室內(nèi)熱濕環(huán)境對人體影響分析及營造系統(tǒng)熱學(xué)分析

1、室內(nèi)熱濕環(huán)境對人體影響分析及營造系統(tǒng)熱學(xué)分析【摘要】從生理學(xué)、心理學(xué)角度分析室內(nèi)熱濕環(huán)境參數(shù)；從熱平衡的角度引入人體熱舒適概念；提出改善室內(nèi)熱濕環(huán)境、提高人體熱舒適的措施；分析室內(nèi)熱濕環(huán)境對人體舒適性的影響和理論研究中存在的問題和不足，并提出了一些個人建議；根據(jù)室內(nèi)外溫差合理配置傳熱能力是利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱的關(guān)鍵；室溫與熱源或熱匯的溫差驅(qū)動空調(diào)系統(tǒng)的熱量傳遞，選取熱源或熱匯時在滿足熱量傳遞需求的基礎(chǔ)上減少各環(huán)節(jié)的溫差消耗是降低系統(tǒng)能耗的問題所在；通過分析各環(huán)節(jié)溫差消耗的影響因素，得到了降低溫差消耗的可能途徑；討論了濕度傳遞驅(qū)動力（濕度差）與熱量傳遞驅(qū)動力（溫差）之間的相互轉(zhuǎn)換。【關(guān)鍵詞】熱濕環(huán)境

2、；熱舒適；影響；熱濕環(huán)境營造；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；空調(diào)系統(tǒng)；溫差；降低能耗前言：人的一生中大部分時間都在室內(nèi)度過，因此良好的室內(nèi)環(huán)境對人的健康至關(guān)重要。隨著社會生產(chǎn)力的飛速發(fā)展，工業(yè)化現(xiàn)代化程度不斷擴(kuò)大，人民生活水平日益提高，人們對室內(nèi)熱濕環(huán)境的要求也越來越強(qiáng)烈，畢竟熱濕環(huán)境對人體的健康、工作學(xué)習(xí)效率等等都具有顯著影響，因此有必要針對具體建筑或人工氣候室就室內(nèi)熱濕環(huán)境對人體舒適性的影響進(jìn)行研究。一、室內(nèi)熱濕環(huán)境對人體舒適性的影響分析1、室內(nèi)熱濕環(huán)境和熱舒適分析（1）室內(nèi)熱濕環(huán)境室內(nèi)熱濕環(huán)境（也稱室內(nèi)氣候）由室內(nèi)空氣溫度、濕度、風(fēng)速和室內(nèi)熱輻射四要素綜合形成，以人的熱舒適程度作為評價標(biāo)準(zhǔn)。室內(nèi)熱濕環(huán)境質(zhì)量

3、的高低對人們的身體健康、生活水平、工作學(xué)習(xí)效率將產(chǎn)生重大影響。研究室內(nèi)熱濕環(huán)境旨在創(chuàng)造健康舒適的室內(nèi)熱濕環(huán)境，以保證人的正常生活和工作，維護(hù)人體的健康。影響室內(nèi)熱濕環(huán)境的因素包括室內(nèi)外熱濕作用、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能以及暖通空調(diào)設(shè)備措施等等。室內(nèi)氣溫是表征室內(nèi)熱環(huán)境的主要指標(biāo)，它的高低影響人的冷熱感。根據(jù)調(diào)查研究表明1：空氣溫度在25c左右時，腦力勞動的工作效率最高；低于18c或高于28C,工作效率急劇下降。如以25c時的工作效率為100%,則35c時只有50%,10c時只有30%。衛(wèi)生學(xué)將12C作為建筑熱環(huán)境的下限?？諝鉂穸戎苯佑绊懭梭w皮膚表面的蒸發(fā)散熱，從而影響人體的舒適感。濕度過低，人體皮

4、膚因缺少水分而變得粗糙甚至開裂，人體的免疫系統(tǒng)也會受到傷害導(dǎo)致對疾病的抵抗力大大降低甚至喪失。室內(nèi)濕度過高，不僅影響人體的舒適感，還為室內(nèi)環(huán)境中的細(xì)菌、霉菌及其他微生物創(chuàng)造了良好的生長繁殖條件，加劇室內(nèi)微生物的污染，這些微生物容易導(dǎo)致患上呼吸道或消化道疾病。室內(nèi)空氣的流動影響人體的對流換熱和蒸發(fā)換熱，同時也促進(jìn)室內(nèi)空氣的更新。當(dāng)室內(nèi)空氣流動性較低時，室內(nèi)環(huán)境中的空氣得不到有效的通風(fēng)換氣，各種有害化學(xué)物質(zhì)不能及時排到室外，造成室內(nèi)空氣質(zhì)量惡化。而且，由于室內(nèi)氣流小，人們在室內(nèi)生活中所排出的各種微生物相對聚集于空氣中或在某些角落大量增生，致使室內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)一步惡化?；瘜W(xué)性污染物和有害微生物共同作用

5、，將損害人體健康。風(fēng)速大有利于人體散熱、散濕，提高熱舒適度。但風(fēng)速過大，也會有損健康，特別是在睡眠時，容易導(dǎo)致感冒。室內(nèi)熱輻射的強(qiáng)弱通常用“平均輻射溫度Tmrt”表示，即室內(nèi)對人體輻射熱交換有影響的各表面溫度的平均值。平均輻射溫度是一個相當(dāng)復(fù)雜的概念，雖然這是一個描述環(huán)境特性的參數(shù)，卻又與人在室內(nèi)所處的位置、著裝及姿態(tài)有關(guān)。在工程實際中，平均輻射溫度可用下式2計算：+4+4+4其中1T、1T、nLt是各表面溫度，1A、2a、nLa為各表面面積。若建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫度過低或過高，將對人體產(chǎn)生冷、熱輻射，使人感覺不適，因此可以通過改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能來提高熱舒適水平。(2)人體熱舒適所謂人體

