动态室内空调环境与节能研究

韩冬瑞 武同

摘 要：传统舒适性空调在提供稳定室内空调环境的同时，既消耗了相对多的能源，又削弱了人们适应突变环境的能力，因此进行动态室内空调环境与节能性研究显得尤为重要。文章介绍了动态室内空调环境的含义，通过对人体热舒适机理进行分析研究，提出了室內空调环境设计参数优化的方法，并分析了动态空调控制系统的节能性，得出动态空调控制系统能在满足人体热舒适要求的同时实现较高的运行效率，从而达到节能的目的。

关键词：人体热舒适；节能；动态参数控制

中图分类号：TU831 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）29-0008-02

现代人类的生活和工作跟室内环境息息相关，尤其是城镇居民几乎80%以上的时间（西方国家达90%）是在室内环境中渡过的，这主要是得益于室内环境的改善，但是这消耗掉了太多的能源资源。据统计我国室内采暖和空调能耗占到了建筑总能耗的55%，是建筑最大的耗能点。而近几年建筑能耗在能源消费总量中所占的比例已经上升到了27.8%。因此，节约建筑室内因采暖和空调而消耗掉的能量显得尤为重要，但是节约能耗不能以牺牲室内环境舒适性为代价，合理确定室内环境舒适性标准和空调系统运行控制方案，对于改善人体舒适性和降低建筑能耗都具有重要的意义。

1 动态室内空调环境

现在室内空气调节系统的设计都是依据最大负荷工况，并且将运行参数设定为某一固定值。设备在运行时此值不能随室外环境的改变而变化，而是通过控制系统的调节作用将室内空气状态参数稳定在这一固定值周围，形成所谓的稳态室内空调环境。可是很多调研表明，人们对这种室内环境的舒适性并不满意，而是更容易接受动态的室内空调环境。

动态室内空调环境是指空气调节系统根据不断变化的室外环境而相应改变其参数设定值，或是最佳参数组合，设备在运行时室内空气状态参数不是稳定在某一固定值周围，而是变化的，形成的是能够满足人体热舒适要求的动态环境，同时还能够达到建筑节能的目的。

2 动态人体热舒适

许多研究表明，人们对其所在的周围的环境气候所产生的冷和热的感觉，是人们在众多因素供同行作用下的生理反映，这其中影响人体舒适程度的最主要因素有：空气温度（T）、相对湿度（φ）、流动速度（ν）与平均辐射温度（Tr）。讨论人体热舒适，不仅要考虑单一参数，同时还要考虑不同参数的相互组合对热舒适的影响。

空气温度直接决定人体与空气之间温差，会影响人体热量平衡，是影响人体舒适性的一项重要参数。人体通过机体可以感知周围环境的冷与热。根据人的冷热感觉不同，环境可以被分为七级：冷、较凉、凉、舒适、暖、较热、热。

相对湿度反映空气的干燥程度，影响人体皮肤表面汗液的蒸发速度，进而影响人体温度和舒适性。相对湿度过低时皮肤表面汗液的蒸发速度快，可使皮肤变干燥、粗糙、脱皮损伤，甚至削弱皮肤保护功能；相对湿度过高时皮肤表面汗液的蒸发速度慢，从而减少出汗，甚至关闭汗腺，感到皮肤粘滞、闷热。事实上，从对人体热舒适的影响来说，无论是冬季还是夏季，相对湿度相对其它因素均较小。例如，对于轻体力劳动者，相对湿度变化10%，只是相当于温度变化0.3 ℃。一般夏季相对湿度在40%～60%，冬季在30%～40%人体感觉比较舒适。

空气流动速度在一定条件下会影响皮肤表面水分的蒸发速度。而室内空气紊流强度和紊流频率在热环境中，能够增加人体冷感和空气新鲜感。研究表明室内空气流速限制在1.2 m/s以内，人体一般不会有吹冷风感。但在室内温度和相对湿度较高的情况下，适当提高室内空气流速仍能满足人体热舒适的要求。

平均辐射温度取决于周围物体表面温度。有研究表明，为保持室内人员的热舒适状态，周围空气温度与室内围护结构内表面温度之差不能超过7 ℃。

3 室内空调环境设计参数优化

从影响人体热舒适主要环境因素来分析，围围护结构内表面温度决定了平均辐射温度，王怡通过对冬季集中供暖房间和空调房间热环境的调查分析得出，身穿标准冬季衣服时，平辐射温度每改变1 ℃，相当于气温改变0.75 ℃，或相当于有效温度改变0.5 ℃。在实际生产、生活中，空气温度并不等于平均辐射温度，对于很少局部辐射源且不考虑垂直温差的常规空调系统建筑，一般不考虑平均辐射温度对人体舒适性的影响。因而，可以从空气温度、相对湿度、流动速度来分析使用常规空调系统的建筑物环境参数对人体热舒适性的影响。

