房间空调器热舒适测试系统及其实验研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 9.54MB 87 页 15积分
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中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论.....................................................................................................................1
§1.1 课题的来源及意义..........................................................................................1
§1.2 国内外研究现状..............................................................................................2
§1.2.1 热舒适理论研究现状...........................................................................2
§1.2.2 热舒测试技术研究现状.......................................................................3
§1.2.3 房间空调器热舒适性能研究现状.......................................................4
§1.3 课题研究的内容和主要工作..........................................................................5
第二章 热舒适基本理论.................................................................................................6
§2.1 热舒适的影响因素..........................................................................................6
§2.1.1 环境因素...............................................................................................6
§2.1.2 个体因素...............................................................................................7
§2.2 热舒适方程......................................................................................................8
§2.2.1 人体热平衡方程...................................................................................8
§2.2.2 人体热舒适方程.................................................................................10
§2.3 热舒适的评价指标........................................................................................10
§2.3.1 PMV-PPD 指数....................................................................................11
§2.3.2 局部不满意度指标.............................................................................13
§2.4 热舒适研究所需的环境测量参数................................................................14
§2.5 本章小结........................................................................................................16
第三章 房间模拟负荷计算...........................................................................................17
§3.1 空调房间的得热与负荷................................................................................17
§3.2 平壁热力系统介绍........................................................................................17
§3.2.1 平壁热力系统的数学模型与传递函数.............................................17
§3.2.2 多层平壁和有空气边界层的平壁的传递矩阵.................................19
§3.3 维护结构得热................................................................................................20
§3.3.1 系统的单位阶跃反应.........................................................................21
§3.3.2 系统的单位三角波反应.....................................................................24
§3.3.3 周期扰量下的单位反应函数.............................................................24
§3.3.4 反应系数.............................................................................................25
§3.3.5 传热量的计算.....................................................................................25
房间空调器热舒适测试系统及其实验研究
§3.4 通过玻璃窗进入室内的得热量....................................................................27
§3.4.1 窗户的逐时瞬变传导得热.................................................................27
