冬季室内环境因素对PMV的影响

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【摘要】Fanger的热舒适性指标PMV受环境因素和人的因素的影响。本文以尽量降低能耗为目的，着重分析了环境因素，即室内温度、相对湿度、空气流速对PMV指标的影响。提出了基于热舒适性指标PMV的控制方法比基于追求更高温度的传统控制方法更具有合理性。从而为改善室内热环境的舒适性提供了途径、方法和依据。

【关键词】PMV指标 室内温度 相对湿度 空气流速

ABSTRACT：Fanger thermal comfort index PMV is influenced by environmental factors and human. In this paper，in order to reduce the energy consumption as the goal， focuses on the analysis of the influence of environmental factors， namely， the indoor temperature， relative humidity， air velocity on the PMV index. Put forward the control method of thermal comfort index based on PMV than the traditional control method based on the pursuit of higher temperature is more reasonable. In order to provide the approach， method and basis for the improvement of indoor thermal comfort.

KEYWORDS：PMV index The indoor temperature Relative humidity The air flow rate

1 引言

人体的热舒适是人体舒适感觉中的重要部分。美国采暖、制冷和空调工程师学会（ASHRAE）把热舒适环境定义为人在心理上感到满意的热环境。热舒适环境取决与6个主要因素，其中空气温度、相对湿度、空气流速、平均辐射温度4个因素与环境有关，另外两个因素与人体有关，即人体自身的新陈代谢和服装热阻。早期的热舒适性指标是由对实验室或现场调查结果进行统计得到的，这些实验性指标有其具体的使用场合。美国采暖、制冷和空调工程师学会用有效温度 ET 定义一个人体舒适区。为了找到一个使用范围更广的综合性热舒适指标，Fanger 提出了著名的热舒适方程[1]。20世纪70年代 Fanger以热舒适方程和 ASHRAE 的 7 点标度为依据，提出了预测投票数 PMV（predicted mean vote）指标，PMV 指标综合考虑了环境因素和人的因素。本文主要分析了环境因素对 PMV 指标的影响。

2.人的热舒适感

人们现在只对两种热舒适感的定义表示认可，第一个就是“没有不舒适就是表示舒适”这一种是D.A.Mclntyre给出的。但是我们可以看到这个定义明显考虑的不够周全。第二种是：“令人满意的热感觉是一种自我感觉状态，它表现为对周围环境温度的满意感”这种是能在ASHRAE标准中查到的[2]。

热舒适性是人体自身是一项重要指标关于室内热环境满意程度的。但是如果想直接对热舒适性做出测量是很困难的。一百多年以前，国外的好多学者就开始对热舒适性进行了研究。但是这些年来，行业内出现了好多的指标，不同的国家和地区官方都给出了不同的指标。因此，了解各种指标并且可以根据当地情况合理的利用这些指标是非常有用的[3]。

2.1热舒适性指标

（1）卡他冷却能力

卡他冷却能力是人们最早使用的关于热的指标。它是以热损失的计算为基础的。卡他温度计由一根长为40mm，直径为20mm的圆柱形大温包的酒精玻璃温度计组成。杆上有两条线分别在38℃和35℃，开始的时候把它加热到38℃。然后把它放在空气中，

计了温度计从38℃到35℃的用时。然后通过测量的时间和温度计算出“冷却能力”。由于卡他冷却能力对空气温度、辐射温度以及风速都进行了综合的考虑，所以在上世纪30年代有好多的实验都是用它来完成的，但是有一个缺点就是它没有把湿度考虑在内。

（2）拟人器和当量温度

1929年Dufton研制了一种综合恒温器。这种恒温器可以在各种环境因素随意变化的情况下找到最满意的热舒适度，这种恒温器就叫作拟人器（eupatheostat）。后来他又提出一个就作当量温度的定义。所谓当量温度也就是一个均匀封闭体的温度。在一个高为550mm、直径为190mm的黑色圆柱体的封闭体内，这个时候它的散热量是与在实际环境中散热量相同的。这样就可以通过这个圆柱体的温度来计算出圆柱体所散失热量的一个精确函数，而且这个温度不管在什么情况下都要小于37.8℃，这个数值就是三分之二的37.8℃和封闭空间温度之差。但是当量温度也并没有给出一个表达式在环境变化的时候，而且拟人器又比较笨重，所以它并不能很好的得到应用。

（3）有效温度（ET）

20世纪20年代美国学者霍顿等为了研究湿度对人体热舒适的影响在空调建筑中而提出的有效温度。实验者分为两种，分别为上身和穿夏季衣服，活动情况也分为两种，休息与轻工作，同时以人体自身对环境的即时的反应作为基础。也就是说我们让两种状态相互变换，看人在试验状态变化时的热感觉有没有明显变化，如果没有明显的变化就可以认为这两种情况有着相同的有效温度。

这个指标对比较冷的和舒适的感觉得出的温度作用值有点高，但是对比较暖的情况又有点低。因此为了更好的得到结论，他们用黑球温度代替了干球温度，这个叫做修正后的温度，称为修正有效温度（CET）。

