热湿环境参数对PMV及空调能耗的影响研究

摘要：通过正交数值实验分析了热湿环境参数对PMV影响的显著性，在通常的环境参数变化范围内，影响程度从大到小依次是：空气温度、风速、平均辐射温度及相对湿度.分析了4大环境参数在定PMV控制时对能耗的影响规律及影响显著程度.保持PMV不变的前提下，分别比较了不同热湿环境参数组合下的能耗，发现不同组合之间能耗差异较大，说明其中存在最优参数组合，使得满足人体热舒适的前提下能耗最小.研究结果为今后实现空调系统的PMV优化控制提供了方向和依据.

关键词： 热湿环境参数；预测平均冷热感投票值（PMV）；能耗；影响显著性；最优参数组合

中图分类号：TU111.195 文献标识码：A

目前，大多数舒适性空调均采用定温控制，然而，影响人体热舒适性的环境因素除了温度还有相对湿度、风速和平均辐射温度，人体的热舒适感是这些因素共同作用的结果.在两个围护结构等条件完全相同的房间，即使温度相同，而其他热湿参数不同的情况下，人体的热舒适度是不同的[1]，同时，房间热湿参数的不同组合，空调的能耗也可能不同.研究如何在保证人体热舒适的前提下，最大限度节约空调能耗，成为暖通空调领域值得研究的课题.

对于热湿环境参数对人体热舒适及空调系统能耗的影响，已有一些研究：文献[2-3]通过图表形式分析了环境参数对PMV的影响，但由于各个参数物理单位不同，比较基准不统一，以图表方式并不能直观比较出各参数对PMV 影响的显著程度.而关于热舒适控制中环境参数对能耗的影响研究，则主要集中在温湿度或温度与风速的耦合变化方面，并且大多停留在定性的层面[4-7].如文献[4-5]利用ET*作为热舒适度指标，提出了在某一相对湿度下的最佳室内设计状态点，即能耗最低点.文献[6]则在PMV控制中利用增加风速的方法来提高温度的设定值，从而使能耗降低.文献[7]利用PMV，CO2浓度及能耗作为控制指标，求解出了在满足人体舒适度及室内空气质量要求的前提下，能耗最小时空气温度、相对湿度、风速及新风量的实时最优值.以上研究在对最优组合的求解时，将其中1～2个参数设定为不变且忽略了平均辐射温度对能耗的影响，将其假定为不变或等于空气温度，并将平均辐射温度认为不可控.近年来，随着辐射空调技术、温湿度独立控制技术等新技术的出现，为全面调控热湿环境参数（包括平均辐射温度），实现最优参数组合提供了可能.

1热湿环境参数对PMV的影响

为研究温度、湿度、风速以及平均辐射温度对PMV影响的显著程度，设计了一个以PMV为目标函数的四因素四水平的正交数值实验，选用正交表L16（45）.各参数的取值范围参考GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中舒适性空调夏季室内设计参数规定的范围：空气温度ta为24～28 ℃，风速v≤0.25 m/s，相对湿度Φ为40%～70%，平均辐射温度tr假定与空气温度相同，为24～28 ℃，人体能量代谢率取静坐时状态58.2 W/m2，机械功为0，衣服热阻为夏季标准着装热阻0.08 m2·K/W.实验结果如表1所示.通过比较各个参数的极差大小发现，在GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》规定的夏季室内设计参数的范围内，从对PMV的影响程度而言，从大到小依次是：空气温度、风速、平均辐射温度及相对湿度.文献[2]通过图表分析指出，当风速大于一定值时，4个因素对人体热感觉的影响程度将有所变化，从大到小排列为：空气温度、平均辐射温度、风速及相对湿度.由于本文仅研究风速在GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》规定的v≤0.25 m/s范围内参数对PMV影响显著程度，故此类情况暂不作讨论.从数值实验结果我们还可以发现，将这些参数任意组合，其PMV值差别较大，PMV的最大与最小值之差为1.39，同时，部分组合情况下PMV已经超出了中国GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中夏季对PMV的规定值为0～1.这说明若设计时室内参数（如温度、相对湿度、风速）在规范推荐的范围内任意取值，人体并不一定能感觉舒适，而需要对参数进行优化组合，使其能满足人体热舒适度要求.

2定PMV时热湿环境参数对能耗的影响

文中能耗的比较以夏季工况下湖南省长沙市一个典型2人办公室为例，长宽高分别为5 m，3 m和4 m.南向为加气混凝土外墙，内外抹灰，其余为内墙，南向外墙上有一扇宽1.8 m高2 m的双层铝合金外窗.人均新风量取30 m3/h，单位面积设备和照明负荷分别为13 W/ m2和11 W/ m2.人体能量代谢率取静坐时状态58.2 W/m2，机械功为0，衣服热阻为夏季标准着装热阻0.08 m2·K/W.房间负荷计算采用谐波反应法.

2.1定PMV时空气温度与相对湿度对能耗的影响

在风速与平均辐射温度不变的前提下，若要保证PMV不变，则当空气温度升高时必须要依靠降低相对湿度来补偿.夏季，空气温度升高，室内外温差减小，从而房间新风负荷和围护结构传热相应减小.在一般情况下，室内外温差每减少1 ℃，通过围护结构的传热量将下降3%～10%[8].而当温度升高引起相对湿度减小时，房间新风负荷将增大.图1显示出保持室内风速v=0.1 m/s，平均辐射温度tr=26 ℃的情况下，当PMV=0时，空气温度和相对湿度耦合变化下房间负荷情况.从图1可以看出， 在定PMV控制中，随着相对湿度的增加（即空气温度的降低），围护结构传热增加，新风负荷减少，房间总负荷减少.当平均辐射温度、风速一定时，空气温度每变化1 ℃，房间负荷约平均变化4.3%，而相对湿度每变化10%，房间负荷约平均变化2.1%.

