基于PMV-PPD对皖南古民居室内热湿环境预测与评价

王晏平，吴　军，程海峰，占霞飞

(安徽建筑大学,环境与能源工程学院，安徽 合肥 230022)



基于PMV-PPD对皖南古民居室内热湿环境预测与评价

王晏平，吴军，程海峰，占霞飞

(安徽建筑大学,环境与能源工程学院，安徽 合肥 230022)

摘要：本文基于室内热湿环境评价的预测冷、热感指标PMV与预测不满意率PPD两个指标的基础上，分别就走访问卷、实地测量以及CFD中模拟技术得出PMV-PPD。从三个方面对室内热湿环境进行了较为系统的评价，并且探讨了这三种方式评价的可行性。

关键词：室内热湿环境评价；预测冷热感指标；预测不满意率；三个方面

0引言

随着当今我国科学技术与经济的发展，如何去提供与维持舒适的室内热环境已经成为当今学者的一个重大课题。PO Fanger教授在1970时候根据人体热平衡方程提出了PMV概念[1-2]，目前已经在室内热湿环境评价标准中得到广泛使用。皖南山区具有江南的温和湿润气候的特征，常年雨水充沛以致于该地区湿度较大。皖南古民居为砖木结构的粉墙黛瓦，房屋渗漏的现象比较常见，室内的木构件易发霉腐烂，居住环境较差。因此本文则主要通过以走访问卷、实验测量与Airpak模拟技术三种方式分别得到黄山市黟县地区PMV-PPD的数值与分布情况。通过三者数值进行比较，科学的对该地区室内热湿环境进行较为全面的评价。

1热舒适问卷调查结果分析

1.1PMV与PPD

1.人体热舒适是对周围热湿环境的直接主观感受。丹麦工业大学PO Fanger教授在研究室内热舒适性时，根据热平衡的原理制定了ISO-7730标准，提出了一个对热舒适较为可观的一个评价标准—PMV(Predicted Mean Vote)。PMV取不同值的时候对应的ASHRAE中冷热感尺度如下表1[3]。

Tab.1　ASHRAE of thermal sensation scale of PMV

2．不同人由于受到生理以及心理的影响，及时在相同情况下对热舒适的感受也不尽相同，因此又提出的另外一个评价标准—PPD(Predicted Percentage of Dissatisfied)。如图1[3]给出了PMV与PPD的关系。

图1PMV与PPD关系

该曲线反应出了即使人体在舒适条件PMV=0情况下，也有5%的人群会感到不满意。

1.2人口结构分析

这里针对黄山市黟县采用实地调查问卷以及实地测量，从而对数据进行分析处理。这次调查问卷共走访116户人家，对163人进行问卷调查。然而其中男性有74人，女性有89人。并且其中各个年龄段比例见图2所示。

图2调查各个年龄段的男女比例

这里将人口结构分为四个年龄段：20岁以上、20～40岁、41～60岁和61岁以上。调查得出男性调查人数中20岁以下占13%,20～40岁占14%，41～60岁占39%，60岁以上占34%；在女性调查的人数中20岁以下占5%，20～40岁占20%，41～60岁47%，60岁以上占38%。根据当地人口情况，较为年轻多出去打工，因此该比例符合当地现状人口比例情况。

1.3极端天气下的问卷调查分析

这里问卷选取黟县宏村，室外气温达到38.5℃，空气相对湿度达到75%的具有代表性极端天气情况对室内男女热舒适感觉进行走访问卷，调查结果如图3所示。

图3夏天最热天男女热舒适比例

由图3可知，在夏天最热这种极端天气下，宏村地区当地人们中男性感到舒适占11%，稍热占45%，较热占40%，热占4%。而在女性的调查中发现感到舒适占11%，稍热占51%，较热占36%，热占2%。从上面比较可以看出，在最热天的情况下绝大部分感觉到稍热或者较热，仅有少部分人感到舒适或者热。

2实地仪器测量分析

2.1测量原理

1．PMV在稳态的环境下的计算公式如式(1)[4]

