文章简介：气流运动及其与热舒适关系研究的进展与评选
提要：指出气流组织的研究对空调节能和保证人体舒适感有着重要的意义，综述了气流运动与热舒适关系及房间气流紊流特征的研究进展，评价了已有的研究成果，对该研究的发展提出了看法。
关键词：房间气流 热舒适 研究 进展
Abstract：Emphasises the significance of the research in air distribution to energy efficiency and comfort senses, outlines the progress in their relationship and turbulent characteristics of room air flow, assesses the results obtained and foresees the trends in the future.
Keywords：room air flow，thermal comfort，research，progress
空气调节技术的广泛应用使人们对空调环境提出了更高的要求，空调效果成了人们关心的重点。现代社会人们85%以上的时间是在室内度过后，相当一部分人每天都要在人工环境中度过22～23h[1，2]。室内良好舒适的环境可以使人们精神愉快，提高工作效率，研究表明适宜的热环境可提高生产率达18%。因此空调行业不仅是消费性的行业，更是间接创造财富的行业[3，4]。
降低空调能耗的要求及新型空调系统和送风方式的发展，使得空调环境中气流运行与热舒适的关系引起了空调领域研究人员的重视。在世界范围内，约有1/3的能量消耗是用于为人类提供热舒适的。我国基本的能源政策是节约与开发并重，而城市用电中增长较快的大户是空调制冷用电。近年来人们逐渐认识到气流组织对空调节能有举足轻重的作用，国外有关研究表明，空调房间采用变风量下送上回方式其制冷机和风机能耗比采用上送下回方式可节省能量达26%[5，6]。
空气调节系统需要相当一部分能量来驱动风机，为了节能应尽可能地减少送风量。同时提高送风温度也可以降低制冷机的能量消耗。空气质量和空气温度只需要在工作区内满足要求，在很多情况下，节能的最好办法是将未被污染及未被加热的空气直接送至工作区，也没有必要保证回风的温度及空气质量[7]，对于高大空间尤其如此。在欧洲的一些剧院及会堂中采用的座椅送风或座椅与地面联合送风的形式正是基于上述目的，该送风方式的选用与否，主要取决它能否提供舒适的热环境，而吹风感是一个核心问题。
为了缓解电力紧张和提高电力系统的经济性，蓄冷空调技术将有广阔的发展前景。与冰蓄冷相结合的低温送风系统能够充分利用冰蓄冷系统产生的低温冷冻水，弥补了因设置蓄冷系统而增加的初投资，提高了蓄冷空调系统的整体竞争力。但低温送风系统送风温度低，一次送风量小，在选用送风装置时，一方面要防止空气量不足，影响室内空气质量，另一方面要防止低温空气直接进入工作区，使工作区人员产生吹风感[8～12]。
置换送风（displacement）换气效率高，节省能量，并且在总的热舒适要求上易于满足国际标准（ISO 1984）和美国ASHRAE标准。从80年代末期以来，在欧洲的各类建筑中被大量使用[13，14]。但由于它在地板附近送风，当空气温度较低，风速相对较高时，很难避免因吹风感引起的局部不舒适感，因此吹风感成为使用该系统时要考虑的主要问题之一。
大量的研究表明，吹风感的产生不仅与空调房间空气的温度及平均风速有关，而且与房间气流的紊动强度及紊动频率有关。由于湍流问题的复杂性，关于气流波动对人体的影响，至今没有给出令人满意的定量关系，这一问题已成为当前国际上关于舒适性研究的热问题[15～17]。
研究也表明，气流波动在热环境中，可以增加人的冷感及空气新鲜感，气流紊动特征的研究对新型波动送风装置的研究也有重要意义[18，19]。
国内外许多学者在气流运动与人体舒适的关系及房间气流特征的评价方面做了许多很有意义的研究，现简述如下。
1 气流运动与热舒适关系的研究进展
1．1 美国
