由人体舒适换热需求确定地下空间空调设计参数的方法

技术领域

本发明涉及一种地下空间空调设计参数确定方法，具体涉及一种在稳态条件下，从人体换热需求角度出发，确定地下建筑壁面冷辐射作用下室内环境设计参数的方法。

背景技术

室内建筑热环境调控的最终目标是满足人体热舒适性要求，而现有的研究中针对地下建筑热舒适性的研究较少，而基于将人体与环境的换热量分离为辐射换热与对流换热两部分并应用在空调设计参数中的研究罕见报道。地下空间因其较为稳定的壁温提供稳定的辐射换热量，本发明以满足人体舒适情况下换热需求为前提，充分利用稳定的辐射换热量基础上，通过人体与环境的对流换热需求来进一步确定地下空间的空调设计温度、速度等参数，在地下空间空调舒适节能参数设计方面具有理论创新价值和工程实际意义。

解放军理工大学工程兵工程学院吴兴平等以Fanger热舒适方程及PMV-PPD评价指标为理论依据，模拟计算了南京夏季地面建筑和深埋地下工程的室内热环境，结果表明，由于壁面平均辐射温度的影响，深埋地下工程空调设计温度可比地面空调设计温度提高2～3℃。南京工程兵工程学院郭春信等依据地温是影响地下工程室内热舒适指标的重要因素，并利用Fanger人体热舒适方程和PMV-PPD指标体系研究发现，壁面温度高的南方地区，地下工程室内设计温度应比壁面温度低的北方地区取值低。哈尔滨工业大学的李忠建等通过在哈尔滨地区建立实验系统来运行一个以土壤作为冷源直接供冷的空调系统，获得了如季节供冷系数及平均供冷率等重要参数并对其在运行期间的供冷特性进行研究，得到了土壤直接供冷系统在一定地域范围内具有巨大节能潜力的结论。上述研究从不同角度探讨了地下空间空调设计温度范围与壁温和土壤蓄能的关系，但并没有从人体换热量的需求角度进行空调参数设计。本发明提出的从人体换热需求角度确定地下空间室内设计参数的方法利用了地下空间稳定壁温是有小幅波动的，计算时取计算时间段中的最高值，以保证人体的热舒适性，考虑地下空间壁面的辐射作用，提供了空调节能新思路，对地下空间气流组织的设计具有重要参考价值，体现了舒适节能、地下空间可持续发展的理念。

发明内容

本发明提供一种由人体舒适换热需求确定地下空间空调设计参数的方法，该方法结合地下空间壁面温度较为稳定导致人与环境辐射换热稳定的特征，由人稳态热舒适条件下，地下空间人与环境的总换热量(不考虑地下空间人与环境的潜热换热量)与辐射换热量之差，即对流换热量，来进一步确定地下空间空气温度和风速等主要设计参数。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种由人体舒适换热需求确定地下空间空调设计参数的方法，其特征在于，由人稳态热舒适条件下，地下空间人与环境的总换热量与辐射换热量之差，即对流换热量，来进一步确定地下空间空气温度和风速等主要设计参数，具体步骤如下：

1)地下空间人所需的对流换热量的确定

对于在地下空间中且处于稳态热舒适状态的人体，在不考虑潜热换热工况下，满足关系式：Q_c＝Q-Q_r，其中：Q为人体与环境的总散热量，单位W、Q_c为对流换热量，单位W及Q_r为辐射换热量，单位W，其中，人处于热舒适稳态状态下与环境的总换热量Q值范围为50～100W而Q_r根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律公式：E_b＝σ_bT⁴，其中：E_b为辐射力，单位W/m²；σ_b为黑体辐射常数，值为T为开氏温度，单位K，与辐射换热量公式：其中：A₁、A₂为面积，单位m²；X_1，2为A₁对A₂平均角系数；ε₁、ε₁为发射率，计算得到，其中地下空间壁面温度的稳定性导致Q_r的稳定性，可进一步得到Q_c的值域范围；

2)由人与环境所需的对流换热量确定地下空间风速、温度设计参数

首先，由牛顿冷却公式变换可得到Q_c＝hA(t_skin-t_a)，其中，t_a为空气温度，单位℃；A为人体换热面积，单位m²；t_skin为皮肤温度，单位℃；h为对流换热系数，单位W/(m²·℃)，其中v_a为空气流速，单位m/s；

其次，根据地下空间建筑功能对风速上限的要求确定风速，进而结合人与环境所需的对流换热量进一步确定环境设计温度。

步骤2)中提到的地下空间稳定壁温是有小幅波动的，计算时取计算时间段中的最高值，以保证人体的热舒适性。

步骤2)中空气的风速依据地下空间的具体建筑功能对风速上限的要求确定，结合人体对流换热需求进而进一步确定空气温度。

本发明具有如下有益效果：

本发明中提到的关系式：Q_c＝Q-Q_r中辐射换热量充分利用了地下空间低于皮肤温度的较冷的壁面温度对人体的冷辐射作用，为地下空间空调系统节能提供了新思路。从地下空间人体稳态热舒适所需换热量的角度出发，充分利用了地详见壁面提供的较为稳定的辐射换热量，从而通过所需的对流换热量进一步确定空调设计温度和风速，减小了空调设计负荷，充分体现了地下空间设计的节能效果，同时也创新性的提出来地下空间空调参数的设计方法，具有创新性。

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例：

以下采用在地下商场进行轻度活动的人体为对象进行计算。其中人体表面积A₁＝1.54m²；皮肤发射率ε₁＝0.98、壁面发射率ε₂＝0.875；皮肤温度t_skin＝32.7℃；壁面温度t₂＝23.2℃。

本发明的由人体舒适换热需求确定地下空间空调设计参数的方法，包括以下步骤：

1)对流换热量计算：运用公式Q_c＝Q-Q_r(Q_c：对流换热量，W；Q：人体与环境的总散热量，W；Q_r：辐射换热量，W)，其中Q取范围50～100W的中间值作为计算标准值，即Q＝75W；Q_r的计算方法如下所示：

(1)人体皮肤辐射力及壁面辐射力计算：将已知的t_skin(人体温度，℃)与t₂转换为开式温度T₁＝32.7+273＝305.7K；T₂＝23.2+273＝296.2K，并将其分别代入斯蒂芬-玻尔兹曼定律E_b＝σ_bT⁴，计算得到E_b1＝495.2W/m²、E_b2＝436.4W/m²(E_b1：人体辐射力，W/m²；E_b2：壁面辐射力，W/m²；T_skin：皮肤温度，K；T₂：壁面温度，K；σ_b：黑体辐射常数，值为5.67×10^-8W/(m²·K⁴))；

(2)辐射换热量计算：辐射换热量公式(A₂：壁面面积，m²；X_1，2，A₁对A₂平均角系数，查询文献得值为0.17)，其中因为A₂＞＞A₁，故可忽略一项，则可得简化公式再将E_b1、E_b2、ε₁，X_1，2代入公式，计算得到Q_r＝15.3W；

故将Q、Q_r代入公式后计算得到Q_c＝59.7W；

2)地下空间设计参数的确定：根据美国行业标准ASHRAE 55-2010规定，商场类地下空间空气速度v_a为0.8m/s，代入公式得到再将计算结果代入牛顿冷却公式Q_c＝hA₁(t_skin-t_a)，得到t_a＝27.5℃；故最终得到地下空间空调设计参数：t_a＝27.5℃，v_a＝0.8m/s。