導(dǎo)語(yǔ)：人體熱舒適性管理論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要研究了自然風(fēng)與機(jī)械風(fēng)頻譜的區(qū)別及對(duì)熱舒適的影響。研究發(fā)現(xiàn)自然風(fēng)的頻譜在低頻區(qū)較機(jī)械風(fēng)豐富。提出了一種模擬自然風(fēng)頻譜的方法，并利用此方法研究了頻譜形狀及吹風(fēng)頻率上下限對(duì)人體熱舒適性的影響。主觀問(wèn)卷實(shí)驗(yàn)表明：接近于自然風(fēng)頻譜的吹風(fēng)模式比其它吹風(fēng)模式有更好的可接受性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)人體對(duì)吹風(fēng)頻率感受的上限在1Hz附近，而頻率下限在0.244～0.488mHz范圍內(nèi)時(shí)吹風(fēng)有較好的可接受性。

關(guān)鍵詞頻譜；自然風(fēng)；熱舒適

AbstractComparisonofthepowerspectraofnaturalwindandartificialairmovementshowedthatthenaturalwindspectrahasmanymorelowfrequencyvariationsthanartificialairflow.Thoreforeanewmethodwasdevelopedforgeneratingairmovementswiththesamevelocityspectraasnaturalwind.Airflowsgeneratedwiththenewmethodwereusedtoassesstheimpactofthespectrashapeandtheupperandlowerfrequencylimitsonhumanthermalcomfort.Thesubjectiveexperimentsindicatethattheupperfrequencylimitforthermalcomfortisabout1Hzandthelowerfrequencylimitisabout0.244～0.488mHzandthatairmovementwithspectrasimilartothatofnaturalwindismoresuitableforthermalcomfortthanotherairmovementmodes.

Keywordsspectrum;naturalwind;thermalcomfort

空氣流動(dòng)能增強(qiáng)人體表面與外界的熱濕交換，大多數(shù)情況下吹風(fēng)能改善較熱環(huán)境下人體的熱舒適狀況。吹風(fēng)影響熱舒適研究可分兩部分：一是研究當(dāng)室溫低于26℃時(shí)的風(fēng)感；另一個(gè)是研究在較熱環(huán)境中怎樣通過(guò)吹風(fēng)的補(bǔ)償作用達(dá)到熱舒適。本文主要討論第二種情況。

一些研究[1～5]對(duì)吹風(fēng)提出的主要參數(shù)是平均風(fēng)速，以此作為判別熱環(huán)境中吹風(fēng)可接受性的依據(jù)不能充分描述吹風(fēng)方式的多樣性。調(diào)查發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活中人們對(duì)隨機(jī)及不確定的自然風(fēng)的感受與對(duì)單調(diào)的機(jī)械風(fēng)的感受有較大不同。描述這兩種吹風(fēng)模式差別的一個(gè)主要參數(shù)就是風(fēng)速的頻譜。

1兩種吹風(fēng)方式頻譜的比較

風(fēng)速波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差反映了波動(dòng)的程度，但仍是一個(gè)總體參數(shù)，不能反映氣流波動(dòng)的細(xì)節(jié)。而頻譜則描述了波動(dòng)能量隨風(fēng)速波動(dòng)的頻率f的分布：

（1）

式中：E(f)是功率譜密度，是風(fēng)速波動(dòng)的方差。

對(duì)自然風(fēng)和由送風(fēng)口或風(fēng)扇送出的機(jī)械風(fēng)采樣整理得出的頻譜示于圖1。即使自然風(fēng)平均速度有0.56m/s，其頻譜在低頻處仍比機(jī)械風(fēng)平均速度為2.3m/s時(shí)大，說(shuō)明兩類不同的吹風(fēng)模式在低頻處有很大差別。而高頻處情況正相反，機(jī)械風(fēng)的功率譜密度大于自然風(fēng)的功率譜密度。

圖1自然風(fēng)與機(jī)械風(fēng)頻譜對(duì)比

從圖中可以看出自然風(fēng)的頻譜具有以下特點(diǎn)：1）自然風(fēng)的頻譜具有相似的形式；2）頻譜曲線在低頻區(qū)斜率小，在高頻區(qū)斜率大。

人們除了對(duì)自然風(fēng)的正面評(píng)價(jià)外還有如有時(shí)太大有時(shí)太小等一些負(fù)面評(píng)價(jià)。這些評(píng)價(jià)除了與頻譜隨頻率分布有關(guān)外，主要與頻譜的頻率上下限有關(guān)，因此吹風(fēng)頻譜對(duì)熱舒適性的影響并不能簡(jiǎn)單的認(rèn)為具有與自然風(fēng)的頻譜即可滿足吹風(fēng)的舒適性。怎能樣合理利用自然風(fēng)頻譜的特性又避免其負(fù)面影響是本項(xiàng)研究的主要內(nèi)容。