气流运动与热舒适的研究于本世纪20年代起源于美国。到70年代由于能源价格的提高，吊扇和摇摆风扇引起了人们的重视。1983年Rohles等人研究吊扇形成的紊动气流对人体舒适的影响，他发现处在超出以前所认为的合理风速（0.8m/s）时，受试者仍感觉愉快。认为气流的紊动是有益的[20]。
1983年Konz等人，比较了固定风扇和摇摆风扇的效果，并探索了吹风角度对热舒适的影响。实验结果表明，摇摆扇优于固定风扇。并且发现吹风角度对受试者的影响是不显著的[15]。
1986年Jones等人主要针对不同的着装水平，研究新陈代谢率增加时，气流对于舒适的影响。试验结果表明，对于每一种着装水平，风速和温度较高时与风速和温度较低时的舒适适度相似[21]。
1987年Berglund等人研究了空气运动与热辐射非对称的关系。实验结果表明：①风速于小于0.25m/s，且辐射非对称温度小于10℃时，风速和辐射非对称温度对热环境的可接受性无影响。当风速和辐射非对称温差超过此范围时的热环境的可接受性下降。②冷吹风感独立于辐射非对称性，并可表示为风速与温度的线性函数[22]。
1989年Scheatzle等人将Rohles对吊扇的研究扩展到不同的相对湿度下，发现对于较高的相对湿度Rohles的速度上限可提高，对于较低的相对湿度，速度上限应降低[23]。
1994年Fountain等人在25.5～28.5℃的范围内，研究了台扇、地板送风散流器及台式散流器送风速度与热舒适的关系，他让受试者自己控制风速。在实验结果中给出了满意率与风速的关系式，他发现气流的湍流度与热舒适无确定的关系，因此他猜测气流紊动对热舒适的影响与Fanger1989年给出的模型中采用的计算方法不同[24]。
1．2 丹麦
1977年丹麦技术大学Fanger和Pedersen将受试者置于设定好的波动气流中，并研究频率变化范围，以确定哪种频率对吹风感产生影响。实验结果表明在相同的平均风速时，紊动气流比均匀气流更不舒适；频率在0.5Hz左右时，比别的频率更不舒服。说明人体的热舒适和气流速度、波动幅度和频率有关。1981年Hensel证实了人体皮肤温度的变化率会对大脑产生刺激信号。1984年Madsen用计算机模拟了人的皮肤温度感受器，证实对大脑产生的最强的信号发生在0.5Hz左右，与Pedersen在实验结果相一致[25，26，1]。
1986年Fanger和Chritensen对100名受试者进行冷吹风试验。他们将吹风感表示为平均风速和温度的函数。结果表明，温度相同时，由于冷吹风引起的不满意率随平均风速的增大而增加；平均风速相同时，不满意率随温度的增加而减少[27]。
1989年Fanger和Melikov等人将湍流度作为表征气流紊动的变量，给出了因吹风感引起的不满意率的计算公式：PD=(34 - ta)(v 0.05 )0.62(0.37vTu + 3.14)
式中PD为由于冷吹风而引起的不满意百分数；ta为空气温度，℃；v为平均速度，m/s；Tu为湍流强度。该模型后来被用于ASHRAE55 - 92标准中[28]。
1．3 日本
1989年Tanabe研究了空气速度周期性变化的效果，他将受试者置于0.5～2m/s的气流中，采用7种不同的流型，包括正弦变化（周期从10s到60s）、随机变化、恒定及脉冲气流，发现正弦变化的气流比随机、恒定及脉冲变化的气流会产生更多的冷感觉。1994年，Tanabe比较了平均速度为0.2m/s时，波动速度与平均速度造成的人体对于恒定流速和波动流速的感觉是不同的，波动流速会产生更多的冷感觉和吹风感。
2 房间气流湍流特征的研究进展
气流运动对人体热舒适的影响，促进了人们对房间气流湍流特征的研究。早在70年代人们就认识到，只用室内气流的时间平均速度作为评价热舒适标准的风速要素，是不能正确反映其对热舒适及工作效率的影响的，人们常常抱怨的吹风感正是以时间平均风速来表征而无法避免的后果[30]。1978年德国的Ziad Nouri在房间气流的分析中采且了统计方法，并着重进行了相关分析和概率分布函数分析[31]。
