建筑室內(nèi)熱舒適性隨通風(fēng)條件變化的敏感性研究

陳勇 王軍 龍恩深四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院

建筑室內(nèi)熱舒適性隨通風(fēng)條件變化的敏感性研究

陳勇 王軍 龍恩深四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院

針對(duì)典型建筑房間，通過(guò)建立物理模型與數(shù)學(xué)模型并結(jié)合CFD模擬方法，研究室內(nèi)熱舒適性隨混合通風(fēng)、置換通風(fēng)和地板孔板通風(fēng)三種通風(fēng)方式的送風(fēng)條件變化的敏感性，得到人體前后側(cè)0.2m處空氣齡、溫度場(chǎng)、PMV、PPD分布及變化特征。研究結(jié)果將為不同通風(fēng)方式下合理選擇送風(fēng)條件以改善室內(nèi)人體熱舒適性提供理論指導(dǎo)。

混合通風(fēng) 置換通風(fēng) 地板孔板通風(fēng) 熱舒適

隨著生活水平的提高，人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境的關(guān)注不僅局限于最初的冷熱感覺(jué)，而更多地側(cè)重于人體的整體熱舒適性。針對(duì)室內(nèi)熱舒適問(wèn)題，Salmanzadeh提出了影響室內(nèi)人體微環(huán)境熱羽流動(dòng)的數(shù)值模型[1～2]；Mundt提出了置換通風(fēng)時(shí)的溫度分布預(yù)測(cè)模型[3]；Rees提出了預(yù)測(cè)室內(nèi)特性參數(shù)節(jié)點(diǎn)模型[4～5]。將面熱源和體熱源虛擬為點(diǎn)熱源來(lái)簡(jiǎn)化問(wèn)題的描述，并獲得點(diǎn)源羽流流量和熱分層高度解的簡(jiǎn)潔形式[6～7]。Kurazumi分析了人體周?chē)诓煌h(huán)境條件下的對(duì)流換熱系數(shù)[8]。本文通過(guò)建立典型房間的物理模型并利用CFD方法對(duì)混合通風(fēng)、置換通風(fēng)、地板孔板通風(fēng)在不同送風(fēng)條件下室內(nèi)的人體微環(huán)境熱舒適狀況變化敏感性進(jìn)行了分析，研究結(jié)果將為合理確定送風(fēng)條件以提高室內(nèi)熱舒適性提供理論指導(dǎo)。

1 研究對(duì)象與模型

1.1 研究對(duì)象與物理模型

本文所研究的房間尺寸為2.5m（X）×2.3m（Y）× 1.5m（Z），如圖1所示?；旌贤L(fēng)及置換通風(fēng)的送風(fēng)口和回風(fēng)口尺寸均為0.3m×0.3m?？装逅惋L(fēng)口為直徑0.01m圓孔，共330個(gè)。室內(nèi)人員為高強(qiáng)度工作狀態(tài)，人體發(fā)熱量為170W，分布在房間中央。房間壁面設(shè)定為絕熱條件。

圖1 物理模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

建筑室內(nèi)空氣流動(dòng)過(guò)程滿(mǎn)足以下假設(shè)：①室內(nèi)空氣為不可壓縮流體，即認(rèn)為流體體積變化不足以影響計(jì)算結(jié)果的精度，此時(shí)體積的變化可以忽略不計(jì)；②室內(nèi)空氣視為連續(xù)介質(zhì)，即服從連續(xù)性定律，在單位時(shí)間內(nèi)各斷面上流過(guò)的空氣質(zhì)量不變；③空氣的所有熱物理性參數(shù)均視為常數(shù)，但密度隨溫度的變化遵循Boussinesq假設(shè)。對(duì)于室內(nèi)三維空氣穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程，其控制方程為：

1）連續(xù)性方程

2）動(dòng)量方程

3）能量方程

在上述室內(nèi)空氣過(guò)程的控制方程組中方程個(gè)數(shù)小于未知數(shù)個(gè)數(shù)，方程不封閉。因此，還需借助湍流模型建立湍流動(dòng)力粘度μt與湍流時(shí)均參數(shù)之間的關(guān)系，從而使方程封閉。為了充分考慮人體熱浮力的影響，本文選擇RNG κ-ε模型使控制方程組封閉。

