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热舒适方程

热舒适方程是用于评估人体在特定环境条件下热舒适感的数学模型,最著名的是由丹麦科学家P.O. Fanger提出的PMV-PPD模型(预测平均投票-预测不满意百分比)。该模型基于人体热平衡原理,综合考虑了环境与人体因素,被国际标准ISO 7730采纳。



热舒适方程的核心公式(PMV方程)

PMV(Predicted Mean Vote)的计算公式为:

PMV=(0.303e−0.036M+0.028)[(M−W)−3.05×10−3(5733−6.99(M−W)−Pa)−0.42((M−W)−58.15)−1.7×10−5M(5867−Pa)−0.0014M(34−ta)−3.96×10−8fcl((tcl+273)4−(tr‾+273)4)−fclhc(tcl−ta)]PMV=(0.303e0.036M+0.028)[(MW)3.05×103(57336.99(MW)Pa)0.42((MW)58.15)1.7×105M(5867Pa)0.0014M(34ta)3.96×108fcl((tcl+273)4(tr+273)4)fclhc(tclta)]

其中:

  • PMV范围:-3(冷)到+3(热),0表示最佳热舒适。

  • PPD(不满意百分比):由PMV导出,公式为 PPD=100−95e−(0.03353PMV4+0.2179PMV2)PPD=10095e(0.03353PMV4+0.2179PMV2),即使PMV=0时,PPD仍有5%不满意。


方程中的关键参数

  1. 环境参数

    • tata:空气温度(℃)

    • tr‾tr:平均辐射温度(℃)

    • varvar:空气流速(m/s)

    • RHRH:相对湿度(%),用于计算水蒸气分压 PaPa

  2. 人体参数

    • MM:新陈代谢率(1 met = 58.15 W/m²,静坐约1 met,步行约2 met)。

    • WW:外部做功(通常假设为0)。

    • IclIcl:服装隔热值(1 clo = 0.155 m²·℃/W,夏装约0.5 clo,冬装约1 clo)。


  3. 衍生变量

    • fclfcl:服装面积系数(与服装覆盖有关)。

    • tcltcl:服装表面温度,需通过迭代计算。

    • hchc:对流换热系数,与空气流速相关。

方程的应用与局限性

  • 应用

    • 建筑设计、空调系统(HVAC)优化。

    • 评估办公、住宅、医院等场所的热环境。

  • 局限性

    • 假设环境稳态,不适用于动态变化场景。

    • 忽略个体差异(年龄、性别、文化背景)。

    • 对极端湿度或气流条件的适应性有限。


示例

若办公室环境参数为:ta=25℃ta=25℃tr‾=26℃tr=26℃var=0.1m/svar=0.1m/sRH=50%RH=50%,人员静坐(M=1metM=1metIcl=0.5cloIcl=0.5clo),则通过计算PMV值可判断是否需要调整温度或通风。


该方程通过量化多因素交互作用,成为热环境设计的基石,但实际应用中需结合实地测试与用户反馈以弥补模型不足。

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