居住建筑湿热环境用风扇气流速度与睡眠变化规律的研究

摘要

在居住建筑湿热环境中，人们过去常通过减少衣物和加大气流达到热舒适目的。随着室内设计温度的制定及空调普及率的提高，空调逐渐成为主要的夏季热调节手段，建筑能耗也迅速攀升。目前居住环境中的空调系统设计单一且普遍存在设计缺陷，导致空调建筑中的病态建筑综合症（Sick Building Syndrome，简称SBS)频发。为降低夏季居住建筑中的空调能耗和减少空调系统引发的健康问题，等温气流的制冷作用和使用方法越发受到研究者的重视。大量研究成果验证了气流在人清醒状态下对温度的冷补偿作用，国际两大主流热舒适标准ISO 7730:2005和ASHRAE Standard 55-2013也增加了对加大气流速度以提高室内舒适温度的相关规定，但气流对人睡眠状态下热感觉的冷作用的设计计算还缺乏足够的理论和实验依据。风扇是居住建筑中常见的主动式气流发生装置，但其在人睡眠状态下的实际使用情况还有待调研。本研究在可行性分析的基础上，对气流作用下睡眠人体的热感觉评价方法进行了理论分析、实验研究及风扇装置的开发，提出了在夜间使用等温气流改善人体睡眠的舒适性方式，具体研究工作如下： (1 )通过在全国范围内开展风扇和现有“睡眠风”使用现状的调研，得到风扇的使用在夏季夜间具有相当大的普遍性，而且常配合空调使用。大部分受访者对现有“睡眠风” 风扇的满意度较低，对现有“睡眠风”风扇的气流参数进行实测后发现，现有“睡眠风”均有较强吹风感，也未纳入睡眠节律和环境参数变化的考量，这为开展适用于夜间调控状态的风扇睡眠风控制模型的必要性提供了依据。 (2 )为建立睡眠风控制模型，本研究首先通过对比分析，得到标准有效温度SET (Standard Effective Temperature) 可用于预测气流速度对人在夜间调控状态下热感觉的冷作用，然后根据SET与各单一热环境参数的数学关系及现有睡眠热生理研究成果，提出了睡眠代谢率和床褥热阻的简化假设，最后根据SET与气流速度在不同温度、湿度、代谢率和热阻水平下的数学关系，定义并初步提出了睡眠风控制模型（SFA，sleeping-friendly airflow)的简化算法。 (3 )为获得睡眠风控制模型的热中性条件，即人在夜间调控状态下达到热中性时的SET，本研究在夏季夜间对不同类型且采用不同热调节手段的卧室以及人员的睡眠质量和热舒适度，开展了为期一个月的现场跟踪调查。结果验证了 SET可用于预测人在夜间调控状态下的热感觉。通过建立SET与整晚平均热感觉的数学关系，得到人体在夜间调控状态下达到热中性时的S E T为28.0?30.3℃。 (4 )为获得睡眠风控制模型的边界条件，即人在夜间调控状态下达到热中性时的气流速度上限，本研究对准睡眠状态下的人体进行了气流速度的气候室投票实验。在30℃/70% ，即所有受试者认为热环境可接受、感觉偏热且需要开启风扇的温湿度工况下，受试者经历4个给定风速工况后对热感觉、热舒适度、气流期望和综合环境进行投票，结果显示，人在夜间调控状态下达到热中性和热舒适时的气流速度上限为1.0?1.2m/s，即睡眠风控制模型的边界条件约为1.2m/s。 (5 )床褥热阻是影响睡眠人体热中性的重要参数，也是睡眠风控制模型的计算要件，本研究通过暖体假人热阻测试方法，对国内几款主流的夏季用床褥系统的总热阻进行了测试，为计算睡眠风控制模型提供了数据支持。通过对比本研究与以往研究的测试结果和现有预测模型的计算结果，验证了本研究的可靠性，以及基于散热原理的热阻预测模型相对于基于床褥厚度和重量的热阻预测模型更为准确。 (6 )为验证睡眠风控制模型在人体上的使用效果，本研究选取了三种夏季常见的热调节工况：恒温空调工况、风扇的稳态风模式以及风扇的睡眠风模式，后两者的背景温湿度参照夏季夜间的自然通风环境进行设置，睡眠风根据背景工况、床褥热阻和模型的简化算法计算得到，稳态风的风速与睡眠风的初始风速相等。通过对比各工况下人体睡眠热舒适的主客观参数，验证了人在夜间调控状态下的睡眠风控制模型具有应用价值，且相对于传统的风扇定速方案和恒温空调有一定优越性。

目录

第一个书签之前