人体热舒适性评价试验室的研制

郑毅穗，毛海莲，刘 旭，肖向前

（中国电器科学研究院有限公司，广州 510300）

前言

舒适性空调设备以营造适合室内人员工作和生活的环境为目的，舒适的环境可提高人的工作效率和生活质量。目前无论是家庭还是办公场所，绝大多数空调设备都是以控制室内的温度稳定在某个温度为目标。为适应消费者的更高需求，现在国内已经有空调生产企业率先开始研究以人体热舒适性作为控制目标的高端空调设备。人体热舒适性评价试验室是新型空调设备开发和测试的关键试验装备，其综合了制冷空调技术、自动控制技术、检测分析技术和计算机技术，是一种新型的高科技试验装备。

本文介绍了人体热舒适性评价试验室的主要结构和特点。

1 试验室原理及技术指标

人体对所处环境的热舒适性感觉是一种主观心理意识，与人体产生热量和流失热量的平衡关系、人体生理健康状态以及心理因素有关，因此其评价也是主观评价方法。一些欧美国家对人体热舒适性方面做了大量研究工作，采用问卷调查的方式对不同性别、年龄甚至不同体质人群进行数据采集，分析总结出一套适用于多数人群的人体热舒适性评价方法。环境因素中对人体热舒适感觉影响最大的因素是温度，其次是湿度、风速和照度等，测量这些环境参数并通过仪表或计算可以得出该环境的人体热舒适性指标，如美国ASHRAE（美国供暖制冷空调工程师协会）使用的是7级热感觉指标，范围是-3～+3, 0是最舒适状态，朝负方向是偏冷感，朝正方向是偏热感。

房屋的围护结构和保温性能、门窗以及户外的气候环境等因素都会对空调设备营造的室内环境造成影响。为真实模拟空调设备的运行条件，试验室需要真实的房屋结构，房屋外面能够模拟各种气候条件。房屋内则需要配置温度、湿度、风速等与人体热舒适性有关的传感器，并实现数据采集和分析。根据不同容量的空调设备的需要，房间面积还要能够调整。

国内民用建筑多数是钢筋混凝土框架和空心砖墙体结构，为适应各种类型的空调设备开发并建立有代表性的测试环境，我们确定采用一厅三房单层钢筋混凝土框架和砖墙结构的民居，民居外采用保温冷库建立外室，包围着民居（下面称民居为内室），外室配置空气处理设备，用于模拟各种户外气候环境。

试验室的主要技术参数：

1)外室环境工况：温度-20～60℃，相对湿度20～95%。

2)外室设置自然现象模拟区，配置日照，降雨、降雪、吹风装置。

3)内室一扇墙的内部安装加热装置，能够调节墙外表面温度（最高60℃）。

4)内室进行人体热舒适性试验及研究，包括温度场、湿度场、风速场的测试及分析，能按不同要求进行人体热舒适性的客观评价，并为主观评价提供条件。

5)内室配置人体热/湿负荷模拟装置。

6)可测试的空调设备类型：窗式、壁挂式、立柜式、吊顶式、天井式、风管式、移动式、多联式空调设备。

2 试验室设计

2.1 试验室结构（图1）

图1 试验室结构图

2.2 内室

内室尺寸8.8m(L)×8m(W)×3m(H)，四角及中间为现浇混凝土框架，与地板和屋顶一体浇注，外墙贴墙面砖，内墙扇灰涂乳胶漆。一厅（A房）三房（B/C/D房），厅面积近30m2。外墙厚度240mm，内墙180mm，房间的两面内墙用轻质建筑材料，传热性能接近180mm砖墙，可局部移动调整房间的面积。地面铺设抛光砖。窗户采用铝塑窗，客厅2扇，每个房间1扇。门采用实木门。

内室测量点：

1)温度： 空间按平面550mm、垂直500mm左右的间隔，立体分布T型热电偶测点矩阵，其中A房350点，B/C/D房共420点，另留64点热电偶用于测试内室墙壁温度。热电偶测点由上往下垂吊，通过滑轨可以移到房间侧边，以便进行室内主观评价的时候不影响人的活动。

2)湿度：配置8点湿度传感器，可移动并用于任意一个房间。

3)其他：1点三维风速传感器，12点无指向性风速传感器，1台热舒适度测量仪。

4)试验空调设备用测量点：4台电参数测量仪,40点热电偶，6点冷媒压力传感器。

内室模拟人体热/湿负荷：两套500W功率的低热流密度的可移动电热器，其功率可调节，用于模拟人体热负荷；两套超声波加湿设备用于模拟人体湿负荷。

内室与外室测试区之间的外墙内部均匀分布PTC发热带，发热功率可调节，墙内分布多点热电偶测量墙壁平均温度。墙壁发热功能用于模拟日照造成的墙面温升。内室空间热电偶测点公布图见图2。

