浅谈PMV方程的适用范围
第27卷第3期
2005年6月
重庆建筑大学学报
JournalofChongqingJianzhuUniversity
V01.27No.3
Jun.2005
浅谈PMV方程的适用范围4
许景峰
(重庆大学建筑城规学院,重庆400045)
摘要:近年来随着人们对居住环境热舒适度的重视,利用IS07730标准中PMV—PPD指标来
进行室内热环境舒适度评价的现象越来越普遍,目前许多研究室内热环境的文章也是把PMV
—PPD指标作为参考和依据,来进行研究与分析。但是对于PMV—PPD指标的适用范围却很
少有人关注和...
第27卷第3期
2005年6月
重庆建筑大学学报
JournalofChongqingJianzhuUniversity
V01.27No.3
Jun.2005
浅谈PMV方程的适用范围4
许景峰
(重庆大学建筑城规学院,重庆400045)
摘要:近年来随着人们对居住环境热舒适度的重视,利用IS07730标准中PMV—PPD指标来
进行室内热环境舒适度评价的现象越来越普遍,目前许多研究室内热环境的文章也是把PMV
—PPD指标作为参考和依据,来进行研究与分析。但是对于PMV—PPD指标的适用范围却很
少有人关注和了解,从而出现了对PMV指标的误用和滥用,并推导出某些不准确的结论。通
过对PMV方程推导过程的分析,解释了在高温条件下PMV指标与实际情况不符的现象,进一
步说明PMV方程的适用范围,从而保证在进行热舒适度研究过程中可以作出科学合理的评价
与结论。
关键词:热舒适;PMV—PPD指标;热舒适测试仪;PMV方程;适用范围
中图分类号:TUlll.19+1文献标识码:A 文章编号:1006—7329(2005)03—0013—06
DiscussionontheApplicationRangeofthePMVEquation
XUJing——feng
(CollegeofArchitecture&UrbanPlanning,ChongqingUniversity,Chongqing400045,P.R.China)
Abstract:Withtheattentiontothecomfortdegreeoflivingenvironment,thephenomenonofmakinguseof
thePMV—-PPDindexwithintheIS07730standardtoevaluatetheindoorthermalcomfortdegreeismoreand
morewidespread.ManypapersaboutindoorthermalenvironmentarebasedonthePMV—PPDindexasthe
referenceorbasistoresearchand.analyze.Butfewpeopleunderstandandpayattentiontotheapplication
rangeofthePMV—PPDindex.SosomepeoplemisuseandabusethePMVindexanddeducesomeinaccurate
conclusions.Inthisthesis,basedontheanalysisoftheprocessofdeducingPMVequation,thephenomenon
thatPMVindexisdifferentfromthefactinthehightemperatureconditionisexplained;furthermoretheappli—
cationrangeofthePMVequationisconfirmed.Sotoobtainthescientificandreasonableevaluationandcon—
clusionintheprocessofresearchofthethermalcomfortdegreecanbeensured.