2實(shí)驗(yàn)方法

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為了測(cè)試不同的吹風(fēng)頻譜對(duì)吹風(fēng)舒適性的影響，開(kāi)發(fā)出一種動(dòng)態(tài)空調(diào)末端裝置，該裝置可以根據(jù)需要改變計(jì)算機(jī)控制信號(hào)以產(chǎn)生具有不同頻譜分布的空氣流動(dòng)。其控制信號(hào)如下：

（2）

式中：a(k)是在0與σ之間均分分布的相互獨(dú)立的隨機(jī)數(shù)，，E(k)是給定的頻譜分布；

Δf=(fmax-fmin)/n，fmax和fmin分別控制信號(hào)的頻率上、下限；Δt是時(shí)間間隔；f(k)=fmin+(k-0.5)Δf；q(k)是在0與2π之間均勻獨(dú)立分布的隨機(jī)數(shù)。

通過(guò)上述方法可產(chǎn)生具有給定頻譜分布的隨機(jī)序列，但此序列在時(shí)域上離散，因此是一個(gè)偽隨機(jī)序列。還需對(duì)此序列作進(jìn)一步處理以得到直隨機(jī)序列。對(duì)此可通過(guò)兩步來(lái)實(shí)現(xiàn)：1）對(duì)偽隨機(jī)序列作隨機(jī)倒序及延時(shí)；2）對(duì)倒序或延時(shí)的序列加窗及疊加。這一過(guò)程可用下式描述：

(3)

其中：ωi(t)是窗函數(shù)；x1(t),……，xn(t)是經(jīng)過(guò)倒序或延時(shí)的偽隨機(jī)序列。

由上述方法產(chǎn)生的隨機(jī)序列作為控制信號(hào)并輔以其它一些調(diào)節(jié)措施可使動(dòng)態(tài)空調(diào)末端裝置產(chǎn)生具有不同頻譜分布的空氣流動(dòng)。

2.2實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)在清華大學(xué)人工環(huán)境室進(jìn)行，其內(nèi)部尺寸為3.4m×4.8m×3m.

該實(shí)驗(yàn)是等溫吹風(fēng)舒適性實(shí)驗(yàn)，吹風(fēng)溫度為28℃，空氣相對(duì)濕度維持在45%～55%.

共有87人（在校大學(xué)生）參加了主觀問(wèn)卷調(diào)查實(shí)驗(yàn)。受試者射穿單層長(zhǎng)袖上衣及長(zhǎng)褲，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以讀書(shū)、寫作。

實(shí)驗(yàn)采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方法。每次實(shí)驗(yàn)的前40min為適應(yīng)環(huán)境時(shí)間，由實(shí)驗(yàn)人員向受試者講解注意事項(xiàng)，然后調(diào)節(jié)控制信號(hào)先后產(chǎn)生不同吹風(fēng)頻譜的空氣流動(dòng)。在開(kāi)始的5min內(nèi)受試者根據(jù)熱感覺(jué)及吹風(fēng)舒適性選擇距離風(fēng)口的遠(yuǎn)近，一旦選好即在本部分實(shí)驗(yàn)中位置不再變化。實(shí)驗(yàn)中受試者感受不同吹風(fēng)頻譜的空氣流動(dòng)并比較它們之間的區(qū)別，回答實(shí)驗(yàn)問(wèn)卷中的相關(guān)問(wèn)題。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1吹風(fēng)波動(dòng)頻率上限的影響

為了尋求對(duì)人體有影響的頻率上限，為此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中創(chuàng)造有某一頻譜凸起的吹風(fēng)。圖2和圖3分別是兩種風(fēng)的頻譜。

圖2有凸起的吹風(fēng)頻譜

圖3無(wú)凸起的吹風(fēng)頻譜

共有44名受試者參加實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)受試者先體會(huì)頻繁譜凸起的吹風(fēng)，再感受有頻譜凸起的吹風(fēng)，然后回答問(wèn)卷。表1是實(shí)驗(yàn)問(wèn)卷結(jié)果。從表中可以看出大多數(shù)受試者對(duì)1Hz以上的風(fēng)速波動(dòng)并無(wú)明顯的感覺(jué)，而當(dāng)小于1Hz時(shí)則有明顯的不同。因此可把1Hz作為人體對(duì)風(fēng)速波動(dòng)感受的上限。即當(dāng)頻率大于1Hz時(shí)風(fēng)速頻譜不論怎樣變化其對(duì)吹風(fēng)舒適性的影響可以忽略。

