基于人员流量的商业建筑夏季环境热舒适模型研究

(上海泰豪环境科技有限公司, 上海 200092)

0 引 言

随着城市化的发展,国内一、二线城市的大型商业综合体建筑日益增多,为满足建筑室内环境设置的空调系统越来越复杂,建筑能耗也急剧增长,但是很多商业综合体的室内环境舒适性仍差强人意。这是因为建筑环境的热舒适性与室内人员数量、室内设备发热功率、运营管理水平等均有关系,由于商业综合体的人员流量变化快速,而空调系统未能根据人员流量进行调节,不仅导致空调能耗的浪费,而且环境热舒适性难以得到满足。因此,建立商业综合体建筑的环境热舒适模型,不仅可以为商业综合体建筑的室内热环境设计、控制和评估提供依据,并且在保证舒适度的条件下尽可能地降低空调能耗。

1 热舒适研究理论

1.1 热舒适模型

热舒适是人体对周围环境在主观上的感知过程。空气调节领域普遍认可的热舒适理论模型为Fanger教授建立的稳态能量平衡模型[1]。基于该模型的热舒适评价指标PMV和PPD是目前最全面的评价热环境指标。PMV为预测平均投票数,表征人体热反应(冷热感)的评价指标(同一环境中大多数人冷热感觉的平均),PMV为0时人体热舒适最佳。当PMV为0时,不满意的投票平均值(PPD)为5%,表明最佳热环境情况下仍有5%的人感到不满意,这是由人的生理差异造成的。

国内学者对于商业综合体建筑热舒适的研究主要通过现场调研的方式,较少涉及评价模型。2008年王烨等人通过环境测试和问卷调查对某超市进行研究,得到的结果与PMV-PPD理论结果比较一致[2]。2004年张培红等人对沈阳市商业建筑的冬季热舒适展开问卷调查,考虑年龄、性别因素的影响,得到冬季室内控制温度为18.5 ℃[3]。2013年赵西平等人调查西安某商场冬季室内热舒适性,发现80%的人员感觉温度过高,尤其是人流数量高峰期[4]。2017年锡望对北京某商业综合体建筑中庭的夏季热环境进行研究,发现夏季PMV均值达到+1(偏暖);13∶00～15∶00时间段PMV值达到最大(+3),热舒适性最差;11∶00～12∶00、16∶00～17∶00时间段PMV值最低,热舒适性最佳[5]。

1.2 人体热舒适的影响因素

热舒适的影响因素分为物理因素、生理因素以及其他条件因素。从物理角度,人感到舒适的必要条件是人体必需达到热平衡状态。人体与周围环境的辐射、对流以及导热是得热或失热过程,而蒸发则完全是失热过程[6]。影响人体热舒适的物理因素包括空气温度、空气湿度、空气流速、平均辐射温度。从生理角度,人体的新陈代谢以及衣服的保温性能影响人体的热舒适状态。因此,生理因素包括人体新陈代谢率和服装热阻。此外,个体差异也会影响热环境的评价。当然,这些因素中物理因素对人体热舒适的影响占据主要作用。

商业综合体建筑的特征是人员流量变化频繁,高峰期人员密度极大,低谷期人员密度极小,这些特征导致室内温度控制的难度增加,室内容易出现过冷、过热的情况,不仅增加空调能耗,而且造成人员的不舒适性。

2 商业建筑室内热环境的温度控制模型分析

2.1 控制温度与热舒适的关系

早有学者研究控制温度(热中性温度)与热舒适的关系。文献[7]认为人会对室内温度有一个期望值,且该期望值会随着室外温度的变化而变化。根据国内外学者多年的研究,认为控制温度与室外环境温度具有较强的相关性,且一般通过实地调查与测试,采用线性回归方法对数据进行处理,得到控制温度与室外温度的线性方程式。一般将这种室内外温度的关系称为热适应模型。2003年杨柳对我国5个代表城市的住宅建筑进行现场测试和问卷调查[8],得出人体控制温度与室外空气温度的综合线性关系式。2008年叶晓江等人通过环境参数测量和问卷调查结合的方式,分析和探讨上海地区室内外气候条件的关系[9],最终得到关系式。

