空调器对居室热湿环境与热舒适性影响的研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 11 4 7.95MB 85 页 15积分
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摘 要
目前我国居室中广泛使用房间空调器，一般的研究主要集中在其节能方面，
关于房间空调器对居室热湿环境与热舒适性影响的研究较少。舒适性空调的目的
是为了给人们的生活提供一个健康、舒适的人工环境。研究房间空调器对居室热
湿环境与人体热舒适性的影响，改进空调器使得空调房间的舒适性达到人们的要
求是急需解决的技术课题。
本文于 2006 年夏季对上海市区 138 户居民实施了热舒适性主观问卷调查，并
统计造成卧室空调环境下不舒适的原因。为了进一步分析卧室使用空调器后的室
内热湿环境，选择其中 10 户使用挂壁式空调器的典型卧室实施了连续六天的热湿
环境实测。
对现今小居室使用的房间空调器种类、应用特点和存在的问题进行了分析。针
对挂壁式下出风空调器室内温度分布不均匀、有吹风感的不足，利用房间上部空
间作为混合区的构想研制了一台机柜式上出风空调样机。
在实验室中模拟夏季室内外热环境，用两间房间分别提供夏季室内工况和室外
工况。在相同夏季工况下，测试使用挂壁式下出风空调器和机柜式上出风空调器
在不同送风角度情况下，房间温度场、速度场的分布。机柜式上出风空调器室内
水平、垂直温度分布和空气速度分布比挂壁式下出风空调器均匀，且工作区平均
空气速度、中心点和近窗点空气速度比下出风空调器小。机柜式上出风空调器 30°
送风室内 ADPI 值达到 100％，室内所有测点的 DR 值都小于 30％。而挂壁式下出
风空调器室内 ADPI 值仅为 70％左右，室内 DR 值也明显高于上出风空调器。说
明研制的机柜式上出风空调器较挂壁式下出风空调器室内温度场和速度场分布更
加均匀，大大提高了居室的热舒适性。
关键词：房间空调器 热湿环境 热舒适 温度场分布 速度场分布
ABSTRACT
At present, room air conditioner has been widely used in residence. Air conditioner
energy issues are of concern. The aim to use an air conditioner is to provide a healthy
and thermal comfort artificial environment for people. Research on room air
conditioner’s influence on thermal environment and thermal comfort to improve air
conditioner is an important technical subject.
In the summer of 2006, implements thermal comfort subjective survey of 138
residents in Shanghai. Statistics show the reasons of the discomfort in air-conditioned
room. In order to analyze thermal environment of air conditioned room for further study,
take thermal environment field study of ten typical bedrooms with wall-mounted air
conditioners in six days.
Analyses the types of air conditioners and the existent problems in small rooms. A
room using wall-mounted air conditioner sending air downward have uneven
temperature distribution and draft. To use the upper space of a room as the mixing area,
develops a new a prototype of air-conditioner with an out-let sending air upward.
Provides two rooms as indoor and outdoor conditions of summer in laboratory.
Measures indoor temperature and air speed distribution with wall-mounted air
conditioner and the new prototype air conditioner under the same condition. The room
with new prototype has a more uniform horizontal, vertical temperature distribution and
air speed distribution. The air speed of the work area, the center point and near the
window in the room with new prototype are smaller. The room with new prototype
sending air upward at 30 degrees have ADPI value of 100% and all measuring points’
DR value less than 30%. The room with wall-mounted air conditioner sending air
downward have ADPI value of 70% and bigger DR value. That proves using the new
prototype of air conditioner, indoor air temperature and air speed distribution are more
uniform, thereby greatly improving thermal comfort.