2.2定PMV时平均辐射温度对能耗的影响

很多情况下都假设墙体与周围空气充分换热，将室内平均辐射温度等于空气温度处理.但实际上，平均辐射温度并不等于空气温度，特别是采用辐射空调方式时，平均辐射温度对能耗的影响较大.

夏季，降低室内平均辐射温度可以提高空气温度的设定值.图2为室内风速v=0.1 m/s，相对湿度为50%的情况下，当保持PMV=0时，空气温度和平均辐射温度耦合变化下房间负荷情况.从图2可以看出，平均辐射温度每变化1 ℃，房间负荷约平均变化4.2%，且平均辐射温度越低，其对能耗的影响越显著.低温辐射供冷技术正是利用这一点，通过降低围护结构内表面温度，从而降低室内的平均辐射温度，在同等热舒适条件下，室内设计温度提高，辐射供冷系统与对流换热系统相比，可节能30%以上[9].而当风速提高时，平均辐射温度对能耗作用减弱，因为空气温度对PMV的影响随着风速的增加而增强，在定PMV控制中，风速增大，平均辐射温度同样变化1 ℃，能够补偿的空气温度值减少，其对能耗的影响减弱.

2.3定PMV时风速对能耗影响

夏季，增加风速可以补偿空气温度的升高.一般情况下，室内风速在0.6 m/s以下时，每增加0.1 m/s，相当于环境温度增加0.3～0.6 ℃；室内风速为0.6～1.0 m/s时，每增加0.1 m/s，相当于环境温度增加0.15 ℃[10].图3为相对湿度为50%，平均辐射温度tr=26 ℃的情况下，当保持PMV=0时，空气温度和风速耦合变化下房间负荷情况.从图3可以看出，当风速在0～0.1 m/s内变化时，对能耗影响较小，负荷约变化1.3%，随着风速的增大，其对能耗影响增强.风速从0.1 m/s变化到0.2 m/s时，负荷约变化5.5%，当风速从0.2 m/s变化到0.3 m/s 时，负荷约变化3.0%.

以上分析是在固定两个参数基础上，通过另外两个参数的组合研究热湿环境参数在定PMV控制中对能耗影响显著性，对变化参数条件和采用不同组合方式时的情况作者也进行了分析，限于篇幅在此不一一列出.但从研究中可以发现，虽然参数变化时，各个热湿环境参数对能耗影响的绝对值将发生变化，但其对能耗的作用规律以及参数之间影响显著性大小没有改变.当风速小于0.1 m/s时，其对能耗影响最小，空气温度和平均辐射温度对能耗影响相当，并且影响显著性要大于相对湿度.随着风速增大，风速和空气温度对能耗影响作用增强.当风速为0.1～0.2 m/s时，影响程度从大到小依次为：风速、空气温度、平均辐射温度及相对湿度.当风速为0.2～0.3 m/s时，影响程度从大到小变化为：空气温度、风速、平均辐射温度及相对湿度.

3不同热湿环境参数组合能耗比较

由前述分析可以知道，在保持PMV不变的情况下，影响PMV的4个热湿环境参数之间是相互耦合的，当其中一个参数变化时，就需要变化其他的参数来进行补偿，而各个参数对PMV及能耗的影响程度是不一样的，而且参数之间耦合变化时对能耗的影响方向往往是相反的，这样就导致了不同参数的组合在达到同样的人体舒适度的前提下，能耗会有所不同，这其中存在一组最优参数使能耗最低.

表2为PMV=0时不同参数组合的能耗比较，并求出了在不同组合下房间的负荷.从表2可以看出，在保持舒适度不变的前提下，不同热湿参数组合的能耗是不同的，其中最大与最小值之间相差有884 W，相当于最大值的31%.可见，在保持相同的热舒适度的前提下，存在最优的参数组合，使得能耗最小.

4 结论

通过以上研究，可以得出以下结论：

就热湿环境参数对PMV影响的显著程度而言，在GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》规定的范围内从大到小依次是：空气温度、风速、平均辐射温度及相对湿度.

在定PMV控制时，各参数耦合变化时对能耗影响作用较为复杂，采用分别固定其中2个参数、改变第3个参数，通过定PMV得出第4个参数，再计算出房间空调能耗的方法，探讨了各参数对能耗影响显著性，发现当风速小于0.1 m/s时，其对能耗影响最小，空气温度和平均辐射温度对能耗影响相当，并且影响显著性要大于相对湿度.随着风速增大，风速和空气温度对能耗影响作用增强.当风速为0.1～ 0.2 m/s时，影响程度为：风速>空气温度>平均辐射温度>相对湿度.当风速为0.2～0.3 m/s时，影响程度从大到小变化为：空气温度、风速、平均辐射温度及相对湿度.

由四大热湿环境参数对PMV及对能耗的影响显著性分析可以发现，空气温度无论对人体热舒适性还是空调能耗都有较大的影响，在定PMV控制中，改变空气温度应作为控制首选.相对湿度的变化对PMV及空调能耗都不敏感，因此在定PMV控制中，其设定值可以在其他参数确定以后，从属于PMV值得到.

保持PMV不变，不同热湿环境参数的组合，空调能耗存在较大差异，说明在保证人体热舒适的前提下，存在最优参数组合，使得能耗最小.本文分析热湿环境参数对PMV及空调能耗的影响规律为进一步全面寻找最佳参数组合奠定了基础.通过变化调节其他参数来实现定PMV的优化控制，涉及的影响因素众多，关系复杂，具体的优化控制方法有待进一步研究.

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