6、熱舒適，指人體對熱濕環(huán)境感到滿意的主客觀評價。隨著人民生活水平的日益提高，如何創(chuàng)造舒適的室內(nèi)熱濕環(huán)境越來越受到人們的重視。近年來由于各種新型建筑方案的采用，出現(xiàn)了人的熱感覺與對房間微氣候的傳統(tǒng)要求不相適應(yīng)的情形，從而使得人們對人體舒適性方面的研究更為深入。人的熱舒適感主要建立在人和周圍環(huán)境正常的熱交換上，以人體熱平衡為前提，并且要求人體皮膚表面溫度ts和皮膚表面汗液蒸發(fā)熱損失Esw在一定的范圍內(nèi)。為了保持體溫恒定，人體內(nèi)部產(chǎn)熱量必須等于向外散失的熱量，通過人體體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)平衡。人體和外界環(huán)境之間的熱平衡關(guān)系式為H-Ed-Esw-Ere-L=R+C其中H為人體內(nèi)部產(chǎn)熱量(W/m2),Ed

7、為人體皮膚呼吸熱損失(W/m2),Esw為皮膚表面汗液蒸發(fā)熱損失(W/m2),Ere為呼吸潛熱熱損失(W/m2),L為呼吸顯熱熱損失(W/m2),R為通過人體著裝外表的輻射熱損失(W/m2),C為通過人體著裝外表的對流熱損失(W/m2)。目前國際上用于評價人體熱舒適的指標(biāo)有Fanger教授的PMV-PPD指標(biāo)、ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET、PD(predicteddissatisfiedduetodraft)、Winslow的DISC指標(biāo)。(3)室內(nèi)熱濕環(huán)境對人體舒適性的影響影響人體熱舒適感覺的因素有空氣溫度、相對濕度，空氣流速、平均輻射溫度、人的新陳代謝率和衣服熱阻，前四個因素為室內(nèi)物理因

8、素，后兩個因素為個人因素。前四要素對人體的熱平衡產(chǎn)生影響且在各要素間很大程度上是可以互換的，某一要素的變化所造成的影響常?？梢詾榱硪灰叵鄳?yīng)的變化所補(bǔ)償。人體產(chǎn)熱量是不可控制的，但是人體散熱量受到上述六個因素的共同影響，其中最主要的是溫度變量，因此熱舒適性研究的主要工作是確定熱舒適溫度變量。人體熱平衡一旦被打破，人體的體溫調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)便開始起作用。人的體溫調(diào)節(jié)根據(jù)其機(jī)制可以分為生理性體溫調(diào)節(jié)(physiologicaltemperatureregulation)和行為性體溫調(diào)節(jié)(behaviortemperatureregulation)兩大類，調(diào)節(jié)過程如圖4所示。生理性體溫調(diào)節(jié)即通過體內(nèi)體溫調(diào)節(jié)

9、系統(tǒng)使體溫保持在相對穩(wěn)定狀態(tài)；行為性體溫調(diào)節(jié)即通過體外調(diào)節(jié)以改變換熱系數(shù)，如穿衣或有目的地利用外界能量以減輕外界環(huán)境溫度對機(jī)體的生理熱應(yīng)激(physiologicalheatstrain)作用，從而使體溫保持在正常范圍以內(nèi)。當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度較高時，由散熱中樞發(fā)出指令，汗腺分泌、血管擴(kuò)張、增大呼吸量以增強(qiáng)散熱；當(dāng)溫度較低時，人體的發(fā)熱中樞發(fā)出指令，肌肉收縮、血管收縮、減小呼吸量以減少散熱。體溫調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度越大，人體感覺不舒適的程度越高。在一定的活動強(qiáng)度下，人的熱感覺與人體熱負(fù)荷(即人體的蓄熱量)的大小有關(guān)?？諝鉂穸仁怯绊懭梭w熱舒適的又一重要因素。室內(nèi)濕度過大時，人體皮膚周圍的水蒸汽分壓力比較大，

10、從而抑制了汗液的分泌，導(dǎo)致人體內(nèi)部熱量不能及時散發(fā)出去，從而引起人體的不舒適。濕度很小時人體皮膚變得粗糙干裂，也使人感覺不舒適。文獻(xiàn)6指出室內(nèi)空氣相對濕度大于70%時室內(nèi)人員能夠感受到空氣濕度的變化，這與室內(nèi)空氣相對濕度小于70%時明顯不同。其原因主要是濕度的變化引起人體散熱分布的不同，進(jìn)而使熱舒適感覺有差異。而且濕度增大時人體表面汗液增多，服裝和皮膚的摩擦增大，也致使舒適感覺在不同濕度下有所差異。濕度的增加，對熱舒適有兩方面的作用：一是阻礙了人體有效的散熱；二是消弱了吹風(fēng)引起的不適感。室內(nèi)氣流也是影響人體熱舒適的重要因素。室內(nèi)氣流會對人體產(chǎn)生兩大作用：一是增強(qiáng)了人體與周圍環(huán)境之間的換熱；二是

11、風(fēng)速的加大可能會產(chǎn)生吹風(fēng)感。這兩種作用共同影響人體的熱舒適感覺。文獻(xiàn)6指出，室內(nèi)空氣溫度越低，空氣相對濕度越低，越容易產(chǎn)生吹風(fēng)感，而且吹風(fēng)感越強(qiáng)烈?？諝饬魉傩?，空氣就顯得比較沉悶，人體皮膚感受器接受刺激并把此信息反饋到大腦產(chǎn)生認(rèn)識得出結(jié)論一一不舒適。I*接減溫度r核心溫度r度蝴度體溫調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)示意圖(4)改善室內(nèi)熱濕環(huán)境、提高人體熱舒適的措施要使人們真正處于舒適的室內(nèi)環(huán)境中，應(yīng)使人體按正常比例散熱，即輻射散熱應(yīng)占總?cè)梭w散熱量的45%-50%,對流散熱約占25%-30%,而呼吸和無感覺蒸發(fā)散熱約占25%-30%。這就要求在設(shè)計過程中充分重視室內(nèi)空間質(zhì)量和功能分區(qū)問題，注意室內(nèi)的防熱處理，充分利

