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            集裝箱活動房熱舒適性的影響因素及評價指標

            點擊數:13022017-05-04 14:58:14

            摘要 本文對影響集裝箱活動房室內舒適度的因素做了詳盡闡述,影響人體舒適度的因素不僅僅和室內空氣溫度、濕度、流速、清新度等微氣候條件有關,還與輻射因素及人體自身因素有關。對集裝箱活動房室內舒適性的評價方法加以闡述,提出PMV和PPD評價方法并對活動房室內設計參數加以界定。在不影響活動房室內舒適性的前提下,提出了一些節能措施。

            關鍵詞 集裝箱活動房;舒適性;PMV&PPD指標;節能

            某些嚴寒地區有著豐富的礦產資源,對這些地區的開發,具有重要的科研考察、能源開采和戰略意義。根據科學考察、軍隊以及礦物開采人員流動性大、工作場所和時間不固定的特點,他們入住的最佳方案就是采用集裝箱活動房。工作人員的健康、工作能力及效率極大程度上取決于集裝箱活動房室內的舒適狀況。人體的熱感覺與舒適感不可混為一談,舒適感具有更廣泛的意義,它不僅包含了人體的熱感覺,還與活動房室內的壁面溫度、空氣溫度、相對濕度、氣流速度、空氣品質等因素相關。

            寒冷地區集裝箱活動房的室內工況一般是由供暖系統加以維持的,并采用通風設備來保證室內空氣品質,只有在少數情況下才配之以空調系統,來滿足工作人員對活動地區所必須的溫度、空氣新鮮度等的需求。鑒于該地區的室外環境的特殊性,室內與環境的溫差較大,墻體保溫層具有更高的要求,為了保障工作人員在這樣的環境中正常的工作和休息,研究其室內舒適性具有重要的意義。

            1 影響集裝箱活動房舒適性的因素

            ASHRAE55-92標準將人體的舒適性定義為人對周圍環境表示滿意的程度,是通過研究人對周圍環境的主觀反映來確定人體舒適環境參數的最佳范圍及允許范圍的。集裝箱活動房室內空氣的基本參數主要是根據人體舒適感要求來確定,對人體舒適性的研究涉及到集裝箱活動房的箱體結構、材質及圍護結構的保溫、人體熱調節機理的生理學和心理學等學科,影響人體舒適性的環境參數主要有空氣溫度、氣流速度、空氣清新度、空氣的相對濕度及平均輻射溫度等因素。本文主要從以下因素分別闡述。

            1.1 室內微氣候與舒適性

            在這些寒冷地區特殊的環境條件下,對人體舒適感影響最大的是集裝箱活動房的室內微氣候指標,主要是指室內空氣溫度、氣流速度、空氣相對濕度及空氣清新度。集裝箱活動房室內微氣候環境質量的高低對工作人員的身體健康、生活水平、工作學習效率將產生重大影響,營造一個舒適的集裝箱活動房室內微氣候環境旨在保證人的正常生活和工作,維護人體的健康。集裝箱活動房設計室內溫度、相對濕度、換氣次數、墻體圍護結構及保溫性能,按照《公共建筑節能設計標準》GB50189-2005、《民用建筑熱工設計規范》GB50l76-93及《Structure Requirements for Mobile Homes》CAN/CSA-Z240.2.1-92設計。

            集裝箱活動房室內氣溫是表征室內微氣候環境的主要指標,它的高低影響人的冷熱感。室內空氣溫度指室內空氣的干球溫度,它直接影響人體通過對流及輻射的熱交換,在水蒸氣分壓力不變的情況下,空氣溫度較低,人體皮下微血管會收縮,皮膚溫度降低,人在集裝箱活動房中就會有冷的感覺,人體對氣溫的感覺很靈敏,通過機體的冷熱感受可以對環境的冷熱程度做出判斷。

