虹桥机场T2航站楼夏季热环境实测与分析

朱卫华 王建文 张兆铭 陆 涛 林忠平

虹桥机场T2航站楼夏季热环境实测与分析

朱卫华1王建文2张兆铭2陆 涛1林忠平1

1同济大学机械与能源工程学院
2上海虹桥国际机场公司

通过测试上海虹桥机场T2航站楼夏季室内环境参数，结合问卷调查，统计分析了旅客的实际热感觉投票值（TSV），并对其热中性温度值以及引起热不舒适的原因做了一定的探讨。结果表明：P.O.Fanger的PMV计算方程适用于玻璃幕墙航站楼建筑热舒适计算；太阳辐射会明显增加室内平均辐射温度，进而影响室内热舒适性，计算PMV时不能忽略；作用温度To与TSV显示出良好的线性关系，通过回归计算出适宜的操作温度为26.2℃。

热舒适TSV平均辐射温度太阳辐射操作温度

0 引言

热舒适感是人体自身通过热平衡和感觉到的环境状况并综合起来获得是否舒适的感觉，由生理和心理综合决定。目前世界上较为广泛接受的评价室内热舒适性的标准有2个[1]：美国供暖、制冷与空调工程师协会标准（ASHRAE Standard55-2010）和ISO7730。ISO 7730[2]对热舒适的定义是主观感觉满意的热环境即为热舒适环境；美国供暖、制冷与空调工程师协会标准ASHRAE 55-2010[3]中，对热舒适定义了在主观感觉热舒适的同时强调对热舒适的主观评价。

然而这两个标准都较少用于航站楼室内热舒适评价。与一般建筑相比，航站楼建筑普遍拥有大面积玻璃幕墙，太阳辐射影响明显；并且人员在航站楼中停留时间较短，不容易达到计算要求的稳态传热。在靠近玻璃幕墙的建筑外区，太阳辐射对室内人员的热舒适有显著的影响[4]。在夏季，高强度的太阳辐射是不利的，因为它增加了玻璃表面的温度，影响室内平均辐射温度。单独的太阳直射等同于平均热辐射温度增加11℃的热感觉，加剧室内人员的不舒适程度[5～6]。

本文以虹桥机场T2航站楼为例，分析了PMV计算方法在航站楼建筑室内热舒适评价的适用性以及太阳辐射对计算结果的影响。

1 研究方法

研究对象为上海虹桥机场T2航站楼，选取长廊端头区域、中部三角区、候机标准区（近47号柱）、候机标准区（近38号柱）以及主楼出发办票大厅5个典型区域进行研究。其中，长廊及候机标准区为乘客候机区域，乘客停留时间较长；三角区为航站楼主要商业区，以及VIP候机室；办票大厅人员密度大。表1为航站楼典型区域编号及特征。

表1 航站楼典型区域编号及特征

研究内容主要由三部分组成，包括热湿环境参数现场测试、理论计算以及问卷调查。现场测试和问卷调查时间为2012年7月24～25日，室外天气为典型的上海湿热气候。

1.1 室内参数实测

在PMV计算式中，共有8个变量，其中服装面积系数与衣物表面温度均可由服装热阻计算，对流换热系数h是风速v的函数，人体做机械功按0计算，所以影响人员热舒适的参数有6个，即：室内空气温度、室内平均辐射温度、空气流速、空气中水蒸气分压力、衣着和新陈代谢率。实测项目包括室内温度、相对湿度、风速以及玻璃幕墙壁面温度等。对于每个区域，在工作区断面（距地/楼面1.2m）分别均匀布置16～32个温度与相对湿度测点，每一小时测试一遍，共8h（一典型天）；均匀布置16～32个速度测点，每个测点测试一次；墙面均匀设置6～12个测点，每小时测试一遍，共8h。测试中所使用的仪器的相关参数（测量范围、分辨率与精度）见表2。

表2 主要测试仪器

1.2 理论计算

根据ASHRAE55-2010[3]中的PMV公式，使用Berkeley提供的热舒适计算工具，利用实测空气温度，实测相对湿度，实测风速，实测各壁面温度以及人员活动状态，以及平均辐射温度理论计算结果得到相应区域的PMV值。

在PMV计算式6个参数中，空气温度和平均辐射温度是影响人体热舒适的关键因素[7]。其中，平均辐射温度不仅要考虑来自低温表面（如墙面等）的长波辐射，还应考虑太阳等高强度辐射源照射到人体的热辐射，因此分析起来较为复杂。

