风速频谱对人体热舒适性的影响

Impact of wind spectra on human thermal comfort

　　 空气流动能增强人体表面与外界的热湿交换，大多数情况下吹风能改善较热环境下人体的热舒适状况。吹风影响热舒适研究可分两部分：一是研究当室温低于26℃时的风感；另一个是研究在较热环境中怎样通过吹风的补偿作用达到热舒适。本文主要讨论第二种情况。
　　 一些研究^[1～5]对吹风提出的主要参数是平均风速，以此作为判别热环境中吹风可接受性的依据不能充分描述吹风方式的多样性。调查发现现实生活中人们对随机及不确定的自然风的感受与对单调的机械风的感受有较大不同。描述这两种吹风模式差别的一个主要参数就是风速的频谱。
　　
1 两种吹风方式频谱的比较

　　 风速波动的标准差反映了波动的程度，但仍是一个总体参数，不能反映气流波动的细节。而频谱则描述了波动能量随风速波动的频率f的分布：

　　 　　 　　　　　　　（1）

　　式中：E(f)是功率谱密度， 是风速波动的方差。
　　 对自然风和由送风口或风扇送出的机械风采样整理得出的频谱示于图1。即使自然风平均速度有0.56m/s，其频谱在低频处仍比机械风平均速度为2.3m/s时大，说明两类不同的吹风模式在低频处有很大差别。而高频处情况正相反，机械风的功率谱密度大于自然风的功率谱密度。
　　
　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　图1 自然风与机械风频谱对比
　　
　　 从图中可以看出自然风的频谱具有以下特点：1）自然风的频谱具有相似的形式；2）频谱曲线在低频区斜率小，在高频区斜率大。
　　 人们除了对自然风的正面评价外还有如有时太大有时太小等一些负面评价。这些评价除了与频谱随频率分布有关外，主要与频谱的频率上下限有关，因此吹风频谱对热舒适性的影响并不能简单的认为具有与自然风的频谱即可满足吹风的舒适性。怎能样合理利用自然风频谱的特性又避免其负面影响是本项研究的主要内容。
　　
2 实验方法

　　2.1 实验设备
　　 为了测试不同的吹风频谱对吹风舒适性的影响，开发出一种动态空调末端装置，该装置可以根据需要改变计算机控制信号以产生具有不同频谱分布的空气流动。其控制信号如下：
　　 　　　　　　　　　 （2）
　　式中：a(k)是在0与σ之间均分分布的相互独立的随机数， ，E(k)是给定的频谱分布；
Δf=(f_max-f_min)/n，f_max和f_min分别控制信号的频率上、下限；Δt是时间间隔；f(k)=f_min+(k-0.5) Δf；q(k)是在0与2π之间均匀独立分布的随机数。
　　 通过上述方法可产生具有给定频谱分布的随机序列，但此序列在时域上离散，因此是一个伪随机序列。还需对此序列作进一步处理以得到直随机序列。对此可通过两步来实现：1）对伪随机序列作随机倒序及延时；2）对倒序或延时的序列加窗及叠加。这一过程可用下式描述：

　　　　　 　　　　　　　(3)

　　其中：ω_i(t)是窗函数；x₁(t)，……，x_n(t)是经过倒序或延时的伪随机序列。
　　 由上述方法产生的随机序列作为控制信号并辅以其它一些调节措施可使动态空调末端装置产生具有不同频谱分布的空气流动。
　　
　　2.2 实验方案
　　 实验在清华大学人工环境室进行，其内部尺寸为3.4m×4.8m×3m.
　　 该实验是等温吹风舒适性实验，吹风温度为28℃，空气相对湿度维持在45%～55%.
　　 共有87人（在校大学生）参加了主观问卷调查实验。受试者射穿单层长袖上衣及长裤，在实验过程中可以读书、写作。
　　 实验采用对比实验的方法。每次实验的前40min为适应环境时间，由实验人员向受试者讲解注意事项，然后调节控制信号先后产生不同吹风频谱的空气流动。在开始的5min内受试者根据热感觉及吹风舒适性选择距离风口的远近，一旦选好即在本部分实验中位置不再变化。实验中受试者感受不同吹风频谱的空气流动并比较它们之间的区别，回答实验问卷中的相关问题。
　　

f/Hz

感觉有无差别/人次

无

稍微有

较大

很大

1.50

4

31

9

0

1.00

3

32

9

0

0.50

6

11

28

2

0.25

3

11

15

12

更好

差不多

较差

说不清

2

22

16

0