自然通风环境热舒适模型及其在长江流域的应用研究

摘要

自然通风一方面可以实现有效被动式冷却，在不消耗不可再生能源的情况下降低室内温度，带走潮湿气体，达到人体热舒适；另一方面可以提供新鲜、清洁的自然空气(新风)，有利于人的生理和心理健康，满足人和自然交往的心理需求。 由此可见自然通风是节约能源、获得热舒适和保持室内健康环境最经济的选择，因此对自然通风环境中人体热舒适的研究也就是一个非常迫切需要解决的问题，它是人们如何利用自然通风满足人体需要的基础性研究课题。 本文首先在前人工作的基础上，通过现场实测、问卷调查等手段对我国夏热冬冷地区城乡自然通风住宅热环境和居民热舒适状况进行了现场调查和对比研究，其次利用统计学和人工神经网络方法，通过对自然通风环境热舒适各个影响因素的系统分析，建立了定量的自然通风环境热舒适统计学模型和人工神经网络模型，最后基于热适应性理论建立了自然通风环境热适应性模型和舒适区，并取得了一些创新性成果。本文的创新工作和主要结论有： (1)对夏热冬冷地区村镇自然通风住宅热环境与居民热舒适进行了现场调查，得到了村镇自然通风住宅热环境与居民热舒适的基础数据：①冬季作用温度范围：6.06℃-11.24℃，平均作用温度8.57℃；相对湿度范围：68.04％-85.57％，平均78.79％；夏季空气温度范围为28.60℃-31.60℃，平均30.10℃；辐射温度范围：28.40℃-31.27℃，平均29.83℃；作用温度范围：28.50℃-31.43℃，平均29.97℃；相对湿度范围62.97％-81.17％，平均72.07％；风速范围：0.01m/s-0.19m/s，平均0.10m/s；②在冬季，村镇居民对室内热的期望要远远高于夏季对冷的期望，村镇居民接受热环境的百分比要高于接受冷环境的百分比，这说明村镇居民的耐热能力要比耐冷能力强；③夏季平均服装热阻是0.31 Clo，新陈代谢率是1.33Met，可接受的热舒适温度范围是：15.65℃-30.14℃，冬季平均服装热阻是2.15Clo，新陈代谢率是1.53Met，可接受的热舒适温度范围：8.41℃-15.65℃，全年可接受的热舒适温度范围：8.41℃-30-14℃；④村镇住宅不同于城市住宅，住宅不封闭，受当地气象条件影响大，因此村镇居民的热舒适水平和城市居民不一样，我们不能把城市居民的热舒适标准简单的推广到农村，因为人们对热环境的适应性、热经历、热期望、经济水平等都具有明显的差异。 (2)首次对夏热冬冷地区城乡自然通风住宅室内热环境与居民热舒适差异性进行了对比研究，重要成果如下： ①室内平均空气温度，冬季城市住宅比村镇住宅高3.44℃，夏季高2.81℃；平均辐射温度，冬季城市住宅要比存着住宅高3.46℃，夏季高3.06℃；平均相对湿度，冬季城市住宅要比村镇住宅低16.2％，夏季低10.86％；在夏季，城市住宅平均风速高0.22 m/s。城市住宅室内的温度和辐射温度要高于村镇住宅，这主要是由于城市热岛效应，城市室外气温高于村镇室外气温； ②城市居民的热接受性冬季要远高于夏季，即城市冬季热环境要好于夏季，这主要是由于城市的“热岛效应”，城市室外气温高于村镇住宅室外气温，分析冬、夏季节城乡比较结果可以发现村镇居民的热可接受性要高于城市居民，尤其是在夏季，这可能是由于村镇居民在当地的居住时间长于城市居民，村镇居民更加适应当地的气候环境； ③冬季，城市居民改善热环境的主要方式是通过取暖器和空调，而村镇居民主要是通过木炭烤火或者是火堂的方式改善室内热环境，因此它们消耗的能源结构不同；夏季城市居民主要是通过电风扇和空调改善室内热环境，村镇居民主要是通过电风扇和开门窗自然通风的方式改善室内热环境和提高居民热舒适的水平； ④在冬季，城市住宅中性温度为14℃，村镇住宅中性温度11.5℃；在夏季，城市住宅中性温度为28.5℃，村镇住宅中性温度为21.5℃； ⑤村镇住宅冬季可接受的热舒适温度范围是：8.41℃-15.65℃，夏季的可接受的热舒适温度范围是：15.65℃-30.14℃。因为夏、冬季节分别是一年之中的最热和最冷季节，因此分别取冬季的下限和夏季的上限就能得到全年可接受的热舒适温度范围是：8.41℃-30.14℃； ⑥城市住宅冬季可接受的热舒适温度范围是：14℃-20.25℃，夏季的可接受的热舒适温度范围是：20.25℃-32.75℃。分别取冬季的下限和夏季的上限就能得到全年可接受的热舒适温度范围是：14℃-32.75℃。 (3)在现场调查样本数据的基础上，建立了以统计学为基础的排序选择模型，用于评价和预测自然通风环境中的热舒适性，主要成果如下： ①用计量统计学软件Eviews对模型进行了求解，并且用实测数据验证了该模型的正确性，模拟结果表明该模型的整体回归效果优良，实际值和拟和值相差较小； ②通过数据分析整理得到了影响自然通风环境中7个主要因素，根据影响大小依次为：室内风速、室内活动量、性别、室内辐射温度、室外空气温度、室内湿度和年龄； ③从分析端值可知，人们的热感觉投票的宽度既不相等也不对称，而且越远离热感觉投票0的区域，宽度就越小，这说明了人们对热感觉的投票越模糊，因此可以认为5级投票感觉比7级投票感觉更加科学。 (4)热舒适本身是一个模糊的变量，过去人们想以实测数据为研究基础，用传统精确数学方法对热感觉各个级别间原本很模糊的边界给予精确的界定，这样用精确数学方法处理原本很模糊变量的方法给人产生了不精确的效果。 既然热舒适是一个模糊的变量，这就决定了只能用模糊的数学方法来描述模糊的变量，而人工神经网络方法是处理这些模糊数学问题最常用最有效的方法，本文建立了基于BP神经网络为基础的自然通风环境热舒适预测和评价模型，该模型不仅考虑了热舒适的6个经典影响因素，同时考虑了室外平均温度、人的背景和过去的热经历，而且根据神经元之间的权值可以定量描述各个影响因素之间的权重，以及各个影响因素对目标函数的权重。 (5)自然通风环境热舒适需要考虑人体适应性，本文对热舒适适应性理论进行了系统研究，并对其在被动式建筑设计中的应用进行了研究，主要成果如下： ①建立夏热冬冷地区城乡自然通风环境中的热舒适适应性模型和热舒适区，城乡自然通风住宅热适应性方程分别为：Tc=0.67 Tw+10.32，Tc=0.44 Tw+9.17； ②适合于夏热冬冷地区城乡地区的自然通风住宅设计策略分别是建筑蓄热(夜间通风)+被动式太阳能采暖和自然通风+机械通风+被动式太阳能采暖。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1课题的研究背景