2.3 外室

外尺寸14m(L)×12m(W)×5.5m(H)，采用100mm厚双面彩钢硬质聚胺脂保温冷库板拼装，地面埋100mm聚胺脂保温板，上浇混凝土。外环境室分A、B两个工况分区，A分区工况温度-20～60℃，湿度20～95%，并设置可进行自然现象模拟的测试区域，A区用于模拟户外气候环境。B区工况温度10～30℃，用于模拟相邻的住户。

外室空气处理机组是营造户外各种气候环境的关键设备，采用卧式组合空调柜，分为吸入加热段、冷冻段、吹出加热段、循环风机以及加湿段，冷冻段设有水除霜系统。空调柜内分为3个并行系统（图3），在低温高湿等工况下，蒸发器的除霜过程采用三系统交替运行的方式，降低除霜过程的工况温度回升，延长了系统运行时间。

外环境室有换气装置，以便在主观评价过程保证外环境室的空气质量接近自然环境。

A区空气调节柜置于外室外部，其回风口在内室D房所在的回风通道，出风沿着内室房顶的风管输送到试验A区的测试区顶部，通过散流器向下均匀送出。B区的送回风方式与A区类似。

A区的测试区的顶部设置降雨喷头和喷雾降雪装置，降雨90～150 mm/h分三档，模拟降雪10～20 mm/h（水量）分两档，另外还配置有：

图2 内室空间热电偶测点分布图

图3 三个并联系统结构的A 区空气处理柜

可移动式日照模拟装置，照射面积2.5m×2m，照射距离、角度可调整，主要照射窗户和试验空调设备的室外机，照射强度0.6～1.13Kw/m2。

可移动式吹风装置，装置出风口截面积1m×1m，风速1～8m/s，可调整装置与试验品距离和角度。

3 测试结果与分析

试验室设备安装完毕并完成试运转后，进行各种工况测试，见表1。

表1 试验工况

外室A区进行了GB/T 7725-2004《房间空气调节器》要求的各种工况试验，还进行了降雪、降雨等自然现象模拟测试。试验结果表明，外室能够模拟各种户外气候环境，温度和湿度的控制精度和稳定性高，除霜工况下空气处理机除霜过程温度波动到达设计要求。

我们自行开发了3D数据场分析软件，采集内室空间立体温度测点数据并在显示器上显示空间温度场分布三维彩色云图，可以自由旋转三维视角并进行三维空间切片形成二维数据场分布图形显示，并可将一段时间内的三维或二维空间分布图形生成avi等格式的动画文件，直观呈现一段时间内数据场整体状态变化情况（图4）。

试验空调设备室内机安装在内室客厅或房间，室外机安装在A区。在A区和B区不同环境条件下，测试空调设备运行时房间的升/降温速度、温度场分布，以及房间多个位置的湿度分布以及气流场分布，可以直观地评价空调设备的制冷或制热性能状况。采用舒适性测试仪器测量并计算出内室环境的人体热舒适性指标。

图4 三维温度分布云图和二维切片图

图5 房间温度布点

图6日照装置、吹风装置

4 结论

以人体热舒适性为主要控制目标的新型空调设备是一种新型高科技产品，目前国内几个实力雄厚的空调企业正在进行开发，但尚未有产品推出，相关的标准也在制定当中。日本有空调企业较早进行这方面的研究，在日本本土有相关产品推出，但规模不大。

本试验室已经在国内两家知名空调企业和一家驻华日资企业获得应用，从使用效果来看，试验室提供了新型空调设备开发所需的硬件和软件平台，为企业开发以人体热舒适性为控制目标的新型空调产品，进行空调设备环境适应性试验以及进行环境舒适性主观评价的数据积累起到了重要作用。

[1]GB 50243-2002，通风与空调工程施工质量验收规范[S].

[2]ASHRAE ANSI/ASHRAE 55-1992 Thermal environmental conditions for human occupancy. Atlanta: 1992 [S].

[3]吴业正, 韩宝琦. 制冷原理及设备[M]. 第二版. 西安: 西安交通大学出版社, 1997.

[4]GB 50096-1999，住宅设计规范[S].

[5]GB/T 7725-2004，房间空气调节器[S].