空調(diào)建筑和自然通風(fēng)建筑中PMV 模型熱舒適性的預(yù)測結(jié)果比較分析

劉劍釗 林 迪 張欣冉 孫皓男 王一西 董 瑩

（長春師范大學(xué)，吉林 長春130032）

1 介紹

目前，建筑物的能源優(yōu)化是一個重點研究領(lǐng)域，在建筑物的設(shè)計階段，熱舒適的標(biāo)準(zhǔn)在決定空調(diào)的負(fù)載方面起著至關(guān)重要的作用。熱舒適度被定義為一種狀態(tài)，在該狀態(tài)下，整個身體和環(huán)境的熱量交換處于平衡的狀態(tài)。國際上一般采用兩種常用的熱舒適模型，來獲取空調(diào)控溫和自然通風(fēng)建筑物中獲取熱舒適性的條件：預(yù)測平均投票（PMV）模型[1]和自適應(yīng)模型[2]。本論文的研究的目的在于找出用于自然通風(fēng)建筑和空調(diào)建筑的PMV 模型預(yù)測水平的百分比偏差，并著重研究空調(diào)控溫建筑物中PMV模型的過度預(yù)測行為。

PMV 模型被認(rèn)為是廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)模型，但其通用性已被在不同氣候區(qū)域和建筑物類型中應(yīng)用時受到了質(zhì)疑[3]。基于為驗證PMV 模型的預(yù)測結(jié)果所進行的各種現(xiàn)場研究[4,5]，在自然通風(fēng)的建筑物中引入了PMV 模型中的預(yù)期因子e。最終，在空調(diào)建筑物的PMV 模型中發(fā)現(xiàn)了許多過度預(yù)測的情況。

ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)將自適應(yīng)模型作為另一種計算自然通風(fēng)建筑物的熱舒適性的方法，該方法確定了PMV 模型的有效性。當(dāng)前的現(xiàn)場基礎(chǔ)分析（ASHRAE RP-884 數(shù)據(jù)庫）揭示出，與空調(diào)建筑物中的實際平均評價結(jié)果相比，PMV 模型的預(yù)測結(jié)果偏高，而De Dear 的自適應(yīng)模型[2]得出的結(jié)論則認(rèn)為，空調(diào)建筑物中PMV 模型的預(yù)測結(jié)果是可以接受的。

2 研究方法

2.1 ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)

美國加熱制冷和空調(diào)工程師協(xié)會（ASHRAE）標(biāo)準(zhǔn)55-2004詳細(xì)說明了如何使用Fanger 的熱平衡方程式來計算PMV，以確定方程式（1）中所示的熱舒適程度。

空調(diào)的主要目的是通過增加和減少空間中的熱量來使其中的人員產(chǎn)生溫度適中的感覺（熱舒適感）。為了提高建筑物的性能和熱舒適性標(biāo)準(zhǔn)，ASHRAE 為設(shè)計師提供了指南[6]。PMV 根據(jù)4 個可測量的量（空氣速度、空氣溫度、平均輻射溫度和相對濕度）和2 個預(yù)期參數(shù)（衣服和新陳代謝率）計算得出的，PMV 產(chǎn)生的評價結(jié)果也被視為確定熱感的指標(biāo)值如圖1 所示。

圖1 熱感覺等級（a）MCI（麥金太爾指數(shù)）；（b）ASH（ASHRAE熱感標(biāo)度）和PMV 指標(biāo)

麥金太爾指數(shù)（MCI）是3 分制的感覺量表，分為“更涼爽”、“無變化”和“更溫暖”。圖1（a）所示為”更溫暖”，而基于Fanger的熱平衡方程式，如圖1（b）所示，ASHRAE 熱感（ASH）為7 點標(biāo)度。ASH 和MCI 量表用于通過投票來確定人員樣本對環(huán)境的感覺，而PMV 模型值是通過輸入六個參數(shù)來計算的，如公式（1）所述。為了研究PMV 模型的準(zhǔn)確性，我們比較了ASH、MCI 和PMV 指標(biāo)。

2.2 熱可接受性標(biāo)準(zhǔn)

由于單獨的熱量概念，不可能滿足100%乘員的熱環(huán)境，因此ISO 7730（國際標(biāo)準(zhǔn)組織）制定了一個標(biāo)準(zhǔn)，以滿足最大數(shù)量的對象[7]。表1 中給出的A，B 和C 類描述了PMV 方程的熱感范圍。A 級代表對環(huán)境的最高滿意度，而B 級代表對熱舒適性標(biāo)準(zhǔn)的最低要求，C 級則是對檢查標(biāo)準(zhǔn)的最低要求。

表1 熱可接受性標(biāo)準(zhǔn)[7]