            空氣相對濕度直接影響人體皮膚表面的蒸發散熱,從而影響人體的舒適感。寒冷地區活動房室內微氣候氣溫相對于人體溫度而言較低,人體皮膚比較干燥,人體蒸發散熱率不僅受汗液分泌率的限制,同時也受空氣蒸發率的影響,此時,空氣相對濕度高時,可以維持人體水分平衡,提高人體舒適度。但是鑒于圍護結構壁面冷橋影響,避免在墻體壁面因低于空氣對應的機器露點而出現結露現象,集裝箱活動房室內相對濕度不易過高,維持在65%以下為宜。

            室內空氣的流動影響人體的對流換熱和蒸發換熱,同時也促進室內空氣的更新。當室內空氣流動性較低時,室內環境中的空氣得不到有效的通風換氣,各種有害氣體不能得以及時排出到室外,造成室內空氣質量惡化,工作人員在室內生活中所排出的各種微生物相對聚集在空氣中或在某些角落大量增生致使室內空氣質量進一步惡化。

            1.2 熱輻射與舒適性

            活動房圍護結構表面的熱輻射對于人體的舒適性的影響也很重要。集裝箱活動房在寒冷地區主要是采用供熱模式來調節室內溫度的,在供熱條件下,提高圍護結構內表面的溫度有助于改善熱舒適性。對于邊界條件下的集裝箱活動房而言,其對于壁溫的調節是通過空氣與墻面的對流換熱間接實現的。一般室內氣溫在供熱系統啟動后很快就會達到預定溫度,但是圍護結構的表面溫度卻遠遠滯后于氣溫的變化,使人產生輻射冷感。這是因為相對空氣的熱容量而言,墻體的熱容量太大了。集裝箱活動房一般采取先提高預設溫度,延長預熱時間的方法來提高室內墻體的內表面溫度,從而減少輻射冷感。

            為了研究空氣溫度、相對濕度及氣體流速和墻體內表面熱輻射對人體舒適性的綜合影響,這里引入有效溫度的概念。它是美國霍頓(Hougtan)等,1923-1925年為研究空調建筑中濕度對人舒適的影響而提出的,為考慮環境中輻射對人體的影響,用黑球溫度代替干球溫度來修正原有效溫度指標,稱為修正有效溫度(ET),它在數值上等于產生相同感覺的靜止飽和空氣的溫度??諝鉁囟?、相對濕度及有效溫度的對應關系如圖1所示,鑒于集裝箱活動房使用場所的特殊性,一般這里選擇室內溫度為20℃,相對濕度為60%,按照設計標準,室內壁面溫度與室內環境溫度溫差控制在3℃以內,人體舒適感較好。

            集裝箱活動房有效溫度曲線

            圖1 集裝箱活動房有效溫度曲線

            1.3 室內空氣品質與舒適性

            集裝箱活動房是一個封閉的環境,室內空氣的品質與舒適性有著本質的、密切的關聯。室內空氣的溫濕度影響著人體的感覺,室內氣流分布狀況及流場的均勻性影響室內空氣的整體品質。合理的送回風方式及空氣流動形式有助于排出室內污濁物、塵埃,降低室內污濁氣體的濃度,除濕降熱,營造舒適的室內環境。

            鑒于集裝箱活動房室內空間狹小及單元之間相互獨立的特點,按照標準設計要求及節能方面的考慮,在后墻設有排風扇,根據需要對房間內換氣。按照《公共建筑節能設計標準》,寒冷地區集裝箱活動房的新風量一般選擇為不高于10m3/(h?p)。

            1.4 人體因素與舒適性

            人體舒適程度還和人自身因素,如人的衣著、活動量、人體代謝等有關。寒冷地區室外溫度較低,南北極及阿拉斯加、西伯利亞地區最冷季節溫度可低達-50℃,工作人員一般都要穿很厚的保暖衣服,其熱阻在0.23m2?K/w(1.50Clo)以上,人體能量代謝率在69.8W/m2(l.2met)左右,其對應的最舒適工作溫度17℃。然而在實際設計和運行中,將溫度普遍設置在20℃以上,其結果將導致衣服表面溫度與環境的溫差就很小,人體熱量散發也就很小,人就會有燥熱的感覺。所以集裝箱活動房的室內溫度盡量不要超過20℃。