§3.4.2 窗户逐时日射得热.............................................................................27
§3.5 其它得热........................................................................................................28
§3.5.1 设备散热.............................................................................................28
§3.5.2 照明得热.............................................................................................29
§3.5.3 人体散热.............................................................................................29
§3.6 室外空气计算参数........................................................................................30
§3.6.1 设计日逐时气温的构成.....................................................................30
§3.6.2 综合温度.............................................................................................31
§3.7 冷负荷的计算................................................................................................32
§3.8 计算软件的编制............................................................................................35
§3.9 本章小结........................................................................................................36
第四章 实验系统的建立...............................................................................................37
§4.1 总体介绍........................................................................................................37
§4.2 环境室............................................................................................................38
§4.2.1 设计原理.............................................................................................38
§4.2.2 设计方案及结果.................................................................................38
§4.3 电加热墙体系统............................................................................................39
§4.3.1 设计原理..............................................................................................39
§4.3.2 电热墙体设计方案.............................................................................41
§4.3.3 控制系统..............................................................................................44
§4.4 室外环境控制................................................................................................45
§4.5 热环境数据测量系统....................................................................................46
§4.5.1 空气温度测量装置.............................................................................46
§4.5.2 风速测量装置.....................................................................................47
§4.5.3 湿度测量装置.....................................................................................47
§4.5.4 其他测量装置.....................................................................................48
§4.6 数据采集系统................................................................................................48
§4.7 本章小结........................................................................................................49
第五章 室内热环境测量技术.......................................................................................50
§5.1 室内热环境测量标准....................................................................................50
§5.2 热环境测试仪器要求....................................................................................50
目录
§5.3 空气温度的测定............................................................................................51
