空气质量与热舒适度

空调客车的空气品质与热舒适空调客车的空气品质与热舒适 室内空气品质和热舒适简介室内空气品质和热舒适简介 室内环境品质(mQ)如声、光、热环境及室内空气品质(IAQ)对人的身心健康、舒适感及 工作效率都会产生直接的影响。在上述诸多影响因素中，室内空气品质和热环境因素对人 的影响尤为显著。 20 世纪 70 年代，由于世界能源危机的出现，建筑物加强了气密性，减少了通风量， 加上有机合成材料在室内装饰及设备用具方面的广泛应用，致使室内挥发性有机化合物 (VOC)气体大量散发，严重恶化了室内空气品质，出现了“病态建筑综合症”。影响空气品 质的主要参数有：室内污染物浓度分布、空气年龄。 最全面的评价热舒适的指标是 Fanger 提出的热舒适评价指标预期平均评价(P )和 预期不满意百分率(PPD)指标。该指标综合了空气温度、平均辐射温度、空气流速、空气湿 度、人体新陈代谢率及服装热阻六个因素。随后又提出了由风速引起的不满意百分率(肋) 指标。 数值计算由于可任意设置条件和再现计算结果已广泛应用于通风空调中，室内温度、 速度分布和室内污染物浓度可由通常的计算流体流动模型(cFD)模型来计算。本文主要讨论 常用 CFD 模型和如何在 CFD 中计算室内空气品质和热舒适的评价参数 PD、PPD、PMV 和空 气年龄。 空气品质：空气品质： 室内空气质量研究领域有两种划分方法，一种是按解决问题的科学技术属性划分，另 一种是按解决问题的应用或目标属性划分。 按解决问题的应用或目标属性划分，室内空气质量控制和改善可分为以下几方面：城 市建筑环境（居住建筑环境、办公建筑环境和公共建筑环境），农村建筑环境，交通工具 内环境， 特殊空间（医院、地下空间等），室外和室内环境的相互影响等。 按问题的科学技术属性划分，研究内容可分为室内空气质量对人舒适、健康和工作效 率的影响；化学污染控制；微生物污染控制、颗粒污染控制、室内空气环境综合控制、室 内外空气质量的关系等。 1、室内空气品质的定义：、室内空气品质的定义： （1）室内空气品质定义在近 20 年中经历了许多变化。最初，人们把室内空气品质几乎完 全等价为一系列污染物浓度指标。近年来，人们认识到这种纯客观的定义不能函盖室内空 气品质的内容。 （2）在 1989 年国际室内空气品质讨论会上，丹麦的 Fanger 教授提出了一种空气品质的主 观判断标准：空气品质反映了人们的满意程度。如果人们对空气满意，就是高品质；反之， 就是低品质。 （3）ASHRAE 颁布的标准 ASHRAE 62-1989满足可接受室内空气品质的通风中兼顾了室 内空气品质的主观和客观评价，定义如下：良好的室内空气品质应该是“空气中没有已知的 污染物达到公认的权威机构所确定的有害物浓度指标，且处于这种空气中的绝大多数人 (80%)对此没有表示不满意”。 2、室内空气质量评价方法、室内空气质量评价方法利用各种浓度监测仪利用各种浓度监测仪 （1）实验室仪器分析：气相色谱仪、分光光度计等 （2）便携式仪器：甲醛分析仪、一氧化碳分析仪、二氧化碳分析仪、臭氧分析仪等 （3）先进科研设备：PTR-MS 质谱仪、INNOVA 气体分析仪、微颗粒物分析仪 热舒适的定义：热舒适的定义： 热舒适是指大多数人对客观热环境从生理与心理方面都达到满意的状态。“热舒适”是 指人体对热环境的主观热反应。Bedford 在 1936 年提出热舒适的 7 级评价指标，美国供暖、 制冷与空调工程师协会标准(ASHRAE Standard) 在 1996 年开始使用 7 级热感觉指标，如表 1 所示1。 