建筑室内热舒适性随通风条件变化的敏感性研究

陈勇 王军 龙恩深四川大学建筑与环境学院

建筑室内热舒适性随通风条件变化的敏感性研究

陈勇 王军 龙恩深四川大学建筑与环境学院

针对典型建筑房间，通过建立物理模型与数学模型并结合CFD模拟方法，研究室内热舒适性随混合通风、置换通风和地板孔板通风三种通风方式的送风条件变化的敏感性，得到人体前后侧0.2m处空气龄、温度场、PMV、PPD分布及变化特征。研究结果将为不同通风方式下合理选择送风条件以改善室内人体热舒适性提供理论指导。

混合通风 置换通风 地板孔板通风 热舒适

随着生活水平的提高，人们对室内环境的关注不仅局限于最初的冷热感觉，而更多地侧重于人体的整体热舒适性。针对室内热舒适问题，Salmanzadeh提出了影响室内人体微环境热羽流动的数值模型[1～2]；Mundt提出了置换通风时的温度分布预测模型[3]；Rees提出了预测室内特性参数节点模型[4～5]。将面热源和体热源虚拟为点热源来简化问题的描述，并获得点源羽流流量和热分层高度解的简洁形式[6～7]。Kurazumi分析了人体周围在不同环境条件下的对流换热系数[8]。本文通过建立典型房间的物理模型并利用CFD方法对混合通风、置换通风、地板孔板通风在不同送风条件下室内的人体微环境热舒适状况变化敏感性进行了分析，研究结果将为合理确定送风条件以提高室内热舒适性提供理论指导。

1 研究对象与模型

1.1 研究对象与物理模型

本文所研究的房间尺寸为2.5m（X）×2.3m（Y）× 1.5m（Z），如图1所示。混合通风及置换通风的送风口和回风口尺寸均为0.3m×0.3m。孔板送风口为直径0.01m圆孔，共330个。室内人员为高强度工作状态，人体发热量为170W，分布在房间中央。房间壁面设定为绝热条件。

图1 物理模型

1.2 数学模型

建筑室内空气流动过程满足以下假设：①室内空气为不可压缩流体，即认为流体体积变化不足以影响计算结果的精度，此时体积的变化可以忽略不计；②室内空气视为连续介质，即服从连续性定律，在单位时间内各断面上流过的空气质量不变；③空气的所有热物理性参数均视为常数，但密度随温度的变化遵循Boussinesq假设。对于室内三维空气稳态流动过程，其控制方程为：

1）连续性方程

2）动量方程

3）能量方程

在上述室内空气过程的控制方程组中方程个数小于未知数个数，方程不封闭。因此，还需借助湍流模型建立湍流动力粘度μt与湍流时均参数之间的关系，从而使方程封闭。为了充分考虑人体热浮力的影响，本文选择RNG κ-ε模型使控制方程组封闭。

4）κ方程

5）ε方程

1.3 模型的数值求解

控制方程的求解首先采用基于交错网格的控制容积法进行离散，离散过程中扩散项则采取中心差分格式，压力项选用body-force-weighted格式，动量方程与能量方程的离散格式选用一阶迎风格式，压力速度耦合采用SIMPLE算法。同时，区域离散满足网格独立性条件。

2 结果分析与讨论

2.1 空气龄特征分析

本文主要针对混合通风（MV）、置换通风(DV)、地板孔板通风（BV）三种通风方式在不同送风速度和不同送风温度条件下进行了模拟研究。不同送风速度下，混合通风、置换通风、地板孔板通风送风温度分别为16℃、19℃、17℃。不同送风温度下，混合通风、置换通风、地板孔板通风送风速度分别为1.5m/s、0.3m/s、1.2m/s。选取人体前后侧0.2m处离地面0.2m至2.0m处空气龄作为比较分析对象。不同送风速度（V）和送风温度（T）的空气龄分别如图2、图3所示。

图2 三种送风方式在不同送风速度时空气龄分布

图3 三种送风方式在不同送风温度时空气龄分布

从图中可以看出，混合通风条件下人体前后侧空气龄相差很小。由于混合通风诱发的强制对流主导整个流场，送风速度较大时，在人体呼吸区以上空间空气龄比呼吸区域小。此时空气龄不受送风温度的影响而受送风速度的影响较大；同时，当送风速度增大相同数值时，空气龄并不是同等变化，这说明在速度为1.0m/s左右存在一个临界风速，当速度再增大时，对于空气新鲜程度的改善作用很小。