表1無(wú)頻譜凸起時(shí)的人體感覺(jué)對(duì)比f(wàn)/Hz感覺(jué)有無(wú)差別/人次

無(wú)稍微有較大很大

1.5043190

1.0033290

0.50611282

0.253111512

3.2風(fēng)速頻譜曲線的影響

本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)旨在尋求不同的頻譜曲線對(duì)吹風(fēng)感受的影響。實(shí)驗(yàn)中共測(cè)試了在0.03Hz上下的3種頻譜分布：1）斜率分別為-1.3和-0.41；2）斜率為-1.4和-0.1;3)-1.51和-0.4。實(shí)驗(yàn)中受試者先后感受這三種吹風(fēng)方式，在每一部分結(jié)束后比較與前面吹風(fēng)方式的異同并回答其它問(wèn)題。表2是頻譜斜率-1.4和-0.1時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及與頻譜斜率為-1.3和-0.41時(shí)的熱舒適對(duì)比。

表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比（表中數(shù)值為人數(shù)）

感受比較是否更像自然風(fēng)與電風(fēng)扇相比是否有吹風(fēng)感長(zhǎng)時(shí)間吹風(fēng)是否不舒適對(duì)熱環(huán)境總評(píng)價(jià)對(duì)環(huán)境可接受性

更好26很像7很大改進(jìn)15很強(qiáng)烈0很不舒適0很滿意9可以接受39

差不多12更像28較大改進(jìn)23較輕微9不舒適0較滿意28勉強(qiáng)接受1

較差1較像5改進(jìn)不大2無(wú)31有點(diǎn)不舒適17一般3不能接受3

說(shuō)不清1不像0無(wú)改進(jìn)0沒(méi)有不舒適23有些不滿0

從表中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：1）吹風(fēng)頻譜曲線越接近自然風(fēng)，受試者的感覺(jué)也越接受自然風(fēng)，也更易被受視者接受，說(shuō)明風(fēng)速頻譜是影響吹風(fēng)舒適性的一個(gè)重要參數(shù)；2）接近自然風(fēng)頻譜的吹風(fēng)方式比機(jī)械風(fēng)有很大改進(jìn)；3）盡管少數(shù)受試者有輕微的吹風(fēng)感及長(zhǎng)時(shí)間吹風(fēng)后有輕微不適，但大多數(shù)受試者對(duì)熱環(huán)境是滿意的和可接受的。

3.3風(fēng)速波動(dòng)頻率下限的影響

自然風(fēng)頻譜特征是其低頻區(qū)的功率譜密度比高頻區(qū)大，因此尋求合理的頻率下限對(duì)克服自然風(fēng)時(shí)有時(shí)無(wú)、時(shí)大時(shí)小的負(fù)面影響是有意義的。

為此共測(cè)試了3種不同頻率下限的吹風(fēng)模式。3種頻率下限分別為0.488mHz，0.244mHz和3.9mHz。實(shí)驗(yàn)時(shí)依上述順序分別讓受試者感受3種吹風(fēng)模式的不同。表3是第三種頻率下限時(shí)受試者的感受與第二種的比較。

表3頻率下限實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比（人數(shù)）

更好差不多較差說(shuō)不清

222160

從表中可以看出當(dāng)頻譜下限為3.9mHz時(shí)受試者認(rèn)為較第二種情況差的人數(shù)較多。同時(shí)實(shí)驗(yàn)還表明當(dāng)頻率下限為0.488mHz和0.244mHz時(shí)則無(wú)明顯不同。這說(shuō)明頻率下限在0.244mHz與0.488mHz之間即可使大多數(shù)人對(duì)熱環(huán)境表示可接受。如果頻率下限再低則有可能出現(xiàn)風(fēng)速波動(dòng)太緩而造成吹風(fēng)有時(shí)太大有時(shí)太小的情況，從而造成受試者對(duì)熱環(huán)境的抱怨。這方面的推測(cè)還有特于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證。

4結(jié)論

1)風(fēng)速頻譜是影響人體熱舒適性的一個(gè)重要參數(shù)，頻譜曲線越接近自然風(fēng)則吹風(fēng)愈易被接受；

2)人體對(duì)風(fēng)速波動(dòng)的感覺(jué)有一個(gè)頻率上限，此頻率上限約為1.0Hz。

3)風(fēng)速頻率的下限在0.244mHz～0.488mHz的范圍內(nèi)可使吹風(fēng)具有滿意的可接受性；

4)所提出的模擬自然風(fēng)頻譜的方法可行且有效。

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