12、用有利的環(huán)境因素而防止不利的環(huán)境因素，創(chuàng)造舒適的室內(nèi)熱濕環(huán)境。防熱途徑有室內(nèi)外環(huán)境綠化、窗戶遮陽(內(nèi)、外遮陽)、自然通風(fēng)和外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱等防熱措施。個體可通過改變著衣量，開關(guān)窗戶，啟停室內(nèi)空調(diào)采暖設(shè)備及改變溫度、風(fēng)速等個人行為調(diào)節(jié)(behavioraladjustment)措施來改變環(huán)境舒適度及個人熱舒適感；個體還可從生理上和心理上適應(yīng)某一熱濕環(huán)境，生理適應(yīng)7(physiologicaladaptation)指長期暴露在熱環(huán)境中人體熱應(yīng)力的逐漸減小的一種生理反應(yīng)，它包括基因適應(yīng)性和環(huán)境適應(yīng)性；心理適應(yīng)(psychologicaladaptation)指根據(jù)過去的經(jīng)歷和期望適時改變現(xiàn)在的熱環(huán)境

13、期望值。對理論上未達(dá)到舒適標(biāo)準(zhǔn)的某一熱濕環(huán)境，個體換一種心態(tài)去評價和感受也許會覺得舒適?？照{(diào)設(shè)計專家們應(yīng)高度重視室內(nèi)氣流組織，積極采納各種新型空調(diào)方案，例如：置換式空調(diào)、工位調(diào)節(jié)、背景空調(diào)與桌面空調(diào)相結(jié)合、椅下低速送風(fēng)及地板送風(fēng)等等，當(dāng)然某些空調(diào)方案只適合于特定的建筑類型和房間功能，設(shè)計師們應(yīng)慎重選用。高層建筑物業(yè)管理人員應(yīng)積極配合空調(diào)專家定量評價室內(nèi)氣流組織優(yōu)劣，進(jìn)一步對空調(diào)系統(tǒng)作出總體評價，并適時調(diào)查用戶室內(nèi)熱濕環(huán)境和熱舒適性情況，為今后空調(diào)設(shè)計的改進(jìn)和優(yōu)化提供參考。2、研究存在的問題及其分析國內(nèi)外關(guān)于熱濕環(huán)境對人體舒適性的影響研究非常之多，涉及的方向和內(nèi)容比較廣，但還是存在一些問題和不足

14、，具體體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：(1)熱濕環(huán)境的各影響因素對人體的影響是復(fù)合的，而各因素之間又是互相影響的，因此，我們應(yīng)該把熱濕環(huán)境看作一個整體，綜合考慮各因素對人體的影響。然而，熱濕環(huán)境和人體熱舒適的現(xiàn)狀研究很多是集中在單一因素或兩三個因素對人體的熱舒適影響而沒有得出綜合考慮所有因素的影響結(jié)果。(2)目前的熱濕環(huán)境對人體熱舒適性影響研究主要偏重于物理環(huán)境測試分析，而沒有考慮人的心理、生理影響，綜合考慮主客觀因素。我們今后應(yīng)側(cè)重于熱濕環(huán)境對人的心理、生理影響的研究，采取物理測試和問卷調(diào)查兩種試驗方法對室內(nèi)熱濕環(huán)境進(jìn)行考察和分析。(3)通過調(diào)查，目前室內(nèi)熱濕環(huán)境相對惡劣的建筑為大型超市、商場、影劇院、體育

15、館等，其原因是以上建筑空間大，人員密度大加上室內(nèi)空氣流通性不好，導(dǎo)致室內(nèi)空氣污濁沉悶，易引起人的抱怨。所以，以后我們應(yīng)著重進(jìn)行以上建筑的熱濕環(huán)境對人體舒適性的影響研究，提出一些具有借鑒意義的方案和標(biāo)準(zhǔn)，以供建筑師、暖通空調(diào)工程師參考。(4)國內(nèi)氣候比較特殊的地區(qū)(如夏熱冬冷地區(qū)、濕熱地區(qū))的室內(nèi)熱濕環(huán)境對人體舒適性的影響尚無人研究。筆者依托重慶地區(qū)所特有的氣候和重慶大學(xué)B區(qū)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院優(yōu)越的實驗條件以及一支團(tuán)結(jié)奮進(jìn)的科研隊伍，正在開展重慶地區(qū)的建筑熱濕環(huán)境的舒適性研究，希望能提出針對濕熱地區(qū)的舒適性指標(biāo)。(5)建筑能耗的一大部分是用來維持室內(nèi)熱濕環(huán)境狀況，因此，為了獲得人體可以接受的

16、舒適熱濕環(huán)境，可接受狀態(tài)的定義在決定建筑能耗和設(shè)計方案選擇方面顯得極其重要，而且各典型氣候地區(qū)的舒適性標(biāo)準(zhǔn)又不盡相同，我們應(yīng)加以區(qū)分，并形成標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。(6)室內(nèi)熱濕環(huán)境包括建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境和交通工具(如汽車、火車、飛機(jī)、輪船等)的內(nèi)部熱濕環(huán)境。目前的研究很少涉及到交通工具的室內(nèi)熱濕環(huán)境方向。實際上交通工具由于室內(nèi)人員密度大，外圍環(huán)境差等原因，其內(nèi)部熱濕環(huán)境極其惡劣，我們應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究及探討，得出一些建設(shè)性結(jié)論以供暖通空調(diào)設(shè)計師們借鑒，并為空調(diào)系統(tǒng)的操作提供指導(dǎo)。(7)如今的熱濕環(huán)境對人體舒適性影響方面的研究都不夠深入，真正轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力的科學(xué)研究并不多，所以，各研究院所和機(jī)構(gòu)、各高校的