另一方面，当为置换通风且在不同送风条件下时，人体前后侧空气龄相差很小。在垂直方向上，从人体足部到头部的空气龄逐渐变大，即置换通风方式下，人体活动区域比非活动区空气新鲜。空气龄随送风速度的增大而减小。此外，送风温度对人体0.5m以下区域空气龄影响较大，主要是由于置换通风方式下送风速度较小，随着送风温度的增加，空气浮升力增大，从而到达人体下部区域的新鲜空气减少。

再次，在地板孔板通风方式下，送风速度和送风温度对于空气龄的影响都很小，相差10s以内。由于送风引起的强制对流方向和人体热羽流的自然对流方向相同，送风速度增大必然引起空气龄的减小。同理，空气温度越高，热浮力越强，则空气上升越快。因此，地板孔板送风方式下，送风温度越高，空气龄越小。

2.2 温度场特征分析

温度是影响人体舒适度的一个重要参数，选取人体前后侧0.2m处离地面0.2m～2.0m处温度作为比较分析对象。三种不同通风方式在不同送风温度和送风速度条件下的温度分布情况分别如图4、图5所示。

图4 三种送风方式在不同送风速度时温度分布

图5 三种送风方式在不同送风温度时温度分布

影响人体周围温度分布的主要因素为送风射流引起的强制对流和人体热羽流的自然对流。从图中可以看出，在混合通风条件下人体前后侧温度差别较小。在人体呼吸截面以下区域，温度场的分布主要受到人体热羽流的影响，由于热羽流形成的自然对流不断向上升，所以温度随高度的增加而不断升高。而在呼吸截面以上区域，混合通风的强制对流越来越强，自然对流作用被削弱，所以人体周围温度峰值出现在呼吸截面。同时，送风速度越低，人体周围温度越高。当风速达到1.0m/s后，增大风速对温度影响较小，说明在1.0m/s左右存在一个临界风速。

其次，当在置换通风方式下时，人体热羽流形成的自然对流不断向上流动。同时，置换通风引发的强制对流空气也随高度的增加而温度逐渐升高。因此，在置换通风方式下人体周围空气的温度随高度的增加而不断升高。送风速度越低，人体周围的空气温度越高，这是空气对人体散热吸收更加充分的结果。

此外，地板孔板送风方式与置换通风相似，人体热羽流形成的自然对流不断向上流动。同时，地板孔板通风引发的强制对流空气也随高度的增加而温度逐渐升高。因此，在地板孔板通风方式下人体周围空气的温度随高度的增加而不断升高。与其它两种送风方式不同之处在于地板孔板送风引起的强制对流能够迅速到达人体周围，因此送风速度对于人体周围温度场分布的影响非常小。同时，可以看出地板孔板通风方式下，人体周围垂直方向上温度差很小。若单从温度场分布来看，应选择地板孔板通风，温差越小，人体感觉越舒适。

2.3 热舒适指标特征分析

选取人体前后侧0.2m处离地面0.2m至2.0m处的PMV和PPD分布作为比较分析对象。

2.3.1 PMV值分析

从图6～7可以看出，混合通风方式下，人体周围PMV值受温度场分布影响很大。在人体躯干部分前后侧周围温度相对较高，所以PMV值越大，人体感觉越热。同样可看出，风速在0.5m/s变化到1.0m/s过程中，PMV值变化较大。当风速达到1.0m/s后增大风速对PMV值的影响很小。所以风速对PMV值的影响在1.0m/s左右同样存在一个临界风速。同时，送风温度越高，PMV值越大。

图6 三种送风方式在不同送风速度时PMV分布

图7 三种送风方式在不同送风温度时PMV分布

其次，置换通风条件下的PMV分布情况与混合通风方式下的结果相似，都是人体躯干部分前后侧周围数值相对较高。送风速度越小，PMV值越大。同时，送风温度越高，PMV值越大，人体感觉越热。

再次，在地板孔板通风方式下，由于人体温度分布不均匀，人体躯干部位温度与周围空气温差较小，造成人体躯干部位周围比头部和足部周围PMV值小。PMV值随送风速度的增加并不是单调的变化，送风速度为1.0m/s时PMV值最大。同样，送风温度越高，人体周围PMV数值越大，人体感觉越暖和。

2.3.2 PPD值分析

从图8～9可以看出，混合通风方式下，人体前后侧PPD值相差较小。相同通风条件下，人体躯干部分周围PPD值较小，不满意率较低。同时，送风速度增大相同大小数值时，PPD值并不是同等变化，说明在1.0m/s左右存在一个临界风速。送风温度越小，PPD值越小，即人体不满意率越小。故混合通风方式下应选择高温、低速条件下进行送风。

