华东建筑设计研究总院-国际设计中心 吴珉 陈劲晖 陈刚

       【摘  要】热湿环境是室内品质的重要因素，文章在传统的室内温湿度设计基础上，提出了个性化、精细化热舒适设计的设计理念，通过热舒适评价指标PMV与PPD更精确的衡量人工热湿环境，并通过参数化模拟手段指导设计与运行。文中提供了工程案例的热湿环境设计过程，通过负荷分析、流体力学分析及采光分析方法，为案例提供精细化的热舒适设计模式。

       【关键词】热湿环境，参数化分析，精细化设计，智能运行控制

Abstract:The heat and humidity environment is an important factor of indoor quality. Based on the conventional indoor temperature and humidity design, the article puts forward the design concept of personalized thermal comfort design. The thermal comfort evaluation index PMV and PPD can more accurately measure the artificial heat and humidity environment, and through parametric simulation to improve design and operation. The article provides an engineering case that present the optimization process of indoor thermal comfort through load analysis, fluid dynamics analysis and daylighting analysis methods. The case study presents a refined thermal comfort design mode by using parametric simulation method. 
Keywords: Thermal comfort, parametric simulation, customized design, intelligent operation control

0 前言

       室内热舒适是暖通系统设计的重要性能，通常关注室内夏季和冬季的温度、湿度，同时考虑空间特性，兼顾节能表现，使空调负荷达到所设计的目标温湿度。对于较为常规的空间功能及空调系统，通常仅考虑温度、湿度作为热舒适指标。如今的建筑空间更为注重品质，而热舒适作为品质的重要因素，其感受却因人而异。例如靠近玻璃的外区受到日照直射时，往往比内区的人员感觉更热，因此实际的实际应用情况中，需进一步细化热舒适设计时，就需要更为精确的判断标准来指导设计。

1 热舒适指标

       热舒适是一个主观的感受，但是在空调设计中又需要用一定的数值指标对于空调设计温度和负荷进行指导，因此人们一直在研究更为客观的热舒适指标。对于人工热湿环境，美国ASHRAE-55标准⁽¹⁾就提出了两种较为主流的判断方法：

       • 等效温度(Operative Temperature)：使干球温度与辐射温度共同成为代表热舒适的性能指标。ASHRAE-55标准中规范了等效温度的判定方式，在干球温度、辐射温度的基础上，风速、湿度、穿衣指数、新陈代谢率也是影响等效温度是否舒适的重要指标。

       • 综合预测平均反应Predicted Mean Vote (PMV)和预测不满意百分数Predicted percentage dissatisfied (PPD)：PMV和PPD利用统计学原理将热舒适数值化，将热舒适的六大指标形成函数计算方法，用于指导室内热舒适设计。2012年，国家颁布标准《民用建筑室内热湿环境评价标准》GB/T 50785⁽²⁾也将PMV与PPD作为人工冷热源热湿环境的整体评价指标。

       对于非人工热湿环境的室内情况，人员热舒适性还受到室外条件的影响。ASHRAE-55标准提出了适应性模型舒适区(Adaptive model comfort zone)的判断方法，适用于室外温度在10℃至33.5℃之间，并且人员穿衣指数及新陈代谢率在一定范围内的情况，在室外温度和风速变化的情况下，可以用于判断自然通风情况下的热舒适范围。国家标准《民用建筑室内热湿环境评价标准》GB/T 50785也提供了非人工热湿环境的判断依据，在PMV的基础上以所在气候区及建筑功能进行修正，提出了预计适应性平均热感觉指标APMV。

2 热舒适计算方法与应用软件

       对于空间内等效温度、PMV和PPD的计算可以采用能耗模拟软件，计算空间内的空气温度、湿度、辐射温度，结合该功能房间的风速、穿衣指数和人员新陈代谢率，从而计算出空间内等效温度、PMV与PPD指标。比较主流的能耗模拟软件如EnergyPlus, IES VE, TRNSYS等软件均可采用计算。其中EnergyPlus是由美国能源部（Department of Energy，DOE）和劳伦斯·伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL）共同开发的一款建筑能耗模拟引擎，在国内外均有广泛的应用。EnergyPlus软件中可直接计算得出PMV与PPD计算值。

       即便能耗模拟软件计算可以得出较为准确的等效温度和PMV计算，但是其计算出的热舒适指标是代表一个空间或一个分区内的平均情况。但是当使用者对于空间的热舒适要求提高时，或者空间较大其外围护结构边界条件更加复杂时，这种以平均环境参数作为这个空间热舒适判断的方法就太为粗矿，不能适应设计需求。这时需要更精确舒适度分析，比如需要得出一个空间内的温度和风速分布场情况，可以采用计算流体动力学（CFD）仿真软件，将空间分为细小的网格，用以模拟空间内热湿环境的分布，从而计算出空间的热舒适指标场，从而指导空间内不同活动，不同人员的热舒适度设计，满足个性化的热舒适要求。国际上常用的CFD软件有Fluent, STAR-CD, OpenFOAM等。