Keywords:thermalcomfort;PMV—PPDindex;thermalcomfortmeter;PMVequation;applicationrange
随着人们生活水平的日益提高,对生活质量和居住环境舒适度的要求也愈来愈高。因此,创造一个
舒适的居住环境是人们提高生活水平的需要,是社会不断进步、科技不断发展的必然。
美国采暖、制冷和空气调节工程师学会(ASHRAE)把热舒适环境定义为:人在心理状态上感到满意
的热环境⋯。热舒适是一种人们对热环境的主观感觉量,既属于物理环境的范畴,又涉及生理学、心理
学和社会学。自上个世纪初以来,不少学者对室内热舒适的评价方法进行了许多研究,并根据各种不同
的评价方法先后提出了一系列的评价指标。如有效温度(ET)、新有效温度(ET+)、标准有效温度
(SET)、热应力指标(H.S.I.)、预计热指标(PMV)等∞J。为建筑热工
和室内热环境的评价提供了
重要的设计依据和评价方法。其中,丹麦范格尔(P.0.Fanger)教授提出的预计热指标PMV(Predicted
MeanVote)是考虑人体热舒适感诸多相关因素最全面的评价指标,也是目前最通用的室内热环境评价
}收稿日期:2005一叭一06
作者简介:许景峰(1980一),男,安徽芜湖人,研究生,主要从事建筑物理热工与声学研究。
万方数据
14 重庆建筑大学学报 第27卷
指标。它既包括四个室内气候因素:空气温度、空气湿度、空气速度以及平均辐射温度;rE包括了两个人
为因素:服装和新陈代谢率。
早期的热舒适指标PMV是对实验室或现场调查结果进行统计得到的,这些实验f生指标有其具体的
适用场合,且实验中的各有关参数可改变的数量有限,再加上各参数之间存在很多耦合关系,结论难以
推广。因此,为了推出综合的舒适指标,为了找到一个适用范围更广的综合性热舒适指标,Fanger于是
提出了描述人体在稳态条件下能量平衡的热舒适方程,同时根据热舒适方程中热负荷与热舒适偏移量
之间的关系,从而推出了预计热指标PMV方程∞o。
1984年国际标准化组织提出了室内热环境评价与测量的标准化方法IS07730。在IS07730标准中
采用了PMV—PPD指标来描述和评价热环境。丹麦的B&K公司根据Fanger的PMV方程,研制生产了
1212热舒适测试仪(ThermalComfortMeter)用于室内热舒适的测定。从而使得预计热指标PMV在室内
热环境评价与测量中得到运用。
1 热舒适测试仪的使用情况
虽在许多工程中,都使用1212热舒适测试仪来测量PMV指标和评价室内热舒适。然而,但测量中
却存在一定的局限性。主要包括有:
1)由于1212热舒适测试仪的热传感器不能测量出空气中的湿度,在进行室内热环境的PMV评价
时还需要借助其它热工仪器测出室内空气的水蒸气分压力值;
2)当1212热舒适测试仪的热传感器从一个热环境到另一个热环境,调整传感器倾角或高度,或更
改服装热阻参数的时候,都需要花几分钟的时间才能使热传感器达到热平衡的状态,然后进行PMV和
PPD数值的读取;
3)对于服装热阻、新陈代谢率和水蒸气分压力三个输人参数,只能通过仪器上的旋钮进行选择,其
数值都有一定的范围且不连续,其可改变的数量有限,因此在有些特殊的情况下不能准确的反映其舒适
度指标(如水蒸气分压力大于3.6kPa时,在参数旋钮上找不到相应的数值);
4)1212热舒适测试仪上的PMV和PPD数值是有一定范围的(一2.2≤PMV≤+2.2,5%≤PPD≤
90%),对于更不舒适情况下的热环境不能进行准确的评价;
5)1212热舒适测试仪没有数据采样和存储的功能,只能由工作人员进行现场数据读取,对于长时
间的室内热舒适监测有一定的困难。
因此,使用1212热舒适测试仪进行PMV指标测量和室内热舒适评价存在着许多不便,因而在实际
中并没有能得到广泛的应用。
2预计热指标PMV方程
由于热舒适测试仪进行预计热指标PMV测量时存在一定的局限性。因此,结合室内气候分析仪或
其它热工仪器所测出的四个室内气候参数,通过PMV方程计算得出预计热指标PMV,就成为目前进行
室内热舒适评价和分析最方便和简单的方法。
Fanger的预计热指标PMV方程为∞o:
删y=[0.303exp(一0.036M)+0.0275]×TL
=[0.303exp(一0.036M)+0.0275]×{肘一]肜一3.05[5.73—0.007(M一形)一P。]