如果忽略太阳辐射，室内平均辐射温度MRT是综合环境不同表面温度辐射能的代表温度，因此从物理意义上，应为各温度表面温度的四次方按角系数加权获得。即：

式中：Tr为平均辐射温度，K；Ti为周围各可见表面温度，K；Fs→i为人对相应表面的角系数。

如果表面间温差较小，式（1）可进一步简化为

当人处于有太阳辐射的室内环境中时，辐射得热包括太阳直射辐射、太阳散射辐射以及室内可见表面热辐射（图1）。有：

式中：Qs为人体的净辐射散热；Q0s为人体辐射散热；αs为人体吸收率；QA→S为环境可见表面热辐射到达人体的部分；Qd→S为太阳散射辐射到达人体的部分；Qb→S为太阳直射辐射到达人体的部分。

图1 人体与环境的典型辐射换热

因此，根据传热学相关定律，可得式（4）：

Ti与Tcl接近，因此其辐射频率基本相同，根据基尔霍夫定律，αs=εs；但太阳直射辐射和散射辐射的频率与人体辐射相差较大，不能认为人体对其吸收率与发射率相等。因此分别引入αirr,d和αirr,b表示散射辐射吸收率和直射辐射吸收率，同时用fp表示Ap/Ar，引入Cs表示直射系数，直接暴露在阳光下为1，不能直射为0，因此，得到在有太阳辐射的室内平均辐射温度计算公式[8]：

此外，Lyons[4]和Sullivan[9]分别在各自文献中阐述了既使用传统只考虑温壁面影响的平均辐射温度，又能够反应太阳热辐射影响的方法。

根据未考虑太阳辐射影响及考虑太阳辐射影响的平均辐射温度理论计算结果，分别得到五个测试区域的两种PMV计算结果。将上述两种PMV结果与实际热感觉投票（TSV）进行对比，以研究太阳辐射对PMV-PPD预测模型计算结果的影响程度。

1.3 问卷调查

为了调查旅客的热感觉，验证理论计算方法的准确性，对70名旅客进行了问卷调查。在问卷中，旅客给出他们当时的热感觉投票（TSV）、湿度感受、吹风感等。热感觉投票值采用ASHRAE7级标度指标进行记录（表3）。

表3 ASHRAE7级指标分度级别表

2 结果与讨论

根据所测量的室内热物性参数及问卷调查结果统计成表4。

表4 PMV各计算参数汇总

由表4结果可以看出，测试区域室内参数波动较小，基本处于稳态。同时被调查人员已处于当前环境至少半小时，可以认为接近于PMV计算要求的稳态热环境。由热感觉投票统计结果可以看出，当前环境处于或接近热舒适状态，避免了PMV方程在不舒适环境中的局限性[10]。

2.1 太阳辐射影响研究

由壁面温度实测值和相应角系数，根据式（1）可计算仅考虑低温表面热辐射时的平均热辐射温度。

安德伍德提出了fp的计算解析式，经过验证，除了与垂线大约成10°角的范围内数值太小外，该式与实验曲线是非常吻合的[11]。

太阳高度角β及太阳方位角α通过计算得到。测试当天上海地区的赤纬d为19.83°，地理纬度φ为31.2°，上午十点和下午两点的时角h分别为-30°和30°。

上午10点和下午14点的投影系数fp的计算结果均为0.143。

文献[11]同时给出日射吸收率为0.7，发射率0.9。文献[12]给出透过标准玻璃窗的太阳辐射强度（表5）。

表5 透过标准玻璃窗的太阳辐射强度

根据式（5）的MRT计算公式，由实测壁面温度和上述参数可以计算出测试区域考虑太阳辐射的平均辐射温度值。

将两种算法的平均辐射温度列于表6。

表6 平均辐射温度计算结果

从表6的平均辐射温度计算结果可以看出，考虑了太阳高强度辐射源照射到人体的热辐射因素的计算结果比仅仅只考虑壁面长波辐射因素大3～4℃；另外，三角区（2#区域）室内人员直接暴露在太阳光的情况下，MRT计算结果增加11℃左右，与文献[5～6]的结论一致。因此高强度辐射源对平均辐射温度（MRT）计算结果的影响是显著的。

根据已有的各参数，通过PMV计算程序，分别计算两种不同平均辐射温度分析方法下的各问卷区域的PMV值（表7）。

表7 PMV计算结果

文献[13]通过实际调查统计分析研究认为PMV-TSV的差值在±0.25之间，即可以认定PMV结果是有效的。

从图2可以看出，考虑太阳辐射的平均辐射温度所计算出的PMV结果与实际热感觉投票值（TSV）的差值在±0.25之间，可以通过PMV计算结果较为准确地预测航站楼各区域室内人员的热舒适状况；而通过未考虑太阳辐射的平均辐射温度所计算出来的PMV结果与实际TSV存在较大的偏差。可见太阳辐射对PMV的影响是显著的；另一方面，该结果也证明Gennusa等在文献[8]中MRT公式的适用性。

