外窗辐射对室内设计温度的影响研究

洪　华，刘家林（贵阳建筑勘察设计有限公司，贵阳550081）

外窗辐射对室内设计温度的影响研究

洪华，刘家林
（贵阳建筑勘察设计有限公司，贵阳550081）

根据房间所处内外区不同，建立数学模型并求解。分别计算有外窗和无外窗两种状态下房间PMV值的变化情况，以及当PMV值不变时室内设计温度的变化情况。结果表明在PMV值不变的情况下，冬季供暖应适当提高有外窗房间的室内设计温度，以保证室内人体的热舒适性。

冬季供暖；平均辐射温度；外窗辐射

0　引言

随着生活水平的不断提高，南方地区供暖需求更加强烈，越来越多的住宅及公共建筑均进行冬季供暖。在以往的设计及研究中，建筑内外区均采用相同的室内设计温度。因为内外区房间外窗面积不一样，如果采用相同室内设计温度，由于外窗的存在，人体热舒适性会产生差异。本文将从平均辐射温度对人体舒适性的影响出发，通过计算分析外窗辐射对室内设计温度的影响。

1　数学计算公式及求解

评价温度和环境热舒适，可用PMV、PPD指标，由此相应的标准为ISO-7730［1］。在该标准中，对PMV-PPD指标的推荐值在-0.5～+0.5之间，相当于人群中允许有10%的人感觉不满意。除了ISO-7730外，还有ISO-7726针对热环境的物理量测量仪器的方法；ISO-8996人类工程学新陈代谢量的确定；ISO-9920针对衣着的热特性估计等。本文采用ISO-7730中PMV的数学计算公式，通过计算分析有外窗和无外窗两种情况下人体热舒适性差异。

根据文献［1，2］PMV计算公式如下:

其中:

式中:

M—代谢率，W·m2；

hc—对流热交换系数，W/m2·h·℃；

tr—平均辐射温度，℃；

Pa—环境空气的蒸汽压，kPa；

ta—空气温度，℃；

fcl—着装体表面积与裸体体表面积的比值，取1.18；

Icl——服装热阻，m2·℃/W；

ν——风速，m/s；

φ——相对湿度，%；

ta——室内空气温度，℃；

to——室外计算温度，℃；

tcl——服装表面温度，℃；

K——外围护结构传热系数，（W/m2·℃），取0.9；

an——内表面换热系数，W/m2·℃，取8.7；

PMV——预测平均投票。

上述等式中tcl需要通过方程求解，求解过程较为复杂，可以采用代入法进行求解，具体求解过程如下:

①假定tcl值；②根据式2求出tcl2；③重复①～②步骤，当|tcl2-tcl|≤0.005时得出tcl值；④输入已知条件及tcl值计算出PMV值。

文献［3］已通过实验数据对PMV数学计算公式的可靠性进行验证分析，实验测试值和理论计算值偏差符合误差允许范围，本文中不再赘述。

图1　房间A、B简图

2　建立计算模型

本文以如图1 A、B两个房间建立模型进行简化计算。

根据图1中所示的两个房间建立简单的辐射计算模型，计算中A、B两个房间室内、室外气象参数及墙体传热系数等均相同。由于实际计算中平均辐射温度的计算过程较为复杂，室外物体的辐射温度也难以确定，为方便计算本文对计算模型做了简化处理。平均辐射温度计算公式简化为式（4）［2］。对于房间B，平均辐射温度可直接按式（5）得出，对于房间A当人体面对外窗时，人体可直接与室外物体发生辐射换热，因此计算中取tpr（font）= to。且计算中除tpr（font）外，其余朝向辐射温度tpr均相等，因此式（4）可简化为:

式中:sc为玻璃的遮阳系数。

综合以上PMV计算公式可以看出，影响人体热舒适的因素主要有:室内空气温度ta、相对湿度φ、室内空气流速ν、平均辐射温度、人体新陈代谢M和服装热阻Icl。根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》［4］取室内温度ta=18℃、相对湿度φ=50%、空气流速为ν=0.1m/s。查文献［5］不同活动的代谢率表A1可得:坐姿活动的（办公室、居所、实验室）M=69.78W/m2；查附录E表E1服装的各种典型组合的热阻:日常着装:有长袖及长腿的内衣，衬衣、裤、V形领毛衣、夹克、袜、鞋Icl=0.2m2·℃/W（1.3clo）。

3　计算结果及分析

根据上述条件联立式（1）～（7）。分别对PMV值进行计算，结果如下:

如图2所示，PMV随室外计算温度to升高而增大；比较房间A、B，由于外窗的存在，房间A 的PMV值比房间B小，在冬季供暖情况下房间A冷感较房间B强烈且热舒适性差。PMV差值随室外计算温度升高而减小，最大为0.293，最小为0.152。分析原因，随着室外温度升高，外窗、墙的辐射温度差值减小，所以PMV差值减小。

图2　PMV随室外空调计算温度变化（ta=18℃、M=69.78、sc=0.8）

图3　PMV随外窗遮阳系数变化（ta=18℃、M=69.78、to=0℃）

如图3所示，房间A的PMV值始终小于房间B，随着外窗遮阳系数的减小PMV值增大，两者之间差值不断减小。分析原因随着外窗遮阳系数的减小，人体与室外物体的辐射换热量不断减小，人体通过外窗辐射换热损失的热量不断减小，因此PMV值增大。

如图4所示在PMV值不变的情况下，随着室外温度to升高，室内设计温度ta降低；有外窗房间A的室内设计温度明显高于无外窗房间B，两者差值随着室外计算温度升高而减小，最大为2.34℃，最小为1.31℃。通过分析，随着室外温度升高，外窗、墙的辐射温度差值减小，在PMV值不变的情况下，室内设计温度差值减小。

图4　室内设计温度随室外计算温度变化（PMV=0.128、M=69.78、sc=0.8）

4　结论

（1）在保持人体代谢率及室内设计温度不变的情况下，有外窗房间的PMV值始终低于无外窗房间，冷感比无外窗房间强烈，冬季采暖热舒适性较无外窗房间差。且外窗遮阳系数越大，PMV值越小，可采取有效的遮档措施降低外窗遮阳系数方式减小两者之间差值。

（2）在保持人体代谢率及PMV值不变的情况下，有外窗房间要达到与无外窗房间相同的PMV值，则须提高有外窗房间的室内设计温度。

［1］ISO.International Standard 7730.Moderate Thermal Environment，Determination of PMV and PPD Indices and Specification of the condition for Thermal com fort.Geneva150，1984

［2］谢松甫.冷暖辐射空调室内舒适性分析与节能研究［D］.华北电力大学，2014

［3］李芳艳.南方供暖室内设计温度及舒适性研究［D］.广州大学，2010

［4］中华人民共和国住房和城乡建设部.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范（GB50736-2012）［S］.北京:中国建筑工业出版社

［5］国家质量技术监督局.《中等热环境PMV和PPD指数的测定及热舒适条件的规定》（GB/T18049-2000）［S］.北京:中国标准出版社，2001

Research on the Influence of Radiation from External Window on Indoor Design Temperature

HONG Hua，LIU Jialin
（Guiyang Architectural Design and Surveying prospecting Co.，Ltd，Guiyang，550081，China）

Themathematicalmodel is established and solved according to the difference of the room in internal and external area，Calculating the changes of PMV value in difference room with externalwindows and no external windows，and Calculating the changes of indoor design temperaturewhen the PMV value is constant。The results show that to ensure the PMV value is unchanged，the indoor design temperature of the room with external windows is should be appropriately raised，to ensure the indoor human is thermal com fortable.

Heating in Winter；Indoor design temperature；Radiation from external window

TU831 文献标示码:B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.011

ISSN1005-9180（2016）02-058-04

2016-2-20

洪华（1986-），男，工程师，从事暖通设计。Email:497203008@qq.com