图8 三种送风方式在不同送风速度时PPD分布

图9 三种送风方式在不同送风温度时PPD分布

其次，置换通风方式下，送风温度和送风速度对于PPD值的影响都非常小。同时，人体周围的绝大部分PPD值都小于10%，并且波动范围很小，也就是说大部分送风条件下人群中只有小于10%的人感觉不满意，能满足绝大部分人对热舒适性的要求。

再次，地板孔板通风方式下，人体头部和足部周围区域比人体热舒适性不满意率低。送风速度对PPD值的影响较小，三种送风速度相比，当速度为1.0m/s时，人体周围PPD值最小，人体热舒适性不满意率最低。同时，送风温度越高，人体热舒适性不满意率越低。

3 结论

1）三种通风方式下人体前后侧空气龄差别很小。混合通风送风速度较大时人体活动区域以上部分空气比活动区域空气龄小。同时，在混合通风方式下，送风速度在1.0m/s左右存在一个临界风速。置换通风方式下，人体0.5m以下区域空气龄受送风温度的影响较大。地板孔板通风方式下，人体空气龄随高度、送风速度、送风温度的影响都很小。

2）混合通风、置换通风方式下人体微环境温度场的分布受送风速度影响较大。混合通风方式下，受送风强制对流影响，温度在呼吸截面出现拐点。同时，对温度场分布的影响，送风速度在1.0m/s左右存在一个临界风速。置换通风和地板孔板通风方式下，送风速度对温度分布的影响较小。同时，人体周围垂直温度逐渐上升，但是置换通风温差比地板孔板通风温差大。

3）由于温度分布、气流组织的影响，混合通风、置换通风方式下PMV值从足部到头部都是先增加后减少而地板孔板送风是先减小后增加。混合通风PPD值在不同送风温度、速度下从足部到头部都是先减小后增大，而地板孔板通风方式下PPD值先增大后减小。相同送风速度下，送风温度越高，不满意率越低。实际工程中可以适当提高送风温度以降低不满意率。

[1]M Salmanzadeh.Computational modeling of effects of thermal plume adjacent to the body on the indoor airflow and particle tran -port[J].Journal of Aerosol Science,2012,53:29-39

[2]Naiping Gao.CFD Study on micro-environment around human body and personalized ventilation[J].Building and Environment, 2004,39:795-805

[3]Elisabeth Mundt.The performance of displacement ventilation systems[J].Building and Environment,1996,10:23-40

[4]Hensen J L M,Hamelinck M J H.Energy simulation of displacem -ent ventilation in offices[EB/OL].[2005-10-04]

[5]Simon J Rees,Philip Haves.A nodel for displacement ventilation and chilled ceiling system in office space[J].Indoor Air,1996,5: 181-201

[6]Yuguo Li.Buoyancy-driven natural ventilation in a thermally strat -ified one-zone building[J].Building and Environment,2000,35: 207-214

[7]Mundt Z.Displacement ventilation systems-convection flows and temperature gradient[J]Building and Environment,1995,30:129-133

[8]Yoshihito Kurazumi,Lauris Rezgals.Convective heat transfer coe -fficients of the human body under forced convection from ceiling [Z].J Ergonomics issn:2165-7556.

Va ria tion Se ns itivity of Indoor The rm a l Com fort w ith Ve ntila tion Conditions

CHEN Yong,WANG Jun,LONG En-shen
College of Architecture and Environment,Sichuan University

As to typical building space,its physical model and mathematic model were established.Moreover, combined with CFD,variation sensitivity of indoor thermal comfort with ventilation conditions was determined for mixing ventilation,displacement ventilation and floor perforated panel ventilation.Meanwhile,distribution and variation characteristics of air of age,temperature,PMV and PPD at 0.2 meter front and back of human body were obtained.The results provides theoretical guidance for reasonably choosing air supply conditions to improving indoor human thermal comfort under different ventilation patterns.

mixing ventilation,displacement ventilation,floor perforated panel ventilation,thermal comfort

1003-0344（2015）03-005-4

2014-3-28

陈勇（1989～），男，硕士研究生；四川省成都市四川大学建筑与环境学院（610065）；E-mail:986179554@qq.com

国家自然科学基金资助项目（51308361）；四川省科技计划项目（2014GZ0133）