冬季住宅室内空气环境的数值模拟研究

刘思煦[誉德生态技术咨询（上海）有限公司，上海 200040]

冬季住宅室内空气环境的数值模拟研究

Simulation Study on Indoor Air Quality on Residential Building in Winter

刘思煦[誉德生态技术咨询（上海）有限公司，上海 200040]

建筑是人们日常生产、生活、学习的重要场所，建筑环境的优劣直接影响人们的身心健康。采用Airpak软件，对住宅室内环境进行数值模拟，分析其流场、温度场、空气龄、PMV、PPD的相关指标来评估室内空气质量。结果表明：基于对流场、温度场、空气龄、PMV、PPD的热环境数值进行预测，可为住宅室内热环境研究、空调节能运行及住宅套内设计提供依据。

气流组织；热环境；空气龄；PMV；PPD；空气质量

随着社会生产力的不断发展，人们对建筑的需求经历了掩蔽所、舒适建筑、绿色建筑、健康建筑这样 4 个阶段。主要原因是随着生产、生活的网络化、信息化，人们在室内的时间越来越长。据统计，人的一生有80%的时间在室内度过，室内环境的好坏直接关系到人体健康的好坏。如若室内空气质量不佳，则容易引起建筑病态综合症(SBS)、大楼并发症(BRI)、多种化学物过敏症(MCS)等，造成损失。因此，改变室内环境质量刻不容缓。现如今国家相继推出 GB 50378—2014《绿色建筑评价标准》、《健康建筑评价标准》，为绿色健康建筑提供依据。因此，室内空气环境的预测与评价，已成为现代通风空调工程研究的课题之一，而通过数值预测和评价的方法，是一种更为有效的方法，将越来越被人们所重视[1]。

科研学者已经对室内空气环境进行相关研究。李先庭教授、王伟晗等人通过示踪气体分析房间空气龄，提出空气龄作为衡量空气品质的一个重要指标[2-3]。吴丹尼等人通过数值模拟方法得到室内机送风角度、送风速度、空调器的不同摆放位置、空调器数量的不同将产生差异明显的室内温度场，影响室内热舒适性[4-5]。姚润明等人采用热舒适评价指标 PMV-PPD 分别对重庆地区自然通风房间和埋管送风通风房间进行了室内气候及热舒适模拟分析[6]。

在前人研究的基础上，本文以 Airpak 软件为基础，建立住宅模型，分别在客厅、卧室、书房设置柜式空调器和壁挂式空调器进行数值模拟，分析住宅室内流场、温度场、空气龄、PMV、PPD 等相关指标，对房间的气流组织、热舒适性和室内空气品质进行全面综合评价。

1 评价指标

1.1 PMV——预测平均评价(Predicated Mean Vote)

PMV 指数是以人体热平衡的基本方程式以及心理生理学主观热感觉的等级为出发点，考虑了人体热舒适感诸多有关因素的全面评价指标，即人体处于不冷不热的“中性”状态或认为“中性”的热感觉为热舒适。Fanger 收集了 1 396 名美国和丹麦受试者的冷热感觉资料，以反映同一环境下绝大多数人的冷热感觉[7-8]，得出式(1)：

式中：M——人体能量代谢率；

TL——人体热负荷。

PMV 指标采用了 7 级分度，见表 1。

表1 PMV 热感觉标尺

1.2 PPD——预测不满意百分比(Predicated Percent Dissatisfied)

PPD 指数为预计处于热环境中的群体对热环境不满意的投票平均值。PPD 指数可预计群体中感觉过暖或过凉。“根据 7 级热感觉投票表示热(+3)，温暖(+2)，凉(-2)，或冷(-3)”的人的百分数。PMV 指标代表了同一环境下绝大多数人的感觉，但是人与人之间存在生理差别，因此 PMV指标并不一定能够代表所有个人的感觉。因此Fanger又提出了预测不满意百分比 PPD[7]，得出式(2)：

PPD=100-95exp[-(0.03353PMV4+0.2179PMV2)](2)PPD 与 PMV 的关系，见图 1。

图1 PPD 与 PMV 的关系曲线

从图 1 中可见，PMV=0 时，PPD 为 5%。即意味着在室内热环境处于最佳的热舒适状态时，仍然有 5% 的人感到不满意。因此 ISO 7730 对 PMV-PPD 指标的推荐值在-0.5～0.5 之间，相当于人群中允许有 10% 的人感觉不满意。

1.3 空气龄(Age of Air)

空气龄最早在 20 世纪 80 年代由 Sandberg 学者提出的[8]。空气龄既反映了室内空气的新鲜程度，又反映了去除污染物的能力。空气龄又称空气年龄，所谓的空气年龄，从表面意义上讲是空气在室内被测点上的停留时间，而实际意义是指旧空气被新空气所代替的速度。最新鲜的空气应该是在送风口的入口处，空气刚进入室内时，空气龄为零，此处空气停留时间最短，陈旧空气被新鲜空气取代的速度最快。最陈旧的空气出现在何处，由室内气流分布情况而定。一般来说空气龄数值越小，表示空气越新鲜，本文数值模拟中得到平均空气年龄(Mean Age of Air)。