17、專家學(xué)者應(yīng)選準(zhǔn)方向，深入研究，直到項目研究成果真正轉(zhuǎn)化為影響社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生產(chǎn)力為止。3、室內(nèi)熱濕對人體熱舒適影響個人結(jié)論調(diào)節(jié)室內(nèi)熱濕環(huán)境可采用空調(diào)、供暖設(shè)備及一些輔助措施，如環(huán)境綠化、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫、窗戶內(nèi)外遮陽、水幕玻璃外窗、房間進(jìn)出口安裝空氣幕設(shè)施，等等。從節(jié)能的角度考慮，應(yīng)盡量提高夏季空調(diào)溫度，降低冬季供暖溫度，但會造成室內(nèi)熱濕環(huán)境質(zhì)量變差，容易引起室內(nèi)人員的抱怨，人體的熱舒適得不到保證，導(dǎo)致生活質(zhì)量下降、工作(學(xué)習(xí))效率降低。隨著人們生活水平的提高，人們對其生活、工作環(huán)境的要求有所改變，加之個體的生理、心理差異性，采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范(GBJ19-87)中的各項標(biāo)準(zhǔn)是否仍滿足人

18、們的舒適要求，是否是最節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)，這有待我們進(jìn)一步研究商榷。因此，我們應(yīng)該綜合室內(nèi)熱濕環(huán)境質(zhì)量和節(jié)能兩方面，主客觀全面兼顧，試驗研究測試和現(xiàn)場問卷調(diào)查兩種手段相結(jié)合，得出一套可供借鑒和參考的熱濕環(huán)境能滿足人體舒適性要求且耗能最低的空調(diào)、采暖標(biāo)準(zhǔn)。除了散從散熱分析來看，出汗調(diào)節(jié)熱損失和呼吸熱損失是影響熱舒適的兩個重要因素。熱損失影響熱舒適外，吹風(fēng)引起的不舒適感也不可忽略。個體對熱濕環(huán)境存在一定的適應(yīng)性，長期呆在同一熱濕環(huán)境里，個體通過行為調(diào)節(jié)、生理適應(yīng)和心理適應(yīng)對這一環(huán)境產(chǎn)生一定的適應(yīng)性，不舒適感也會大大降低。目前國內(nèi)外關(guān)于室內(nèi)熱濕環(huán)境對人體熱舒適的影響的研究存在著一些問題和不足，望引起各位專家

19、學(xué)者的重視。二、室內(nèi)熱濕環(huán)境營造系統(tǒng)的熱學(xué)分析框架1、對室內(nèi)熱濕環(huán)境營造系統(tǒng)的基本認(rèn)識以營造室內(nèi)溫度環(huán)境為例，傳統(tǒng)的認(rèn)識是：為了維持室內(nèi)溫度，需要在冬季向室內(nèi)提供熱量，夏季向室內(nèi)提供冷量，這些冷量、熱量由此時室內(nèi)的冷熱負(fù)荷決定。改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫，有可能減少室內(nèi)冷熱負(fù)荷，所以可減少需要向室內(nèi)提供的冷量和熱量。根據(jù)這樣的理解，定了冷熱負(fù)荷后，配置相應(yīng)的供暖和空調(diào)系統(tǒng)，使其能夠向室內(nèi)提供所需要的冷量、熱量，就完全可以滿足維持室內(nèi)溫度的目標(biāo)。改變觀察問題的角度，從能源使用的角度，而不再是從熱量或冷量的角度來看室內(nèi)溫度維持的過程，可以得到如下的不同認(rèn)識：將圍護(hù)結(jié)構(gòu)視為被動的傳輸過程，僅分析室內(nèi)各種熱源（

20、人員、設(shè)備、燈光以及透過窗戶的太陽輻射等）的熱量釋放過程，這些室內(nèi)熱源均是向室內(nèi)釋放熱量，要維持室內(nèi)溫度狀態(tài)則需要持續(xù)地排除這些熱量。可以通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)（包括傳熱和滲風(fēng)）被動地向室外排除這些熱量；當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)不能排除全部熱量時，需要采用由空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成的主動系統(tǒng)排除多余的熱量；當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)被動地過量排除了熱量時，則需要通過空調(diào)或供暖這些主動系統(tǒng)補(bǔ)償這部分多排出的熱量。為什么把熱環(huán)境的營造理解為排除熱量的過程而不是提供熱量的過程？這是因為室內(nèi)不斷產(chǎn)生熱量這一特點(diǎn)是絕對的，只要室內(nèi)有人、有設(shè)備，就一定產(chǎn)生熱量，無論在何處。而室內(nèi)需要熱量則是相對的，只有當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)過量散失了熱量時，才需要主動式系統(tǒng)適量補(bǔ)充熱

21、量。并且為了維持室內(nèi)熱環(huán)境所要排除的熱量主要是從室內(nèi)不同位置分別釋放出來的即使在炎熱地區(qū)，通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)從室外空氣傳入室內(nèi)的熱量也僅占所要排除熱量的小部分；而當(dāng)需要向室內(nèi)補(bǔ)充熱量時，熱量的散失則全部是通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行（滲透風(fēng)亦可歸入圍護(hù)結(jié)構(gòu)），二者的特點(diǎn)完全不同。圍護(hù)結(jié)構(gòu)只能把室內(nèi)的熱量排除到室外，驅(qū)動力是室內(nèi)外溫差。從要求的室內(nèi)溫度出發(fā)考察室內(nèi)外溫差的變化，可知一般情況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)被動傳熱的驅(qū)動力（溫差）在一年內(nèi)變化會很大。如果圍護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合傳熱熱阻僅能在小范圍內(nèi)變化，而室內(nèi)熱源全年變化范圍也很小，則僅依靠圍護(hù)結(jié)構(gòu)很難準(zhǔn)確地滿足排除熱量的要求，為了維持要求的室內(nèi)溫度狀態(tài)，就需要依靠主動式系統(tǒng)，也

