1 引言
　　
　　自然通風(fēng)是人們樂于接受的通風(fēng)方式，除了能減少傳統(tǒng)空調(diào)制冷系統(tǒng)的使用，降低能耗外，其更有利于人的生理和心理健康也是其中一個(gè)重要原因。各國(guó)的研究者在調(diào)查時(shí)均發(fā)現(xiàn)，人們對(duì)室外的自然風(fēng)有著更好的接受性。1992年，F(xiàn)ujii Haruyuki 和Lutzenhiser Loren [1] 在公款空調(diào)住宅的居民行為進(jìn)行調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，盡管許多家庭都配備有完善的空調(diào)裝置，但大部分人都更喜歡打開窗戶，依靠自然通風(fēng)來保持室內(nèi)物理環(huán)境，只有當(dāng)自然通風(fēng)無法保證室內(nèi)環(huán)境時(shí)，人們才會(huì)使用空調(diào)設(shè)備，同年，Busch[2]對(duì)泰國(guó)曼保的兩種類型（自然通風(fēng)和空調(diào)）辦公房間熱舒適進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)對(duì)于自然通風(fēng)建筑，讓人覺得舒適的環(huán)境溫度明顯高于通常的空調(diào)設(shè)計(jì)溫度，其它學(xué)者在利比亞、中國(guó)等地的調(diào)研也得到了類似的結(jié)論[3][4][5]。另一方面在實(shí)踐中人們也發(fā)現(xiàn)人體對(duì)較高風(fēng)速的自然風(fēng)的長(zhǎng)時(shí)間的耐受程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于相同平均風(fēng)速的機(jī)械風(fēng)，以上的研究成果均表明在自然通風(fēng)條件下，人體的熱感覺要比溫度相同的機(jī)械空調(diào)通風(fēng)控制的環(huán)境來得舒適。但是，其中的原因至今還沒有得到一個(gè)被普遍接受的解釋。
　　人體周圍的氣流的流動(dòng)對(duì)人體的熱感覺有著極為敏感的影響，關(guān)于自然風(fēng)的風(fēng)速脈動(dòng)特征，日本的研究者們?cè)?SPAN lang=EN-US>80年代就發(fā)現(xiàn)其具有所謂1/f紊動(dòng)特性（1/fluctuation）[6]并試圖生產(chǎn)能夠產(chǎn)生這種特征氣流的空調(diào)設(shè)備。1/f紊動(dòng)特性（1/fluctuation）是自然界普遍存在的規(guī)律，其最早發(fā)現(xiàn)于直流電流充入電子管產(chǎn)生的信號(hào)中[7]。1/f紊動(dòng)特性形成撥亂反正物理機(jī)制引起了物理學(xué)家和工程師們的極大興趣，從1977年開始，多學(xué)科參加的關(guān)于1/f紊動(dòng)特性的國(guó)際會(huì)議每?jī)赡昱e行一次，但至今還沒有形成一個(gè)被廣泛接受的理論。近年來的研究不斷發(fā)現(xiàn)，1/f紊動(dòng)特性大量存在于生物系統(tǒng)中，而且與人的愉悅感受密切相關(guān)[8]。人體許多生理信號(hào)也具有明顯的1/f紊動(dòng)規(guī)律，而且人體視覺、聽覺對(duì)1/f紊動(dòng)信號(hào)也有很好的認(rèn)同感。自然風(fēng)同樣具有1/f紊動(dòng)特性，這可能為自然通風(fēng)帶給人的舒適性提供了一個(gè)合理的解釋。
　　
2．1/f紊動(dòng)特性與人體的舒適性
　　
　　自然界有許多隨機(jī)的信號(hào)（噪聲），功率譜密度函數(shù)是描述這些信號(hào)數(shù)據(jù)牲最重要的參數(shù)，不同頻率f對(duì)應(yīng)的功率譜密度的大小反映了某一周期的信號(hào)的強(qiáng)弱。利用快速傅立葉變化（FFT），即可得到離散信號(hào)的功率譜密度函數(shù)s(f)。根據(jù)s(f)和頻率f在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上的圖象，自然界中的信號(hào)（噪聲）通?？梢詣澐譃?種（如圖1所示），對(duì)數(shù)功率譜為水平直線的白噪聲，即s(f)=1/f⁰；s(f)=1/f²的是褐色噪聲（布朗噪聲）；s(f)=f^β，β介于0～2之間的稱I/f的噪聲。I/f⁰噪聲處于完全隨機(jī)變化中，不存在自相關(guān)性，I/f²噪聲有很強(qiáng)的自相關(guān)性，噪聲處于以上二者之間，存在一定的自相關(guān)性[9]。
 　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖１　三種典型紊動(dòng)功率譜密度函數(shù)
 