Keyword: Room air conditioner ，Thermal environment ，Thermal
comfort，
Temperature distribution，
Air speed distribution
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 研究课题的背景和意义 ..................................................................................1
§1.2 国内外发展情况和研究现状 ..........................................................................1
§1.2.1 房间空调器发展的国内外背景 ...........................................................1
§1.2.2 人体热舒适性研究的历史与现状 .......................................................3
§1.2.3 我国居室热湿环境与热舒适研究现状与发展 ...................................5
§1.3 本文主要研究内容 ..........................................................................................7
第二章 热舒适理论研究 .................................................................................................8
§2.1 热湿环境中的人体生理学和心理学的基础 ..................................................8
§2.1.1 热湿环境中的人体生理学基础 ...........................................................8
§2.1.2 热湿环境中的人体心理学基础 ...........................................................9
§2.1.3 人体热平衡方程以及热舒适性描述 .................................................10
§2.2 人对热湿环境的评价 ....................................................................................13
§2.2.1 PMW-PPD 指标及其影响因素 ...........................................................14
§2.2.2 其他稳态热舒适性综合评价参数 .....................................................17
§2.2.3 空调房间引起局部热不舒适的主要因素 .........................................19
§2.3 本章小结 ........................................................................................................21
第三章 居室热湿环境实测与热舒适性调查 ...............................................................22
§3.1 热舒适性调查 .................................................................................................22
§3.1.1 调查内容 .............................................................................................22
§3.1.2 调查结果 .............................................................................................22
§3.1.3 卧室空调环境不舒适原因 .................................................................24
§3.2 卧室内热湿环境实测 ....................................................................................24
§3.2.1 调研对象 .............................................................................................24
§3.2.2 实测结果及分析 .................................................................................25
§3.2.3 空调器的使用特性 .............................................................................30
§3.3 本章小结 ........................................................................................................33
第四章 机柜式上出风空调样机的研制 .......................................................................34
§4.1 新型空调器的设想 ........................................................................................34
§4.2 设计参数 ........................................................................................................35
