等温条件下气流运动的选择频率

　　
　　Preferred frequency of air movement in an isothermal environmen

　　 本文的目的是考察按不同频率周期性变化的气流对人体热感觉的影响作用。对于它的研究，不仅会减少气流引起的冷吹风感的产生，而且能更好的利用空气流动，改善人体在较热环境中的热感觉。
　　 根据紊流的统计理论[1]，我们可以按频率来讨论紊流能量的分布问题，这就是用功率谱密度的方法进行研究。因此，频率是描述紊动气流的不可缺少的特征之一，它也必然是影响人体热感觉的一项重要因素。
　　 Fanger[2]等人的实验发现，频率为0.3～0.5Hz的周期性变化的气流对于处于冷一中性状态的受试者容易引起更大的不舒适感觉。Tanabe[3]等人考察了不同波动形式的气流作用下人体的热感觉情况，发现按照正弦形式变化的气流比恒定的气流对人体的冷作用更大，而且频率分别为16.7，33.0和100mHz的气流对人体的作用没有显著的不同。在比较了相同速度，不同模式的气流作用后，Arens[4]等人认为，最大功率谱密度在0.7～1.0Hz的恒定模式比最大值0.2～0.4Hz的波动气流对人体的冷却作用更好。
　　
1 实验方法

　　 实验在清华大学的气候室中进行。该气候室提供等温气流的静压箱，出口设置纵向百叶，能方便地调节百叶的摆动速度和送风机的转速。受试者周围布置有半导体测温计、干湿球温度计和等温式的热线风速仪。
　　 受试者年龄18～20岁。服装热阻约为0.6clo（1clo=0.155m²·K·W^-1），加上金属折叠椅的热阻[5]，总的服装热阻为0.7clo(0.109m²·K·w^-1)。
　　 气候室的温度设定点分别为26.0，27.5，29.0，30.5℃；相对湿度分别为35%，65%。每一低相对湿度工况包含40个样本，高相对湿度工况包含22个样本。参加实验106人次。新陈代谢率M=1.0met(1met=58W·m²)
　　 每次实验进行2h，包含1种相对湿度，2种温度工况。在第1个0.5h中，受试者进入气候室，换上实验服装，并适应气候室的热环境，按实验人员的要求，填写背景调查问卷。在随后的1.0h中，受试者面对风口而坐，调节风速和频率达到自己满意状态，并继续填写问卷。每种温度工况维持0.5h，其间，受试者可以阅读或谈话。在改变温度工况的间隙，他们可以离开座位休息，但不离开气候室。最后0.5h，受试者感受4种频率的气流，以对风强的感觉不变为前提，给出不同频率下的选择风速。
　　
2 结果与分析

　　2.1 脉动频率
　　 实验中有4种典型的风速样本，见图1所示。用功率谱分析的方法得到功率谱密度最大值对应的频率，由于风速呈较规律的周期性变化，在某一频率处的功率谱密度出现一个大的峰值，见图2a，可以用此频率来表征这一气流。 这4种典型频率分别为0.16，0.31，0.50，0.64Hz 。功率谱密度函数由下式来计算，

　　 　　

　　其中：f为频率，E（f）为功率谱密度函数， 为速度均方值。
　　 　　
　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　图1 4种典型脉动频率下的风速样本
　　
　　 在自然界中，气流速度的变化是随机脉动的，其频谱函数也是连续的，能量分布在较大的频率区间内，如图2b 所示。为了了解某一窄范围的频率值对人体热感觉的影响，我们将其强化，提取出来专门研究，所以，实验中用到的周期性变化的气流（图1，图2a）可以看作是实际气流在某一频率处的提取与强化（图2b）。
　　
　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　图2 实验用气流（a）与一种自然风（b）的频谱比较