一0.0173M(5.87一p。)一0.0014M(34一t。)一0.42(M一形一58)
一3.96×10—0乙[(td+273)4一(i,+273)4]一厶O/。(td—t。)}(1)
式中:儿为人体热负荷(ThermalLoad),人体产热量与为了维持人体舒适所必须向外界散出的热量之
间的差值,反映人体对热平衡的偏离程度;M为人体新陈代谢产热率(MetabolicRate),人体在分解食物
的化学反应中释放能量的速率,W,/m2;W为人体对外做功率(WorkRa.te),人体不同活动强度下对外输
出的机械效率(一般取值为0),W/m2;p。为空气中的水蒸气分压力(PressureofWaterVapor),kPa;t。为
万方数据
人体周围的空气温度(AirTemperature),℃;i,为周围环境的平均辐射温度(MeanRadiant
Temperature),oC;
芝:(FkOm)
i,=旦匕一 (2)∑凡
以为房间围护结构各内表面面积(SurfaceArea),m2;0m为房间围护结构各内表面温度(Surface
Temperature),℃;£。f为衣服外表面温度(ClothingSurfaceTemperature),℃;
35.7—0.0275(M一肜)+R。以[4.13(1+0.01dT)+0[。t。].,,,、
bcl一
1+R。以E4.13(1+0.01dT)+n。]
V7
心为服装热阻值(ClothingResistance),m2K/W,(1clo=0.155m2·K/W)坑f为服装的面积系
数(ratioofclothed/nudesurfacearea),用来表示人体着装后的实际表面积F。z和人体裸身表面积%之
比;即:
工f=Fd/Fo=1.00+0.968Rcj (4)
dT=i,一22,℃;a。为对流交换系数(ConvectiveTransferCoefficient),W/(m2·K);
0c.:』2.38(£cz一£。)n
25
2·38(£rf。)。·25>12·l扛 (5)0c,o{ ~)J
[12.1石 2.38(t。z—f。)心<12.1石
秽为空气对人的相对流速(RelativeAirVelocity),m/s。
PMV指标预测的是在同一环境下,绝大多数人的热感觉。为了与ASHRAE的热感觉标尺保持一
致,PMV也采用7点生理、心理热感觉标尺,如表1所示心’6]:
表1 PMV生理、心理热感标尺
PMV指标代表了对同一环境下绝大多数人的感觉。但是人与人之间存在生理差别,PMV指标并
不一定能够代表所有个人的感觉。因此Fanger提出了预测不满意百分比PPD(PredictedPercentDissat—
isfied)指标来表示人群对热环境不满意的百分数,并利用概率分析方法,给出删y与PPD之间的定量
关系,其关系如下:
PPD=100—95exp[(0.03353PMV4+0.2179PMVz)](6)
ISO及ASHRAE等组织依据Fanger的PMV—PPD指标,规定室内热环境的舒适标准为:一0.5<
PMV<0.5,相应的PPD为:PPD<10%。而我国很多学者认为,上述指标要求太高,在我国大部分地区
难以实现,而且亦无必要。所以一般认为可以接受舒适热环境的PMV为:一1.0
死时,正是因为外界温度比人体皮肤表
面温度高,因此加大风速和减少服装阻值就反而使得PMV指标值变大,使得人们感到不舒适了。
对于热平衡方程本身来说,这样的推导结果并没有错误,但是这与实际情况相违背。那么到底是什
么原因呢?其主要原因是:
1)PMV方程的主要目的是用于评价比较舒适热环境中的热舒适程度。
PMV方程本来就是从热舒适状态下的热平衡方程推导出来的,是用于评价比较舒适热环境中的热
舒适程度,其咒和E。的计算公式是在接近热舒适环境下的推导出来的,而对于不舒适热环境下其公式
并没有进行修正;
2)没有考虑到人体自身的生理调节功能。
当人体处于热环境中,首先会引起血管的扩张,增加血液流量,提高皮肤温度,从而增加皮肤向环境
的散热量。如果这样仍不能抑制身体内部的温度上升,就会使皮肤出汗,通过蒸发来带走身体的热
量[4’6J。在这种情况下减少服装热阻和增加风速就会增加传热和对流交换系数,从而增强人体向周围
环境的散热量,减少人体的热不舒适感。当人体处于冷环境下,则首先通过皮下血管收缩来减少身体表
层的血流量,降低皮肤温度以减少人体辐射和对流热损失。
正是因为瓦和氏的计算公式是在接近热舒适环境下的推导出来,没有考虑人体体温调节系统在
