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模拟自然风的研究及其热舒适性评价

作　者: 陈军
导　师: 付海明
学　校: 东华大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 自然风模拟自然风稳态机械风分形特性混沌特性空调装置热舒适性
分类号: TU834.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

在现代社会的生活和工作环境中,室内热环境与人们息息相关,良好的室内热环境不仅有益于人们身心健康,还有助于提高室内工作效率和降低建筑能耗。然而,目前通过电扇和空调设备等人工方法建立室内热中性环境的同时,也导致了室内环境污染、能耗增加、人体体温调节功能和适应能力下降等一系列室内环境问题,这与自然风带来的自然、清新、柔和、多变、吹风感受舒适和降温效果良好的自然环境差异很大。本文综合运用信号测试技术、模拟控制技术、分形及混沌理论和热舒适理论,从理论和实验两方面研究了自然风与机械风的气流特性、自然风模拟技术、自然风与模拟自然风的分形及混沌特性和模拟自然风的热舒适性评价,目的在于研究自然风的特性并应用于空调装置,通过模拟自然风来改进空调末端装置的送风模式,改善吹风的人体热舒适感觉,提高室内热环境的舒适性和节约能源。研究中首先确定了对人体有良好热舒适作用的自然风概念,明确了自然风采样分析和空调装置自然风模拟研究的对象。通过对不同环境下自然风和不同设备的机械风进行采样,建立风速样本数据库,对采样的风速样本进行平均风速、风速概率分布、湍流度、自相关函数和频谱函数等气流特性参数分析。研究表明,采样的自然风与机械风的波动规律、风速概率分布、湍流度、自相关函数和频谱函数等气流紊动特性参数有明显的区别。以Takens定理为基础,基于相空间重构理论,运用G-P算法和小数据量法对采样的自然风进行计算,采用最小二乘法进行一元线性回归分析,得出表征自然风具有分形特性的分形维数和混沌特性的最大Lyapunov指数。同时提出了一种改进的简易识别无标度区间的方法,给出风速序列动态变化的影响因子及系统有效自由度。研究表明自然风具有分形及混沌特性。运用PLC信号控制技术,研制模拟自然风的空调装置,对空调装置在电机变速工况下模拟自然风和恒速工况下稳态机械风的特性进行测试,并分析两组工况下送风的波动规律、湍流度、概率分布、自相关性及频谱特性等气流紊动特性。研究表明,当采用自然风为控制信号来模拟自然风时,此装置能产生与控制信号自然风相似的的动态风,其气流紊动特性与控制信号有很好的一致性,其送风在低频区域能量较高,高频区域能量较低,频谱曲线变化剧烈;当装置电机恒速工况时,其出风频谱曲线变化平缓。同时,运用G-P算法和小数据量法对采样的模拟自然风和控制信号自然风进行计算,得到了表征模拟自然风和控制信号自然风均具有分形特性的分形维数和混沌特性的最大Lyapunov指数,结果表明模拟自然风与控制信号自然风具有相似的分形及混沌特性。基于人体热舒适方程,采用PMV-PPD热舒适性模型,在等温条件下运用PMV-PPD指标对模拟自然风进行指标评价,提出了动态风速与PMV-PPD的关系。同时,进行人体热舒适性实验对模拟自然风和稳态机械风两种不同送风模式的吹风感觉、热环境舒适性、热感觉指标TSV和热舒适指标TCV等指标进行主观问卷调查的投票评价。研究表明,与稳态机械风相比,模拟自然风适合于不同人体的广泛热舒适性范围,其吹风感觉、热环境舒适性、热感觉指标TSV和热舒适指标TCV等方面均有所改善,模拟自然风及其形成的动态室内热环境具有良好的热舒适性评价。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-14
第一章绪论  14-26
  1.1 本课题的研究背景和意义  14-16
  1.2 本课题的国内外研究现状  16-22
    1.2.1 国外研究现状  16-18
    1.2.2 国内研究现状  18-22
  1.3 本课题的研究内容和方法  22-24
    1.3.1 研究内容  22-23
    1.3.2 研究方法  23-24
  1.4 小结  24-26
第二章自然风与机械风的气流特性分析  26-38
  2.1 概述  26
  2.2 风速采样  26-28
  2.3 风速样本的参数分析  28-37
    2.3.1 平均风速  28-29
    2.3.2 湍流度  29-30
    2.3.3 风速概率分布  30-32
    2.3.4 自相关函数  32-35
    2.3.5 功率谱密度函数  35-37
  2.4 小结  37-38
第三章自然风的分形及混沌特性分析  38-58
  3.1 混沌理论介绍  38
  3.2 相空间重构  38-45
    3.2.1 概述  38-39
    3.2.2 嵌入维数  39-40
    3.2.3 延迟时间间隔  40-42
    3.2.4 二维相空间重构  42-45
    3.2.5 小结  45
  3.3 分形维数  45-53
    3.3.1 概述  45-47
    3.3.2 无标度区间  47-51
    3.3.3 分形维数的确定  51-53
    3.3.4 小结  53
  3.4 最大Lyapunov指数  53-55
    3.4.1 概述  53-54
    3.4.2 自然风的最大Lyapunov指数  54-55
  3.5 小结  55-58
第四章模拟自然风的动态化实验研究  58-76
  4.1 实验装置  58-63
    4.1.1 实验装置结构  58-59
    4.1.2 实验原理  59-60
    4.1.3 实验设备  60-63
  4.2 控制信号  63-65
    4.2.1 采样信号  63-64
    4.2.2 控制信号与PLC的通信  64-65
  4.3 实验数据的分析  65-74
    4.3.1 平均风速  65-66
    4.3.2 湍流度  66
    4.3.3 风速概率分布  66-68
    4.3.4 自相关函数  68-69
    4.3.5 功率谱密度函数  69-70
    4.3.6 分形维数  70-74
    4.3.7 最大Lyapunov指数  74
  4.4 小结  74-76
第五章模拟自然风的热舒适性评价  76-90
  5.1 室内环境的热舒适性评价概述  76-81
    5.1.1 人体热舒适方程  76-78
    5.1.2 PMV-PPD评价指标  78-80
    5.1.3 室内环境的热舒适性评价方法  80-81
  5.2 模拟自然风的PMV-PPD指标评价  81-83
  5.3 模拟自然风的人体吹风感觉投票实验  83-86
  5.4 模拟自然风的人体热感觉指标和热舒适指标投票实验  86-88
  5.5 本章小结  88-90
第六章结论与展望  90-94
  6.1 本课题的研究结论  90-91
  6.2 展望与建议  91-94
参考文献  94-100
附录  100-104
  附图  100-101
  附表  101-104
攻读硕士学位期间的研究成果  104-105
致谢  105

模拟自然风的研究及其热舒适性评价

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