22、就是供暖和空調(diào)系統(tǒng)。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)過量排熱時（冬季室內(nèi)外驅(qū)動溫差很大），就需要主動式系統(tǒng)補(bǔ)充散失的熱量；當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)排熱量不足時，則需要主動式系統(tǒng)排除剩余的熱量。這就是為什么需要作為主動調(diào)控系統(tǒng)的供暖空調(diào)系統(tǒng)的原因。供暖空調(diào)系統(tǒng)的任務(wù)就是通過室內(nèi)與某個或多個熱源或熱匯之間的熱量傳遞來維持室內(nèi)適宜的空氣參數(shù)。作為系統(tǒng)的熱源或熱匯，可以選擇室外空氣，也可以選擇不同于室外溫度的其他熱源、熱匯，例如地下土壤、地下水、地表水、各種工業(yè)過程排出的余熱、以及鍋爐燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)崃?。與圍護(hù)結(jié)構(gòu)一樣，驅(qū)動空調(diào)供暖系統(tǒng)實現(xiàn)熱量傳遞的也是室溫與熱源或熱匯溫度間的溫差。在不同需求情況下選擇不同的熱源或熱匯就可能獲得不同的驅(qū)

23、動溫差。這個驅(qū)動溫差應(yīng)克服系統(tǒng)的熱量傳遞阻力，實現(xiàn)要求的熱量傳遞。當(dāng)需要傳遞的熱量過大、溫差不足、甚至驅(qū)動溫差與要求的熱量傳遞方向不一致時，就需要通過熱泵來增加驅(qū)動溫差。熱泵的功能實際就是通過做功增加系統(tǒng)的驅(qū)動溫差甚至改變驅(qū)動溫差的方向。圍護(hù)結(jié)構(gòu)很難改變熱量傳遞能力，不易適應(yīng)大幅度變化的驅(qū)動溫差和基本不變的排熱量需求之間的矛盾；主動系統(tǒng)則可以通過改變驅(qū)動溫差和系統(tǒng)的傳熱能力來適應(yīng)和解決這一矛盾，從而在室外溫度大幅度變化的情況下有效地維持室內(nèi)要求的溫度狀態(tài)。以上是從熱量傳遞的角度重新考察維持室內(nèi)溫度狀態(tài)的過程。同樣可以這樣來認(rèn)識維持室內(nèi)濕度狀態(tài)，也就是維持室內(nèi)空氣含濕量d的過程。室內(nèi)存在一些不斷

24、釋放水蒸氣的濕源（例如人體、花草、敞開的水表面等），要維持室內(nèi)的濕度狀態(tài)就需要持續(xù)地從室內(nèi)排除這些水蒸氣。對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔濕做得比較好的建筑，所謂圍護(hù)結(jié)構(gòu)的排濕主要是通過室內(nèi)外滲風(fēng)和自然通風(fēng)實現(xiàn)。當(dāng)不能滿足排濕要求或過量排濕時，也需要作為主動系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)來補(bǔ)充。這樣，分析和研究室內(nèi)熱濕環(huán)境營造過程就成為如下幾個基本問題：1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)傳熱傳濕的特點(diǎn)。如何改進(jìn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能使得可以較少地依賴空調(diào)供暖系統(tǒng)就可以營造要求的室內(nèi)熱濕環(huán)境？2）可作為空調(diào)供暖系統(tǒng)的各類熱源、熱匯的特點(diǎn)。怎樣選擇適宜的熱匯和熱源？3）空調(diào)供暖系統(tǒng)輸送熱量性能的研究。怎樣在滿足熱量傳遞需求的基礎(chǔ)上使其消耗最少的常規(guī)能源？4

25、）系統(tǒng)中水蒸氣的傳遞。水蒸氣傳遞驅(qū)動力（濕度差）的形成，與熱量傳遞驅(qū)動力（溫差）之間的相互轉(zhuǎn)換。以下分別對這些問題進(jìn)行初步討論。2、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成被動地進(jìn)行室內(nèi)外傳熱的通道，其傳熱包括外墻、外窗、屋頂和地面組成的通過導(dǎo)熱和表面換熱實現(xiàn)的室內(nèi)外空氣間的熱量傳遞，還包括伴隨由縫隙滲風(fēng)和開窗自然通風(fēng)形成室內(nèi)外通風(fēng)換氣所導(dǎo)致的熱量傳遞。如果墻、窗、屋頂、地面等構(gòu)成的綜合傳熱能力為UA（單位W/K）,室內(nèi)外空氣交換量為GQ）（單位W/K）,當(dāng)不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱慣性時，可以得到：Qn=（UA+Gcp）（Tr-T0）（1）式中Qn為通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)向室外排除的熱量；Tr,T0分別為室內(nèi)溫度和室外溫

26、度（即熱匯溫度）;（Tr-T0）為驅(qū)動熱量傳遞的驅(qū)動溫差。圖1為哈爾濱、北京和廣州三地室內(nèi)溫度根據(jù)室外狀況設(shè)置為在1828+范圍內(nèi)變化，考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱慣性，室外可取每天的日平均溫度，得到全年的驅(qū)動溫差（Tr-T0）的變化情況。可以看到，三地全年的驅(qū)動溫差都在很大范圍內(nèi)變化，除哈爾濱全年基本上都是正向外，另外兩地驅(qū)動溫差的方向在夏季還有所不同。如果要求室內(nèi)排除的熱量（主要是人員和設(shè)備的散熱、透過外窗的太陽輻射，其變化與外溫變化基本無關(guān)，而主要是由房間的使用方式和太陽輻射狀況決定）變化不大，則只有通過改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱能力（UA+Gcp）來使其傳熱量與要求排除的熱量匹配。一般情況下，UA很難變化