表1 人体对波动气流与恒定气流的热反应
人体反应 流速恒定 流速波动
热感觉申告(TSV) -0.13 -0.31
适合感申告 -0.34 -0.39
皮肤平均温度/℃ 33.8 33.8
气流感觉百分比/% 47 64
冷吹风感/% 4.7 10.9
1982年J.Thorshauge对12个不同的通风空调房间进行了实测，它将实验结果中的不同高度时速度的最大值、最小值、标准差均回归成了平均速度的线性函数形式，并且认为脉动流速符合正态分布的假设[32]。
1987年，H.Hanzawa等人对20个通风空调房间进行了实测，给出了工作区内不同高度时湍流强度、湍流积分尺度、湍动能与平均速度的关系式。能谱分析表明，湍动能主要分布在大涡低波数区，湍流强度在10%～70%之间。他们得出的回归关系与文献[32]的结果并不一致[33]。
1988年，A.K.Melikov等人对17个无机械通风的代暖房间的湍流特征进行了实测，认为平均流速和湍流度低于机械通风的房间，主频也处于低波数区。在实验结果中也给出了不同高度的标准差、积分尺度、微分尺度与平均速度的回归关系式[34]。
1990年A.K.Melikov针对欧洲广泛采用平推流送风的情况，研究了平推流送风的湍流特征，也给出了湍流强度、积分尺度和最大速度与平均速度的关系。与以前的研究结果比较表明，回归关系式的趋势是相同的，但具体表达式并不相同[35]。
1994年香港的W.K.Chow实测了3个空调房间的标准差和湍流度，也给出了回归关系式。房间湍流度的最大值在90%以上，并指出只用平均速度表达热舒适是不妥当的，用ADPI指标表述房间的空气分布特性或冷吹风感是不够的，而应代之以总测点中不满意百分数低于某值的百分比来进行评价[36]。
1993年A.J.Heben针对饲养家畜的建筑物内的气流特征进行了研究，指出有些测点并不符合正态分布[37]。
自1984年以来，天津大学一直从事房间气流的研究工作，建立了气流实验室和相应的测试系统，并取得了一定的研究成果，为进一步进行房间气流的研究奠定了基础[38～43]。
3 房间气流及其与热舒适关系研究的评价与展望
3．1 房间气流与热舒适关系研究的评价
从与风速有关的热舒适研究中，我们注意到以下几个特点：
①不同的研究者采用的送风方式不同。在气流运动与人体热舒适关系的实验中，有些学者采轴流风扇，有些采用管道送风，而有些实验则在空调房间进行。图1～4给出了研究者在试验中采用的典型的送风方式。显然在不同的试验中，受试者接受的气流送风方式及其气流紊动形式不同。
图1 Tanabe和Kimura的送风箱(1986)
图2 Fanger和Christensen的实验布置(1988)
图3 Fanger和Pedersen的实验装置(1977)
图4 McIntyre的测试小室(1978)
图5 不同学者给出的风速范围
②不同的研究结果给出的舒适风速范围不同。图5给出了几位学者推荐的风速范围，同时也给出了ASHRAE55-81及ASHRAE55-92给出的舒适范围[15]。
③气流波动对舒适的影响引起了人们的重视，Fanger和Pedersen给出的不同频率的吹风感曲线，得到了后来实验的证实。Fanger和Melikov也给出了气流紊动对冷吹风感影响的计算公式；Fanger的实验结果是对冷吹风感研究的重要发展，但模型中用湍流度来描述气流紊动对人体吹风感的作用，不能区别不同紊动频率及紊动强度的气流脉动对人体所产生的影响，因而也不能完全解释采用不同送风方式时给出的不同实验结果。因此Fanger的模型具有一定的局限性。
3．2 房间气流湍流特征研究的评价
在房间气流湍流特征的研究方面有以下特点：
①人们对房间气流特征的研究从最初对多个房间、多种流进行探索，试图找出其中的普遍规律转向对具体气流组织方式的湍流特征进行研究。
②对具体测点的评价参数有多有少，取舍并不明确，缺少合理准确的评价方法。
③对房间气流的舒适性的评价有采用总测点中不满意率低于某一数值（如15%）的点所占的百分数来进行评价的趋势，这进一步说明在冷吹风感的计算中，采用合理的参数准确表达气流紊动的影响具有重要意义。