PMV=(0.303e-0.036M+0.028){M-W-

3.05×10-3[5733-6.99(M-W)-Pa]

-0.42[(M-W)-58.15]-1.72×10-5

M(5867-Pa)-0.0014M(34-ta)-

(1)

式中：

M—人体新陈代谢率，W/m2；

W—人所作的功，W/m2；

Pa—空气对应水蒸气分压力，Pa；

ta—空气温度，。C；

tr—室内的平均太阳辐射温度，。C；

fc1—人体穿衣与未穿衣外表面积之比；

tc1—衣服外表面的温度，。C；

hc—外表面的对流换热系数，w/(m2•k)；

由于上式中变量过多，测量起来比较困难，故需要对其进行一些假设[5]：(1)静坐时M=58.15W/m2；轻微劳作时M=69.78W/m2。(2)人所做的功W=0。(3)取fc1=1.1(4)将室内的平均太阳辐射温度近似等于室内空气温度。

2．鉴于PMV代表是绝大部分人在同一环境下热感觉，然而不能代表所有人的热感觉。PPD则表示对环境的不满意百分比[6]，Fanger利用概率分析的方法，从而给出了PMV-PPD的定量关系如式(2)[7]：

PPD=100-95×e[-(0.03353PMV4+0.2197PMV2)]

(2)

2.3测量数据处理

(1)选取黟县宏村夏季最热的具有代表性的三天进行测量，这样可以测得夏季极端天气下的舒适性。(2)测点选择在某一个古民居的餐厅内，外墙是该镇最普通的砖墙，外墙内表面是用木板全部封起来的，相当于起到装修的作用，内墙是木墙。在南外墙有一个窗户，详细见表2。

表2　气象参数和热舒适测量

(1) 从上表可以看出宏村地区湿度很大，平均湿度维持在80%以上，且早晚湿度相对较大，中午湿度相对较小。

(2) 室内平均干球温度在29℃，与有关规范中28℃相差不大，人体会感到稍热或者较热。

(3) 当室内温度低于30℃时，则PMV的值在0～1范围以内，人体还是感觉较舒适的；当室内温度高于30℃时，PMV的值基本大于2，此时人体是不舒适的。

(4) 当室内温度低于30℃时，则PPD的值在26%～27%范围以内，人体还是感觉较舒适的；当室内温度高于30℃时，PPD的值基本大于30%，此时人体是不舒适的。

(5) 从表中可以看出，室内风速基本都很小，说明室内空气流通很慢，非常不利于室内换气，导致空气品质很差。

3CFD模拟

3.1建立物理模型

研究对象为黄山市黟县地区某一个农家乐空调标准房间。空调房间的尺寸为5×4×3m。东墙有2×1.3m的窗户，南北墙分别为空调房间邻墙且该房间位于第二层。鉴于当地为山区，夏季室外空气温度与风速适宜情况下，仅靠开窗即可满足室内热舒适性要求。本文是针对夏季该地区最热天情况下空调房间的模拟，该客房有两个人，有一台电视机，同时有两台日光灯照明。房间内选用空调冷量为2.2Kw,热量为1.8Kw，循环风量为150m3/h。建模过程通过一定的简化处理，其三维模型如下图4所示。

3.2模拟计算

3.2.1简化计算

(1)室内空气为不可压缩流体且为恒定流动。(2)认为房间时密闭的，忽略门和窗户的漏风状况。(3)忽略人体和室内其他物体相互热辐射。

3.2.2边界条件与计算

本文模拟夏季室外温度37℃，房间热源为日光灯、电视、人员(静坐)。具体相关边界条件如下表3所示。

图4某徽派建筑立体模型(左)和标准间三维模型(右)

表3模拟计算边界条件

3.3模拟计算结果与分析

本次模拟选取了Y=1.5与Y=2.5这两个截面PMV与PPD如图5、6所示。

从图5可以看出PMV的绝大部分位于0～2.25之间，对照表1可以得出此时人体会感到较热或者稍热；从垂直结构分析来看，越往上PMV的值则越大，靠近空调一侧基本维持在0～0.75，人体比较舒适；在离空调较远一侧，在高度约1.5m处PMV的值在1.5以上，此时人体会感到稍热。对应图6来看，越往上PPD值反而越小，在靠近空调一侧不满意度PPD值在37.5%～62.5%；在背离空调和靠近窗户一侧则PPD值在62.5%以上。

