寒冷地区大窗墙比住宅热舒适性数值模拟分析

侯昱晟，刘维，刘滪

（1.中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044；2.融创中国北京公司，北京 100102）

1 引言

随着人们生活品质的提高，幕墙等大窗墙比立面设计不仅运用到公共建筑中，还逐渐出现在住宅建筑内。虽然住宅建筑采用较大的窗墙相比外围护结构能够在日间获得较多的日照辐射热，但在夜间或阴雨天气幕墙将增大室内热负荷，人员在室内的热舒适性下降，较为严重地影响室内人员休息。外围护结构住宅建筑采用较大的窗体面积同样会增加室内热负荷，增加采暖系统能耗。此外，外围护结构住宅建筑内人员衣着较单薄，且处于静坐的时间较长。较大窗墙比的外围护结构的住宅建筑内部，人员对室内温度及平均热辐射温度较敏感。

为了研究寒冷地区大窗墙比外围护结构住宅建筑内人员的舒适性，以北京某住宅的典型户型为研究目标，采用数值模拟方法对其内部北向客房及南向卧室进行建模。分析了冬季夜间室外极端天气气温下，同样窗墙比一面及两面外围护结构房间对室内温度场、流场以及人员预测分析均值投票数（Predicted Mean Vote，PMV）的影响。对大窗墙比住宅建筑内人员热舒适度的研究与分析，对住宅建筑外围护窗墙比设计、室内布置及暖通系统的设置具有指导意义。

2 国内外发展现状

随着经济科技的进步，人们对居所的要求由简单的遮风挡雨，逐渐向健康、舒适、良好的视域等更高的目标迈进。相应地，国内外学者对人员舒适程度的研究也随之增多。人体热舒适性不仅与研究对象周围客观环境因素有关，还与其自身的主观感觉有关。这就导致由于人们个体的差异，每个人对相同的室内环境的舒适程度判断存在较大的差别。

1962 年，Macpherson[1]将室内空气温度、湿度、风速、平均辐射度、人体新陈代谢率和服装作为影响人体热舒适性的因素进行研究分析。Fanger[2]等人通过数学方法列出了热舒适方程，定义了PMV 和预后不满百分比（Prognosis Percentage Dissatisfaction，PPD）等指标作为对人体热舒适研究的特征指标，意味着同一环境中大部分人的热冷感觉的均值。PMVPPD 热舒适实体模型是人体特异性免疫最开始的数学分析模型，该实体模型明确提出的指标值表达了大部分人对热环境的主观平均评价，其有7 级，即冷（-3）、凉（-2）、稍凉（-1）、中性化（0）、稍暖（1）、暖（2）、热（3）。PMV=0 时代表房间内热环境为最好热舒适情况。同时兼顾了人员主观因素及客观环境因素。旷金玉[3]等学者针对玻璃幕墙外围护结构的办公室内空调气流组织，采用数值模拟方法对室内环境进行模拟研究，对不同送风速度下室内温度分布进行分析，发现1.5 m/s 的风速下可有效阻止热量通过幕墙传递到室外。黄华明[4]等学者采用SIMPLEST 算法对珠三角地区某商场进行风速、温度、室内人员PMV 及PPD 的研究，对不同工况下人员热舒适度进行综合分析与研究，在兼顾人员热舒适因素的前提下，对商场内温度和风速合理的设计取值区间进行研究分析。目前存在的问题如下：

1）在稳定热环境中，大量研究针对大窗墙比下的公共建筑内部人体的热舒适度进行分析，但对于寒冷地区住宅建筑大窗墙比的工况下住宅室内人员热舒适性的相关研究较少。

2）在研究稳定热环境中，大多研究对人体所产生的影响以及出现人热舒适性降低的问题多从围护结构及室外环境入手，而结合暖通低温辐射采暖系统进行分析的较少，对末端空调系统方案设计选择缺乏指导。

3）有关采用室内辐射供暖系统大窗墙比住宅建筑内人员舒适度分析的研究较少。

3 CFD 模型的建立及数值分析方法

3.1 数值分析方法

本次研究采用PHOENICS 软件对大窗墙比住宅建筑进行建模与分析研究，该软件是由皇家工程院院士D.Bspalding教授及多位学者开发的。其主要采用SIMPLEST 算法，该算法适用于求解低流速问题，并不断改进与发展成为较为成熟的计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）求解方法。

住宅建筑内考虑采用地辐射采暖，人员考虑为静止站立状态，空间内没有设置机械通风装置，仅存在因空气密度不同产生的空气对流，空气流速较为缓慢，接近于层流。辐射面板与周围围护结构及人体产生辐射换热，空气与人体、围护结构及辐射板存在对流换热。考虑到模型具有上述特点，本次研究采用PHOENICS 特有的湍流模型，该湍流模型适合于低雷诺数流体传热以及稳定流工况。