            寒冷地區集裝箱活動房最舒適工作溫度曲線

            圖2 寒冷地區集裝箱活動房最舒適工作溫度曲線

            2 舒適性的評價指標

            集裝箱活動房是近年的新興產物,在該領域的相關研究并不是很多,本文對集裝箱活動房的舒適性研究采用了目前使用較為廣泛的建筑物舒適性的評價指標,即引用了預期平均評價率PMV(predicted mean vote)和PPD(predicted Percent of dissatisfied)作為集裝箱活動房舒適性的評價指標。這一概念是丹麥技術大學教授FANGER提出的,在實驗時,FANGER制定了三個舒適條件:第一個條件是人體必須處于熱平衡狀態,以便使人體對環境的散熱量等于人體體內產生的熱量;第二個條件是皮膚平均溫度應具有與舒適相適應的水平;第三個條件是人體應具有最佳的排汗率,排汗率也是新陳代謝的函數。隨后,FANGER得出了熱平衡方程的每一個量的表達式。將熱平衡方程與其他兩個舒適條件組合起來就得到了著名的舒適方程。

            集裝箱活動房PMV方程

            式中:


            集裝箱活動房舒適方程

            PMV指標代表了同一環境下絕大多數人的感覺,但人與人之間存在生理差別,如性別、年齡、體格和體型、膚色等。因此PMV指標并不一定能夠代表所有人的感覺。所以這里引入PPD的指標。在ISO7730中規定了PPD的值:

            集裝箱活動房PPD指標

            式中:

            M - 人體表面能量代謝率,W/m2;

            W - 人體所作的機械功,w/m2,集裝箱活動房主要用于辦公和休息,大部分情況可以取零;

            Icl - 衣著的熱阻,m2·℃/W;

            fcl - 穿衣面積系數,及人體衣服的覆蓋率,與衣服熱阻有關;

            ta - 人體周圍空氣溫度,℃;

            集裝箱活動房舒適公式參數含義

            公式(1)可知,PMV與人體能量代謝率、衣著量、空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流速和空氣濕度有關,集裝箱活動房該六個參數的取值可以參照下列范圍:

            集裝箱活動房舒適公式參數取值范圍

            可以根據集裝箱活動房所在的具體位置及活動房的室內氣候條件、人員情況,直接帶入公式(l)和公式(5)計算出PMV和PPD,也可以實現根據不同的集裝箱活動房舒適公式參數值,列出表格,然后采用插值法進行計算求取。得到的PMV指標代表了集裝箱活動房條件下工作人員的冷熱感覺,可以用以指導活動房設計和室內環境參數的調整,但人與人之間存在生理的差別,PPD指標用以表示工作人員對環境不滿意的百分數。ISO7730對PMV-PPD的推薦值為PPD<10%,PMV在-0.5~+0.5之間取值。利用概率分析法得到PMV和PPD的關系曲線如圖3所示。

            集裝箱活動房PMV-PPD關系曲線

            圖3 PMV-PPD關系曲線

            3 提高集裝箱活動房舒適性及節能的措施

            以PMV和PPD指標作為集裝箱活動房供暖系統和空氣處理系統的室內參數控制方法,不僅可以為處在嚴寒地區的工作人員創造舒適健康的環境,還有利于降低系統的能耗。但是PMV和PPD指標與人體舒適性的關系較為復雜,并不是線性關系或存在一定的規律,所以還需采用計算流體力學(CFD)的仿真技術對室內空氣環境參數進行必要的仿真,來預測環境溫濕度場、速度場及流場的分布情況,從而確定合理的設計方案。對于集裝箱活動房的設計,不僅要考慮到室內環境的熱舒適性,同時還要兼顧節能因素。在圍護結構和室外設計參數一定的情況下,供暖時每降低1℃,耗能可降低10%以上。