27、，如果門窗不能開啟，Gcp僅是由圍護(hù)結(jié)構(gòu)的滲透漏風(fēng)構(gòu)成，則它的變化主要由室內(nèi)外空氣流動形成的風(fēng)壓決定，也變化不大。這樣，依靠圍護(hù)Z構(gòu)傳熱，就很難在全年各個季節(jié)都擔(dān)當(dāng)起準(zhǔn)確地排除熱量的任務(wù)，彌補(bǔ)冬季的過量排熱和/或夏季的排熱不足，只能通過消耗能源由主動式系統(tǒng)來解決。目前所提倡的建筑保溫，實際就是減小綜合傳熱系數(shù)U。當(dāng)外窗不能開啟，建筑沒有有效的自然通風(fēng)手段時，Gcp基本為常數(shù)。這時改善保溫可以降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱能力（UA+Gcp）,減少在室內(nèi)外溫差很大時的過量排熱，從而減少甚至避免冬季通過空調(diào)供暖。但這樣做在驅(qū)動溫差（Tr-To）變小時，就不能有效地排除室內(nèi)熱量，從而需要空調(diào)制冷系統(tǒng)排除剩余的熱

28、量，也會造成較大的能源消耗。所以，在這種情況下就有合理配置圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫水平的問題。EH二二一苫一巴皿6三胃H湖nt一>R日期b北京注：當(dāng)室外日平均溫度低于七時，空內(nèi)按1K七計算.甥室外日平均溫度高于2%t時.室內(nèi)按28七計算；當(dāng)空外曰平均溫度在£到2gC之同時，堂內(nèi)分別按但C和2RC與富外平均溫度相減，得陰-可能區(qū)域圖1室內(nèi)溫度在18+和28+時全年室內(nèi)外驅(qū)動溫差(Tr-T0)改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能，降低對空調(diào)供暖系統(tǒng)的依賴，重要的途徑是使其綜合傳熱能力能夠根據(jù)需求變化，這樣可以根據(jù)需要排除室內(nèi)熱量，根據(jù)可利用的驅(qū)動溫差狀況調(diào)節(jié)通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量，使其在盡可能多的時間段內(nèi)恰當(dāng)?shù)赝瓿?/p>

29、排除熱量的任務(wù)，而不再需要消耗能源的主動式空調(diào)供暖系統(tǒng)。如圖1所示，如果綜合熱阻1/(UA+Gcp)能夠在驅(qū)動溫差最大時(最冷的冬季)恰好排除室內(nèi)熱源的熱量，同時綜合熱阻1/(UA+Gcp)的相對變化范圍能夠達(dá)到圖中要求的范圍時，在哈爾濱就可以完全省去空調(diào)供暖系統(tǒng)，實現(xiàn)零能耗；在北京、廣州也僅是最熱的一段時間當(dāng)室外溫度高于室內(nèi)要求的溫度，驅(qū)動溫差與排熱要求反向時，才需要開啟空調(diào)。最簡單的改變(UA+Gcp)的方法就是改變通風(fēng)量。通過合理的開窗方式實現(xiàn)足夠的自然通風(fēng)，可以使綜合熱阻1/(UA+Gcp)足夠小，而關(guān)閉外窗后又能使得熱阻1/(UA+Gcp)足夠大，從而滿足在冬季室內(nèi)外出現(xiàn)最大溫差時的

30、保溫要求。實際上為了滿足室內(nèi)空氣質(zhì)量的要求，維持室內(nèi)足夠的新風(fēng)換氣量，不能任意減小Gcp。通過排風(fēng)熱回收裝置回收排風(fēng)中的熱量可以使等效的通風(fēng)換氣量小于實際的新風(fēng)量，從而在滿足室內(nèi)新風(fēng)需求的條件下進(jìn)一步降低等效熱阻1/(UA+Gcp)。而對1/(UA+Gcp)最小值的要求又取決于有效的室內(nèi)熱源發(fā)熱量與最大的驅(qū)動溫差之比。文獻(xiàn)13對圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱性能、通風(fēng)換氣的可調(diào)性，及室內(nèi)發(fā)熱量之間的關(guān)系有詳盡的分析。3、空調(diào)供熱系統(tǒng)輸送熱量的性能當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)無法在要求的范圍內(nèi)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)其傳熱能力，造成過量排熱和由于驅(qū)動溫差不足而不能滿足排熱要求時，就要使用主動式空調(diào)系統(tǒng)排除剩余的熱量或補(bǔ)充不足的熱量?？照{(diào)供熱系統(tǒng)實

31、現(xiàn)排熱或補(bǔ)充熱量的動力是室溫與作為熱源或熱匯間的溫差。這時作為排熱和取熱的熱源和熱匯不再局限于室外空氣，而可以是任何可能提供熱量或接收熱量的自然界環(huán)境。不同的熱源和熱匯形式的溫度不同，其系統(tǒng)形式和能源利用效率大不相同。此時空調(diào)系統(tǒng)的任務(wù)就是在驅(qū)動溫差(Tr-T0)的作用下把要求的熱量Qac#除，Qac等于室內(nèi)需要排出的熱量-通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的排熱量Qen圖2是這種情況下可能的一種系統(tǒng)形式。風(fēng)機(jī)AB把熱量傳遞到循環(huán)水；循環(huán)水泵C使水在系統(tǒng)中循環(huán)，B,D之間的熱量輸送；D使熱量從水側(cè)傳遞到室外空氣側(cè)；風(fēng)機(jī)E則使室外空氣經(jīng)過換熱器D進(jìn)行換熱最終將熱量排除到室外。這一系列的熱量傳輸過程都是由室內(nèi)外溫差(T