新有效温度与热感觉之间的关系：

（4）Fanger舒适方程

1.舒适条件

丹麦的房格尔（Fanger）提出了一个非常全面的舒适性指标，它可能确定影响人体热舒适性的物理参数是与人体有关系的，而且也与环境有关系，首先，他设定了三条舒适条件，第一个条件就是人体热平衡的，人体的产热量和散热量是一样的，第二个条件就是人体的表面温度在热舒适性的范围内，第三个条件就是人体有很好的排汗效果。还有四个热环境的因素（空气温度、湿度、气流速度和环境辐射温度）。然后他给出几个用来表示热平衡的表达式，他将热平衡方程和另外的两个表示舒适条件的方程组合起来就形成了著名的舒适方程。而且必须同时即满足舒适方程的一级变量还要满足舒适的三个条件，也就是说它并不是舒适的充分条件，只是一个必要的条件。因为我们很容易就可以找得到一个并不使我们感到舒适的环境，但是他的参数却满足舒适条件。

2.预测平均热感觉指标PMV

如果一组环境变量能达到舒适方程的要求时他就是最佳的热舒适感，相反当它不能满足舒适方程的条件时那么就说明现在很不舒适，但是只是知道不舒适并不知道是什么因素让他不舒适，因此Fanger进一步对舒适方程进行了发展，并且把所有热舒适感觉的指标都用公式表示出来，这个指标就是我们现在用的预测平均投票（PMV），Fanger教授把它分为七个等级，每一级代表的意思如下表所示：

为了使这一想法可以应用到更多的地方，它通过假设人体表面的平均温度与实际人的活动量是相适应的，然后对人体的产热量与人的散热量在实际环境中做差，得到人体在一定的活动量下的热负荷的函数，然后通过大量的实验建立了PMV方程。但是在各种衣着和活动情况下PMV方程并没有得到证明，当人们不运动的时候会有很好的效果，当人们动动量比较大的时候就不能得到满意的数据。

3.1.2热环境因素对PMV的影响

2.3 PMV的求解及PMV与各影响因素的关系图

通过PMV的表达式我们可以看出，各环境因素与PMV存在着很复杂的非线性关系。本文在研究各环境因素与PMV指标的关系时，确定一个变量然后把其它看到是定量，然后应用PMV的表达式，通过MATLAB编写PMV指标的计算程序，最后运行这一程序后得到了图3-1到3-4.

3.1.4影响分析

由图1可以得出：对人体热感觉有非常明显影响的温度。PMV的值会随着温度的升高有很大的升高幅度，当温度在某一定值时，湿度对PMV值的影响也是显而易见的。当温度高到一定条件后，增加教室内的空气湿度，也会增加人体热感觉作用（当温度保持低到一定程度时，空气湿度的增加则会减少人体在空气中的热感觉作用）。这种情况的出现是因为水蒸气在空气中的分压力就会越来越大，当空气的相对湿度越来越高时，人体汗液蒸发量也会越来越少。可以明显看出温度对PMV的影响比湿度对PMV的影响要大很多。随着温度变的越来越大的时候，湿度对人体的热舒适性的影响作用也加强。这是因为在气温较高时，人的热平衡更多地依靠蒸发。

由图2可以得出：随着温度的升高，风速的改变对PMV值的影响会逐渐减少。而且，当风速的变化几乎对PMV值的变化没有影响当温度高到一定程序以后。因为空气温度越高就越与人自身的体温接近，这样人体与空气产生的热传递就变小。所以可以得出结论当温度低时，风速对人体热感觉的影响比较大，而当温度达到一定值时，风速对人体的热感觉几乎为零。

由图3可以得出：当湿度度达到一定值后，风速变大，PMV的值就会变小，这就说明湿度在风速的作用下对人体产生冷作用。当风速在一定范围内变化时，PMV是不会有太大的变化的，但是当风速大到一定程度后，随着风速越来越大，PMV值则会越来越小，也就是说风速的增加，会让空气对人体产生冷作用。当风速一定时，PMV的值也会随着湿度的变化而变化，然而，当风速越来越大时，湿度对PMV值的影响则会变的越来越小。

由图4可以得出：温度越高，风速对PMV的影响越小。而当风速越来越大时，温度对PMV值的影响也越来截止大。温度越小，风速对PMV值的变化就会越大。而当风速小到一定程度时，他在一定范围内变化并不会对PMV值产生很大的影响。但是随着温度越来越高，风速不使PMV值产生变化的这个范围就变的越来越小。

3 结论

通过上面我们对室内环境参数对人体热舒适性的影响的分校可知：空气温度、温度以及风速都会不同程度的影响人体的热舒适性，而且空气温度、温度和风速三个因素对人体热舒适性的影响会随其它因素的改变而在一定规律下改变。所以我们可以调节任何一个因素使人体热舒适性达到理想值，也就是说为了使人体热舒适性达到理想值。我们可以有很多种的各个因素值的组合。当空气温度不变时，人体的热舒适性也可能有很多值。而这也不是传统控制方法不能办到的。所以理想的控制是控制pmv值。通过本章定量的分析，我们为改善教室内热舒适性提供人方法和依据。

参考文献

[1]Kaya A，Chen C.S， Raina S et al.Optimum control polices to minimize energy use in HVAC systems[J].ASHRAE Trans，1988，88（2）：235-248

[2]MacArthur J.W.Humidity and predicted-mean-vote based comfort control[J].ASHRAE Trans，1986，92（1B）：5-17

[3]Scheatzle D.G.The development of PMV-based control for a residence in a hot and arid climate[J].ASHRAE Trans 1991，97（2）：1002-1019