4PMV与PPD的调查、实验与模拟值的比较

本文通过走访问卷、实验测量以及CFD模拟值均得出PMV与PPD的值，得到相关折线图如图7所示。

图5PMV分布(Y=1.5与Y=2.5)

图6PPD分布(Y=1.5与Y=2.5)

图7夏季黟县地区PMV与PPD变化曲线

从图7可以看出实验值、调查值、以及模拟值的PMV与PPD均呈现不均匀的弹性变化；其中模拟值相对比较偏大，调查值相对比较偏小,且实验值、调查值、以及模拟值的变化趋势相近。

5结论

(1)走访调查人体热舒适比例呈现正态分布规律；夏季最热天男女对热感觉所占比例基本持平，有85%人只会感到稍热或者较热；冬季最冷天时候，有87%以上男女只会感到稍冷或者较冷。

(2)在夏季最热天时，黟县地区室内温度普遍低于30℃，平均湿度在80%以上，室内空气流速低于0.02m/s；0.4≤PMV≤2.4，10%≤PPD≤68%，对应表1中，人体会感到稍热或者较热。

(3)对于该地区农家乐空调房间模拟中，绝大部分时候0≤PMV≤2.25，37.5%≤PPD≤62.5%，此时对照表1标准也是会感到稍热或者较热，与实验值和调查走访的数值相近。

(4)实验值、走访调查值以及软件模拟值均显示PMV与PPD的值呈现不均匀弹性变化，但总体变化趋势相近。

(5)基于对PMV与PPD的模拟，不仅对调查值与实验值有很好的补充，同时可直观形象地观测到PMV与PPD值的分布，对今后热舒适性研究具有较强的指导意义。

参考文献

1Fanger P O. Thermal comfort [M].Florida: Krieger R E Publishing Company, 1982.

2ISO Standard 7730- 1993, Moderate thermal environments- determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort [S].

3Gagge A P, Fobelets A P, Berglund L G. A standard predictive index of human response to the thermal environment [J].American Society of Heating Refrigerating and Air- Engineers Transactions, 1986, 92(part 2B)：709- 731.

4李慧,段晨旭,段培永.智能热舒适度测试仪的研究与开发[J].家电科技，2005,(6):57～59.

5Fanger P O. Calculation of thermal comfort ASHRAE Trans [J].1967.73.

6黄寿元,张奕君,申培文,张杰.基于PMV-PPD与空气龄的空调办公室内热环境数值预测与评价[J].制冷与空调(四川),2010,24(6):80-85.

7Fanger P O. Thermal Comfort-Analysis and Applications in Environmental Engineering [M].McGraw-Hill, New York,1972.

Numerical Prediction and Evaluation of Indoor Thermal and Humidity
Environment of South-Anhui Ancient Residence City Based on the PMV-PPD

WANG Yanping, WU Jun, CHENG Haifeng, ZHAN Xiafei

(Environment and Energy Engineering college, Anhui Jianzhu University,Hefei,230022,China)

Abstract:In this paper, based on the two index predicted mean vote (PMV) of the indoor thermal and humidity environment and predicted percentage of dissatisfied (PPD), and we obtained the PMV-PPD through the questionnaire, visited field measurements and CFD simulation technology, respectively. It is systematically evaluated on indoor thermal and humidity environment from three aspects, and discussed the feasibility of these three ways.

Key words:indoor thermal and humidity environment; PMV; PPD; three ways

作者简介：王晏平(1959-)，男，副教授，主要研究方向为暖通空调系统优化与节能。

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150615

中图分类号：TK018

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2015)06-073-05

收稿日期：2015-05-15

基金项目：安徽省软科学研究计划项目(12020503071)