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基于皮肤温度的居民室内热适应行为量化研究

师元  
【摘要】:中国建筑能耗日益升高,已经达到了社会总能源消耗占比的30%,而建筑能耗中50%-70%为采暖空调设备能耗。大量研究表明,热适应行为的适当采用能够减少室内暖通空调能耗的一半以上。不同热环境下的居民热适应行为,会对应着不同的居民舒适域和能源收益点。因此,定量研究居民在实际建筑中的热适应行为,对减小暖通空调设备控制范围、降低暖通空调能耗起着重要作用,进而对规范各项建筑节能技术的应用、合理制定建筑节能标准和政策等,都具有十分重要的意义。但是,目前关于建筑中热适应行为的定量研究缺乏且手段多集中在室内外气象指标和主观热反应对行为发生概率的预测上,缺乏行为反馈的机理意义的同时,也存在着无法定量热行为与人体舒适收益、能耗收益间关系的问题。而室内冷热刺激到人体反馈行为之间存在着生理指标的调节作用,同时生理指标相比于热感觉易于客观测量,能够体现热适应行为驱动的机理性的同时,也更适用于行为的即时预测和对室内暖通空调系统的即时辅助控制。为此,本文提出基于人体皮肤温度的热适应行为基本研究框架,并结合半受控人工气候室实验对人体的热适应行为进行定量研究。实验设计了不同的背景工况温度以激发受试者采取适应性行为,以期通过测得的皮肤温度对行为调节进行量化。客观参数测量主要包括:室内外环境参数,人体皮肤温度等;主观问卷内容包含:受试者的基本信息,受试者在行为发生前后的热感觉、热舒适、热期望,受试者的热适应行为等;在实验过程中客观参数测量持续整个阶段,主观问卷在行为发生之前设置时间间隔作答、行为发生之后立即作答。基于实验收集的数据,本文对人体主观热反应、人体皮肤温度、热适应行为在不同实验工况温度下的分布进行逐一描述;在分别讨论适应性主观热反应与皮肤温度、热适应行为的相关性之后,将人体热感觉作为桥梁分析人体皮肤温度与热适应行为的相关性,证实了皮肤温度能够用于量化热适应行为。进而提出了基于皮肤温度建立热适应行为量化模型的理论思想和具体做法,其核心是:1)突破了传统量化方法中偏重“行为发生概率”的思路,将不同热适应行为对于人体的冷热收益用皮肤温度增量表示。对提出的行为增量进一步扩展为不同行为在不同热环境背景下的行为增量模型。2)当热适应行为发生后仍然无法满足人体舒适时,提出空调调节余量进行满足。建立空调增量与空气温度间的转换关系,以用于对暖通空调系统的辅助控制。在所建模型的基础上,提出了两种后续的应用于指导建筑节能的手段。一种是对室内居民的行为分级指导并提出空调控制点建议,具体做法是:应用行为增量对不同温度下的热适应行为进行排序并筛选出该温度下的最优收益行为;当最优收益行为无法满足热舒适时,则计算空调系统承担的增量,并将其与空气温度进行转化,提出相应的空调控制点;另一种是提出了基于热适应行为辅助的室内暖通空调控制系统设计方法,具体做法是:设计采集模块,对室内外空气温度、人体皮肤温度进行采集;并设计控制逻辑,控制时优先热适应行为,随后依据热适应行为增量确定空调控制点。整体研究成果表明,基于人体皮肤温度的热适应行为量化方法简单有效,既能准确定量的刻画不同热行为对人体的舒适收益,又能快速方便的应用于行为辅助的暖通空调控制系统,有利于推进我国的建筑节能工作朝着基于居民实际生活方式的方向深入迈进。


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