本發(fā)明涉及一種地下空間空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)確定方法，具體涉及一種在穩(wěn)態(tài)條件下，從人體換熱需求角度出發(fā)，確定地下建筑壁面冷輻射作用下室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)的方法。

背景技術(shù)：

室內(nèi)建筑熱環(huán)境調(diào)控的最終目標(biāo)是滿足人體熱舒適性要求，而現(xiàn)有的研究中針對地下建筑熱舒適性的研究較少，而基于將人體與環(huán)境的換熱量分離為輻射換熱與對流換熱兩部分并應(yīng)用在空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)中的研究罕見報(bào)道。地下空間因其較為穩(wěn)定的壁溫提供穩(wěn)定的輻射換熱量，本發(fā)明以滿足人體舒適情況下?lián)Q熱需求為前提，充分利用穩(wěn)定的輻射換熱量基礎(chǔ)上，通過人體與環(huán)境的對流換熱需求來進(jìn)一步確定地下空間的空調(diào)設(shè)計(jì)溫度、速度等參數(shù)，在地下空間空調(diào)舒適節(jié)能參數(shù)設(shè)計(jì)方面具有理論創(chuàng)新價(jià)值和工程實(shí)際意義。

解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院吳興平等以Fanger熱舒適方程及PMV-PPD評價(jià)指標(biāo)為理論依據(jù)，模擬計(jì)算了南京夏季地面建筑和深埋地下工程的室內(nèi)熱環(huán)境，結(jié)果表明，由于壁面平均輻射溫度的影響，深埋地下工程空調(diào)設(shè)計(jì)溫度可比地面空調(diào)設(shè)計(jì)溫度提高2～3℃。南京工程兵工程學(xué)院郭春信等依據(jù)地溫是影響地下工程室內(nèi)熱舒適指標(biāo)的重要因素，并利用Fanger人體熱舒適方程和PMV-PPD指標(biāo)體系研究發(fā)現(xiàn)，壁面溫度高的南方地區(qū)，地下工程室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度應(yīng)比壁面溫度低的北方地區(qū)取值低。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李忠建等通過在哈爾濱地區(qū)建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來運(yùn)行一個(gè)以土壤作為冷源直接供冷的空調(diào)系統(tǒng)，獲得了如季節(jié)供冷系數(shù)及平均供冷率等重要參數(shù)并對其在運(yùn)行期間的供冷特性進(jìn)行研究，得到了土壤直接供冷系統(tǒng)在一定地域范圍內(nèi)具有巨大節(jié)能潛力的結(jié)論。上述研究從不同角度探討了地下空間空調(diào)設(shè)計(jì)溫度范圍與壁溫和土壤蓄能的關(guān)系，但并沒有從人體換熱量的需求角度進(jìn)行空調(diào)參數(shù)設(shè)計(jì)。本發(fā)明提出的從人體換熱需求角度確定地下空間室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)的方法利用了地下空間穩(wěn)定壁溫是有小幅波動的，計(jì)算時(shí)取計(jì)算時(shí)間段中的最高值，以保證人體的熱舒適性，考慮地下空間壁面的輻射作用，提供了空調(diào)節(jié)能新思路，對地下空間氣流組織的設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值，體現(xiàn)了舒適節(jié)能、地下空間可持續(xù)發(fā)展的理念。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種由人體舒適換熱需求確定地下空間空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)的方法，該方法結(jié)合地下空間壁面溫度較為穩(wěn)定導(dǎo)致人與環(huán)境輻射換熱穩(wěn)定的特征，由人穩(wěn)態(tài)熱舒適條件下，地下空間人與環(huán)境的總換熱量(不考慮地下空間人與環(huán)境的潛熱換熱量)與輻射換熱量之差，即對流換熱量，來進(jìn)一步確定地下空間空氣溫度和風(fēng)速等主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種由人體舒適換熱需求確定地下空間空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)的方法，其特征在于，由人穩(wěn)態(tài)熱舒適條件下，地下空間人與環(huán)境的總換熱量與輻射換熱量之差，即對流換熱量，來進(jìn)一步確定地下空間空氣溫度和風(fēng)速等主要設(shè)計(jì)參數(shù)，具體步驟如下：

1)地下空間人所需的對流換熱量的確定

對于在地下空間中且處于穩(wěn)態(tài)熱舒適狀態(tài)的人體，在不考慮潛熱換熱工況下，滿足關(guān)系式：Q_c＝Q-Q_r，其中：Q為人體與環(huán)境的總散熱量，單位W、Q_c為對流換熱量，單位W及Q_r為輻射換熱量，單位W，其中，人處于熱舒適穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下與環(huán)境的總換熱量Q值范圍為50～100W而Q_r根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律公式：E_b＝σ_bT⁴，其中：E_b為輻射力，單位W/m²；σ_b為黑體輻射常數(shù)，值為T為開氏溫度，單位K，與輻射換熱量公式：其中：A₁、A₂為面積，單位m²；X_1，2為A₁對A₂平均角系數(shù)；ε₁、ε₁為發(fā)射率，計(jì)算得到，其中地下空間壁面溫度的穩(wěn)定性導(dǎo)致Q_r的穩(wěn)定性，可進(jìn)一步得到Q_c的值域范圍；

