做被動房必須要懂的知識：熱舒適性

人類一直致力于創(chuàng)建一種熱舒適環(huán)境。從古至今，熱舒適環(huán)境在建筑物設(shè)計(jì)、建造中的最重要的參數(shù)之一。與舒適度相關(guān)的研究從未停止過：從早期的通過對儀器的直接觀測結(jié)果評價舒適度到經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?，進(jìn)而進(jìn)入了機(jī)理模型時代。

早期觀測包括了對氣溫、濕球溫度、黑球溫度及卡他度的觀測，最具代表性的是1916年由英國Hill爵士提出的卡他度。

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r代

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牡湫蜆?biāo)志是以人的主觀感受或生理反應(yīng)作為評價依據(jù)。

1923年Houghton和Yaglou確定了包括溫度和濕度兩個變量的裸衣男子的等舒適線，并由此提出了以受試者對冷暖的主觀感受作為評價依據(jù)的有效溫度指數(shù)ET（Effective Temperature Index），1932年，Vemon和Wamer使用黑球溫度代替干球溫度對熱輻射進(jìn)行了修正，進(jìn)而產(chǎn)生了修正有效溫度CET（CorrectedEffective Temperature）。

2000年，Li和Chan又將風(fēng)速考慮進(jìn)來, 并根據(jù)香港實(shí)際情況對經(jīng)典ET公式進(jìn)行修正, 提出了“凈有效溫度”NET（Net Effective Temperature）。

適用于熱環(huán)境的人體舒適性模型有1947年由McArdle提出的預(yù)計(jì)4小時排汗率模型P4SR（Predicted Four Hour Sweat Rate）、1957年美國海軍為了防止軍事訓(xùn)練中的熱損傷事故而提出的濕、黑球溫度指數(shù)WBGT（Wet Bulb GlobeTemperature）及1959年美國國家氣象局thorn提出的不舒適指數(shù)DI（Discomfort Index）等。

Siple和Passel于1945年提出的風(fēng)寒指數(shù)WCI（Wind Chill Index）及修正后自2001年被美國國家氣象局采用的“新風(fēng)寒等效溫度”則是應(yīng)用于寒冷環(huán)境中舒適性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇怼?/span>

機(jī)理模型時代

早在1938年, Buettner就已經(jīng)意識到合理的人體舒適度模型必須以人體熱交換機(jī)制為基礎(chǔ)，綜合考慮環(huán)境因素、人體代謝、呼吸散熱及服裝熱阻等各種因素的影響，由于模型的復(fù)雜性，直至十九世紀(jì)六十年代舒適度的機(jī)理模型才得以隨著生物氣象學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展逐漸得以建立。

所有人體熱平衡模型都可概括為：

即關(guān)于人體能量代謝M、人體對外做功W、人體與環(huán)境輻射換熱R及對流換熱C、體液蒸發(fā)（無排汗）E_D、呼吸換熱E_Res、和汗液蒸發(fā)E_Sw與人體蓄熱S間的能量守恒關(guān)系。

基于熱舒適機(jī)理模型的主要評價體系有1970年由丹麥學(xué)者范格教授提出的熱舒適方程和PMV/PPD評價系統(tǒng)、基于慕尼黑人體熱量平衡模型MEMI（Munich Energy Balance Model for Individuals）生理等效溫度PET指標(biāo)（Physiological Equivalent Temperature）及近年來在世界氣象組織（WMO）氣候?qū)W委員會的倡導(dǎo)之下, 由歐洲科學(xué)與技術(shù)合作計(jì)劃730號行動建立的基于多結(jié)點(diǎn)模型的通用熱氣候指數(shù)UTCI（Universal Thermal Climate Index）等。

其中范格熱舒適方程PMV/PPD評價系統(tǒng)為現(xiàn)行的熱舒適度標(biāo)準(zhǔn)ISO7730及ASHRAE55的基本藍(lán)本。

當(dāng)人體內(nèi)產(chǎn)生的熱量與其所釋放的熱量達(dá)到平衡時，熱舒適性得到滿足，最佳的熱舒適度隨之被達(dá)成。依據(jù)于此，范格熱舒適方程建立了運(yùn)動、服裝和確定環(huán)境溫度諸因素間的相對關(guān)系。

1  范格熱舒適方程與PMV /PPD評價指標(biāo)

丹麥學(xué)者范格教授1970年提出了滿足人體舒適狀態(tài)的三個必要條件,即人體的熱平衡、舒適的皮膚溫度及最佳排汗率，并據(jù)此建立了人體熱舒適度方程。熱舒適方程建立了人體代謝率、人體對外做功、體表散熱、排汗散熱及呼吸散熱之間的基本關(guān)系，基本的范格方程由公式23給出。

式中

ΔS——人體的熱平衡差

M——人體的代謝率

W——人體對外做功耗能

R——著裝人體外表面的輻射散熱

C——著裝人體外表面的對流散熱

ESw——排汗散熱

ED——體液蒸發(fā)

CRes——呼吸潛熱

ERes——呼吸顯熱

在范格熱舒適方程基礎(chǔ)上所建立的預(yù)測平均投票數(shù)PMV（Predicted Mean Vote）及預(yù)計(jì)不滿意者占比PPD（Predicted Percentage of Dissatisfied）指標(biāo)體系對室內(nèi)熱環(huán)境舒適度，特別是身著輕便服裝、坐姿為主的人群具有較好的適用性，但對于室外熱環(huán)境來說，PMV/PPD指標(biāo)體系的評價結(jié)果與實(shí)際存在較大偏差。

2  MEMI模型與PET指標(biāo)

與穩(wěn)態(tài)的PMV模型不同，MEMI模型假設(shè)人體內(nèi)部熱量是通過血液循環(huán)帶至體表。因此，在MEMI模型中體表溫度是模型的計(jì)算結(jié)果而非假設(shè)，出汗率也被表示為人體溫度和體表溫度的函數(shù)。MEMI模型可表示為公式24。

式中

H——人體產(chǎn)熱量

C——對流散熱

R——輻射散熱

ED——體液蒸發(fā)擴(kuò)散

ERes——呼吸顯熱

CRes——呼吸潛熱

ES——排汗散熱

EF——進(jìn)食、排泄引起的熱交換

S——體熱積蓄

在此基礎(chǔ)上，生理等效溫度PET綜合考慮了主要?dú)庀髤?shù)、活動、衣著以及個體參數(shù)對舒適度的影響。較之PMV模型更為全面、深入的考慮了各項(xiàng)因素的影響。PET指標(biāo)在室外環(huán)境相關(guān)的評價和研究中被大量使用。

3  小結(jié)

范格的熱舒適方程和PMV/PPD對室內(nèi)舒適度的評價具有較好的適用性，MEMI模型及PET指標(biāo)則被廣泛應(yīng)用于室外熱舒適環(huán)境中。除此之外，具有一定影響的熱舒適評價體系還有由美國耶魯大學(xué)Pierce研究所提出的新有效溫度ET*及基于傳熱物理過程分析的標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET（Standard Effective Tempreture）。

本文摘自建學(xué)叢書增刊《被動式建筑（被動房）》，綠色建筑研習(xí)社已取得本書連載授權(quán)，轉(zhuǎn)載必究。建學(xué)建筑與工程設(shè)計(jì)所有限公司致力于綠建及超低能耗建筑設(shè)計(jì)，現(xiàn)已建成和在建PHI認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目共4項(xiàng)。