2 数值模拟

2.1 物理模型

研究对象为上海某住宅小区的某一户型，房间整体尺寸为 9.7 m×8.46 m×2.9 m，住宅户型为三室(两个卧室一个书房)两厅一厨一卫，本模型由于厨房、卫生间未设置空调，暂不考虑其室内环境。客厅和餐厅共用一台柜式空调器，两个卧室和书房各用一台壁挂式分体空调。客厅、餐厅、卧室、书房各设置一盏吊灯，书房设置一台电脑，客厅设置一台电视机，均为散热源。同时该户型为小户型，按常规考虑为 3 人使用，人设置位置分别为客厅、卧室、书房，其中客厅、书房的人考虑为坐姿，卧室的人考虑为站姿，同时房间使用者也为散热源。模型窗户位置均按照实际窗户位置考虑。本模型考虑冬季住宅室内的热环境，经过适当的简化处理，模型如图 2 所示。

图2 住宅三维物理模型

2.2 数学模型

求解温度场、流场的核心是求解流体控制方程。室内流体流动则需满足质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律和组分守恒定律，控制方程的通用形式为式(3)

α(ρφ)/αt+div(ρμφ)=div(Γgradφ)+S (3)

式中：φ——通用变量，可代表 μ、v、w、T 等变量；

μ——速度矢量；

Γ——广义扩散系数；

S——源项。

2.3 假设及边界条件

为了简化问题，做出如下假设：

(1) 房间内的空气为不可压缩空气且符合 Bossinesq假设；

(2) 房间内空气流动为稳态湍流；

(3) 忽略固体壁面及室内物体间的热辐射；

(4) 室内空气为辐射透明介质；

(5) 忽略门、窗的漏风影响，认为室内气密性良好。

住宅地理位置为上海，冬季空调室外计算温度为 -2.2 ℃，内部热源为人员、电脑、电视、灯具。求解模型采用室内零方程模型[9]。数值模拟计算的边界条件见表 2。

表2 数值模拟计算边界条件

3 数值模拟结果与分析

本文选取截面 Z=1.2 m(人员静坐高度水平面)、截面Y=1.2 m (卧室送风垂直面)、截面 Y=2 m (客厅送风垂直面)、截面 Y=5.8 m (书房送风垂直面)。

3.1 室内速度场与温度场

图3～5 描述了整个住宅人员静坐高度水平面的速度场、温度场分布。从图 3 中可得整个住宅室内气流有射流、回流和涡流 3 种形式，但是并不存在无风区以及建筑死角，人员静坐水平面高度处基本无家具，不会阻碍气流流向，整个住宅室内气流还是十分均匀的。从图4中可得客厅气流水平射出，卧室、书房气流 45°角向房间下方射出，气流逐渐减弱，客厅沙发区气流速度在 1.25 m/s 左右，客气其余区域风速均低于 1.25 m/s，而卧室与书房内气流速度也均低于 1 m/s，均满足气流＜0.15 m/s，人体不会有吹风感。从图 5 中可得冬季送风温度 28 ℃，可保证人员静坐高度水平面温度处于 27 ℃～29 ℃ 之间，温度距窗户近的地方受室外冷空气的影响温度较低，其中由于客厅送风量大，客厅餐厅整个区域均处于 28 ℃，人体感到温暖。

图3 平面Z=1.2 速度矢量图

图4 平面Z=1.2 速度云图

图5 平面Z=1.2 温度云图

图6～8 描述了主卧和次卧送风垂直面的速度场和温度场。从图 6 可得，空调位于卧室靠窗位置，没有直射床铺，且气流到达床铺之前已经衰减，室内气流均匀，不存在无风区。从图 7 可得，空调送风口和回风口风速较大，但其余人员活动区风速均小于 1.5 m/s，满足人体对吹风舒适感的需求。从图 8 可得，卧室内温度处于 27 ℃～29 ℃ 之间，且热气流多聚集于上部空间，而室内冷空气下沉，出现了明显的温度分层现象。

图6 平面Y=1.2 速度矢量图

图7 平面Y=1.2 速度云图

图8 平面Y=1.2 温度云图

图9～11 描述了客厅送风垂直面的速度场和温度场。从图 9 可得，客厅送风垂直面在气流回流到回风口时，由于沙发和茶几的存在，会对回风气流有所干扰，从图 9 中还可以看出要保证一定的出风速度。如若风速过小，送的暖风会立即被回风口吸走；当保证一定风速后，暖空气在上方冷空气在下方，有助于空调回风口收集冷空气。从图 10 可得，客厅送风速度均＜ 1.5 m/s，不会有吹风感。从图 11可得，客厅内温度处于 27 ℃～29 ℃ 之间，且热气流多聚集于上部空间，而室内冷空气下沉，出现了明显的温度分层现象。