§5.3.1 辐射对温度测定的影响.....................................................................51
§5.3.2 传感器热惯性对温度测定的影响.....................................................52
§5.3.3 热电偶的冷端补偿.............................................................................52
§5.4 平均辐射温度的测定....................................................................................53
§5.4.1 使用黑球温度计测定平均辐射温度.................................................53
§5.4.2 壁面温度法计算平均辐射温度.........................................................54
§5.4.3 平面辐射温度法计算平均辐射温度.................................................55
§5.5 平面辐射温度的测定....................................................................................56
§5.5.1 使用净辐射计测量平面辐射温度.....................................................56
§5.5.2 平面辐射温度的计算.........................................................................57
§5.6 空气湿度的测定............................................................................................58
§5.6.1 通风干湿表法测量空气湿度.............................................................59
§5.6.2 电湿度法测量空气湿度.....................................................................59
§5.7 空气速度的测定............................................................................................59
§5.7.1 使用热球风速仪测量风速.................................................................60
§5.7.2 使用热线风速仪测量风速.................................................................60
§5.8 表面温度的测定............................................................................................61
§5.8.1 接触式测量表面温度.........................................................................61
§5.8.2 非接触式测量表面温度.....................................................................61
§5.9 本章小结........................................................................................................63
第六章 实验研究...........................................................................................................64
§6.1 实验准备........................................................................................................64
§6.2 环境室漏热实验............................................................................................64
§6.3 恒定负荷室温控制实验................................................................................66
§6.3.1 实验方案与步骤.................................................................................66
§6.3.2 实验数据与分析.................................................................................66
§6.4 某房间空调器舒适性测试............................................................................68
§6.4.1 实验方案.............................................................................................70
§6.4.2 温度场测量.........................................................................................71
§6.4.3 速度场测量.........................................................................................74
§6.4.4 平均辐射温度的测量.........................................................................75
§6.4.5 数据分析与舒适性评价.....................................................................75
房间空调器热舒适测试系统及其实验研究
§6.5 本章小结........................................................................................................78
第七章 结论与展望.......................................................................................................79