32、r-T0)所驅(qū)動，它被分別消耗在如下4個環(huán)節(jié)中：A室內(nèi)風(fēng)機(jī)R室內(nèi)惻空氣-水換蒸據(jù)（水泉tr室外僻空X-水扳熱附E室外例風(fēng)帆兀富內(nèi)回風(fēng)溫度“室內(nèi)送聞濕度北室外溫度幾室外排尺溫度7,口進(jìn)水溫度kB迸水溫度圖2空氣水換熱器系統(tǒng)形式及溫差1）室內(nèi)空氣循環(huán)溫差：Tr-Trs,該溫差等于Qac/（Grcp）,其中Gr為室內(nèi)側(cè)空氣質(zhì)量流量。2） B的溫差：空氣的進(jìn)口側(cè)為Tr-Twr,空氣的出口側(cè)為Trs-Tws。室內(nèi)換熱器B的傳熱量Qac見下式，其中Gw為循環(huán)水流量。3） D的溫差：一側(cè)為Twr-T0s,一側(cè)為Tws-T0,室外換熱器D的傳熱量Qac為4)4）室外空氣循環(huán)溫差：T0s-T0,該溫差等于Qac

33、/（G0cp）,氣質(zhì)量流量。這樣，驅(qū)動溫差（Tr-T0）的計算見式（4）。其中G0為室外側(cè)空式中B1為使用一側(cè)溫差定義換熱系數(shù)時對傳熱系數(shù)UAB的修正系數(shù)，它由兩側(cè)流體的流量比決定，當(dāng)Grcp=Gwcw時為1;同樣，C1,C2,C2為對另一個空氣-水換熱器和使用另一側(cè)溫差時對相應(yīng)的傳熱系數(shù)的修正系數(shù)，該系數(shù)在換熱兩側(cè)流體熱容量相同時為1,其他情況下均大于1。由此可見系統(tǒng)的驅(qū)動溫差（Tr-T0）是被各熱量輸送環(huán)節(jié)所消耗，其消耗量又取決于各環(huán)節(jié)換熱器換熱能力和兩側(cè)熱媒的循環(huán)流量。加大換熱器換熱能力UA并盡可能使兩側(cè)熱媒熱容量相等（可以稱之為流量匹配）,可以減少溫差的消耗，但需要增加換熱器初投資并增

34、加裝置體積；增加兩側(cè)空氣循環(huán)量G0和Gr也可以減少溫差的消耗，但需要同時增加循環(huán)水的循環(huán)流量以維持流量匹配，避免換熱器兩側(cè)流量差別太大導(dǎo)致c的增加和由此造成換熱溫差的增大。但空氣循環(huán)量和水循環(huán)量的增加又要引起風(fēng)機(jī)和水泵能耗的增加。當(dāng)總的驅(qū)動溫差(Tr-T0)不夠大或者驅(qū)動溫差傳遞方向與Qac要求傳遞方向相反，無法滿足各個環(huán)節(jié)為了傳輸熱量所消耗的溫差時，就要在回路中增加熱泵，如圖3所示,由熱泵把功轉(zhuǎn)換為溫差，A室內(nèi)風(fēng)機(jī)B蒸發(fā)耦C壓縮機(jī)0冷凝料E室外制風(fēng)機(jī)F膨脹憫力室內(nèi)回收溫度器.室內(nèi)送回溫度弗室外溫度私室外推風(fēng)溫度蠢發(fā)溫度及冷減溫度圖3熱泵系統(tǒng)形式及溫差增大總的驅(qū)動溫差，從而克服各環(huán)節(jié)的溫差消耗

35、，實現(xiàn)所要求的熱量輸送。按照圖3,由于熱泵的作用，此時循環(huán)水在室外側(cè)的換熱對象已不再是室外循環(huán)空氣，而成為熱泵蒸發(fā)器內(nèi)的工質(zhì)。換熱對象的溫度從T0和T0s變?yōu)檎舭l(fā)溫度Te;室外空氣的換熱對象也不再是循環(huán)水,而成為冷凝器內(nèi)的工質(zhì),換熱對象白勺溫度從Tws與Twr變?yōu)槔淠郎囟萒c。熱泵環(huán)節(jié)沒有消耗溫差，而是通過做功增加了溫差(Tc-Te),從而解決了驅(qū)動溫度不夠的問題，實現(xiàn)了空調(diào)系統(tǒng)熱量輸送的任務(wù)。此時熱泵投入的功W為Q日尸COP(5)COP卞諾=式中4P為熱泵的熱力學(xué)效率主要由熱泵性能決定而基本不隨熱泵工作溫度狀態(tài)決定。這樣，熱泵投入的功與傳輸?shù)臒崃縌ac成正比，與提供的溫差(Tc-Te)成正比

36、。由此可見，對空調(diào)系統(tǒng)來說，其任務(wù)是完成熱量輸送，當(dāng)熱匯與室溫之間可提供的驅(qū)動溫差足以實現(xiàn)這一熱量輸送任務(wù)時，問題是怎樣調(diào)節(jié)這一系統(tǒng)使其較準(zhǔn)確地實現(xiàn)熱量的輸送，而當(dāng)免費(fèi)的驅(qū)動溫差不足以實現(xiàn)熱量輸送任務(wù)時，就要依靠熱泵通過做功增加驅(qū)動溫差。這時，怎樣設(shè)計和運(yùn)行空調(diào)供暖系統(tǒng)，盡可能使得每個環(huán)節(jié)在輸送要求的熱量時消耗最少的溫差，從而減少對熱泵增加溫差的需求，成為空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能所追求的主要目標(biāo)。關(guān)于熱泵所提供溫差的消耗，一種觀點(diǎn)認(rèn)為在夏季室內(nèi)溫度低，室外溫度高，熱泵主要是用來把熱量從室內(nèi)較低溫度水平提升(搬運(yùn))到室外溫度水平，進(jìn)而排到室外環(huán)境中。然而，對于最常見的住宅分體空調(diào)器：典型的室內(nèi)溫度26+,室