　2.2 选择频率
　　 在实验过程中，受试者感受不同频率的气流，给出可以接受的频率范围，以及最合适的一个选择频率值。对结果的方差分析发现，频率范围和选择频率随着环境操作温度和相对湿度的变化并不显著，在所有的实验工况中，受试者的选择频率约为0.4Hz，可接受的频率范围集中在0.2～0.65Hz.
　　 以相对湿度为35%为例，图3表示了在4种温度工况下，选择频率的分布（p）情况。可以看出，温度对分布的影响不显
著，超过80%的受试者选择的频率在0.3～0.5Hz之间。在相对湿度为65%的实验工况下，得到相似的结果。
　　
　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　图3 选择频率的分布（Rh=35%）
　　
　　2.3 人体感受风速
　　 实验发现，气流脉动频率对人体感受气流强度有十分显著的影响。每一种实验工况下，受试者被要求调节气流频率到上文提到的4种典型情况，并感受风强片刻，调节风速值，给出在不同频率下的选择风速。受试者普遍反映。当气流速度不变时，随着频率的升高，人体感受到的风强和风速都变小了。这一现象同样反映在受试者的选择风速（V p）上，以受试者在风强的感觉不变为前提，随着频率的增大，受试者选择风速的平均值也随之增大。如图4所示，在65%的相对湿度，4种操作温度情况下，选择风速随着频率的增大而升高。这说明，人体对不同频率的气流（即使它们的具有相同的其它性质如平均速度，气流脉动强度等）有不同的强度感觉，主要反映在对于气流速度的感觉上。同样规律发生在低相温度工况下。
　　
　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　图4 相对湿度为65%时不同频率下的选择风速
　　
　　2.4 热感觉与吹风感
　　 图5表示的是实验工况下的平均热感觉投票值（TSV）和热舒适投票值（TCV）。TSV基本上在0.5～-0.5之间，TCV在0.5以上，说明受试者在实验工况下通过自由调节风速和频率能够达到热舒适状态。另外，图5明显地显示出热感觉投票值随环境温度的升高而增大的趋势，这说明当温度升高后，受试者并没有用较大的气流速度来使自己的热感觉恢复到中性状态。
　　
　　　　　　　　
　　　　　　　　　图5 实验工况下的平均热感觉投票值（TSV）和热舒适投票值（TCV）
　　
　　 关于不愉快的吹风感，虽然受试者能够自行调节风速和频率，但是在实验工况下，仍有一定比例的受试者产生吹风感受，而且随着温度的增加，这一比例也在增加。例如，在相对湿度为35%时，温度从26℃上升到30.5℃，吹风感的产生比例从5.1%上升到22.5%。这一现象与稳定气流中吹风感的产生规律一致的，现象解释和反映的问题见文[6]。
　　
　　2.5 与Fanger的实验结果比较
　　 本次实验结果和Fanger的实验结果[2]的比较见图6。可以看出，频率在0.3～0.5Hz范围内的气流对人体产生的冷作用最强。当受视者处于冷-中性状态时（在Fanger的实验中），这一频率范围内的气流最易使人体产生冷吹风感；相反在本次实验中，受试者处于中性-热的状态时有超过80%的受试者选择这一范围内的频率，此时人体感觉最为凉爽。所以，两个实验所提示的气流的特是相同的。
　　
　　　　　　　
　　　　　　　　　　　图6 本次实验和文[2]实验结果的比较
　　
3 结论
　　 本文从实验角度研究了气流脉动频率对人体热感觉的影响作用，得到以下结论：
　　环境操作温度和相对湿度对受试者的选择频率和可以接受的频度范围没有显著的影响。超过80%的受试者的选择频率在0.3～0.5Hz之间，有近95%的选择频率在.7Hz以下。可接受的频率范围集中在0.2～0.65Hz。
　　气流脉动频率对人体感受气流强度有十分显著的影响。随着频率的增加，人体感受到的气流速度随之减小。
　　在实验工况下，受试者能够通过自由调节风速和频率得到热满意状态，但在较高温度下，选择风速不能使他们保持热中性状态。同样，在较高温度下，有一定比例的受试者感到不愉快的吹风感。
　　频率在0.3～0.5Hz范围内的气流对人体产生的冷作用最强。本次实验和Fanger的实验都证明了这一结论。
　　

参考文献