表 1 热舒适和热感觉评价指标 BedfordASHRAEPMV 值 冷冷-3 凉凉-2 舒适的凉爽微凉-1 舒适并不冷不热中性0 舒适的温暖微暖1 暖暖2 热热3 除 PMV 指标外，各国学者针对各自不同的目的提出了许多用于评价人体热感觉与热舒 适的指标，其中比较有代表性的指标有：有效温度和标准有效温度（美国）；卡他冷却能 力、当量温度和主观温度（英国）；预测平均投票数和预测不满意百分数（丹麦）；热应 力指标；湿球黑球温度计指数2。对室内热舒适性的评价指标规定，我国可依照的相关标 准包括中等热环境 PMV 和 PPD 指数的测定及热舒适条件的规定（GB/T18049-2000）、 采暖通风与空气调节设计规范(2001 年版)等。 人体热舒适是人们对周围热环境感到满意的一种主观感觉，它是多种因素综合作用的 结果，是一个精神的、主观的心理反映。最初人们对空调热环境进行评价时，是用传统数 学方法，对热感觉各个级别间原本很模糊的边界给于精确的界定。这样就会出现用精确数 学处理热舒适反而不精确的现象。引入模糊数学方法建立模糊综合评判模型，这是一种比 以前更加科学的热舒适评判体系，但由于每个人生理上的差异及主观感觉的多样性，使得 每个个体的舒适区都不尽相同，而模糊评判模型是根据群体的热感觉建立的，不能完全适 用于每一个个体。因此，对室内热舒适性进行评价时，发展了多种评价方法. 热舒适度评价方法：热舒适度评价方法： （1）模糊评判:针对传统的室内环境舒适性评价方法的局限性，提出广义舒适感的概念， 利用模糊数学方法建立多级 FCE 指标，并用实验的方法对该指标的精度和可靠性作了检验 3。 （2）主观评价: 选择典型大型商场，采用问卷调查方式，了解不同商场、不同人员对室内 环境的满意程度、可接受性和引发的症状水平，进而对室内环境舒适性进行主观评价4。 （3）数值预测:将计算传热学和计算流体力学综合应用于室内气流组织的数值计算，将计 算范围扩至建筑围护结 构外表面，根据 Patankar 提出的对 r 求调和平均的措施，建立共 轭传热室内环境数值预测模型5。 （4）基于神经网络理论进行评判:以 MatLab 6.0 为开发工具，建立 BP 神经网络评判模型， 以不同个体对 17 种不同的环境做出热舒适判断作为学习的教师，然后再对 4 种不同的环境 作了验证。该方法能够解决个体热舒适差异问题6。 空调客车的空气品质与热舒适研究空调客车的空气品质与热舒适研究 目前针对旅客列车而言，高速化、舒适化是其发展的主流。高速行驶的列车要求车厢 具有很好的密闭性。在密闭的客车车厢中，车内的环境主要依靠客车空调、通风系统维持， 而空调通风系统设计与运行的状况会直接影响到车内的空气品质和热舒适。在高速宅调 卧铺车内，空调和通风系统设计不良、运用管理不善、大量使用台成材料、采用密封性良 好的门窗等构件以及为节能尽可能减小新风等措施，会使车厢内产生的多种有机性气体以 及由人体产生的污染物得不到合理的稀释和置换， 导致车厢内空气品质变差。 1 影响卧铺车厢内空气品质与热舒适状况的因素分析影响卧铺车厢内空气品质与热舒适状况的因素分析 影响空调列车卧铺车厢内空气品质的污染物主要有 CO ，细菌和可吸入性微粒、异味 等 在密闭的车内如果空气得不到净化，有害物的浓度就会越来越高 根据有关旅客空间 列车空气质量状况的调查 硬卧车厢内 CO浓度严重超标 其浓度比硬也和软卧车分别高 1O 和 15。