3．3 气流运动与热舒适关系研究的展望
空气运动是影响人体舒适的重要因素。每年数百万m2的建筑要加装空调系统。良好的气流组织不仅可以满足人们对舒适环境的要求，而且可以节约能源，提高空调系统运行的经济性。室内舒适的空气流速范围是每个空调专业设计人员都关心但尚未很好解决的问题，此问题的关键是如何准确量化气流波动对人体舒适感受的影响。因此笔者认为气流运动与人体热舒适的关系的研究将主要从以下方面的进行。
①提出合理准确评价房间气流的方法，该方法应能区别气流的平均速度、流动频率及波动强度。
②在房间气流评价方法的基础上提出气流运动，特别是气流波动对人体舒适产生影响的评价指标，针对评价指标进行实验，量化该指标与人体舒适的关系。
③根据气流波动强度及波动频率对人体舒适的影响，结合平均速度及空气温度，确定空调环境的评价指标。
④根据气流波动与人体舒适的关系，研制开发能产生使人愉悦的气流方式的末端装置，使空调送风方式进入一个新的阶段。
4 参考文献
1 Bjarne W Olesen. Local thermal discomfort. Bruel kjacr, Technical review, 1985, (1).
2 龙惟定，室内空气品质，暖通空调，1989，19（4）.
3 陈沛霖,近年美国空调技术的发展,暖通空调,1996,26(1).
4 [英]D.J.克鲁姆, B.M.罗伯茨,著,陈在康,等,译.建筑物空气调节与通风,北京:中国建筑队业出版社,1982.
5 马仁民,国外气流组织研究现状,暖通空调,1989,19(1)
6 陈清焰,等,室内容气流,空气质量与建筑节能_新的起点,新的机会.制冷学报,1988,(4).
7 F Steimle. Air motion in air conditioned spaces. IIR Commissions B1, B2, E2,1981.9.
8 张永铨,巨永平,孙志荣,与冰蓄冷相结合的低温送风系统,暖通空调,1996,26 (1)
9 G Meckler. Cold air distribution options with ice storage. ASHRAE Trans, 1989, 95 (1).
10 D E Knebel, K A John. Cold air distribution, application and field evaluation of a nozzletype diffuser. ASHRAE Trans, 1993, 99 (1).
11 V Hassani, et al. Indoor thermal environment of cold air distribution systems. ASHRAE Trans, 1993,99 (1) .
12 J S Elleson. High-quality air conditioning with cold air distribution. ASHRAE Trans, 1991, 97 (1).
13 A K Melikov, J B Nilesen. Local thermal discomfort due to draft and vertical temperature difference in rooms with displacement ventilation. ASHRAE Tans, 1989, 95(2).
14 M Stahl, G M Keller. A new development in air conditioning. ASHRAE Trans, 1991, 97.
15 M E Fountain: Laboratory studies of the effect of air movement on thermal comfort: A comparison and discussion of methods. ASHRAE Tans,1991,97 (1).