不舒适热环境中所起的作用,从而影响了PMV指标在不舒适热环境中进行评价的适用性。
3.3适用范围的分析
由于PMV方程是通过实验调查统计和传热学理论两者相结合所推导出来的,对人体舒适感影响参
数的考虑确实比较全面,对室内热舒适度的评价也是可靠的。同时,由于热舒适方程中热负荷与热舒适
偏移量之间的确有着一定的关系,在一定范围内确实可以通过对人体热负荷的计算评价热舒适的好坏。
但是目前不少使用PMV指标来评价室内热环境的研究人员对PMV方程本身的适用范围和局限性
并没有充分了解,经常使用PMV方程所计算出的PMV指标对一些非舒适环境进行评价,并以此来说明
该环境的恶劣程度,但是却忽略了PMV方程在不舒适环境中的局限性,从而得出一些与实际情况不符
万方数据
18 重庆建筑大学学报 第27卷
的结论。
任何一个理论或公式都有一定的适用范围,都有一定的前提条件。综上所述,PMV方程主要是用
于评价热环境舒适的程度,而非不舒适的程度。PMV方程的适用范围必须满足∞J:
1)人体必须长时间处于比较稳定的热平衡状态。
PMV热舒适方程是建立在人体和周围环境进行稳态传热基础上的,仅仅适用于长时间暴露在稳态
热环境下,具有恒定新陈代谢率的人们。而对于短时间热舒适的评价则不宜用PMV指标,而多采用相
对热指标RWI(RelativeWarmtllIndex)和热损失率HDR(HeatDeficitRate)及其它的一些指标;而对于
动态热环境的热舒适评价也有相应的评价指标。
2)皮肤表面具有接近舒适时的温度。
、
计算皮肤表面温度乇的公式是以皮肤表面处于正常温度为前提的,而对于因自身体温调节系统引
起的皮肤表面温度变化,该公式就不再准确,从而影响最后PMV指标的准确评价。
3)人体具有接近舒适的最佳排汗率。
对于计算汗液蒸发散热量E0的公式同样是以皮肤处于正常最佳排汗率为前提的。而对于因自身
体温调节系统引起的排汗率变化,该公式也就不准确,以致影响PMV指标评价的准确性。特别是在夏
季排汗率适当增加的条件下,提高风速可以一定程度上提高人体的热舒适度,且仍处于正常热平衡状
态。(若排汗率过大,虽然提高风速会稍微降低不舒适性,但是该条件已经不处于舒适范围,而属于负
荷热平衡状态)。
因此,PMV热舒适方程最大的局限就是:人体的皮肤温度L和汗液蒸发散热量E。。被限定在热舒
适状态下的范围之中。即当人体在不舒适状态下(如皮肤温度升高或降低,皮肤大量出汗)时,PMV方
程则不能准确的反应出其热舒适的偏移量的大小。
PMV方程所计算的PMV指标虽然充分考虑了影响热舒适的六个因素,但仍然忽略了其它一些次
要的影响因素,如使用人群的体型、年龄、性别与周边热环境等¨1。例如对于比较炎热或寒冷的地区,
就可以考虑当地人们对当地气候的适应性和身体调节能力,在对其进行热工设计时,可使PMV指标的
数值稍微偏向当地人们适应的热环境,在保证比较舒适的热环境下,又节约一定的能源。因此,在一些
特殊情况下,需要考虑到这些次要因素对PMV指标的影响,做到科学的评价热环境。
本文只是对PMV方程在高温条件下不适用的情况进行了分析,而对于由低温引起的皮肤温度下降
是否会影响PMV方程的适用范围,没有进行详细的分析。另外,对于如何评价皮肤温度和汗液蒸发量
处于非正常情况下的热环境,采用何种评价指标进行综合评价,还需进一步研究和探讨。
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万方数据
浅谈PMV方程的适用范围
作者: 许景峰, XU Jing-feng
作者单位: 重庆大学,建筑城规学院,重庆,400045
刊名: 重庆建筑大学学报
英文刊名: JOURNAL OF CHONGQING JIANZHU UNIVERSITY
年,卷(期): 2005,27(3)
被引用次数: 3次
参考文献(6条)
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1.贺培春.林景栋 基于PMV指标的双闭环前馈解耦式室内空气控制策略[期刊论文]-自动化技术与应用 2010(2)
2.王德刚.徐新喜.王猛 某型急救车车厢内卧姿伤病员热舒适性分析与评价[期刊论文]-人类工效学 2008(3)
3.院蕾 空调系统和照明系统的节能控制研究[学位论文]硕士 2006
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