图9 平面Y=2 速度矢量图

图10 平面Y=2 速度云图

图11 平面Y=2 温度云图

图12～14 描述了书房送风垂直面的速度场和温度场。从图 12 可得，空调位于书房靠窗位置，室内气流均匀，不存在无风区。从图 13 可得，空调送风口和回风口风速较大，但其余人员活动区风速均＜ 1.5 m/s，满足人体对吹风舒适感的需求。从图 14 可得，卧室内温度处于 27 ℃～29℃ 之间，且热气流多聚集于上部空间，而室内冷空气下沉，出现了明显的温度分层现象，由于书房面积较小，房间整体温度较高。

图12 平面Y=5.8 速度矢量图

图13 平面Y=5.8 速度云图

图14 平面Y=5.8 温度云图

3.2 室内 PMV-PPD 分布

图15～17 分别描述卧室、客厅、书房的 PMV 值分布。从图 15～图 17 中得出，卧室、客厅、书房的 PMV值在 -0.5-+0.5 之间，对比表 1，房间整体处于微凉和微暖之间，基本处于舒适的状态。从图15可得，房间大部分区域 PMV 值为 -0.25，室内热舒适性感觉比完全“舒适”感到略凉，同时从垂直方向来看，PMV 值上部区域大于下部区域。从图 16 可得，客厅大部分区域 PMV 值为-0.125～+0.125 之间，满足舒适要求，同时紧贴地面的热舒适性较低。从图 17 可得，书房大部分区域 PMV 值为-0.125～+0.125 之间，由于电脑为散热源，靠近电脑的位置，人体热舒适性减弱，但也在舒适的范围之内(PMV值位于-0.5～+0.5)。

图15 平面Y=1.2 PMV 分布

图16 平面Y=2 PMV 分布

图17 平面Y=5.8 PMV 分布

图18～20 分别描述卧室、客厅、书房的 PPD 值分布。从图 18～20 中得出，卧室、客厅、书房的 PPD 值在 0～20 之间，不满意度小于 20%。从图18可得，卧室的 PPD 值整体处于 0～10% 之间，综合 PMV 值在-0.5～+0.5 之间，满足国标 GB/T 18049《中等热环境PMV 和 PPD 指数的测定及热舒适条件的规定》中的推荐值 -0.5≤PMV≤+0.5，PPD≤10% (热舒适等级Ⅰ级)，且从垂直方向考虑，可以看出 PPD 值上部区域小于下部区域，与PMV值相反。从图 19 可得，客厅除贴近地面外的空间 PPD 值小于 10%，满足热舒适等级Ⅰ级的条件，地面不满意度高是由于截面部分贴近阳台推拉门，且距离空调回风口较近，受温度较低的回风气流影响。从图 20 可得，书房除贴近散热源电脑外的空间 PPD 值小于 10%，满足热舒适等级Ⅰ级的条件。

图18 平面Y=1.2 PPD 分布

图19 平面Y=2 PPD 分布

图20 平面Y=5.8 PPD分布

3.3 室内空气龄分布

图21～23 分别描述卧室、客厅、书房的空气龄分布。从图 21～图 23 中可以看出客厅、卧室、书房的空气龄均＜250s，室内空气质量良好。从图21可得，卧室面积不大，受送风和回风气流影响，室内空气龄短。从图 22 可得，客厅中空调风量大，送风波及范围内空气龄低于 250 s，但是由于模型中空调气流送风风向为水平送出，空调上方出现气流相对不流通的情况，所以依据平常生活的需求，可以调整空调送风方向，将风向室内上方输送，促进空气流通，但由于冬季热气流本身容易往房间上方堆积，建议不要长时间使送风气流向上，要以满足人员热舒适性为主。从图23 可得，书房面积不大，受送风和回风气流影响，室内空气龄短，且人员位于空气龄 60 s 区域，满足人员长时间工作学习需要。

图21 平面Y=1.2 空气龄分布

图22 平面Y=2 空气龄分布

图23 平面Y=5.8 空气龄分布

4 结 语

(1) 温度沿水平方向比较均匀，与热源无横向扩散结论一致，温度沿垂直方向表现明显的分层现象，与温度随高度的增加而增加结论一致。

(2)通过数值模拟得到住宅室内空气流场、温度场，从PMV、PPD、空气龄指标方面直观形象地对室内热舒适性进行评价。

(3)室内气流组织、空气品质和热舒适性综合评价，可以更客观全面地描述室内的环境现状，并为以后室内热环境研究、空调节能运行及住宅套内设计提供参考依据。

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TU50

A

1674-814X(2017)02-0045-06

2016-12-20

刘思煦，现供职于誉德生态技术咨询(上海)有限公司。作者通讯地址：上海市静安区西康路53号，邮编：200040。