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冬季太阳辐射影响下的室内人体热反应及舒适区研究

陈晓伟  
【摘要】:随着落地窗、玻璃幕墙等透明围护结构在建筑内大面积应用,进入室内的太阳辐射明显增加,现有研究表明,太阳辐射对人体热感觉影响显著。ASHRAE Standard-55-2017给出一种太阳辐射影响下的平均辐射温度计算方法,但还有很多问题值得进一步探索,例如太阳辐射影响下人体局部与整体的换热特性变化;基于等效温度和标准有效温度的舒适区及其偏移;将辐射温度不对称度不满意率5%视为热舒适的评判标准,是否适用于太阳辐射影响下的室内热环境等。就此,本文展开太阳辐射影响下的人体热反应研究,定量研究太阳辐射对室内热环境参数、生理参数、换热特性影响,探索太阳直射条件下舒适区的变化。本文首先研究了太阳辐射影响下热环境评价参数(平均辐射温度、平面辐射温度、辐射温度不对称度)的理论计算方法;利用ECOTECT软件模拟被测建筑房间内太阳光斑区的动态变化,设计冬季人体热舒适实验,研究办公环境中的4种可能受太阳辐射照射的情况,即,不直接照射人体、照射部分腿部、照射“部分上半身+腿部”、照射“部分头部+上半身+腿部”,采集热环境和人体皮肤温度等生理参数;利用SPSS和Origin等数据处理软件,应用配对样本T检验、协方差分析和主成分回归模型,分析不同照射面积下的人体主观热反应;使用MATLAB编程,计算基于等效温度的人体局部与整体舒适区,并进一步研究基于标准有效温度的舒适区偏移。通过现场实验,定量研究太阳辐射条件下不同时刻室内不同位置的平均辐射温度与平面辐射温度的变化,计算不同时刻不同位置的辐射温度不对称度,发现最大不对称度高达22.15℃;研究不同实验工况下人体主观热感觉、热舒适、热期望及出汗感,结果表明不同实验阶段的人体热感觉差异显著,形成这种差异的主要原因是太阳辐射照射人体面积不同,太阳辐射可明显提高人体热感觉的同时不造成人体热不适,同时,计算得出不同实验阶段不同部位对整体热感觉的影响权重;为保证分析结果的客观性,把皮肤温度作为主要生理参数进行分析,结果显示,太阳辐射照射人体不同表面积可不同程度提高人体皮肤温度。根据皮肤温度、空气温湿度与平均辐射温度,计算得到不同实验阶段,人体不同部位与整体对流、辐射及蒸发换热量,分析研究发现,从太阳辐射不直接照射人体阶段到照射“部分头部+上半身+腿部”阶段,裸露部位的对流换热量降低,着装部位与其规律相反,辐射换热量不断降低,蒸发换热量逐渐上升;研究人体总散热量及各项散热量占总散热量的比重与热感觉的关系,研究表明,随着太阳照射人体面积增加,总散热量减少,整体热感觉上升,人体对流、辐射及蒸发换热量占比和热感觉有良好的线性关系;接着计算得出基于等效温度的人体不同部位A、B、C等级舒适区及基于标准有效温度的舒适区偏移,结果表明,太阳辐射使得基于等效温度的人体左右上臂、左右大腿的舒适区差异明显,被直接照射的左侧部位中性温度低于右侧,舒适区窄,基于标准有效温度的舒适区下移且变窄。综上可知,在冬季,合理利用太阳辐射,可以使人体局部变暖,达到热中性,且不会引起人体热不舒适;若达到与实际情况相同的热感觉,相当于理想均匀稳态环境提升一定空气温度,所以充分利用太阳辐射,在提升人体热舒适的同时可降低空调能耗。


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