2)由人與環(huán)境所需的對流換熱量確定地下空間風(fēng)速、溫度設(shè)計(jì)參數(shù)

首先，由牛頓冷卻公式變換可得到Q_c＝hA(t_skin-t_a)，其中，t_a為空氣溫度，單位℃；A為人體換熱面積，單位m²；t_skin為皮膚溫度，單位℃；h為對流換熱系數(shù)，單位W/(m²·℃)，其中v_a為空氣流速，單位m/s；

其次，根據(jù)地下空間建筑功能對風(fēng)速上限的要求確定風(fēng)速，進(jìn)而結(jié)合人與環(huán)境所需的對流換熱量進(jìn)一步確定環(huán)境設(shè)計(jì)溫度。

步驟2)中提到的地下空間穩(wěn)定壁溫是有小幅波動的，計(jì)算時(shí)取計(jì)算時(shí)間段中的最高值，以保證人體的熱舒適性。

步驟2)中空氣的風(fēng)速依據(jù)地下空間的具體建筑功能對風(fēng)速上限的要求確定，結(jié)合人體對流換熱需求進(jìn)而進(jìn)一步確定空氣溫度。

本發(fā)明具有如下有益效果：

本發(fā)明中提到的關(guān)系式：Q_c＝Q-Q_r中輻射換熱量充分利用了地下空間低于皮膚溫度的較冷的壁面溫度對人體的冷輻射作用，為地下空間空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能提供了新思路。從地下空間人體穩(wěn)態(tài)熱舒適所需換熱量的角度出發(fā)，充分利用了地詳見壁面提供的較為穩(wěn)定的輻射換熱量，從而通過所需的對流換熱量進(jìn)一步確定空調(diào)設(shè)計(jì)溫度和風(fēng)速，減小了空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷，充分體現(xiàn)了地下空間設(shè)計(jì)的節(jié)能效果，同時(shí)也創(chuàng)新性的提出來地下空間空調(diào)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，具有創(chuàng)新性。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施案例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例：

以下采用在地下商場進(jìn)行輕度活動的人體為對象進(jìn)行計(jì)算。其中人體表面積A₁＝1.54m²；皮膚發(fā)射率ε₁＝0.98、壁面發(fā)射率ε₂＝0.875；皮膚溫度t_skin＝32.7℃；壁面溫度t₂＝23.2℃。

本發(fā)明的由人體舒適換熱需求確定地下空間空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)的方法，包括以下步驟：

1)對流換熱量計(jì)算：運(yùn)用公式Q_c＝Q-Q_r(Q_c：對流換熱量，W；Q：人體與環(huán)境的總散熱量，W；Q_r：輻射換熱量，W)，其中Q取范圍50～100W的中間值作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值，即Q＝75W；Q_r的計(jì)算方法如下所示：

(1)人體皮膚輻射力及壁面輻射力計(jì)算：將已知的t_skin(人體溫度，℃)與t₂轉(zhuǎn)換為開式溫度T₁＝32.7+273＝305.7K；T₂＝23.2+273＝296.2K，并將其分別代入斯蒂芬-玻爾茲曼定律E_b＝σ_bT⁴，計(jì)算得到E_b1＝495.2W/m²、E_b2＝436.4W/m²(E_b1：人體輻射力，W/m²；E_b2：壁面輻射力，W/m²；T_skin：皮膚溫度，K；T₂：壁面溫度，K；σ_b：黑體輻射常數(shù)，值為5.67×10^-8W/(m²·K⁴))；

(2)輻射換熱量計(jì)算：輻射換熱量公式(A₂：壁面面積，m²；X_1，2，A₁對A₂平均角系數(shù)，查詢文獻(xiàn)得值為0.17)，其中因?yàn)锳₂＞＞A₁，故可忽略一項(xiàng)，則可得簡化公式再將E_b1、E_b2、ε₁，X_1，2代入公式，計(jì)算得到Q_r＝15.3W；

故將Q、Q_r代入公式后計(jì)算得到Q_c＝59.7W；

2)地下空間設(shè)計(jì)參數(shù)的確定：根據(jù)美國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE 55-2010規(guī)定，商場類地下空間空氣速度v_a為0.8m/s，代入公式得到再將計(jì)算結(jié)果代入牛頓冷卻公式Q_c＝hA₁(t_skin-t_a)，得到t_a＝27.5℃；故最終得到地下空間空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)：t_a＝27.5℃，v_a＝0.8m/s。