16 Marc E Fountain. Air movement and thermal comfort. ASHRAE J, 1993, (8).
17 Richard J de Dear, Marc E Fountain. Field experiments on occupant comfort and office thermal environments in a hot-humid climate. ASHRAE Tans, 1994, 100 (2): 457.
18 Shin-ichi Tanabe. Effects of air temperature, humidity, and air movement on thermal comfort under hot and humid conditions. ASHRAE Tans, 1994, 100 (2): 953.
19 Li Angui. The effects of undulant air jet. Tsinghua HVAC, Beijing, 1995.
20 F Rohles, et al. Ceiling fans as extenders of the summer comfort envelope. ASHRAE Tans, 1983, 89 (1)
21 B Jones, et al. The effect of air velocity on thermal comfort at moderate activity levels. ASHRAE Tans, 1986, 92 (2B).
22 L Berglund, A Fobelets. Subjective human response to low-level air currents and asymmetric radiation. ASHRAE Tans, 1989, 93 (1).
23 D Scheatzle, et al. Extending the summer comfort envelope with ceiling fans in hot arid climates. ASHRAE Tans, 1989, 95 (1).
24 Marc Fountain, et al. Locally controlled air movement preferred in warm isothermal environments. ASHRAE Tans, 1994, 100 (2): 937
25 P O Fanger, C Pedersen. Discomfort due to air velocities in spaces. Proceedings of the Meeting of commissions B1, B2, E4 of the IIR, Belgrad, vo1.4, 1997.
26 P O Fanger, et al. The impact of turbulence on draught. Proceedings of the Meeting of XVII International Congress of Refrigeration, 1987.
27 P O Fanger, N K Chritensen. Perception of draught in ventilated spaces. Ergonomics, 1986, 29 (2).
28 P O Fanger, A K Melidov, et al. Turbulence and draft. ASHRAE J, 1989, (4) .
29 S Tanabe, et al. Importance of air movement for thermal comfort under hot and humid conditions. Proc 2nd ASHRAE FEC on air conditioning in hot climates, 1989.
30 W Finkelstein, K Fitzer, W Moog. Measuring of room air velocities within air conditioned buildings. Part1 part2, the Heating and Ventilating Engineer, 1975, (5), (6).
31 Ziad Nouri. Anwendungen statistischer Verfahren bei experimentellen Untersuchungen von Raumluftstromungen. HLH, 1978 (4).
32 J Thorshauge. Air-velocity fluctuation in the occupied zone of ventilated spaces. ASHRAE Tans, 1982, 88 (2) .
33 H Hanzawa, A K Melikov, P O Fanger. Airflow characteristics in the occupied zone of ventilated space. ASHRAE Tans, 1987, 93 (1).
34 A K Melikov, H Hanzawa, P O Fanger. Airflow characteristics in the occupied zone of heated spaces without mechanical ventilation. ASHRAE Tans, 1998, 94 (1).
35 A L Melikov, G Langklde, et al. Airflow characteristics in the occupied zone of rooms with displacement ventilation. ASHRAE Tans, 1990, 96 (1).
36 W K Chow, et al. Experimental studies on the airflow characteristics of air conditioned spaces. ASHRAE Tans, 1994, 100.
37 A J Heben, et al. Air velocity characteristics in an experimental live-stock building with nonisothermal jet ventilation. ASHRAE Tans, 1993, 99 (1).
38 牛瑞明.热式风速仪微机自动校正装置的研究:[硕士学位论文].天津:天津大学,1988.
39 谭志清. 空调房间气流的随机分析方法:[硕士学位论文].天津: 天津大学, 1991.
40 刘冰.房间气流测量的时序分析方法:[硕士学位论文]. 天津: 天津大学,1995.
41 马九贤,空调房间工作区气流速度的测定与评价,暖通空调,1984, 14 (3).
42 马九贤,这调房间气流测试仪表紊动特性的研究,天津大学学报,1986, (4)
43 魏玉琴,热电速信紊动校正装置的研究:[硕士学位论文].天津:天津大学,1989.
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