客车内其他许多污染物浓度很低。铁路卧铺车车厢内空气具有污染物种类 多、浓度低、对旅客作用时间 的特点影响空调卧铺车厢内热环境舒适性的因素有温度、湿 度、车内风速和平均辐射温度。其中车厢内的湿度和风速基奉 E 都能维持在规定范围内。 但是温度的变化较大主要表现为卧铺车厢内温度受太阳辐射的影响和车厢内上 温度不均 匀 空调车内热舒适环境受太阳辐射的影响较大当太阳辐射作用于客车窗玻璃时，一部行 被窗玻璃反射一部分则直接透射进入车室内，这不仅使空调负荷增加，而且引起车室内 空气的流场、温度场的波动、变化 2 保持车厢内良好的空气品质和热舒适环境应采取的措施保持车厢内良好的空气品质和热舒适环境应采取的措施 （1）选用新型设备和材料。选用低挥发性有机物的装饰材料和附属设备降低污染。采用 过缘效率高、容尘量大并且能够吸附异味气体、杀灭细菌的新型空气过滤器 存放地去除 空气中的灰尘，保持客车车厢内空气的洁净度。 （2）加强空调通风系统的维护与管理。微生物的滋长需要水分和营养积(如尘埃)，控制尘 埃和湿度是降低微生物污染最有技的手段 当车厢内相对湿度达到 70时就具备许多微 生物滋长的充足条件，对于客车空调通风系统中的一些易产生和容纳污染物的部件(例如过 滤器等)要进行定期清洗和更换，以减少客车车厢内污染物的产生量；要保持蒸发器的清洁， 以减少细菌繁殖和避免异味的产生；管道系统中的静压箱和管件等部位局部的相对湿度要 避免超过 70，以防止尘埃的积累和微生物的滋长。厕所也是客车的主要污染源，其卫生 状况也要引起注意。 （3）增加新风量。新风量和新风洁净度是新风问题的两个方面，客车空调设计中应该将它 们综合考虑，以保证车厢内空气品质。传统观念认为，新风是为了清除人所产生的生物污 染，所以房间最小新风量仅由每人所需最小新风量确定。随着科技的发展，人们认识到现 代建筑中的装潢材料、家具、用品、通风空调系统本身均为污染源，并且其污染强度远远 超过人所产生的污染。在 SH RAE62 一 l989R 标准中，确定新风量需考虑人员和室内气体两 个方面的污染，即不再以满足人的生理需求作为新风量的惟一设计指标，还要考虑让室内 建筑材料、家具以及其它污染源产生的污染物能够保持较低的浓度，以保证室内空气质量 状况良好。 （4）采用手动调节型风口，让旅客可以根据车厢内冷热状况调节风口的开启度。减少燃烧 产物，如吸烟造成的烟雾发生量等。 （5）改变气流组织。列车卧铺车厢的布局和现有的送风系统在很大程度上影响着车内空气 品质和热舒适。虽然可以采用一些措施，例如加大新风量，可以提高室内空气品质，但是 完全依靠加大新风量来提高室内 空气品质的方法也是不可取的，更有效的措施是合理进行气流组织和系统布置，即合理布 置送、排风口，避免涡旋，消除死角，提高系统的通风效率。下面以 YW25 型硬卧空调客 车为例进行分析。YW25 型硬卧空调客车空调通风系统气流组织采用上送上回式，其常规 送风道和送风口位于车厢顶部， 回风口位于车厢一端小走廊顶部，客室内回风经端门底部 格栅至空调机组的回风口，废气排风口位于厕所内。车厢中每 6 个铺位共用一个送风口， 每个风口距上铺很近，上下距离大约 70 cIn (见图 1)。这就造成了风口的风直接作用于上铺， 形成上铺过冷以及上、中、下铺温度不均匀的问题。根据卧铺车厢内人员在铺位上休息时 间较长的特点，可以采用个体送风方式在各铺位形成良好的局部微环境来解决空气品质和 温度分布不均匀的问题。