4）κ方程

5）ε方程

1.3 模型的數(shù)值求解

控制方程的求解首先采用基于交錯(cuò)網(wǎng)格的控制容積法進(jìn)行離散，離散過(guò)程中擴(kuò)散項(xiàng)則采取中心差分格式，壓力項(xiàng)選用body-force-weighted格式，動(dòng)量方程與能量方程的離散格式選用一階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合采用SIMPLE算法。同時(shí)，區(qū)域離散滿(mǎn)足網(wǎng)格獨(dú)立性條件。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 空氣齡特征分析

本文主要針對(duì)混合通風(fēng)（MV）、置換通風(fēng)(DV)、地板孔板通風(fēng)（BV）三種通風(fēng)方式在不同送風(fēng)速度和不同送風(fēng)溫度條件下進(jìn)行了模擬研究。不同送風(fēng)速度下，混合通風(fēng)、置換通風(fēng)、地板孔板通風(fēng)送風(fēng)溫度分別為16℃、19℃、17℃。不同送風(fēng)溫度下，混合通風(fēng)、置換通風(fēng)、地板孔板通風(fēng)送風(fēng)速度分別為1.5m/s、0.3m/s、1.2m/s。選取人體前后側(cè)0.2m處離地面0.2m至2.0m處空氣齡作為比較分析對(duì)象。不同送風(fēng)速度（V）和送風(fēng)溫度（T）的空氣齡分別如圖2、圖3所示。

圖2 三種送風(fēng)方式在不同送風(fēng)速度時(shí)空氣齡分布

圖3 三種送風(fēng)方式在不同送風(fēng)溫度時(shí)空氣齡分布

從圖中可以看出，混合通風(fēng)條件下人體前后側(cè)空氣齡相差很小。由于混合通風(fēng)誘發(fā)的強(qiáng)制對(duì)流主導(dǎo)整個(gè)流場(chǎng)，送風(fēng)速度較大時(shí)，在人體呼吸區(qū)以上空間空氣齡比呼吸區(qū)域小。此時(shí)空氣齡不受送風(fēng)溫度的影響而受送風(fēng)速度的影響較大；同時(shí)，當(dāng)送風(fēng)速度增大相同數(shù)值時(shí)，空氣齡并不是同等變化，這說(shuō)明在速度為1.0m/s左右存在一個(gè)臨界風(fēng)速，當(dāng)速度再增大時(shí)，對(duì)于空氣新鮮程度的改善作用很小。

另一方面，當(dāng)為置換通風(fēng)且在不同送風(fēng)條件下時(shí)，人體前后側(cè)空氣齡相差很小。在垂直方向上，從人體足部到頭部的空氣齡逐漸變大，即置換通風(fēng)方式下，人體活動(dòng)區(qū)域比非活動(dòng)區(qū)空氣新鮮?？諝恺g隨送風(fēng)速度的增大而減小。此外，送風(fēng)溫度對(duì)人體0.5m以下區(qū)域空氣齡影響較大，主要是由于置換通風(fēng)方式下送風(fēng)速度較小，隨著送風(fēng)溫度的增加，空氣浮升力增大，從而到達(dá)人體下部區(qū)域的新鮮空氣減少。

再次，在地板孔板通風(fēng)方式下，送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度對(duì)于空氣齡的影響都很小，相差10s以?xún)?nèi)。由于送風(fēng)引起的強(qiáng)制對(duì)流方向和人體熱羽流的自然對(duì)流方向相同，送風(fēng)速度增大必然引起空氣齡的減小。同理，空氣溫度越高，熱浮力越強(qiáng)，則空氣上升越快。因此，地板孔板送風(fēng)方式下，送風(fēng)溫度越高，空氣齡越小。

2.2 溫度場(chǎng)特征分析

溫度是影響人體舒適度的一個(gè)重要參數(shù)，選取人體前后側(cè)0.2m處離地面0.2m～2.0m處溫度作為比較分析對(duì)象。三種不同通風(fēng)方式在不同送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度條件下的溫度分布情況分別如圖4、圖5所示。