1.2课题的提出与意义

1.3国内外自然通风环境热舒适研究综述

1.3.1自然通风环境与空调环境热舒适的差异性研究

1.3.2自然通风环境热舒适影响因素研究

1.3.3自然通风环境热舒适模型和标准的研究

1.3.4我国自然通风热舒适研究

1.4研究方法

1.4.1实验室研究

1.4.2现场调查研究

1.5人体热舒适研究基础

1.5.1影响人体热舒适性的主要因素

1.5.2人体热舒适的综合评价指标

1.6本文研究的主要内容与结构

1.6.1研究内容

1.6.2本文的结构

1.7本章小结

第2章村镇住宅热环境与居民热舒适现场调查

2.1前言

2.2室外气象资料

2.3调查方法

2.3.1样本的选择

2.3.2测试方法和测试仪器

2.3.3主观调查

2.4调查结果与分析

2.4.1室内热环境特征

2.4.2人体热变量和热舒适指数

2.4.3居民的热感觉(TSV)

2.4.4居民的湿感觉(HSV)

2.4.5居民的风速感觉(DSV)

2.4.6热期望

2.4.7热可接受程度

2.4.8改善室内热环境的方式

2.5讨论

2.5.1室内外作用温度(Operative temperature)之间的关系

2.5.2村镇住宅可接受的热舒适温度范围

2.6本章小结

第3章 夏热冬冷地区城乡住宅热环境与居民热舒适差异性分析

3.1前言

3.2气候特征

3.3调查方法

3.3.1样本的选择

3.3.2城市住宅与村镇住宅基本情况

3.3.3现场测试和问卷调查

3.3.4热舒适指标计算

3.4调查结果与分析

3.4.1人群背景特征

3.4.2室内热环境

3.4.3热舒适性指标

3.4.4主观感觉评价

3.4.5改善室内热环境和提高居民热舒适的方法

3.5讨论

3.5.1平均热感觉投票(MSTV)—城市住宅VS村镇住宅

3.5.2 TSV与PMV的关系

3.5.3城乡住宅可接受的热舒适温度范围

3.6本章小结

第4章自然通风环境热舒适统计学模型的研究

4.1前言

4.2热舒适统计学模型

4.2.1统计学模型的构建

4.2.2对数极大似然估计的基本原理

4.2.3排序多元选择模型似然函数

4.3模型求解

4.3.1计量经济学软件Eviews概述

4.3.2 Eviews求解步骤

4.4模型的应用与分析

4.4.1实证数据的来源和变量的说明

4.4.2模型的假定

4.4.3方程求解

4.5模型的估计与修正

4.6排序模型的预测

4.7本章小结

第5章基于人工神经网络的自然通风环境热舒适模型

5.1前言

5.2自然通风环境人体热舒适影响因素

5.2.1环境影响因素

5.2.2人的影响因素

5.3 BP神经网络基本理论

5.3.1 BP网络的结构

5.3.2 BP网络的设计

5.3.3传递函数的选择

5.3.4 BP网络的训练方法

5.4基于BP神经网络的自然通风环境热舒适模型

5.4.1自然通风环境BP神经网络模型的构建

5.4.2 BP神经网络算法

5.5模型的应用

5.5.1输入层和输出层节点的确定

5.5.2隐层数及隐层节点数

5.5.3传递函数

5.5.4训练算法

5.5.5试验结果

5.6本章小结

第6章 自然通风环境热舒适适应分析与应用

6.1引言

6.2人体热舒适适应性理论

6.3国内外热舒适适应性研究

6.4自然通风环境热舒适适应性模型和标准的确定

6.5夏热冬冷地区自然通风环境热舒适适应性模型

6.5.1自然通风环境中服装热阻与室外空气温度

6.5.2自然通风环境中性温度与室外月平均空气温度

6.5.3基于适应性模型的热舒适区

6.6热舒适适应性模型在建筑设计中的应用

6.7本章小结

结论与展望

参考文献

附录

致谢