人體熱舒適性管理論文

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摘要研究了自然風與機械風頻譜的區別及對熱舒適的影響。研究發現自然風的頻譜在低頻區較機械風豐富。提出了一種模擬自然風頻譜的方法，并利用此方法研究了頻譜形狀及吹風頻率上下限對人體熱舒適性的影響。主觀問卷實驗表明：接近于自然風頻譜的吹風模式比其它吹風模式有更好的可接受性。同時發現人體對吹風頻率感受的上限在1Hz附近，而頻率下限在0.244～0.488mHz范圍內時吹風有較好的可接受性。

關鍵詞頻譜；自然風；熱舒適

AbstractComparisonofthepowerspectraofnaturalwindandartificialairmovementshowedthatthenaturalwindspectrahasmanymorelowfrequencyvariationsthanartificialairflow.Thoreforeanewmethodwasdevelopedforgeneratingairmovementswiththesamevelocityspectraasnaturalwind.Airflowsgeneratedwiththenewmethodwereusedtoassesstheimpactofthespectrashapeandtheupperandlowerfrequencylimitsonhumanthermalcomfort.Thesubjectiveexperimentsindicatethattheupperfrequencylimitforthermalcomfortisabout1Hzandthelowerfrequencylimitisabout0.244～0.488mHzandthatairmovementwithspectrasimilartothatofnaturalwindismoresuitableforthermalcomfortthanotherairmovementmodes.

Keywordsspectrum;naturalwind;thermalcomfort

空氣流動能增強人體表面與外界的熱濕交換，大多數情況下吹風能改善較熱環境下人體的熱舒適狀況。吹風影響熱舒適研究可分兩部分：一是研究當室溫低于26℃時的風感；另一個是研究在較熱環境中怎樣通過吹風的補償作用達到熱舒適。本文主要討論第二種情況。

一些研究[1～5]對吹風提出的主要參數是平均風速，以此作為判別熱環境中吹風可接受性的依據不能充分描述吹風方式的多樣性。調查發現現實生活中人們對隨機及不確定的自然風的感受與對單調的機械風的感受有較大不同。描述這兩種吹風模式差別的一個主要參數就是風速的頻譜。

1兩種吹風方式頻譜的比較

風速波動的標準差反映了波動的程度，但仍是一個總體參數，不能反映氣流波動的細節。而頻譜則描述了波動能量隨風速波動的頻率f的分布：

（1）

式中：E(f)是功率譜密度，是風速波動的方差。

對自然風和由送風口或風扇送出的機械風采樣整理得出的頻譜示于圖1。即使自然風平均速度有0.56m/s，其頻譜在低頻處仍比機械風平均速度為2.3m/s時大，說明兩類不同的吹風模式在低頻處有很大差別。而高頻處情況正相反，機械風的功率譜密度大于自然風的功率譜密度。

圖1自然風與機械風頻譜對比

從圖中可以看出自然風的頻譜具有以下特點：1）自然風的頻譜具有相似的形式；2）頻譜曲線在低頻區斜率小，在高頻區斜率大。

人們除了對自然風的正面評價外還有如有時太大有時太小等一些負面評價。這些評價除了與頻譜隨頻率分布有關外，主要與頻譜的頻率上下限有關，因此吹風頻譜對熱舒適性的影響并不能簡單的認為具有與自然風的頻譜即可滿足吹風的舒適性。怎能樣合理利用自然風頻譜的特性又避免其負面影響是本項研究的主要內容。

2實驗方法

2.1實驗設備

為了測試不同的吹風頻譜對吹風舒適性的影響，開發出一種動態空調末端裝置，該裝置可以根據需要改變計算機控制信號以產生具有不同頻譜分布的空氣流動。其控制信號如下：

（2）

式中：a(k)是在0與σ之間均分分布的相互獨立的隨機數，，E(k)是給定的頻譜分布；

Δf=(fmax-fmin)/n，fmax和fmin分別控制信號的頻率上、下限；Δt是時間間隔；f(k)=fmin+(k-0.5)Δf；q(k)是在0與2π之間均勻獨立分布的隨機數。

通過上述方法可產生具有給定頻譜分布的隨機序列，但此序列在時域上離散，因此是一個偽隨機序列。還需對此序列作進一步處理以得到直隨機序列。對此可通過兩步來實現：1）對偽隨機序列作隨機倒序及延時；2）對倒序或延時的序列加窗及疊加。這一過程可用下式描述：

(3)

其中：ωi(t)是窗函數；x1(t),……，xn(t)是經過倒序或延時的偽隨機序列。

由上述方法產生的隨機序列作為控制信號并輔以其它一些調節措施可使動態空調末端裝置產生具有不同頻譜分布的空氣流動。

2.2實驗方案

實驗在清華大學人工環境室進行，其內部尺寸為3.4m×4.8m×3m.

