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1、在人的一生中，有80%Z上的时间是在室内度过的，室内 环境品质如声环境、光环境、热环境及室内空气品质对人的 身心健康、舒适感及工作效率都会产生直接的影响。在上述 诸多影响因素中，热环境和室内空气品质对人的影响尤为显 著1.改革开放以后，随着我国国家经济的发展和人民生活 水平的提高，我国的人居环境和办公环境都获得了较大的改 善，人们对室内热环境和室内空气品质的要求也更加严格， 人在室内的热舒适度也受到了广泛关注。地板辐射采暖是一种利用建筑物内部地面进行采暖的新 形式，它以整个或者部分地面作为散热面辐射板，在通过对 流换热加热周围空气的同时，还与四周的围护结构进行辐射 换热，从而使围护结构的内表面
2、温度升高，其辐射换热量占 总换热量的50犯上。人们通过研究发现，地板辐射采暖具有 以下优点：首先，地板辐射采暖与传统的采暖方式相比具有 更好的节能效果；其次，地板辐射采暖更能够满足人们的热 舒适性要求，使人们获得更高的舒适度；再次，地板辐射采 暖可以在不占有空间面积的同时增加房间美感。国外早在上 个世纪30年代就对地板辐射采暖进行了推广，特别是近二三 十年来，低温地板辐射采暖以其卫生条件高、舒适性好、室内温度分布均匀、可利用热源广等优点得到了越来越多的应 用。为什么和传统的散热器采暖相比，地板辐射采暖更容易 满足人们的热舒适度的要求呢？为什么地板辐射采暖在达到 相同的热舒适度的情况下能够更节能
3、呢？本文将以PMV PPD指标为理论依据，根据人们的生活习惯和衣着情况，通过计 算机进行模拟计算，并与传统的采暖方式下人们获得相同的 热舒适度的情况相比较，说明采用地板辐射采暖方式与传统 的采暖方式的不同之处及其优势所在，并且给出如要获得较 高的热舒适度对地板辐射采暖温度的要求。1、热舒适评价指标人体的热舒适性指标是一个很复杂的问题。这是由于人 对环境状态的感觉不同而造成的，即包含了环境和人的客观 原因，也有人的主观原因。早期人们曾经用过贝氏标度和 ASHRA标度。由于早期的热舒适性指标是以大量的观察试验 结果为依据，实验中的有关参数可改变的数量有限，再加上各个参数之间存在很多的耦合关系，故结
4、论难以推广。因而 推出了综合的舒适性指标，丹麦学者 P.O.Fanger于1982年 提出了描述人体稳态条件下能量平衡的舒适性方程2.1970年，Fanger以热舒适性方程和 ASHRA的7点标度 为依据，提出了预测平均投票数 PMV( predicted meanvote ) 指标。该指标在欧洲得到了广泛的应用。 Fanger的PMVW标 范围是-3+3的范围，分别对应了人体的热感觉和冷感觉。止匕外，Fanger还提出了预测不满意百分数 PPDpredicted percentage of dissatisfied )标准，用来衡量对于环境的 不满意的程度的人数。事实表明，即使在PMV=0勺
5、时候，也就是人体对环境感觉最好的时候，仍然有5%勺人对环境表示不满意。因此，PPD的提出，既肯定了多数人们对环境的感觉 的同时，又保留了少数人们对环境的不满意，在十分可观的 表达了共性的同时肯定了个性，是让大多数人们接受的一个 指标2.总之，PMV-PPD!标是在热舒适方程的基础上，通过对 1396名美国和丹麦受试者的热感觉进行统计分析建立起来的 一种环境评价指标，由于有大量的实验数据，因此其得到了世界的公认。在 ISO Standard 7730 和 ASHRAE Standard 55-2002中，都以PMV口 PP胃旨标对热环境进行描述和评价1. 本文也是基于Fanger热舒适方程的PP
6、D-PM评价指标来研究 热舒适评价指标及室内计算温度范围。2、理论公式及数学模型本文所有计算均基于某一房间，该房间尺寸为6 X 4 x 3mi 三面内墙、一面外墙，外墙不计窗户，内墙不计门。通过地 板向房间供应的热量由两部分组成，一部分是辐射热，一部 分是对流热。各个墙壁面，也是通过对流热和辐射热来保持 自己本身能量的守恒。墙体的总热量为对流换热量和辐射换 热量之和。2.1 辐射换热量第i表面对外辐射的热量，可以根据辐射热量交换得到：（式1）式中一一斯蒂芬-玻尔兹曼常数，亦称黑体辐射常数，W/ (m2.K4);分别为第i面对第k面和第k面对第i面的辐射角 系数；分别为第i面和第k面的绝对温度，
7、K；分别为第i面和第k面的发射率3.为了简化计算，现在将上述函数化为对流换热形式的线 性函数表达方式，即：(式2)这样，公式中的必然有：（式3）（式4）式中系统黑度，4.在计算时，由于我们不知道壁面温度，所以可以预先设 定、，然后把计算出来的壁面温度代回原式进行校核。这样, 通过多次迭代，能够求出比较准确的温度值。2.2 对流换热量各个面的对流换热量可以根据牛顿冷却方程求出：（式5）其中，对流换热系数可以根据各个壁面的情况不同，选 择不同的对流换热系数的计算公式，即冷面或者朝向不同来 计算5.在计算对流换热系数的时候，要用到各个壁面的温 度和表面温度与空气温度的温差，此时，我们可以先通过估 算