§4.3 蒸发器的设计计算 ........................................................................................35
§4.3.1 换热器计算软件 .................................................................................35
§4.3.2 蒸发器的设计 .....................................................................................36
§4.3.3 循环风机 .............................................................................................37
§4.4 样机研制 ........................................................................................................38
§4.5 本章小结 ........................................................................................................39
第五章 空调器对室内热环境影响的实验研究 ...........................................................40
§5.1 实验方法 ........................................................................................................40
§5.1.1 房间热负荷的确定 .............................................................................41
§5.1.2 测点布置 .............................................................................................44
§5.2 挂壁式下出风空调器室内环境参数测量 ....................................................45
§5.2.1 房间水平温度 .....................................................................................46
§5.2.2 房间垂直温度 .....................................................................................47
§5.2.3 房间内空气速度 .................................................................................49
§5.2.4 平均辐射温度 .....................................................................................50
§5.3 机柜式上出风空调器室内环境参数测量 ....................................................50
§5.3.1 房间水平温度 .....................................................................................51
§5.3.2 房间垂直温度 .....................................................................................52
§5.3.3 房间内空气速度 .................................................................................54
§5.3.4 平均辐射温度 .....................................................................................55
§5.4 本章小结 ........................................................................................................55
第六章 空调器热舒适性分析 .......................................................................................57
§6.1 舒适性指标的选择 ........................................................................................57
§6.2 舒适性评价 ....................................................................................................58
§6.2.1 PMV-PPD 指标 ....................................................................................58
§6.2.2 作用温度 .............................................................................................59
§6.2.3 空气分布特性指标 ADPI .................................................................. 60
§6.3 局部热不舒适分析 ........................................................................................64
§6.3.1 吹风感 .................................................................................................64