該實驗是等溫吹風舒適性實驗，吹風溫度為28℃，空氣相對濕度維持在45%～55%.

共有87人（在校大學生）參加了主觀問卷調查實驗。受試者射穿單層長袖上衣及長褲，在實驗過程中可以讀書、寫作。

實驗采用對比實驗的方法。每次實驗的前40min為適應環境時間，由實驗人員向受試者講解注意事項，然后調節控制信號先后產生不同吹風頻譜的空氣流動。在開始的5min內受試者根據熱感覺及吹風舒適性選擇距離風口的遠近，一旦選好即在本部分實驗中位置不再變化。實驗中受試者感受不同吹風頻譜的空氣流動并比較它們之間的區別，回答實驗問卷中的相關問題。

3實驗結果

3.1吹風波動頻率上限的影響

為了尋求對人體有影響的頻率上限，為此在實驗過程中創造有某一頻譜凸起的吹風。圖2和圖3分別是兩種風的頻譜。

圖2有凸起的吹風頻譜

圖3無凸起的吹風頻譜

共有44名受試者參加實驗。實驗時受試者先體會頻繁譜凸起的吹風，再感受有頻譜凸起的吹風，然后回答問卷。表1是實驗問卷結果。從表中可以看出大多數受試者對1Hz以上的風速波動并無明顯的感覺，而當小于1Hz時則有明顯的不同。因此可把1Hz作為人體對風速波動感受的上限。即當頻率大于1Hz時風速頻譜不論怎樣變化其對吹風舒適性的影響可以忽略。

表1無頻譜凸起時的人體感覺對比f/Hz感覺有無差別/人次

無稍微有較大很大

1.5043190

1.0033290

0.50611282

0.253111512

3.2風速頻譜曲線的影響

本項實驗旨在尋求不同的頻譜曲線對吹風感受的影響。實驗中共測試了在0.03Hz上下的3種頻譜分布：1）斜率分別為-1.3和-0.41；2）斜率為-1.4和-0.1;3)-1.51和-0.4。實驗中受試者先后感受這三種吹風方式，在每一部分結束后比較與前面吹風方式的異同并回答其它問題。表2是頻譜斜率-1.4和-0.1時的實驗結果及與頻譜斜率為-1.3和-0.41時的熱舒適對比。

表2實驗結果對比（表中數值為人數）

感受比較是否更像自然風與電風扇相比是否有吹風感長時間吹風是否不舒適對熱環境總評價對環境可接受性

更好26很像7很大改進15很強烈0很不舒適0很滿意9可以接受39

差不多12更像28較大改進23較輕微9不舒適0較滿意28勉強接受1

較差1較像5改進不大2無31有點不舒適17一般3不能接受3

說不清1不像0無改進0沒有不舒適23有些不滿0

從表中實驗結果可以得出以下結論：1）吹風頻譜曲線越接近自然風，受試者的感覺也越接受自然風，也更易被受視者接受，說明風速頻譜是影響吹風舒適性的一個重要參數；2）接近自然風頻譜的吹風方式比機械風有很大改進；3）盡管少數受試者有輕微的吹風感及長時間吹風后有輕微不適，但大多數受試者對熱環境是滿意的和可接受的。

3.3風速波動頻率下限的影響

自然風頻譜特征是其低頻區的功率譜密度比高頻區大，因此尋求合理的頻率下限對克服自然風時有時無、時大時小的負面影響是有意義的。

為此共測試了3種不同頻率下限的吹風模式。3種頻率下限分別為0.488mHz，0.244mHz和3.9mHz。實驗時依上述順序分別讓受試者感受3種吹風模式的不同。表3是第三種頻率下限時受試者的感受與第二種的比較。

表3頻率下限實驗結果對比（人數）

更好差不多較差說不清

222160

從表中可以看出當頻譜下限為3.9mHz時受試者認為較第二種情況差的人數較多。同時實驗還表明當頻率下限為0.488mHz和0.244mHz時則無明顯不同。這說明頻率下限在0.244mHz與0.488mHz之間即可使大多數人對熱環境表示可接受。如果頻率下限再低則有可能出現風速波動太緩而造成吹風有時太大有時太小的情況，從而造成受試者對熱環境的抱怨。這方面的推測還有特于實驗的進一步驗證。

4結論

1)風速頻譜是影響人體熱舒適性的一個重要參數，頻譜曲線越接近自然風則吹風愈易被接受；

2)人體對風速波動的感覺有一個頻率上限，此頻率上限約為1.0Hz。

3)風速頻率的下限在0.244mHz～0.488mHz的范圍內可使吹風具有滿意的可接受性；

4)所提出的模擬自然風頻譜的方法可行且有效。

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