圖4 三種送風(fēng)方式在不同送風(fēng)速度時(shí)溫度分布

圖5 三種送風(fēng)方式在不同送風(fēng)溫度時(shí)溫度分布

影響人體周?chē)鷾囟确植嫉闹饕蛩貫樗惋L(fēng)射流引起的強(qiáng)制對(duì)流和人體熱羽流的自然對(duì)流。從圖中可以看出，在混合通風(fēng)條件下人體前后側(cè)溫度差別較小。在人體呼吸截面以下區(qū)域，溫度場(chǎng)的分布主要受到人體熱羽流的影響，由于熱羽流形成的自然對(duì)流不斷向上升，所以溫度隨高度的增加而不斷升高。而在呼吸截面以上區(qū)域，混合通風(fēng)的強(qiáng)制對(duì)流越來(lái)越強(qiáng)，自然對(duì)流作用被削弱，所以人體周?chē)鷾囟确逯党霈F(xiàn)在呼吸截面。同時(shí)，送風(fēng)速度越低，人體周?chē)鷾囟仍礁?。?dāng)風(fēng)速達(dá)到1.0m/s后，增大風(fēng)速對(duì)溫度影響較小，說(shuō)明在1.0m/s左右存在一個(gè)臨界風(fēng)速。

其次，當(dāng)在置換通風(fēng)方式下時(shí)，人體熱羽流形成的自然對(duì)流不斷向上流動(dòng)。同時(shí)，置換通風(fēng)引發(fā)的強(qiáng)制對(duì)流空氣也隨高度的增加而溫度逐漸升高。因此，在置換通風(fēng)方式下人體周?chē)諝獾臏囟入S高度的增加而不斷升高。送風(fēng)速度越低，人體周?chē)目諝鉁囟仍礁?，這是空氣對(duì)人體散熱吸收更加充分的結(jié)果。

此外，地板孔板送風(fēng)方式與置換通風(fēng)相似，人體熱羽流形成的自然對(duì)流不斷向上流動(dòng)。同時(shí)，地板孔板通風(fēng)引發(fā)的強(qiáng)制對(duì)流空氣也隨高度的增加而溫度逐漸升高。因此，在地板孔板通風(fēng)方式下人體周?chē)諝獾臏囟入S高度的增加而不斷升高。與其它兩種送風(fēng)方式不同之處在于地板孔板送風(fēng)引起的強(qiáng)制對(duì)流能夠迅速到達(dá)人體周?chē)虼怂惋L(fēng)速度對(duì)于人體周?chē)鷾囟葓?chǎng)分布的影響非常小。同時(shí)，可以看出地板孔板通風(fēng)方式下，人體周?chē)怪狈较蛏蠝囟炔詈苄?。若單從溫度?chǎng)分布來(lái)看，應(yīng)選擇地板孔板通風(fēng)，溫差越小，人體感覺(jué)越舒適。

2.3 熱舒適指標(biāo)特征分析

選取人體前后側(cè)0.2m處離地面0.2m至2.0m處的PMV和PPD分布作為比較分析對(duì)象。

2.3.1 PMV值分析

從圖6～7可以看出，混合通風(fēng)方式下，人體周?chē)鶳MV值受溫度場(chǎng)分布影響很大。在人體軀干部分前后側(cè)周?chē)鷾囟认鄬?duì)較高，所以PMV值越大，人體感覺(jué)越熱。同樣可看出，風(fēng)速在0.5m/s變化到1.0m/s過(guò)程中，PMV值變化較大。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到1.0m/s后增大風(fēng)速對(duì)PMV值的影響很小。所以風(fēng)速對(duì)PMV值的影響在1.0m/s左右同樣存在一個(gè)臨界風(fēng)速。同時(shí)，送風(fēng)溫度越高，PMV值越大。

圖6 三種送風(fēng)方式在不同送風(fēng)速度時(shí)PMV分布

圖7 三種送風(fēng)方式在不同送風(fēng)溫度時(shí)PMV分布

其次，置換通風(fēng)條件下的PMV分布情況與混合通風(fēng)方式下的結(jié)果相似，都是人體軀干部分前后側(cè)周?chē)鷶?shù)值相對(duì)較高。送風(fēng)速度越小，PMV值越大。同時(shí)，送風(fēng)溫度越高，PMV值越大，人體感覺(jué)越熱。