空气温度是影响热舒适性的最主要因素。连之伟等研究得出温度在影响人体热舒适的各参数中权重系数为0.53。人体热舒适性与相对湿度的关系有两层：

一是在同样的舒适感时，室内空气露点温度每降低5.56 ℃与干球温度提高1 ℃及相对湿度降低25%大致相当；

二是较低的相对湿度可以增强舒适感和空气品质。1992年美国ASHRAE标准提出相对湿度上限是60%。空气流动速度在一定程度上增强体表水分蒸发，水分蒸发吸收皮肤热量而使人体感觉舒适，可是过大的空气流动速度会引起吹冷风感。合理的做法是在风速允许范围内适当提高风速来改善人体的热湿感，提高热舒适性。

从空调系统能耗角度来分析，室内空气状态参数设定值的改变会引起空调能耗的变化。室内空气温度对人体热舒适的影响大于对空调系统能耗的影响；而相对湿度对人体热舒适影响则小于对空调系统能耗的影响。所以在不影响人体热舒适的条件下，可以在温湿度的一定范围内通过适当降低温度，增大湿度的方法来实现节能。有资料表明，在夏季将温度设定值降低1℃，空调系统能耗将增加9%，冬季将温度设定值提高1 ℃，空调系统能耗将增加12%。

在热湿环境下通过调节空气流动速度进行参数的重新组合也可以满足热舒适的要求。涂光备等人通过实验分析得出廉价节能的热舒适控制策略：在空气干球温度低于29.3 ℃，相对湿度为70%的条件下，可以通过提高空气流速来实现室内环境的舒适性。闫斌等人通过对某一建筑计算得出，以25 ℃为设计标准，室内设计温度每提高1℃，相对能耗将减少6%。以相对湿度50%为设计标准，相对湿度每提高5%，空调能耗将减少10%。

4 动态室内环境空调系统控制

4.1 动态参数控制策略

目前国内外很多学者都在致力于动态空调策略下的人体热舒适性研究。動态参数控制策略是指随着室内空气状态参数的变化而相应改变空调控制状态的一种策略，从而实现送风温度、湿度和送风方式的动态化。有研究结果表明：由中性环境到冷环境或热环境时，人体皮肤冷热感觉出现“滞后”；而从冷环境或热环境到中性环境时，人体皮肤冷热感觉会出现“超越”，这反映出人体皮肤对热的感觉具有更好的承受力。基于人体热感觉的这种特点，国内外学者主要研究了关于动态室内空调环境的温度动态化控制和风速动态化控制。

温度动态化是指空调系统向室内供冷直至人体达到热舒适要求之后停止供冷，此后室内空气会吸收室内热源及围护结构的热量，室温随时间的进行不断增加，人体感觉到越来越热。可见在热波动作用下， 人体皮肤热感觉出现"滞后"，而且人体所能接受温度变化范围随热波动速率增大而变大。得出的结论是，在一定时间间隔△t之后再向室内供冷，只要△t不是太大，同样能使环境维持在较高的热舒适性水平。

风速动态化控制是指通过编制程序调节风机转动状态最大程度地模拟自然风。已有研究表明人体对自然风的可接受程度最高。采用风速动态化控制不仅可以形成类似自然风增加人体舒适感，还能补偿温度升高达到节能的效果。董静通过研究得出，采用动态风速能够达到既改善热环境又不引起吹风不适感，给出了满足人体舒适感的较佳工况：相对湿度50%，服装热阻为0.6 clo的情况下，当动态温度波动范围为27～29 ℃时，人体热感觉指标TSV（thermal sensation vote）值基本在（-0.5，+0.5）的范围内波动，可较好地满足人体舒适性需要。

4.2 动态空调系统控制的节能性分析

在一些低能耗建筑中，应该优先考虑采用动态空调控制系统的形式（如尽可能的使用自然通风、被动式制冷、夜间通风、白天混合通风等）来制冷。而且国外有学者研究，室内人员对室内环境的满意情况更多的与居住者是否能够对其周围环境进行控制和调节有关，而与室内实际空气参数值的关系并不大。如果室内人员能够通过改变遮阳效果、调节室内温度、湿度等来适当控制室内环境，就更容易对室内环境感到满意，这样还能实现空调系统节能。

已有业内学者通过实验证明动态空调系统可以实现很好的节能效果。Kenzo Yone zawa等人根据居住者的热感觉通过启停热源数量控制、新风量控制和夜间清洗控制等方式来实现控制节能。通过PMV值的控制使室内环境处在舒适性范围内，制热时使PMV值处在舒适性下限，制冷时使PMV值处在舒适性上限，以此来降低空调系统热负荷，从而实现节能。

5 结 语

随着节能意识的不断深入，在改善室内环境、保证热舒适性的前提下降低空调系统能耗越来越得到人们关注。虽然空调产品的设计都符合相关标准、规范，但是，对其带来室内环境有时候我们还是感到不满意。所以，在空调系统的设计不能局限于当前的标准和规范，除了考虑建筑功能特点及具体的地域和气候条件之外，更为重要的是通过分析热舒适要求规律和建筑全年的负荷变化规律，来确定合适的空调系统形式和合理的空调控制策略。动态室内空调系统不但能够提供动态热舒适环境，还能降低其运行能耗，实现节能。如果与自然通风、被动式冷却等调节方式相结合，将会带来更好的节能效果。

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