8、，然后再代入方程计算，最后通过迭代来求出精确解。2.3 数学模型在本文中，为了建立房间的围护结构内表面的热平衡方 程式，我们需要采用以下几点假设：(1)不考虑外窗的影响，而是认为无论夏季还是冬季的负荷，都是通过围护结构的损失；(2)不考虑人员和灯光等设备对室内的影响;(3)认为冬季和夏季的室外温度均为外墙外表面的温度，忽略室外空气的热阻，且相邻内墙之间不传热;（4）根据计算的要求，我们假设冬季的室外空气的温度 为-10C,计算此时的室内各个壁面的温度。根据以上的假设，可以得出房间的 5个面（房间内除地 板外的其它5个面）的能量守恒方程式：（式6）式中K房间外墙的传热系数，在本文中取 K=1.5
9、W/m2S;tw 外表面的温度，C；对于地板辐射采暖系统，在稳态的条件下，建立房间的 空气热平衡方程时，我们只考虑空气与各个壁面之间的对流 换热，而不考虑空气和墙壁之间的辐射热。因此，其数学表达式为：（式7）求解由以上各式所组成的方程组，即可以求得围护结构 的各个内表面的温度和室内空气温度。3、围护结构内表面温度和室内空气温度建立了数学模型后，我们可以通过 Matlab软件，运用一 定的计算方法，进行求解计算，并最终得出该地板辐射采暖 房间的围护结构内表面温度和室内空气温度。3.1 求解算法根据上述方程，可以确定计算围护结构内表面温度的耦 合程序的具体计算步骤如下所述。在进行计算时，由于不知
10、道各个壁面的实际情况，而且不知道各个壁面的温度和室内 温度的差值，所以无法获得准确的对流换热系数，因此，在 开始的时候，不妨假设各个壁面的温度和室内温度，然后求 得各个壁面的对流换热系数，代入方程，求得初步解后再和 假定的值进行比较，如果满足要求，则可认为假定符合要求; 如果不符合要求，则将所求得值代入原方程再次进行迭代， 在多次迭代后，当最近两次计算的各个壁面的温度的差值在 允许的范围之内的时候，即可迭代出口，作为各个壁面的温 度和室内温度的精确值。3.2 计算程序依照算法所编写程序参见附录1.3.3 计算结果通过以上算法和程序，可计算出当地板采用不同辐射温 度时，房间的其它各个壁面的温度和
11、房间内的空气温度（取 室外的温度为-10 C）o具体计算结果可见下表。4、人体热舒适性本文将基于Fanger热舒适方程的PPD-PM评价指标，通 过Matlab软件，运用一定的计算方法，来进行求解计算，并 将计算所得结果用来研究热舒适评价指标及室内计算温度范 围。4.1 几点假设在模拟计算开始之前，我们首先选择了一个北京居民的 生活习惯作为本次计算的条件，并做了以下的假设：(1)居民在室内从事轻体力的人体新陈代谢活动，其代 谢率为M=69.78W/m2且不考虑人员和灯光等设备对室内的影 响；(2)居民冬季的时候习惯穿棉内衣、毛衣和袜子，因此服装的热阻近似认为1clo ;(3)冬季的时候，人们通
12、常紧闭门窗，因此，选取室内风速为0.05m/s ;(4)人在室内从事轻微活动，故人所作的机械功为0;(5)围护结构的内表面对平均辐射温度，根据各个面的 面积加权平均。4.2 计算程序依照以上假设所编写程序参见附录 2.4.3 计算结果通过以上假设和计算程序，可计算出在人体在新陈代谢 率为69.78W/m2的情况下的PMVF口 PPD.为了便于观察预测不满意百分数 PPDt着地板辐射温度 的变化，并确定最佳舒适度所对应的辐射板温度范围。4.4 分析讨论如果按照PPD=10%为指标，即允许有10无匕例的人们 对环境冷热程度表示不满意，则室内空气的温度范围是 20 C 25C,相对湿度为40%70%
13、在中，最佳的室内温度为19.91 C,相对湿度为70%此时对应的辐射板的温度为22C。 因此，在采用地板辐射采暖的时候，室内的舒适度较平常要 高，而室内的空气温度则较低，这对减少通风换气的热量损 失是十分有利的。5、结论在本文中，以上所得数据都是在固定室外空气温度的情 况下算得的，且在计算过程中没有考虑外界的影响和人员的 影响，也没有考虑时间带来的影响。所以，不能代表全国其 它地方的状况或者不同的室外环境状态影响下的室内的PMV和PPDg。因此其它地区或者不同室外环境下的室内的 PMV 和PPD直尚需要加强研究。但是，通过上述计算分析，我们仍然可以发现，在室外 温度一定的情况下，由于房间的能量
14、很大部分都通过辐射获 得，因此房间的空气温度较传统的散热器供暖温度较低，所 以房间由于换气而带来的损失较小。然而，由于房间的墙体 的辐射对人的影响力加大，房间空气温度的影响变小，所以 由于房间的空气温度的空间分布的不均匀性对人体的舒适感 的影响变小，因而人的舒适感增强。通过以上分析我们可以得出结论：在采用地板辐射采暖 时，房间在获得相同热舒适度的同时，降低了对空气温度条 件空气要求，而且还具有节能优点。鉴于以上优点，我们应 当鼓励推行地板辐射采暖方式。参考文献1王昭俊，赵加宁，刘京编著。室内空气环境 M.北 京：化学工业出版社，20062金招芬，朱颖心主编。建筑环境学M.北京：中国 建筑工业出版社，20013孙德兴 编著。高等传热学一一导热与对流的数理解 析M.北京：中国建筑工业出版社，20054冯晓梅，肖勇全。低温地板辐射采暖特性参数的研究J.暖通空调，2004, 34(1): 1-45 W.M罗森诺等 主编。传热学应用手册M.北京：科 学出版社，1992