　　人們發(fā)現(xiàn)，人體很多的生理信號(hào)均屬于1/f噪聲，具有1/f的紊動(dòng)特性，而且當(dāng)人體處于松弛愉悅狀態(tài)時(shí)，生理信號(hào)的功率譜指數(shù)β（即1/f的負(fù)生產(chǎn)率）十分接近于1。1982年，日本的Kobayshi M.等[10]對(duì)人體心跳周期的研究中發(fā)現(xiàn)心跳信號(hào)具有1/f紊動(dòng)規(guī)律。1993，calcagnini，G。Jr.[11]對(duì)正常人和高血壓人的心跳速率頻譜分析表明，正常人心跳信號(hào)的功率譜指數(shù)β為1.12±0.14，而高血壓患者為1.24±0.15。人們還發(fā)現(xiàn)心臟收縮產(chǎn)生的血壓信號(hào)和嬰兒的呼吸速率等信號(hào)都同樣符合1/f紊動(dòng)分布規(guī)律[12，13]。1997年，日本的武者利光（T.Musha）等[14]總結(jié)了在生物系統(tǒng)中存在的1/f紊動(dòng)特性，列舉了人們?cè)诩?xì)胞、器官和行為三個(gè)層次的生理信號(hào)發(fā)現(xiàn)的1/f紊動(dòng)規(guī)律。
　　美妙的音樂具有明顯的1/f紊動(dòng)特性，這點(diǎn)早在1975年R.F.vossd等就已發(fā)現(xiàn)[15，16]；1998年，Jeong JS, Joung MK等研究了人們對(duì)音樂情感響應(yīng)如何在反射在大腦電信號(hào)上，研究結(jié)果再次證實(shí)了具有1/f紊動(dòng)規(guī)律的音樂能帶給人愉悅的響應(yīng)[17]。
　　1991年，日本茨城大學(xué)教授安久正紘（M.Agu）等[18]發(fā)現(xiàn)自然光與人造光在紊動(dòng)特性是不同的，讓人體感到舒適的自然光線（如經(jīng)過樹葉撒向地面的陽光）的照度脈動(dòng)具有1/f紊動(dòng)特性，白熾燈的功率譜比較接近自然光，即β值接近1，而熒光休的功率譜卻有一部分具有白噪聲的特點(diǎn)。他們指出，通過控制變極器輸出電壓的脈沖寬度，可以使熒光粉具有1/f的紊動(dòng)特性。
　　
3．自然風(fēng)的1/f紊動(dòng)特性

　　日本的學(xué)者在80年代初就發(fā)現(xiàn)室外自然風(fēng)的風(fēng)速脈動(dòng)具有1/f紊動(dòng)特性[6]，而后還有不斷有研究者主實(shí)這一發(fā)現(xiàn)。1997年還是日本的研究者T.Hara等[19]在日本長(zhǎng)野的一個(gè)農(nóng)村對(duì)夜晚的室外微風(fēng)進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果分析表明風(fēng)速變化具有1/f紊動(dòng)特性；2000年，清華大學(xué)的朱疑秋[20]對(duì)自然風(fēng)和機(jī)械風(fēng)進(jìn)行了多個(gè)樣本的測(cè)量和頻譜分析，給出了典型的自然風(fēng)和機(jī)械風(fēng)功率譜密度圖，如圖2和圖3所示。結(jié)果表明，自然風(fēng)功率譜密度分布符合1/f規(guī)律，且功率譜指數(shù)與人體生理信號(hào)指數(shù)接近，而機(jī)械風(fēng)的功率譜密度分布不具有明顯的1/f規(guī)律。以上研究成果可能能從一個(gè)角度說明自然風(fēng)比機(jī)械風(fēng)更舒適的原因。
   　　