§6.3.2 非对称热辐射 .....................................................................................68
§6.4 本章小结 ........................................................................................................69
第七章 结论与展望 .......................................................................................................70
§7.1 主要结论 ........................................................................................................70
§7.2 需要进一步进行的工作 ................................................................................70
符号表 .............................................................................................................................71
附录 1夏季卧室热舒适性主观问卷调查表 1...........................................................73
附录 2 10 户卧室布置图 .............................................................................................76
参考文献 .........................................................................................................................78
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................81
致 谢 .............................................................................................................................82
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 研究课题的背景和意义
随着我国人们生活水平的迅速提高和空调器价格的快速下降，以及居住环境
气温的不断升高，近 10 年来，我国住宅空调器数量迅速增加。根据相关统计数据
[1]，包括城镇和农村居民平均百户空调器拥有量、人口数、平均每户人数，通过计
算分析得出 2000-2004 年我国居民空调器拥有量，见表 1-1。平均年增长率达到
31%。截至 2004 年底，北京市、上海市和广东省每户居民的空调器平均拥有量分
别达到了 1.36 台、1.59 台和 1.56 台，全国住宅空调器拥有量高达 1.36 亿台，其中
城镇居民空调器拥有量占 93％。
表1-1 我国居民空调器拥有量的变化情况
2000
年底
2001
年底
2002
年底
2003
年底
2004
年底
平均年
增长率％
全国/万台
4765
5875
8874
11445
13589
31
目前我国居室中广泛使用房间空调器，一般的研究主要集中在其节能方面，
关于房间空调器对居室热湿环境与热舒适性影响的研究较少。一般房间空调器的
热舒适性与中央空调相比有较大的差距，主要表现在室内温度分布不均匀、局部
风速过大有吹风感、过渡季节湿度过高等方面。
舒适性空调的目的是为了给人们的生活提供一个健康、舒适的人工环境。如
何改进空调器使得空调房间的舒适性达到人们的要求，为空调领域内的科研机构
和生产厂家提出了急需解决的技术课题。研究房间空调器对居室热湿环境与人体
热舒适性的影响，对上面的问题具有指导意义。
§1.2 国内外发展情况和研究现状
§1.2.1 房间空调器发展的国内外背景
自人类诞生以来，人们就在不断地征服自然和改造自然，在与自然的斗争中，
不断地获取智慧，得以进化和繁衍。例如，火的使用改善了人类的食物结构，增
强了御敌能力，找到了战胜严冬的方法；天然冰的贮藏和利用，为食物的保鲜、
防腐创造了条件，同时天然冰也成了酷夏中防暑降温、创造舒适环境的天然冷源。
随着社会的进步，人们在各方面对舒适性的要求越来越高，越来越接近自然，从
世界空调环境的变迁就可以看到这一点[2~4]。
空调器从诞生至今，从追求舒适的空调环境方面看，已经走过了三个阶段：
1) 防暑御寒阶段（70 年代以前）：实现供冷和供热，在冬、夏为人们提供一
空调器对居室热湿环境与热舒适性影响的研究
2
个温暖、凉爽的环境，但对温度波动的限制要求不高。
2) 基本舒适阶段（70～80 年代）：实现温度、湿度、气流速度均匀，室内空
气清新，要求空调设备低噪声运行。
3) 非感空调阶段或静态人工环境阶：（80～90 年代）：要求营造一个无冷、热
感，室内各处无明显温差，无噪声，无气味，无明显吹风感的空调环境。
即人们虽置身于空调环境之中，却感觉不到空调系统的存在，它是一种静
态的人工环境。
到了 90 年代以后，人们对舒适性的要求，趋向于自然环境的特征。人们希望
空调环境具有能感觉到温度和气流的变化、能感觉到温暖和凉爽、有音乐声、有
芳香感和明亮感等特征。总的目的是让人处于一个精神愉快的空调环境中，这就
是人们追求的感知空调阶段或动态自然环境阶段。
我国空调业从 1964 年诞生第一台窗式空调器以后，发展非常缓慢。到 80 年
代初，大量地引进技术和生产线以后，才开始了较大速度的发展。在一些高等院
校和有实力的生产厂家陆续成立了相应的空调研究机构。其研究方向主要集中在
空调制冷系统及部件的优化设计、制冷系统特性与仿真、工质替代和人工环境特
性等应用基础研究方面，取得了诸多的科研成果。但对于实现环境的舒适性调节
和空调系统的智能控制方面的研究才刚刚起步，有待于进一步深入和发展[4]。
我国空调业现阶段的研究、开发工作将集中在以下几个方面：
1) 推进HCFC的替代研究工作。
联合国环境规划署UNEP于1995年12月在维也纳召开了第7次《关于消耗
臭氧层物质的蒙特利尔协议书》缔约国会议，规定了发达国家对HCFC于2020
年停止使用，用于维修的必需量保留至2030年；对于发展中国家于2016年冻
结在2015年的消费水平上，2040年全部停止使用。由于空调系统大量使用