再次，在地板孔板通風(fēng)方式下，由于人體溫度分布不均勻，人體軀干部位溫度與周?chē)諝鉁夭钶^小，造成人體軀干部位周?chē)阮^部和足部周?chē)鶳MV值小。PMV值隨送風(fēng)速度的增加并不是單調(diào)的變化，送風(fēng)速度為1.0m/s時(shí)PMV值最大。同樣，送風(fēng)溫度越高，人體周?chē)鶳MV數(shù)值越大，人體感覺(jué)越暖和。

2.3.2 PPD值分析

從圖8～9可以看出，混合通風(fēng)方式下，人體前后側(cè)PPD值相差較小。相同通風(fēng)條件下，人體軀干部分周?chē)鶳PD值較小，不滿(mǎn)意率較低。同時(shí)，送風(fēng)速度增大相同大小數(shù)值時(shí)，PPD值并不是同等變化，說(shuō)明在1.0m/s左右存在一個(gè)臨界風(fēng)速。送風(fēng)溫度越小，PPD值越小，即人體不滿(mǎn)意率越小。故混合通風(fēng)方式下應(yīng)選擇高溫、低速條件下進(jìn)行送風(fēng)。

圖8 三種送風(fēng)方式在不同送風(fēng)速度時(shí)PPD分布

圖9 三種送風(fēng)方式在不同送風(fēng)溫度時(shí)PPD分布

其次，置換通風(fēng)方式下，送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度對(duì)于PPD值的影響都非常小。同時(shí)，人體周?chē)慕^大部分PPD值都小于10%，并且波動(dòng)范圍很小，也就是說(shuō)大部分送風(fēng)條件下人群中只有小于10%的人感覺(jué)不滿(mǎn)意，能滿(mǎn)足絕大部分人對(duì)熱舒適性的要求。

再次，地板孔板通風(fēng)方式下，人體頭部和足部周?chē)鷧^(qū)域比人體熱舒適性不滿(mǎn)意率低。送風(fēng)速度對(duì)PPD值的影響較小，三種送風(fēng)速度相比，當(dāng)速度為1.0m/s時(shí)，人體周?chē)鶳PD值最小，人體熱舒適性不滿(mǎn)意率最低。同時(shí)，送風(fēng)溫度越高，人體熱舒適性不滿(mǎn)意率越低。

3 結(jié)論

1）三種通風(fēng)方式下人體前后側(cè)空氣齡差別很小。混合通風(fēng)送風(fēng)速度較大時(shí)人體活動(dòng)區(qū)域以上部分空氣比活動(dòng)區(qū)域空氣齡小。同時(shí)，在混合通風(fēng)方式下，送風(fēng)速度在1.0m/s左右存在一個(gè)臨界風(fēng)速。置換通風(fēng)方式下，人體0.5m以下區(qū)域空氣齡受送風(fēng)溫度的影響較大。地板孔板通風(fēng)方式下，人體空氣齡隨高度、送風(fēng)速度、送風(fēng)溫度的影響都很小。

2）混合通風(fēng)、置換通風(fēng)方式下人體微環(huán)境溫度場(chǎng)的分布受送風(fēng)速度影響較大。混合通風(fēng)方式下，受送風(fēng)強(qiáng)制對(duì)流影響，溫度在呼吸截面出現(xiàn)拐點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響，送風(fēng)速度在1.0m/s左右存在一個(gè)臨界風(fēng)速。置換通風(fēng)和地板孔板通風(fēng)方式下，送風(fēng)速度對(duì)溫度分布的影響較小。同時(shí)，人體周?chē)怪睖囟戎饾u上升，但是置換通風(fēng)溫差比地板孔板通風(fēng)溫差大。

3）由于溫度分布、氣流組織的影響，混合通風(fēng)、置換通風(fēng)方式下PMV值從足部到頭部都是先增加后減少而地板孔板送風(fēng)是先減小后增加。混合通風(fēng)PPD值在不同送風(fēng)溫度、速度下從足部到頭部都是先減小后增大，而地板孔板通風(fēng)方式下PPD值先增大后減小。相同送風(fēng)速度下，送風(fēng)溫度越高，不滿(mǎn)意率越低。實(shí)際工程中可以適當(dāng)提高送風(fēng)溫度以降低不滿(mǎn)意率。

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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

陳勇（1989～），男，碩士研究生；四川省成都市四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院（610065）；E-mail:986179554@qq.com

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51308361）；四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014GZ0133）