图2 PMV-TSV差值的比较

2.2 热中性温度分析

热中性温度的定义为：人们对所处的热环境感觉不冷不热的时候的温度，也就是热感觉投票为0对应的操作温度[14]。

操作温度是综合考虑了空气温度和评价辐射温度对人体热感觉的影响而得出的合成温度，其计算公式如下：

各区域实测平均速度在0.2～0.6m/s之间，根据ASHRAE55，A取值为0.6。

为了得到TSV值与操作温度之间的关系，将本次调查中被访者的热感觉投票与操作温度之间的关系汇集于图3。

图3 TSV与操作温度的对应关系

由中性温度的定义可知，当回归方程中TSV为0时，对应的操作温度即为热中性温度。则令TSV=0，计算出航站楼热中性温度为26.2℃。

3 结论

1）考虑了太阳散射辐射的平均辐射温度计算结果比仅仅只考虑壁面长波辐射因素大3～4℃；室内人员直接暴露在太阳光的情况下，计算结果会增加11℃左右；考虑太阳辐射的平均辐射温度所计算出的PMV结果可以较为准确地预测航站楼各区域室内人员的热舒适感觉；而通过未考虑的太阳辐射的平均辐射温度所计算出来的PMV结果与实际投票结果相差较大。因此说明太阳辐射对平均辐射温度的影响是显著的。

2）在平均辐射温度较高的情况下，空气温度不能很好地反应室内热舒适条件，操作温度更为适用，根据TSV与室内操作温度的线性关系，可计算出该地区航站楼夏季室内热中性温度为26.2℃。

[1]马卫武,孙政.夏热冬冷地区客运站候车室夏季热舒适性[J].土木建筑与环境工程,2009,31(5):100-105

[2]Moderate Thermal Environmental-Determination of the PMV and PPD Indices and Specification of the Conditions for Thermal Comfort(ISO 7730)[S]

[3]Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy(ASHRAE 55-2010)[S]

[4]Lyons P R.Window performance for human thermal comfort[J]. ASHRAE Transactions,2000:594-602

[5]Ruey-Lung Hwang,Shiu-YaShu.Building envelope regulationson thermal comfort in glass facade buildings and energy-saving potential for PMV-based comfort control[J].Building and Environment,2011,46:824-834

[6]Arens E,Gonzalesz R,Berglund L.Thermal comfort under an ext -ended range of environmental conditions[J].ASHRAE Transactions,1986,92(1):18-26

[7]黄晨.建筑环境学[M].北京:机械工业出版社,2008

[8]Gennusa M L,Nucara A,Rizzo G.The calculation of the mean radiant temperature of a subject exposed to the solar radiation-a generalized algorithm[J].Building and Environment,2005,40: 367-375

[9]Sullivan R.Thermal Comfort Issues in the LRI Study[R].Berkeley:Lawrence Berkeley National Laboratory,1986

[10]许景峰.浅谈PMV方程的适用范围[J].重庆建筑大学学报, 2005,27(3):13-18

[11]D A麦金太尔[英].室内气候[M].上海:上海科学技术出版社, 1988

[12]民用建筑供暖通风与空气调节设计规范(GB 50736-2012)[S]

[13]Michael A Humphreys,Nicol J F.The validity of ISO-PMV for predicting comfort votes in every-day thermal environments[J]. Energy and Buildings,2002,34:667-684

[14]Brager G S.Thermal adaptation in the built environment:a literature review[J].Energy and Buildings,1998,27(2):83-96

A Fie ld Study on The rm a l Com fort for the Te rm ina l 2 of Sha ngha i Hongqia o Airport in Sum m e r

ZHU Wei-hua1,WANG Jian-wen2,ZHANG Zhao-ming2,LU Tao1,LIN Zhong-ping1
1 College of Mechanical Engineering,Tongji University
2 Shanghai Hongqiao International Airport Company

Field test of the environmental parameters and questionnaire survey on thermal comfort was carried out in summer for the Terminal 2,Shanghai Hongqiao International Airport.The thermal neutral temperature and cause of thermal discomfort were discussed.The results showed that the PMV calculation equation can be applicable for airport terminal building with large glass curtain walls.Solar radiation will significantly increase the indoor mean radiant temperature,there for,affecting indoor thermal comfort.Linear regression calculation shows that suitable operating temperature was 26.2℃.

thermal comfort,TSV,mean radiant temperature,solar radiation,operating temperature

1003-0344（2014）04-009-5

2013-7-1

林忠平（1968～），男，博士，教授；同济大学机械与能源工程学院暖通空调及燃气研究所（201804）；021-65984228；E-mail:zplin99@tongji.edu.cn