以上控制温度与热舒适的分析仅考虑室外空气温度,建立的模型均只有室外空气温度是唯一影响因素。实际上,商业建筑由于人员流量变化较大,会直接影响到控制温度和热舒适,因此以下对控制温度的分析将在室外空气温度的基础上加人员流量的影响。

2.2 基于人员流量的商业建筑控制温度模型分析方法

根据Fanger教授的热舒适理论及PMV指标,通过分析人员流量与控制温度之间的关系,建立基于人员流量的商业建筑室内控制温度模型。PMV的影响因素包括人体新陈代谢率、人体所做的机械功、平均辐射温度、服装热阻、空气温度、空气相对湿度以及空气流速。根据PMV的定义,PMV为0时人体热舒适最满意。PMV的计算公式:

(1)

式中:M——人体能量代谢产热量,W/m2;

W——人体所作的外部机械功,W/m2;

Pa——空气中的水蒸气分压力(与环境温度和湿度有关),Pa;

fcl——着装时人的体表面积与裸露时人的体表面积之比,夏季一般取0.5;

ta——空气温度(即室内控制温度),℃;

hc——对流换热系数,W/( m2·K);

tcl——服装表面温度(与服装热阻有关),℃。

基于人员流量的商业综合体温度控制模型分析方法如图1所示,首先分析人员流量与平均辐射温度(自变量)之间的关系,通过控制PMV为0,求得人体热舒适的空气温度,该空气温度即商业建筑中的控制温度(因变量)。然后对求得的多组数据进行多元线性回归计算,得出基于人员流量的商业综合体建筑温度控制模型。传统PMV模型中人员流量为固定值,本文考虑人员流量变化的情况,人员流量的变化主要对平均辐射温度产生影响。

图1 基于人员流量的商业综合体温度控制模型分析方法

3 基于人员流量的商业建筑控制温度模型分析过程

3.1 上海地区商业建筑室内控制温度的参数设定

商业建筑中,PMV影响参数的取值和计算方式如下:

(1) 人体新陈代谢率和机械功的取值。人体新陈代谢率取决于人体的活动状态[10],商业建筑大部分乘客在处于走动站立状态,根据上海地区标准,人体代谢率取74 W/m2,人体做功平均为30 W/m2。

(2) 平均辐射温度的确定。人员在建筑内的辐射热交换包括人员与周边的辐射热交换、人员与人员之间的辐射热交换。人员与人员的辐射热交换占比最高,因此平均辐射温度与人员流量密切相关。根据平均辐射温度法,假定封闭空间与环境之间热交换等于实际环境的辐射热交换,则可以理论分析出不同人员流量下人体的平均辐射温度[11]。

假设人体表面温度为31 ℃,建筑周边壁面温度为24 ℃,人体截面取长轴半径0.2 m,短轴半径0.15 m的椭圆,身高取1.7 m。假设建筑物为长、宽、高分别为1 m、1 m、4 m的长方体，平均辐射温度为

(2)

式中:Fj——周围环境各表面面积,m2;

tj——周围环境各表面温度,℃。

根据式(2)计算,当人员密度由0.25人/m2变化至1.5人/m2时,人体平均辐射温度如表1所示。

表1 人体平均辐射温度

(3) 服装热阻的取值。不同的气候条件下,人的穿衣方式也不同,因而服装热阻与外界气温有着直接联系。根据调研资料,上海地区在夏季(室外气温35 ℃时),服装热阻一般为0.30 clo;初秋季节(室外气温25 ℃时),服装热阻一般为0.60 clo,根据线性插值法求得服装热阻与室外气温之间的关系式:

Icl=-0.03tout+1.35

(3)