§7.1 结论................................................................................................................79
§7.2 展望................................................................................................................79
参考文献.........................................................................................................................81
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................84
致 谢.............................................................................................................................85
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题的来源及意义
随着经济技术的发展和生活水平的不断提高，人们对于室内环境热舒适的要求
也越来越高。室内良好的热舒适环境不仅可使人们精神愉快，而且有助于人的身
心健康，提高学习、工作效率。而当人处于过冷、过热的环境中则会引起疾病，影
响健康。人的一生有大半时间是在室内度过的，所以研究人体热舒适，创造一个健
康、舒适的室内环境是非常必要的。
为了获得舒适的热环境，每年各国都要消耗大量的能源用于供热、空调。因缺
乏对热舒适的正确理解及对建筑热指标的正确使用，往往造成对建筑过分加热或过
分冷却。这样，不仅给人体造成不舒适的感觉，同时，浪费大量的能源。另一方面，
受能源危机的影响，建筑设计师从节能的角度出发，一度提倡采用提高建筑围护
结构的热绝缘性、房间的气密性、减少通风次数等方法来维护室内所需的基本条
件。但后来大量研究及调查发现，这样的建筑由于偏重“节能”因素， 房间气密
性高，加上建材、装潢油漆散发的氡气、石棉、甲醛等有害气体，以及通风空调
系统设计不当或管理不良， 能使人们感到不舒适并造成“病态建筑综合症”。因
此，从建筑的功能、节能、健康、功效等目的出发，研究建筑室内的热环境是有
意义的。
人体热舒适在 ASHRAE 标准中定义为人对热环境表示满意的意识状态。它通
过研究人体对热环境的主观热反应得到人体热舒适的环境参数组合的最佳范围和
允许范围以及实现这一条件的控制、调节方法。影响人体热舒适的环境参数主要
有四个：空气温度、气流速度、空气的相对湿度和平均辐射温度；人的自身参数两
个：衣服热阻和劳动强度。人体热舒适的研究涉及建筑热物理、人体热调节机理的
生理学和人的心理学等学科。研究方法有：实验、实际调查和数值模拟。
房间空调器是一种实用的室内热湿环境控制装置，作为一种成熟的低成本的空
调方式被越来越多的家庭所接受。2003 年以来，国内房间空调器产销规模出现的
较快增长，截止到 2004 年底，产销规模已接近 6000 万台。到 2003 年底，我国城
市居民家庭空调普及率达 48.9%，在拥有空调的城市居民家庭中，平均每个家庭拥
有空调数量为 2.13 台。从城市级别的角度看，一级城市家庭的拥有率达到 64.8%，
而二、三级城市的拥有率分别达到 50.3%、39.6%[1]。随着房间空调器的不断普及，
房间空调器的能耗问题越来越多的被关注，各种节能空调不断推出。在人们不断
关注空调节能的同时房间空调器的舒适性问题却很少触及，很多空调的节能手段
是建立在降低空调舒适性的基础上的。
目前家电企业对房间空调器房间热舒适性的分析与评估往往只是停留在理论
房间空调器热舒适测试系统及其实验研究
2
计算和数值模拟的层面上，没有一套完整的房间空调器热舒适性测试方法和标准。
本课题将为家电企业在房间空调器热舒适性能方面的研究开发提供有应用意义的
数据。
§1.2 国内外研究现状
§1.2.1 热舒适理论研究现状
20 世纪初，国外曾进行过人体热舒适生理学方面的研究，并解决了人体的换
热和热舒适的条件问题，但没有把结果用于实践中。1919 年在美国的匹兹堡由美
国采暖和通风工程师学会(ASHVE)建造了一个实验室，主要目的就是研究湿度对
人体热感觉、热舒适的影响。1923 年Houghton 和Yaglou 确定了包括温度、湿度
两个变量的裸体男子的等舒适线，并由此创立了对热环境研究具有深远影响的有
效温度指标 ET[2-3]。1924-1925 年Houghton、Yaglou 和米勒又进一步研究了包括空
气流速和衣着影响的实验。1923 年Vernon 和Warner 使用黑球温度代替干球温度
对热辐射进行了修正，产生了修正有效温度温标 CET。1950 年Yaglou 等对热辐射
进行了修正，提出了当量有效温度的概念[4]。1971 年Pierce 研究所的 Gagge 提出
了新的有效温度 ET*指标[5]，该指标综合了温度、湿度对人体热舒适的影响，适用
于穿标准服装和坐着工作的人群，并已为 ASHERAE55_74 舒适标准所采用。随后，
又综合考虑了不同的活动水平和服装热阻的影响，提出了众所周知的标准有效温
度指标 SET[6-7]。
1967 年丹麦的 Fanger 教授在 Kansas 州立大学的实验数据基础上，
发表了著名的热舒适方程式。1970 年Fanger 以人体热平衡方程及 ASHERAE 七点
标度为出发点，并对 McNall 等[8]在Kansas 州立大学所进行的实验得出的四种新陈
代谢率情况下的热感觉数据进行曲线拟合，得到了至今被广泛使用的热舒适评价
指标——预测平均投票数 PMV 和预测不满意百分数 PPD 指标。该指标综合了空
气温度、平均辐射温度、空气流速、空气湿度、人体新陈代谢率及服装热阻六个
因素，是至今最全面的评价热环境的指标，已被编入国际标准 ISO7730[9]，1972
年至 1975 年，Fanger 又对影响人体热舒适的其它因素如：年龄、性别、种族、健
康水平等作了进一步的研究，认为：人体热舒适不受上述因素影响。
近年来 CFD 技术已成为对室内热环境参数如空气温度、湿度、空气速度、污
染物浓度进行数值模拟和预测的重要工具。日本东京大学的 Marahami 利用低雷诺
数κ-ε湍流模型和 Gagge 的人体两节点模型，模拟计算了人体与环境热湿传递过
程中人体周围的空气温度、湿度、空气流速分布，模拟计算结果与对真人和暖体
假人的实测结果相近。利用模拟计算结果可准确预测各种室内热环境下人体的热
感觉[10]。日本开发了用于人体热舒适评价和室内空气品质评价的软件，并将 PMV、
空气龄等指标的计算问题编入 CFD 软件[11]。
第一章 绪论
3
从80 年代开始，魏润柏等率先展开了人体、环境和服装的关系及人体热舒适
理论的研究[12-14]；寿荣中等提出了一种将人体分成 15 段的模型[15]；陶培德将人体
视为三维多层圆筒壁研究了人体与环境的传热问题[16]；王小玲将人体分为六节段
两层，建立了肌体各层间和各节段内的瞬态传热数学模型，并用暖体假人测定了
人体对流换热系数[17]；文学军将人、建筑热环境、暖通空调系统视为一个动态热
力系统，构建了稳态和动态热环境人的热感觉模糊预测模型[18]；叶海从理论与实
验两方面深入研究了人体对流换热系数，用暖体假人测定了人体与矩形平板间角
系数及人体有效辐射面积系数[19]；周雪飞以 PMV—PPD 指标为依据，模拟分析了
玻璃幕墙建筑中太阳辐射对人体热舒适的影响[20]；贾庆贤等对吹风对人体热舒适
的影响进行了客观调查和主观评价[21]；王怡等对我国中部地区冬季空调房间室内