            3.1 降低室內環境參數

            結合PMV和PPD的評價指標,適當降低室內環境參數,不僅可以滿足舒適性的需要,還有助于節能。設計的時候不應該盲目的套用設計手冊和國外標準,不結合實際情況追求高標準。國內外一些暖通空調的設計標準也是在不斷變化的。對于集裝箱活動房,結合其使用環境的特殊性,室內外溫差較大,可以考慮在維持舒適度的前提下適當降低設計標準,室內環境溫度控制在20℃以下,相對濕度控制在50%一60%,即可滿足要求。

            3.2 墻體內表面布置預熱裝置

            集裝箱活動房地處寒冷地區,房間供熱系統開啟后房間內的氣溫很快就會上升到設定值,但鑒于墻體和窗體有熱惰性,墻體和窗體壁面溫度上升較慢,如果此時對房間加濕,就會因壁面溫度低于機器露點而出現結露甚至結霜的現象。門窗會凍結,工作人員會因地板結霜而出現粘連現象。同時,由于壁面溫度較低,增加了輻射冷感,降低了房間舒適度。所以,設計的時候可以考慮在房間墻體布置電加熱或其他預熱裝置,提升墻體內表面的溫度,縮小與氣溫的溫差。當墻體溫度達到設定值后,預熱裝置退出供暖系統,此時由于圍護結構的保溫作用和室內空氣與墻體的對流換熱,將維持墻體壁面與房間氣溫的溫差在設定范圍內。

            3.3 合理設置換氣時間

            集裝箱活動房為寒冷地區工作人員提供了舒適的工作和休息環境,一般工作人員在這樣的場合從事腦力勞動或者休息,室內空氣受污染的程度不高。集裝箱活動房設有排風扇,用以調節室內空氣清新度。由于室外空氣溫度較低,頻繁的換氣,將室外低溫空氣引入房間勢必會造成能量的消耗??梢钥紤]在工作人員外出作業,供暖系統停止工作時,將排風扇打開換氣,或者在工作人員休息時,定時將少量冷空氣送入房間,沖淡污濁空氣濃度,提高室內空氣品質,還有助于節能。

            3.4 保證工作人員活動區域的供暖

            供暖系統采用電加熱或者熱水散熱片加熱,有時采用空調供暖的方式來滿足活動房室內氣溫的需求,送風方式或者散熱方式的不同,勢必會在房間內局部存在“死角”。這些區域由于氣流不暢,溫升較慢。采用CFD仿真技術,設置送風速度、溫度、送風方式等邊界情況,根據氣流組織形式,尋求活動房室內溫濕度場及流場的分布規律。根據仿真結果,調整封口及送風方式,將流場分布均勻的區域調整到人員活動頻繁的區域,也有助于增加人體舒適感。

            4 結論

            集裝箱活動房的目標是為在特殊環境下從事科考、勘探及軍事等工作人員提供一個舒適健康的環境,是暖通空調的個例,從事這一領域研究的學者較少,尤其是對集裝箱活動房舒適性的研究就更少了。筆者對活動房舒適性做了理論性的分析研究,對活動房的設計具有一定的參考價值,但這與實際目標還存在一定的距離,還應從以下幾個方面做進一步的研究。

            4.1 室內動態熱舒適性的研究

            在動態環境下,研究集裝箱活動房溫濕度場根據不同氣流組織的分布情況,不同工作人員對熱舒適性空氣參數的反應,及不同地區所對應的人體舒適區域。對供熱或者空調集裝箱活動房分別研究,尋求在制冷與制熱不同工況下人體舒適性區域的變化。

            4.2 高效的空調或供暖控制方式

            合理有效的控制方式是實現室內熱舒適性和高室內氣體品質的重要手段。PMV-PPD引入到控制中無疑是一個重要的突破,結合模糊控制技術,必將會為暖通空調的控制研究提供全新的研究方向。

            4.3 理論與實踐相結合

            該領域的研究需要有實驗數據相結合,需從事相關的實驗研究來佐證理論成果。


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