个体送风方式由主风口和个体送风口组成(见图 2)，车厢顶部的主 风口负责维持车厢内整个大环境，创造基本温度、湿度等条件；个体送风口负责各个铺位 小范围环境，特别是空气品质；回风方式不变。个体送风系统能直接向呼吸区提供清洁空 气，并进行部分温度控制，使人体吸入的空气尽可能的不受到周围环境的影响， 以保证较 高的空气品质；同时，通过局部的冷却，为旅客提供一个独立的、有着良好空气品质的热 舒适环境。 3 硬卧车空调系统气流组织的数值模型硬卧车空调系统气流组织的数值模型 为了分析和比较个体送风方式与常规空调送风的差异，利用英国 CHAM 公司的 PHOENICS 软件对空调客车模型进行数值模拟计算。本文以 YW25 型空调客车为计算对象， 每个卧铺隔间的几何参数为：长 31 m、宽 17 m、高 29 m。为节省计算容量，在多 次试算的基础上，对研究区域进行简化，仅取客室长度方向的 15，即 2 个隔间单元为计 算区域。模拟计算时以出风口平面作为计算区域的顶面， 以客室端门为边界， 以端门底 部格栅或端门为回风口。空调客室内的气流运动属于紊流运动。通常所使用的紊流模型有 零方程模型、一方程模型以及两方程模型，而对于靠近壁面区域的计算来说， 以 方程最 为方便。所以，在紊流的工程计算中，k- 两方程模型的应用最为广泛，并且也取得了较为 成功的结果。因此，本次计算选用 k 一 两方程模型对问题进行模拟求解。在假设和简化 的基础上，建立含连续性方程、动量方程、紊流动能方程(k 方程) 紊流动能耗散方程( 方 程)、能量方程等在内的一套封闭的方程组，并将其表示成以下的通用形式： 4 数值结果分析数值结果分析 现有卧铺车厢气流组织如图 3、图 4 所示，靠近送风口的地方气流速度较大，气流沿 着铺位流动。从截面看，各铺位之间存在着气流回流现象，送风气流沿卧铺向车厢端运动， 从铺位上方回流。回流气流会带动车厢内污染物，特别是铺位上的灰尘、细菌等污染物一 起运动，影响车内空气品质。 采用个体送风方式的气流组织如图 5、图 6 所示。从图 5 可以看到，个体送风方式改 变了现行的新型空调客车车内气流组织，小风量、低风速的个体送风干扰了各个卧铺上的 回流气流，在呼吸区附近为新风气流提供了一个单向通道。个体送风口送入的新鲜空气首 先达到人的呼吸区域，然后携带污染物由上部运动排出，这减少了新风受到车厢内已有污 染物的二次污染，保证了新风到达呼吸区的有效品质，具有良好的通风效率，改善了车内 空气品质。 5 结论结论 随着社会的发展，空调客车内的空气品质和热舒适状况日益受到关注。客车车厢内空 气品质和热舒适是相互联系的，影响它们的重要因素是气流组织和车厢内污染物的散发。 （1）为保证车内具有良好的车内空气品质及热舒适环境， 在车辆制造时应选用低挥发性 的有机物装饰材料和配件；在日常运用过程中，应加强空调设备的管理、保养以及通风系 统定期的清洁维护，这是改善车厢内空气品质和热舒适状况的有效手段。 （2）提高空调客车内空气品质和热舒适性，除了采用更高的设计标准外，还要优化空调系 统，更新传统的设计思路。采用个体送风的方式，能够改善卧铺车厢空气品质和热舒适状 况，值得进一步研究。 （3）通过对硬卧车气流组织建立数值模型并分析其结果，为空调硬卧车车厢内气流组织的 优化设计、舒适环境的评价与研究提供了借鉴，可为空调客车空调通风系统的设计提供参 考。 参考文献：参考文献： 1 牛润萍 陈其针 张培红，热舒适的研究现状与展望，人类工效学10（1），