圖２　典型自然風(fēng)功率譜密度圖

　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖３　典型機(jī)械風(fēng)功率譜密度圖
 
　　自然風(fēng)具有1/f紊動(dòng)特性這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，促使人們開始研究和制造具有此種紊動(dòng)特點(diǎn)的人工機(jī)械送風(fēng)設(shè)備，以改善送風(fēng)氣流對(duì)人體的舒適性。松下電氣公司的研究者們認(rèn)為海濱自然風(fēng)的值β接近1，因此人的感受應(yīng)該最好，并努力將此成果應(yīng)用到空調(diào)系統(tǒng)中[21][22]。鹿島建設(shè)在1989年建成的島（KI）大廈就宣布有采用了仿自然風(fēng)的空調(diào)送風(fēng)形式[23]。1988年，日本的安久正紘曾試圖通過引入一個(gè)擬數(shù)字速度控制系統(tǒng)，控制電風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速變化來模擬自然風(fēng)[24]，1997年T.Hara等[19]也嘗試用微機(jī)產(chǎn)生的混沌的信號(hào)去控制風(fēng)機(jī)產(chǎn)生1/f紊動(dòng)風(fēng)，但他們均未能給出所產(chǎn)生氣流的紊動(dòng)特征參數(shù)如功率譜來證明其產(chǎn)生自然風(fēng)的濃度是成功的。山武-Honeywell公司也曾經(jīng)投入研究經(jīng)費(fèi)開發(fā)仿自然風(fēng)的空調(diào)設(shè)備，發(fā)現(xiàn)在風(fēng)口附近模擬出自然風(fēng)就很難，更難以在房間空間模擬出自然風(fēng)，因此在90年代中期停止了這項(xiàng)產(chǎn)品研究。2000年，清華大學(xué)賈慶賢[25]發(fā)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)速產(chǎn)生氣流從頻譜上看仍然人有普通機(jī)械風(fēng)的特征。他通過自然風(fēng)和機(jī)械風(fēng)產(chǎn)生的不同機(jī)理分析，提出用轉(zhuǎn)動(dòng)盤控制出口流量分配來產(chǎn)生不同風(fēng)速頻譜的方法，開發(fā)出送風(fēng)末端裝置。利用此裝置產(chǎn)生的四種風(fēng)束變化的人體熱舒適實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：接近于自然風(fēng)頻譜特征的風(fēng)速變化模式比其它三種風(fēng)速變化模式（穩(wěn)定風(fēng)速、正弦風(fēng)速、隨機(jī)風(fēng)速）有更好的可接受性，有61%的受試者認(rèn)為模擬自然風(fēng)是最舒適的。在對(duì)模擬自然風(fēng)進(jìn)行的頻說分析中發(fā)現(xiàn)，其功率譜密度曲線基本滿足1/f規(guī)律[20]。
　　
4．研究展望
　　
　　室外自然風(fēng)具有1/f紊動(dòng)特性，目前已得到眾多研究者的認(rèn)可。自然通風(fēng)是室外自然風(fēng)進(jìn)入建筑內(nèi)部的過程，那么進(jìn)入室內(nèi)風(fēng)是否還具有1/f紊動(dòng)特性？不同建筑結(jié)構(gòu)、節(jié)流部件對(duì)氣流的紊動(dòng)特征何影響？這些問題目前仍然還沒有得到充分深入的研究。2001年，清華大學(xué)譚剛[26]運(yùn)用湍流統(tǒng)計(jì)理論、隨機(jī)分析方法等非線性研究工具研究了自然通風(fēng)建筑對(duì)氣流風(fēng)紊動(dòng)特性的影響，發(fā)現(xiàn)建筑附近的室外自然風(fēng)的值β近似1.1，而由于門窗和房間空間的作用，進(jìn)入到室內(nèi)的氣流值β逐漸加大到1.7，仍然具有1/f特征，但已經(jīng)向褐色噪聲偏移。熱壓自然通風(fēng)形成的氣流則具有與室外自然風(fēng)類似的紊動(dòng)特性，但也有一些差別。
　　國(guó)內(nèi)外研究者正在努力嘗試研究出能產(chǎn)生1/f紊動(dòng)特性氣流的機(jī)械送風(fēng)裝置，目前已有一些成功的報(bào)道；但是迄今為止，在房間較大的空間中模擬自然同非常困難，其原因正是由于室內(nèi)氣流紊動(dòng)特征的形成和改變理與影響因素還沒有完全得到揭示，也就缺乏在室內(nèi)“制造”自然風(fēng)環(huán)境的理論基礎(chǔ)。調(diào)研中還發(fā)現(xiàn)，目前已有的對(duì)自然風(fēng)的測(cè)試均是一個(gè)測(cè)試度的，對(duì)于同一測(cè)點(diǎn)在不同方向上的風(fēng)速是否具有同樣的紊動(dòng)規(guī)律？這些也還需要做進(jìn)一步的研究。
　　自然風(fēng)和機(jī)械風(fēng)在紊動(dòng)特性上的區(qū)別，為人們改善機(jī)械風(fēng)的送風(fēng)舒適性提供了改進(jìn)的方向，但要真正能在建筑室內(nèi)產(chǎn)生人工的自然風(fēng)，還有很多的研究工作需要開展。
　　
5 結(jié)論
　　
　　1．1/f紊動(dòng)特性大量存在于生物系統(tǒng)中，并且與人的愉悅感受愛密切相關(guān)。研究表明，自然風(fēng)也具有1/f紊動(dòng)特性，而機(jī)械風(fēng)的功率說分布密度不具有明顯的1/f規(guī)律，這可能能從一個(gè)角度說明自然風(fēng)比機(jī)械風(fēng)更舒適的原因。 　　
　　2．自然風(fēng)和機(jī)械風(fēng)在紊動(dòng)特性上的區(qū)別，為人們改善機(jī)械風(fēng)的送風(fēng)舒適性提供了改進(jìn)的方向，為了在室內(nèi)產(chǎn)生真正的自然風(fēng)環(huán)境，還必須對(duì)室內(nèi)氣流紊動(dòng)特性的形成機(jī)理研究進(jìn)行研究，了解各種因素對(duì)氣流紊動(dòng)特性的影響。
　　
　　
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