3.2 物理模型的建立及边界条件的设定

模型根据寒冷地区某大窗墙比住宅工程项目进行分析。选取该建筑典型户型内的客厅及卧室进行建模，具体的北向房间为客厅、南向房间为卧室。北向的客厅北、东两面设有玻璃幕墙外围护结构，该房间尺寸为7.5 m×5 m×2.8 m（长×宽×高），幕墙高2.6 m（工况一）。南向卧室仅南面有外围护结构，房间尺寸为5.5 m×5 m×2.8 m（长×宽×高），幕墙高2.6 m（工况二）。

模型的楼板及围护结构非透明部分采用混凝土材料，透明窗体材质为玻璃。玻璃的发射率E=0.25，玻璃内表面温度边界条件T=12.1 ℃。根据墙体热工规范要求最小传热允许温差为2 ℃，室内墙壁温度边界条件T=18 ℃（室内温度20 ℃考虑）。地采暖地面为大理石铺装，发射率E=0.98，温度边界条件北向房间地面温度T=33 ℃，南向房间地面温度T=31 ℃。网格采用均匀的正方形网格，对2 个模型进行划分，网格尺寸为0.2 m。

3.3 工况设置

该典型住宅位于寒冷地区，室外参数条件考虑为冬季夜间极端温度（-20 ℃）条件下。将人员模型均设置于房间正中心，房间内人员为男性，保持站姿静止状态，人体散热量为109 W。模拟输出结果有PMV、温度场、速度场，并在Y 轴及Z 轴设置检测切片。

4 模拟结果及分析

4.1 工况一：客厅北、东两面玻璃幕墙外围护结构

1）温度场。客厅垂直方向Z=0.5 m 高度，东北角区域平均温度约为22.6 ℃；Z=1.5 m 高度，平均温度为23.1 ℃，房间靠近地面区域温度较房间垂直方向上部区域空气平均温度低。靠近幕墙周边区域的空气由于温度低，冷空气下沉，进入室内被地暖加热后成为热空气，上浮形成对流，导致房间内区空气垂直方向Z=0.5 m 高度平均温度小于Z=1.5 m 高度空气平均温度，但2 个区域温度差＜1 ℃。此外，玻璃幕墙附近区域最低平均温度为19 ℃，见图1 和图2。

图1 客厅Y 轴温度场云图

图2 客厅Z 轴温度场云图

2）速度场。靠近玻璃幕墙处空气温度较低，冷空气下降卷吸入室内后由地面加热后升至房间上部分区域。人员附近由于加热周围空气同样产生密度差，卷吸靠近幕墙地面温度较低气流浮升至室内屋顶，见图3。

图3 客厅Y 轴速度场云图

3）PMV。客厅内垂直方向Z=0.5 m 高度人体感受是较为舒适，人体所处位置PMV=-0.66，平均为-0.6。Z=1.5 m 高度房间区域内人体所处位置PMV=-0.48，平均值为-0.5。但靠近幕墙区域冷空气下沉，热空气上浮形成的对流，使得1.5 m高度环境的热舒适性优于0.5 m 高度的热舒适性，见图4 和图5。

图4 客厅Y 轴PMV 结果云图

图5 客厅Z 轴PMV 结果云图

4.2 工况二：南向卧室南向外围护结构

1）温度场。室内平均温度约25 ℃，人员腿部附近温度24 ℃，1 m 以上区域温度达到26 ℃左右。

2）速度场。靠近玻璃幕墙处空气温度较低，冷空气下降卷吸入室内后由地面加热后升至房间上部分区域。

3）PMV。人体附近感受较为舒适PMV 约为-0.24，接近0，在单面玻璃幕墙工况下人员长期停留的室内舒适度较双面玻璃幕墙工况下室内舒适度更高，平均PMV 为-0.14。

5 结语

大窗墙比住宅建筑典型户型工况，北向有2 面外围护结构客厅，Z=0.5 m 高度靠近东北角区域平均温度约为22.6 ℃；Z=1.5 m 高度房间区域内温度平均为23.1 ℃，Z=0.5 m 高度靠近东北角区域人体感受是较为舒适的，PMV 平均值为-0.6。Z=1.5 m 高度，PMV 平均值为-0.5。

大窗墙比住宅建筑典型户型工况，南向单面外围护结构卧室，室内平均温度约25 ℃。人体附近PMV 约为-0.24，接近0。工况二中人员热舒适度较双面玻璃幕墙工况下人员热舒适度高，平均PMV 为-0.14。

北向客厅由于设置2 面外围护结构，导致室内人员热舒适度较低，人员感觉微凉。根据模拟结果，人员长期停留区域应避开幕墙2 m 范围内热舒适性较低的区间。住宅建筑应避免2 面幕墙同时出现在人员长期停留房间，建议大窗墙比房间仅设置1 面外围护结构。低温辐射地暖的设置应重点考虑距离大窗墙比围护结构2 m 范围内的区域，应对该区域加热构件进行加密敷设或采取合理的措施提高地面温度。