舒适参数进行了测试与研究，分析了室内温度、湿度对室内空气品质的影响[22]。
此外，在高大空间和洁净室气流组织模拟与设计、用 CFD 方法评价 PMV 和空气
年龄等方面也取得了一些重要成果[23-25]。上述研究成果主要适用于设有集中空调
系统的商场、办公楼等公共建筑。
§1.2.2 热舒测试技术研究现状
热舒适被定义为人对周围热环境所做的主观满意度评价(ISO7730)。由于人的
个体差异，一种 100%满足所有人舒适要求的热环境是不可能存在的。因此，任何
室内气候必须尽可能地满足大部分人群的舒适要求。根据 ISO7730 的规定，有以
下三种方式来描述人对周围热环境的热舒适度(或热不舒适度)：
(1) PMV (Predicted Mean Vote) 热环境综合评价指标；
(2) PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) 不满意百分比的预测数；
(3) DR (Draught Rating 气流风险)指出了气流的紊流强度对于气流感知的重
要性。
其中 PMV 和PPD 用来表述整个人体的热舒适度(或热不舒适度)，而 DR 则用
来表述人体的某些特定区域的热舒适度(或热不舒适度)。大量研究成果表明，影响
人体热感觉一共有 6个因素：干球温度、空气相对湿度、风速、平均辐射温度、
人体活动强度和衣着热阻。ISO7726 对于上述 6个参数的测量仪表的最低及期望要
求全部作出了明确的规定。
目前，热舒适性测试主要有基于人们主观感受的热舒适性调查问卷和基于客
观测量数据的计算分析两种方法。实验室中的客观性测量能够对环境变量进行精
确的测量和控制，并可单独研究某一个变量对热舒适的影响[26]。因此，基于实验
室研究得出的标准 ISO 7730 和ASHRAE 55-2004 标准己得到了广泛的应用。影响
舒适性还有其它一些次要因素，如年龄、性别、人们所处的地理位置、民族习俗、
人的心理作用等，客观数据的测量无法排除这些因素的干扰，而且目前大多数实
验室研究不能模拟太阳辐射、围护结构蓄热性、室外风速等因素对热环境与人体
房间空调器热舒适测试系统及其实验研究
4
热舒适性的影响。而现场热舒适性调查问卷则可综合考虑以上所有对热环境与热
舒适有影响的因素，因此所得的结论比较可靠。但这种方式由于受季节和室外气
象条件的影响——不能按计划改变围护结构的表面温度和室外空气的温度，往往
需要人们耗费大量的时间，付出大量艰辛的劳动。
20世纪70年代，丹麦技术大学的Madsen 研制成功热舒适仪，除了可以直接测
定PMV 和PPD 以外，还可以测出舒适温度、工作温度等参数。它包括一个椭球
状的测试探头和控制箱体，人的活动量、服装热阻和水蒸气分压力从控制箱体直
接输入，测试探头模拟人体的外部形状，内部有电阻丝，利用控制电路使其与环
境达到热平衡，测定人体处在该环境下热舒适状态时的干热损失(相当于测定空气
温度、风速和平均辐射温度对人体综合作用的传感器)，从而将换算得到的PMV
直接反映在仪表盘上。探头垂直或倾斜30度可以分别模拟站立和坐姿的人体。
一体化的综合气象参数测试仪通常是针对某一种热环境评价指标，如 WBGT
指数仪、WGT 指数仪等。丹麦 B&K 公司的 1213 型综合气象参数测试仪能够监测
空气温度、相对湿度、平均辐射温度和风速四种参数，并与计算机连接进行数据
采集，计算出所需的指数。中国预防医学科学院环境卫生与卫生工程研究所研制
的WBGT 指数仪，可以直接测出空气干球温度、自然湿球温度和黑球温度，并直
接显示出 WBGT 指数值，符合 GB 4200 – 1997《高温作业分级》标准的要求。
另一类测试仪器具有更高的集成性，其代表就是热舒适仪，如丹麦B&K公司
的1212型。这是一种以模拟人体在环境中状态为目标的设备，通过环境参数的测
量和输入服装热阻与新陈代谢率基于P.O. Fanger的舒适方程计算PMV与PPD指数，
给出环境舒适度评价。
§1.2.3 房间空调器热舒适性能研究现状
国内外高校和研究院所对空调器的热舒适性的研究大多集中在集中式空调领
域，对于家用房间空调器的舒适性研究大多采用计算机仿真，实验室数据研究方
面的成果还比较少。近年来，国内外空调器厂商在房间空调器舒适性能的提高上
进行了不少有益的研究和开发。
在空调器的控制方面，为了追求室内环境的高舒适性，房间空调器已经从单
一的温度控制，发展到由室内热环境指标（PMV等）的综合控制，从简单的双位
控制，演变到人工神经网络与模糊技术相结合的智能控制。
为了在开机后尽快使房间达到所需温度，松下、三菱重工等空调器的控制系
统都有快冷、快热的设计，即在制冷模式下，开机后一段时间里，控制系统将温
度调节到比设定温度低1.5~2℃，运转一段时间后，温度自动回复到设定温度。在
制热模式下，开机后一段时间里，控制系统将温度调节到比设定温度高3℃左右，
运转一段时间后自动恢复到设定温度[27]。
在室内湿度控制方面，日立空调器将蒸发器分成两部分，在除湿运行时，前
一半蒸发器作蒸发器运行，后一半蒸发器作冷凝器运行。因此室内空气温度不会
第一章 绪论
5
降低，且可节省除湿时的耗电量。东芝空调器在蒸发器后部加了一个辅助加热器，
使除湿运转时不会有冷风吹出。松下空调器在除湿运转开始后的30分钟内，控制
温度比设定温度低1℃，风量从微风转为超微风，上下导风叶向上，使气流吹向上
方，左右导风叶使气流向房间中心左右摇摆吹风。三菱电机采用专门的加湿器
SVR-50A-H型，与遥控器联动。当冬季制热时，如果感到房间内太干燥，可按遥
控器使加湿器工作，使房间保持在最舒适的湿度(相对湿度50%~60%)[27]。
§1.3 课题研究的内容和主要工作
本课题首先建立了房间空调器舒适性测试系统，在搭建系统的基础上，以一
种典型房间空调器为例，实验研究了房间空调器在不同使用策略下的热舒适性。
因此，本课题的主要工作分为以下三部分：
1.从理论角度建立房间空调器热环境计算模型，并编制计算程序。通过理论计
算确定以上海为代表的夏季闷热天气房间空调器室内工况，为建立用于热舒适性
测试的室内环境模拟系统提供理论依据。
2.设计和建立了房间空调器热舒适测试系统。由于目前国内外此种房间空调器
热舒适测试系统很少，根据对现有空调系统资料的收集，依据研究需要，提出测
试系统的总体设计方案和具体技术参数。该房间空调器热舒适性测试系统可以作
为以下研究课题的实验平台：房间空调器节能研究、不同气流组织形式对房间热
舒适性影响的研究；也可以作为一个环境实验装置，为在实验室内研究空调设备
性能提供环境模拟。具体工作包括：根据研究需要确定具体设计参数，选择设计
方案，进行设计计算、设备选型，设备采购，管理安装施工，系统调试。
3.使用本测试系统进行应用性实验。参照相关标准，进行房间空调器热舒适性
能测试实验，测量和计算了某品牌房间空调器在不同使用策略下的热舒适性能，
得出对空调器的使用与设计有指导意义的数据；证明本系统可以有效的测试房间
空调器的热舒适性能。
摘要：

目录目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论.....................................................................................................................1§1.1课题的来源及意义..........................................................................................1§1.2国内外研究现状..................................................

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