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=(fmax-fmin)/n，fmax和fmin分别控制信号的频率上、下限；Δt是时间间隔；f(k)=fmin (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：ωi(t)是窗函数；x1(t),……，xn(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。

3 实验结果

　　3.1 吹风波动频率上限的影响
　　 为了寻求对人体有影响的频率上限，为此在实验过程中创造有某一频谱凸起的吹风。图2和图3 分别是两种风的频谱。
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2 有凸起的吹风频谱
　　
　　　　　　　　　　　　　　　 　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3 无凸起的吹风频谱

　　 共有44名受试者参加实验。实验时受试者先体会频繁谱凸起的吹风，再感受有频谱凸起的吹风，然后回答问卷。表1是实验问卷结果。从表中可以看出大多数受试者对1Hz以上的风速波动并无明显的感觉，而当小于1Hz时则有明显的不同。因此可把1Hz作为人体对风速波动感受的上限。即当频率大于1Hz时风速频谱不论怎样变化其对吹风舒适性的影响可以忽略。
　　表1 无频谱凸起时的人体感觉对比

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

　　3.2 风速频谱曲线的影响
　　 本项实验旨在寻求不同的频谱曲线对吹风感受的影响。实验中共测试了在0.03Hz上下的3种频谱分布：1）斜率分别为-1.3和-0.41；2）斜率为-1.4和-0.1;3)-1.51和-0.4。实验中受试者先后感受这三种吹风方式，在每一部分结束后比较与前面吹风方式的异同并回答其它问题。表2是频谱斜率-1.4和-0.1时的实验结果及与频谱斜率为-1.3和-0.41时的热舒适对比。

　　表2 实验结果对比（表中数值为人数）

感受比较	是否更像自然风	与电风扇相比	是否有吹风感	长时间吹风是否不舒适	对热环境总评价	对环境可接受性
更好 26	很像 7	很大改进 15	很强烈 0	很不舒适 0	很满意 9	可以接受 39
差不多 12	更像 28	较大改进 23	较轻微 9	不舒适 0	较满意 28	勉强接受 1
较差 1	较像 5	改进不大 2	无 31	有点不舒适 17	一般 3	不能接受 3
说不清 1	不像 0	无改进 0		没有不舒适23	有些不满 0

　　 从表中实验结果可以得出以下结论：1）吹风频谱曲线越接近自然风，受试者的感觉也越接受自然风，也更易被受视者接受，说明风速频谱是影响吹风舒适性的一个重要参数；2）接近自然风频谱的吹风方式比机械风有很大改进；3）尽管少数受试者有轻微的吹风感及长时间吹风后有轻微不适，但大多数受试者对热环境是满意的和可接受的。
　　
　　3.3 风速波动频率下限的影响
　　 自然风频谱特征是其低频区的功率谱密度比高频区大，因此寻求合理的频率下限对克服自然风时有时无、时大时小的负面影响是有意义的。
　　 为此共测试了3种不同频率下限的吹风模式。3种频率下限分别为0.488mHz，0.244mHz和3.9mHz。实验时依上述顺序分别让受试者感受3种吹风模式的不同。表3是第三种频率下限时受试者的感受与第二种的比较。
　　
　　表3 频率下限实验结果对比（人数）

更好	差不多	较差	说不清
2	22	16	0

　　 从表中可以看出当频谱下限为3.9mHz时受试者认为较第二种情况差的人数较多。同时实验还表明当频率下限为0.488mHz和0.244mHz时则无明显不同。这说明频率下限在0.244 mHz与0.488 mHz之间即可使大多数人对热环境表示可接受。如果频率下限再低则有可能出现风速波动太缓而造成吹风有时太大有时太小的情况，从而造成受试者对热环境的抱怨。这方面的推测还有特于实验的进一步验证。
　　
4 结论

　　1)　风速频谱是影响人体热舒适性的一个重要参数，频谱曲线越接近自然风则吹风愈易被接受；
　　2)　人体对风速波动的感觉有一个频率上限，此频率上限约为1.0 Hz。
　　3)　风速频率的下限在0.244 mHz～0.488 mHz的范围内可使吹风具有满意的可接受性；
　　4)　所提出的模拟自然风频谱的方法可行且有效。
　　
参考文献（References）

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