HCFC22，所以应加快替代工质和采用新工质的压缩机、热交换器、冷冻油和
制冷系统的研究开发，为工程应用做好技术基础准备。
2) 加快房间空调器的节能研究。
日本通产省制定了关于能源合理利用的法律，对家电产品能效比提出了
新的要求，其中规定，自1997年10月1日至1998年9月30日生产的单冷型分体
空调器的COP指标为3.09，热泵型分体空调器供冷、供热的平均COP指标为
2.97。我国也对房间空调器的能效比指标在GB7725-87的基础上提高到2.5，这
说明国际上各国政府都非常重视能源的有效利用问题。但仅片面追求能效比，
而盲目增大室内外换热器面积的方法是不可行的，材料的不合理利用仍然是
浪费能源的一个方面。所以应在减轻机体重量的前提下，研究开发出高效节
第一章 绪论
3
能的压缩机、热交换器和电机，减少系统的各种不可逆损失，实现能源的高
效利用才是提高能效比的有效途径。
3) 加强空调器的低噪声化研究。
压缩机、风扇是空调器的主要噪声源，低噪声压缩机和风扇的开发无疑
是一个重要课题。同时，由换热器、进出风口和静压箱等组成的风路系统的
设计也是引起空调器噪声的重要因素，所以风路系统的优化设计也将成为今
后的研究课题。
4) 加速对智能型、舒适型空调器的研究步伐。
智能型、舒适型空调器是集制冷系统的优化设计、变频调速、模糊逻辑
控制、神经网络技术、计算机通信等于一体的新技术产品，所以对它的开发
研究具有相当的难度。国内尚属于起步阶段，有许多技术问题还有待于进一
步解决，如：变频多蒸发器制冷系统的优化设计、系统的动静态特性分析、
新的控制理论的应用及控制系统的开发、低成本高性能变频器的研制、各种
运行模式下空调环境的舒适性控制等都是亟待研究的课题。
5) 推进产品检测标准的完善。
一种产品的国家标准不仅会指导产品的发展方向，而且能表明产品的发
展水平。随着变频空调和多室内机空调的普及和发展，评价此类产品性能的
标准也应完善，由于国内尚无此类标准，一些厂家只好参照GB7725-87制定相
应的企业标准。变频空调器在不同季节、不同模式、不同负荷条件下，有着
不同的运转频率，其能效比也是不同的。而目前的能效比是在某一规定工况
下的静态指标，用COP作为评价此类空调器性能的唯一指标，不能充分说明
空调器的性能优劣，而以季节性能比SEER（空调器全年的制冷、制热的总效
果与全年电能消耗总量之比）作为空调器性能指标更为符合实际使用情况，
但怎样通过较少的实验次数和科学的计算方法去确定SEER的问题，将是今后
的研究课题。
§1.2.2 人体热舒适性研究的历史与现状
早在 20 世纪初，一些发达国家的学者就已开始了对室内热环境的研究。早期
的研究主要服务于军事目的，例如对军舰轮机舱内的环境研究、对炎热或严寒环
境中士兵生理和心理方面的研究等。第二次世界大战后，随着科技的进步、生产
的发展和生活水平的提高，研究目的已转向生产和生活领域。从而对室内热环境
与人体热舒适的关系的研究更加深入。对热环境的研究也由最初只涉及少数简单
的环境因素，如用温度与湿度两个主要因素来描述环境对人体产生的热影响，时
至今日己扩展到用六个变量(空气温度、相对湿度、平均辐射温度、气流速度、人
空调器对居室热湿环境与热舒适性影响的研究
4
体新陈代谢率、着衣量)来研究环境对人体的热作用，业己形成一门涉及建筑物理
学、生理学、心理学、人类工效学、信息科学等多学科交叉的边缘科学。
通过现场调查和在微气候室的模拟实验研究，人们得到了大量有价值的实验
数据，提出了各种评价人体热舒适的指标，美国暖通空调工程师协会（ASHRAE）
在堪萨斯州立大学的环境实验室曾进行了大量的研究和试验工作，提供了有关舒
适性条件的数据，这些数据成为丹麦工业大学 Fanger 教授的人体热舒适性方程的
基础，Fanger 教授将得到的数据资料与人体产、散热的物理方程相结合，提出了
综合性的舒适性方程[5]。Fanger 教授所提出的用于环境热舒适评价的理论指标——
预测平均投票数 PMV (Predicted Mean Vote)和预测不满意百分数 PPD (Predicted
Percentage of Dissatisfied)已被编入国际标准 ISO 7730[6]，在欧洲得到了广泛的应
用。美国的 ASHRAE 55-2004 标准中给出了至少满足 80%居住者人体热感觉的舒
适区图[7]。
在有关室内热环境对人体舒适性影响的研究领域已经得出很多重要的结论，
这些结论包括：空气温度直接影响人体与外界的热交换和人体自身的热平衡，它
对人体舒适度的影响很大，是衡量热舒适性的一项主要指标。空气湿度可以直接
或间接的从多个方面影响人体的舒适感，实验结果表明当人体处于非静止状态时，
湿度将从一定程度上影响人体热感觉和皮肤的湿润度等方面。另外，由于存在不
对称的辐射区（比如寒冷的窗户、加热器）、局部的对流冷却、与较冷或较热的地
板接触或人体头和脚之间存在垂直温度差等因素引起的局部性的人体不舒适区会
对人体的热舒适度造成很大的影响[8]。
另外还有一些其他非热因素也影响人体的热舒适度。实验说明人与人之间的
差别是存在的，即使人们穿着相同的服装，活动量也相同，能使所有的人都满意
的环境也是不存在的。Fanger 提出了 PPD 与PMV 之间的关系：在 PMV＝0处，
PPD＝5%，这意味着即使室内环境为最佳热舒适状态还会有 5%的人感到不满意。
性别的不同、年龄的不同以及季节的变化也有可能使人们对于相同的热环境有不
同的热感觉。对于这些因素的影响作用，虽有许多学者做过大量深入的研究，但
结论不尽相同。Fanger 教授的测试结果表明男女所满意的热环境基本是相同的，
女性的皮肤温度和蒸发散热量要比男性低，而她们的活动量也往往比男性要小。
年老的人满意的热环境和年轻人满意的热环境也并没有很大的差别，但年轻的人
和年老的人所满意的热环境相同并不是说他们对冷热环境的敏感程度也相同[7]。
Nevins 的测试结果为女性对温度的敏感性强，热反映和温度之间的线性回归的斜
率要陡一些[8]。McNall 在1968 年通过对冬、夏季实验结果分析表明冬、夏季的舒
适性条件没有区别[9]。
摘要：

摘要目前我国居室中广泛使用房间空调器，一般的研究主要集中在其节能方面，关于房间空调器对居室热湿环境与热舒适性影响的研究较少。舒适性空调的目的是为了给人们的生活提供一个健康、舒适的人工环境。研究房间空调器对居室热湿环境与人体热舒适性的影响，改进空调器使得空调房间的舒适性达到人们的要求是急需解决的技术课题。本文于2006年夏季对上海市区138户居民实施了热舒适性主观问卷调查，并统计造成卧室空调环境下不舒适的原因。为了进一步分析卧室使用空调器后的室内热湿环境，选择其中10户使用挂壁式空调器的典型卧室实施了连续六天的热湿环境实测。对现今小居室使用的房间空调器种类、应用特点和存在的问题进行了分析。针对挂...

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