式中:Icl——服装热阻,m2·℃/W;

tout——室外空气温度,℃。

(4) 室内相对温度和流速的取值。对上海地区部分商业建筑测试表明,室内空气相对湿度均值为54%,空气流速为0.5 m/s。

地缘文明指的是地缘理论在文明领域中的研究与应用，以文明研究的视角“对特定民族、国家或文明之间存在的不可更改、不可复制、不可逃避的毗邻关系进行描述，进而对古往今来人类共同体之间因先天性频临关系而发生的经济、文化和政治互动或者互动中的可能性加以讨论。”[1]显而易见，地缘文明的地理性是在特定空间区域范围内的文明或历史文化的地缘集合体，这些地缘集合体拥有类似的历史文化记忆，分享类似的语言、宗教、风俗习惯和价值观。

3.2 上海地区商业建筑室内控制温度模型的确定

将以上计算得到的参数结果带入到式(1)的PMV方程,令PMV=0,即可得到最佳室内控制温度。通过PMV计算的最佳控制温度如表2所示,空气流速为0.5 m/s。

将计算结果进行两元线性回归,得到基于人员流量和室外空气温度的商业建筑室内控制模型:

tin=0.30tout-0.36n+16.21

(4)

式中:tin——控制温度,℃;

n——人员密度,人/m2。

由此可见,商业建筑室内控制温度与室外温度成正比,与室内人员流量成反比。根据计算结果,基于人员流量和室外空气温度的商业建筑室内最佳控制温度曲线如图2所示。

表2 通过PMV计算的最佳控制温度 ℃

图2 基于人员流量和室外空气温度的商业建筑室内最佳控制温度

3.3 上海地区商业建筑室内舒适性调查

为了验证模型的准确性,2017年8月某周末13∶00～15∶00时段对上海地区某商业建筑进行室内热环境的测试以及舒适性问卷调查。该时段属于人员流量较高的时段,平均人员流量达到1.38人/m2;室外平均温度为33.8 ℃,室内环境温度为27.5 ℃。

根据式(4)的室内控制温度模型,室内最佳控制温度为25.85 ℃。由于室内环境温度高于最佳控制温度,根据理论模型可以认为该商业建筑的人体热舒适感觉为偏热。问卷调查采用Fanger的热感觉标尺,即冷(-3)、凉(-2)、微凉(-1)、居中(0)、稍暖(1)、暖(2)、热(3),测试当天共收得样本106份,结果显示有高达87%的人员认为室内环境“稍暖”及以上,与模型分析的结果一致。

4 结 语

上海地区商业建筑的人员流量变化较大,但是空调控制温度的设定模式不能根据人员流量变化进行调节,不但增加建筑空调能耗,而且降低建筑环境的热舒适性。基于经典的PMV室内热舒适模型,考虑商业建筑内人员流量等因素,建立上海地区商业建筑室内控制温度模型,并且通过调查问卷对模型进行了验证。结果表明,该模型能够根据人员流量较好地确定合理的空调控制温度,以达到较好的室内热舒适性。

[1]Moderatethermalenvironment—deteminationofthePMVandPPDindicesandspecificationoftheconditionforthemralcomfort:ISO7730[S].

[2]王烨,张金萍,朱琨.兰州市某超市夏季室内空气质量及热舒适性研究[J].安全与环境学报,2008,8(2):92-97.

[3]张培红,牛润萍.沈阳市商场冬季热舒适的实测调查研究[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2004,20(3):220-223.

[4]赵西平,王成林.商业建筑冬季室内热舒适度研究分析[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2013,45(2):264-268.

[5]锡望.北京市大型商业建筑中庭空间夏季热环境研究[D].北京:北京建筑大学,2017.

[6]刘念雄,秦佑国.建筑热环境[M].北京:清华大学出版社,2005.

[7]dcDEARRJ,BRAGERGS.Thermalcomfortinnaturallyventilatedbuildings:RevisionstoASHRAEStandard55[J].EnergyandBuildings,2002,34(6):549-561.

[8]杨柳.建筑气候分析与设计策略研究[D].西安:西安建筑科技大学,2003.

[9]叶晓江,连之伟,文远高,等.上海地区适应性热舒适研究[J].建筑热能通风空调.2007,26(5):86-88.

[10]中等热环境PMV和PPD指数的测定及热舒适条件的规定:GB/T18049—2000[S].

[11]杨晚生.建筑环境学[M].武汉:华中科技大学出版社,2009.