       下面以一个高端居住休闲的综合性建筑的热舒适设计为例，介绍数值分析手段在个性化、精细化热舒适设计中的应用。

3 案例应用

       3.1 案例介绍

       项目是位于上海的高端居住、会议、休闲等多功能综合性建筑。其中10米挑高的客厅东北及西北立面为全玻璃幕墙设计，作为建筑的主要活动空间，其热舒适性能至关重要。该项目性能与空间特性对热舒适设计提出了更高的难度，作为人员主要活动的客厅，其热舒适需求要求设计体感温度在空间中人员活动的区域控制在设计的±1℃以内，同时项目要求新风换气次数达到3次/小时，使送风风量高于常规设计，此外10米高的空间及全玻璃幕墙设计使室内温度难以均匀分布，因此项目的热湿环境设计需要精细化、定制化的方式。

图1 项目案例图

       3.2 精细热舒适分析与空调系统设计

       采用Rhino和Grasshopper参数化软件进行模型搭建，通过EnergyPlus为计算内核，得出最大负荷时刻，设定为最不利情况，在此基础上进行热湿环境分析以及空调系统优化的依据。

图2 分析模型

       考虑到案例中大面积玻璃幕墙设计，日照的辐射对内区与外区的舒适度产生重要的影响，在分析过程中，将模型分为内区与外区。项目采用等效温度来作为热舒适评价依据，可以更直观的展示用户感受到的温度。通过负荷分析，峰值出现在6月25日上午10点。此时，内区与外区的辐射温度差异明显，外区辐射温度可达33℃，等效温度在29℃左右，与设计目标25℃偏差较大。

图3 全年冷热负荷分布

       造成内外区等效温度的差异主要原因是大面积玻璃幕墙引入的热辐射，使得外区的辐射温度明显提升。进一步模拟分析，通过以下方式可以达到目标的设计温度：

       •  降低幕墙遮阳系数

       外区辐射温度高是造成外区等效温度偏高的重要原因，因此降低幕墙辐射得热是改善热舒适的重要手段之一。原有设计遮阳系数0.45，分析显示，遮阳系数降低至0.38，外区主要活动区等效温度可降低至27℃以内，当遮阳系数降低至0.34，基本达到25℃的目标

图4 幕墙遮阳系数对等效温度影响

       •  降低外区空调设计温度

       当辐射温度略偏高时，适当降低空气温度也可达到目标的等效温度。由于内外区的等效温度差异，空调系统也需进行分区设计与控制。设计内区为侧送风方式，以客厅内侧约4m高度送风，形成高低分区，将空调风集中在人行区，在提供舒适的同时降低能耗。外区采用地板送风，沿幕墙设置地送风风口。内外区设计温度进行区分，内区设计温度25℃，外区设计温度可达23℃。外区设置日照感应装置，在日照过高时将设计温度调整为23℃，其余时间仍按照25℃运行。同时内外区分别设有温感控制，避免内区过冷。

图5 空调系统示意图

       •  优化风口分布

       在空调设计负荷及控制方式可满足设计的情况下，还需考量房间内具体温度分布、风速分布，使空间可达到精细化的热舒适性能。案例进一步利用CFD模拟软件对室内温度与风速进行了分析。采用Fluent模拟软件分析，适当调整风口大小及分布位置，同时结合外区设计温度调整，从而使室内温度场与风速场分布均匀，且达到设计目标。

图6 优化前后温度与风场分布

       3.3 运行控制优化

       以上的设计过程中，在最不利情况下空调系统设计，以保证系统可达到热舒适环境的能力，而在运行过程中不同时段下的热舒适也需要精细化的考量。在前文中提到，空调系统设计区分了内外区及朝向的分区温感控制，并且外区设有日照感应装置来进一步控制外区设计温度，由此综合考虑空气温度、风速、辐射温度。而在实际过程中，用户对于日照的长时间直射仍产生局部区域不舒适，甚至是眩光的问题，需要配置可调节内遮阳进行遮挡。

       但内遮阳的问题在于遮挡了建筑的良好景观，且日照方向随时在变化，精确控制日照直射且尽量不阻挡视野便是接下来的优化目的。

       设计团队挑选了两个个设计日作为案例展示，分别为6月22日、10月1日，其中6月22日为日照角度出现最高的时间， 10月1日为历年气温超过30℃最后一天，即可能出现过热天气下的日照角度最低时刻。

图7  6月22日全天日照分析

图8 10月31日全天日照分析

       在模拟分析得出日照范围之后，即可推算出所需的内遮挡控制高度。由于案例主立面偏东，早晨的日照范围较大，智能窗帘可在8点之前进行遮挡。根据实时日照分析结果，对可调遮阳提出了智能控制方式，同时也可以为精装布置提供建议。在高温天气下，日照直射停留时间长的区域可适当减少主要家具布置。

图9 室内日照直射分布时间与范围

4 结  语

       良好热舒适设计不仅仅是标准化、指标性的系统设置，更是个性化的设计与控制方式。本文通过参数化分析方式，为解决个性化的热湿环境设计提供了思路，可以作为实际项目热舒适设计模式探讨，从而使机电系统设计更加精细化，并配合运行阶段室内设计的智能化控制，以提供高品质的室内舒适性，为用户个性化的需求提供设计手段。但目前采用的模拟手段还需进一步研究提升，在本文的案例研究中辐射温度的计算采用了能耗软件计算分区的结果，未能够采用流体力学软件精确计算出辐射温度的分布场，在今后的实际项目应用中，辐射温度的分布场计算可以更为精确的预测热舒适性的表现。

参考文献

       [1] ANSI/ASHRAE Standard 55-2013 Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy
       [2] 国家标准《民用建筑室内热湿环境评价标准》GB/T 50785-2012

       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期（第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。