37、外溫度32+工況下，冷凝溫度可在40+,而蒸發(fā)溫度為10+。這時熱泵提供的溫差為30K,而室內(nèi)外溫差僅為6K,24K溫差或者是總溫差的80%都用來克服各個傳輸環(huán)節(jié)中的溫差損失了！而對于典型的冷卻塔+冷水機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管的集中空調(diào)，由于冷卻塔的噴水過程，實際的熱匯溫度相當(dāng)于室外濕球溫度，此時的典型運(yùn)行數(shù)據(jù)為：室外濕球溫度28+,室內(nèi)溫度26+,熱泵的冷凝溫度38+,蒸發(fā)溫度3+。熱泵提供的35K溫差中,只有2K,也就是6%用于把熱量從室內(nèi)溫度提升到室外濕球溫度，而熱泵做功產(chǎn)生溫差的94%都用來克服系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的溫差消耗了。合理地設(shè)計熱量傳輸系統(tǒng)，盡可能減少各個環(huán)節(jié)消耗的溫差，應(yīng)該是降低空調(diào)系統(tǒng)能

38、耗的最主要問題。在熱量傳輸?shù)母鱾€環(huán)節(jié)中，這些溫差到底都是怎樣消耗的，溫差的消耗與各個部件參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)有哪些關(guān)系，怎樣的系統(tǒng)形式可以最大可能地減少傳輸過程的環(huán)節(jié)，從而減少溫差消耗，這些就成為研究中的重點(diǎn)分析對象和設(shè)計中的重點(diǎn)關(guān)注對象。通過溫差消耗這樣一個新的視角來觀察、研究空調(diào)系統(tǒng)的問題，會給我們許多新的啟示。冬季供熱的任務(wù)是向室內(nèi)輸送熱量來補(bǔ)償圍護(hù)結(jié)構(gòu)過量傳熱造成的熱量散失。傳統(tǒng)的熱源方式是燃燒煤或天然氣等礦物能源而產(chǎn)生熱量。這時作為熱源的燃燒溫度在1000+以上，所加熱的熱媒體溫度也可以在100+以上，而室內(nèi)需求的溫度一般在20+。利用100+以上的溫差把熱量從熱源輸送到建筑室內(nèi)相對來說是

39、很容易的事，或者說有足夠的驅(qū)動溫差供系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)來消耗，所以溫差的消耗就不再成為任何值得考慮的問題。反之，由于從熱源采集的熱量直接與所消耗的礦物燃料成正比。所以人們主要關(guān)注熱量，如何提高熱源效率使同樣的礦物燃料產(chǎn)生更多的熱量，如何加強(qiáng)輸送系統(tǒng)的保溫以最大可能地減少輸送過程中的熱量損失，如何改善調(diào)節(jié)使得輸送到室內(nèi)的熱量正好等于其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的過量排熱量。這些就形成了以熱量為中心的研究、分析和設(shè)計思路。然而，燃燒礦物能源產(chǎn)生高溫?zé)崃縼頋M足建筑室內(nèi)的常溫?zé)崃啃枨?，?amp;高溫低用？的方式，將逐漸向直接從常溫和低溫中提取熱量的方式轉(zhuǎn)變（如空氣源熱泵等）。這時，空調(diào)供暖系統(tǒng)向室內(nèi)供熱的任務(wù)就成為從接近

40、或者低于室溫的常溫、低溫?zé)嵩粗胁杉療崃?，通過熱泵做功提升溫度后向室內(nèi)輸送的過程。熱泵的性能系數(shù)隨著冷凝溫度與蒸發(fā)溫度之差的增加而降低，這時減少溫差的消耗又成為系統(tǒng)節(jié)能的最主要途徑。以空氣源熱泵為例，當(dāng)室外溫度為0+,室溫為20+時，典型工況下熱泵的蒸發(fā)溫度為-10+,冷凝溫度為45+。此時熱泵所提供的溫差為55K,36%用于克服室內(nèi)外溫差，或者稱為把室外溫度下的低溫?zé)崮芴嵘捷^高的室溫狀態(tài)，而溫差的64%（即35K）還是用來克服熱量傳輸過程各個環(huán)節(jié)的溫差消耗。而當(dāng)采用溫度為15+的地下水作為熱源時，蒸發(fā)溫度為5+;室溫為20+時，冷凝溫度為45+,這樣熱泵所提供的40K的溫升只有5K也就是12.5%用于克服熱源與室溫之間的溫差，而35K即87.5%用于克服各個熱量傳輸環(huán)節(jié)的溫差消耗。由此，空調(diào)供暖系統(tǒng)節(jié)能的主要問題就成為在滿足熱量傳遞需求的基礎(chǔ)上，怎樣減少各環(huán)節(jié)的溫差消耗、減少熱量傳遞過程中的環(huán)節(jié)，從而降低對熱泵提供溫升的需求，達(dá)到節(jié)能的目的。4、室內(nèi)熱濕環(huán)境營造系統(tǒng)熱學(xué)分析個人結(jié)論面對的是大家熟知的供暖空調(diào)系統(tǒng)，運(yùn)用的是基本的物理知識，為什么非要重新勾畫，提出一些&?、&驅(qū)動溫差？等新參數(shù)、新名詞，這到底有什么意義？是否有嘩眾取寵之嫌？平心而論，這樣做的目的，真不是為了標(biāo)新立異，更不是說目前的理論