2.3 RP-884 數(shù)據(jù)庫

ASHRAE RP-884 在線數(shù)據(jù)庫用于確定自然通風(fēng)建筑和空調(diào)建筑物中的過低或過高的預(yù)測[8,9]。數(shù)據(jù)集被分為3 個氣候區(qū)：干熱，地中海和熱帶，以及2 個季節(jié)：冬季和夏季，以此來評估自然通風(fēng)和空調(diào)建筑，以分析不同種類的氣候區(qū)和季節(jié)的PMV 模型。

圖2 自然通風(fēng)建筑物中不同區(qū)域的PMV 與ASH 和MCI 的比較（a）干熱氣候區(qū)；（b）地中海氣候區(qū)；（c）熱帶氣候區(qū)

數(shù)據(jù)集包含39163 票，包括自然通風(fēng)建筑物的17969 票和空調(diào)建筑物的21194 票。投票包含受試者對周圍環(huán)境的感受的信息。根據(jù)這種感覺，受試者對他/她的熱感投票的投票范圍為-3 到3（如圖1 所示）。數(shù)據(jù)集還包含方程（1）中所述的六個參數(shù)的值，以計算預(yù)測平均投票（PMV）的值。

3 結(jié)果與討論

當(dāng)前的研究基于受試者給出的實際平均投票和根據(jù)Fanger方程（1）計算的預(yù)測平均投票（PMV），詳細(xì)闡述了預(yù)測水平的比較。根據(jù)溫度適中性感覺的投票計算出高于和低于預(yù)測的百分比，結(jié)合MCI 和ASH 相對于中性感覺的平均值，以找出PMV 與溫度適中性感覺的百分比偏差。

3.1 自然通風(fēng)的建筑物

PMV 與ASH 和MCI 的比較顯示在圖2（a）中，圖中反映出在干熱氣候區(qū)域的夏季，PMV 預(yù)測不足的為21%，而在冬季則為7%。圖2（b）是地中海氣候區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)果，夏季預(yù)測偏差為9%，冬季預(yù)測偏差為37%。對于熱帶氣候區(qū)，夏季時結(jié)果被低估了8%，而冬季則又高估了33%，如圖2（c）所示。在干熱氣候區(qū)域中顯示的結(jié)果則解釋了夏季高溫條件下投票感覺為1、2 和3的趨勢，冬季的結(jié)果則與夏季相反。

熱帶氣候區(qū)域具有較高的濕度水平，由于該趨勢在夏季呈熱感覺尺度的積極方面，而在冬季，對象的狀況更偏向感覺適中。溫度和濕度水平范圍不是極端條件，所以在冬季和夏季，感覺都更傾向于中性感覺。

Fanger 在溫暖的氣候條件下對PMV 模型進行了預(yù)測[8]，但在熱舒適模型中冬季的過度預(yù)測是顯而易見的。與夏季相比，冬季PMV 方程預(yù)測過高的百分比差異更為明顯。

3.2 空調(diào)建筑

空調(diào)建筑中不同區(qū)域的PMV 與ASH 和MCI 的比較如圖3所示。

圖3 空調(diào)建筑中不同區(qū)域的PMV 與ASH 和MCI 的比較（a）干熱氣候區(qū)；（b）地中海氣候區(qū)；（c）熱帶氣候區(qū)

如圖3（a）所示，夏季過高的預(yù)測比例為25%，而在冬季則為34%；如圖3（b）所示，地中海地區(qū)夏季的過高比例為30%，冬季為29%；在圖3（c）中，熱帶地區(qū)最高的夏季過高預(yù)測值為39%，冬季為37.5%。

圖2 和圖3 中顯示的百分比偏差比較，是基于PMV 模型的預(yù)測結(jié)果和通過問卷調(diào)查得出的實際投票（ASH 和MCI）的相對比較。對于空調(diào)建筑模型過高的預(yù)測是其不滿足建筑環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的主要特點。為了改善建筑環(huán)境中涉及到PMV 的預(yù)測模型，諸如代謝率和服裝因素等參數(shù)需要經(jīng)過評估以更好地反應(yīng)熱舒適性。

夏季的熱帶氣候區(qū)域?qū)嶋H熱感投票呈0，-1 和-2 趨勢，這表明對象如圖2 所示過冷。因此，這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了熱帶氣候區(qū)域能源的過度消耗。

與自然通風(fēng)的建筑物相比，空調(diào)建筑物中的過度預(yù)測的幅度更大。將來的工作中，應(yīng)采用新的系數(shù)或值，以將新陳代謝率的預(yù)期值轉(zhuǎn)換為可測量的量，從而獲得更好的PMV模型預(yù)測結(jié)果。