房间各点的换气效率可用下式定义:三、污染物含量和排空时间污染物主要包括固体颗粒物、微生物和有害气体。据报道，室内的有害气体多达300多种m.除了常见的挥发性有机物(VOCs).甲醛、氧等有害气体外。一些无害物质如CO的量过多也会对人体产生不利影响。浓度是衡量室内污染物的直接标志。目前，对污染物浓度的控制主要是针对某- -种污染物。规定浓度的上限值.体平均浓度是某- -空间污染物浓度的平均反映，其定义式如下:对一个通风房间来说。当初始状况房间内无污染物且送风中不含该污染物时。房间中的污染物存在下述质量平衡关系:对于均匀混合的情况。房间
29、各处的污染物浓度处处相等。对于实际中非均匀混合的情况，污染物浓度在各处存在差异。不同酒风形式下的房间污染物总量也不同。例如。若排风口接近污染源。则房间污染物总量较小。反之则较大。因此，房间的污染物总量在一-定程度上也反映了房间内气流组织的情况。在房间污染物总量的基础上。定义排空时间为稳定状态下房间污染物的总量除以房间的污染物产生率，即:排空时间反映了一-定的气流组织形式排除室内污染物的相对能力。排空时间越大，说明这种气流组织形式排除污染物的能力越小。它和污染源的位置有关。面和污染源的散发强度无关。污染源越靠近排风口，排空时间越小。四、排污效率与余热排除效率设房间内部污染物浓度的体平均值为C.排
30、空时间可以写成:即排污效率等于房间的名义时间常数和污染物排空时间的比值。或出口浓度和房间平均浓度的比值。在进口空气带有相同的污染物时，记入口浓度为C.则此时排污效率定义式为: 排污效率也可定义成基于房间污染物最大浓度的形式:以上两种排污效率的定义都是对整个房间面言。对房间内任- -点也可求出各点的排污排污效率是衡量稳态通风性能的指标，它表示送风排除污染物的能力。对相同的污染物，在相同的送风量时。能维持较低的室内稳态浓度，或者能较快地将室内初始浓度降下的气流组织形式的排污效率高。影响排污效率的主要因素是送排风口的位置(气流组织形式)和污染源所处位置。当我们把余热也当成一种污染物时。就能得到余热排
31、除效率(又称为投人能量利用系数)。与污染物排除效率不同的是当我们考察余热的排除效率时，我们通常仅关心工作区的温度。而不是整个室内空间的温度。余热排除效率用温度来定义。用来考察气流组织形式的能量利用有效性。其定义温度高于平均温度。因此一般大于1.说明下送上回的气流组织形式能量利用效率较高。五、送风可及性为评价短时间内的送风有效性，清华大学李先庭等人于2003年提出了送风可及性As (acessibility of supply air)的概念田，它能反映送风在任意时刻到达室内各点的能力。假设通风系统送风中包含某种指示剂，井且室内没有该指示剂的发生源，那么室内空气会逐渐含有这种送风指示剂。送风可及
32、性定义为:送风可及性反映了在给定的时间内从一个送风口送入的空气到达考察点的程度，它是-一个不大于1的正数。可及性的数值越大.反映该风口对(x.y.z)点的贡献越大。根据可及性的物理意义。稳态下，也就是时间无限长时，可及性反映的是空间各点的空气来自各个送风口的比例。在数值上与Kato等人定义的SVE4相等口司。也容易推知，稳态下所有风口对(r. y.x)点的可及性之和等于1.图11-6给出了一个典型的上送下回混合通风环境，图11-7展示了该环境下送风可及性随时间的演变过程.送风可及性只与流场相关。当流动形式确定时，可及性也相应确定。当室内没有某种组分的源存在时。那么由该组分在各风口的输入速率及相应的可及性即可预
