某学校报告厅几种送风形式的局部热舒适度分析
北京绿建软件股份有限公司 王博闻 苏小红 张金乾
【摘 要】室内热环境受空调气流组织的影响，热舒适度在空间上不尽相同，会出现人的整体热感觉较好而局部热感觉不佳的情况。高大空间建筑更容易出现气流组织不均匀的现象，进而造成人的局部不舒适感。本文以西安某学校报告厅为例，借助室内热舒适模拟技术，分别对夏季的喷口送风、旋流送风和置换送风三种送风形式下的气流组织进行模拟，进一步分析室内热舒适情况。并通过整体评价指标PMV、局部评价指标LPD1、LPD2、和LPD3进行验证，以探究该建筑最佳的空调送风形式。
【关键词】高大空间建筑；气流组织；整体评价指标；局部评价指标；热舒适模拟
Abstract:The indoor thermal environment is affected by the air distribution, which makes the indoor comfort different in space, and then induce a good overall thermal comfort and bad local thermal comfort. This is especially true for those large and high buildings. In this paper, a lecture hall in Xi'an is taken as an example, and with the CFD simulation of thermal comfort, the overall thermal comfort evaluation index PMV as well as the local evaluation index LPD1、LPD2、and LPD3 are analyzed respectively for the jet air supply, swirl air supply and displacement air supply in summer, so as to explore the best air-conditioning air supply form for such buildings.
Key words:Large space building；Air distribution；Overall evaluation index；Local evaluation index；Thermal comfort simulation
0 引言
室内热环境对人身体健康有着重要影响，人一生中超过80%的时间在室内度过，维持室内良好的热环境尤为重要。对于室内空调设计，不仅要求各项设计指标满足规范要求，更需要对室内热环境的舒适度进行评价，以验证设计是否达到人体舒适度的要求。《民用建筑室内热湿环境评价标准》GB/T 50785-2012在人工冷热源工况下室内热湿环境的评价中规定：“设计评价应按其整体评价指标(PMV-PPD)进行等级判定；工程评价应按其整体评价指标和局部评价指标(LPD)进行等级判定”[1] .《绿色建筑评价标准》[2]引用了整体评价方式。《健康建筑评价标准》[3]不但关注整体评价，对于局部评价也给予了高度重视，热环境的整体性评价虽能一定程度上反映热舒适水平，但局部热感觉的变化也应着重考虑。
体育馆、大会堂、报告厅等高大空间建筑，室内气流组织更容易出现不均匀，导致人的局部舒适度不佳现象。所以优化空调气流组织设计，改善室内热环境有重要意义。
国内外专家和学者们对于高大空间建筑的空调舒适性已经有了比较全面的研究[5~7]，但对于室内舒适性的判断主要依赖于风速、温度和整体评价指标PMV，并没有针对局部评价指标LPD进行模拟分析。本文运用室内热舒适模拟技术，对西安某学校阶梯报告厅夏季工况下喷口送风、旋流送风和置换送风三种送风形式进行CFD模拟[8~10]，通过流线图、温度和速度分布云图分析不同送风形式下室内气流组织和热舒适情况，最终使用整体评价指标和局部评价指标进行验证，以确定最佳送风方式。
1 工程概况
本文所研究的项目为陕西省西安市西咸新区内一学校阶梯报告厅。该建筑地上一层，建筑高度10m，南北向长26.5m，东西向宽17.7m，建筑面积470m2。
图1 报告厅平面图
西安市室外计算参数如下：
夏季空调室外计算干球温度：35℃；
夏季空调室外计算湿球温度：25.8℃；
夏季空调室外计算日平均温度：30.7℃；
夏季室外平均风速：1.9m/s。
室内设计参数：
温度：26℃；
相对湿度：50%；
风速：≤0.3m/s.
2 模拟软件与物理建模
本次模拟所用软件为北京绿建软件股份有限公司开发的建筑热环境模拟分析软件。软件以CAD为平台，可对建筑热环境进行相关的模拟计算。其中，建筑负荷计算使用了暖通负荷（BECH）软件，软件可以计算建筑逐时冷热负荷，并显示各分项结果。热舒适模拟使用了室内热舒适（ITES）软件，软件可针对《绿色建筑评价标准》、《健康建筑评价标准》进行PMV-PPD和LPD指标的模拟，并展示流线、温度、风速云图。
对于CFD的模拟，为保证计算效率通常要将模型进行简化。对于本项目，将报告厅的阶梯简化为带有坡度的斜坡地面，人员简化为长0.5m，宽0.5m，高1.2m的长方体，依据斜坡布置。模型边界条件参数及简化模型三维效果图如下：
表1 模拟边界条件
表2 PMV计算参数
图2 简化模型图
2.1 建筑冷负荷计算
使用暖通负荷软件（BECH）计算该建筑夏季逐时冷负荷，冷负荷计算分项结果如下图。最大冷负荷出现时刻为17:00时，全室冷负荷最大值68.67KW。
对于夏季分层空调的负荷计算，可采用经验系数法：
，通常a=0.5~0.85，本次计算取a=0.7[4]。
2.2 送风形式
针对本项目的阶梯报告厅，设计并选用3种送风形式对室内热舒适效果进行对比：
1）喷口送风：将喷口布置在东西侧墙上，风口标高6.5m，水平送风，同侧下部排风；
2）旋流送风：将旋流风口布置在吊顶下，上部送风，下部侧墙排风；
3）置换送风：将置换风口布置在每层阶梯侧面，低速送风，屋顶上部排风。
风口参数及三维模型如下：
表3 风口参数
图3物理模型图
3 结果分析
使用室内热舒适软件（ITES）对室内热环境进行模拟分析。先通过流线图、室内温度和风速云图对室内气流组织进行分析，再结合室内热舒适的整体评价指标和局部评价指标进行室内舒适度分析。
针对本次模拟案例的三种送风形式，以距离斜坡地面1m高度的人员停留区平面为研究对象，分析如下。
图4 分析平面位置
3.1气流组织分析
c气流组织—置换送风
图5流线图
图6 分析平面温度云图
c 风速云图—置换送风
图7 垂直面风速云图
人员停留区风速较小，为方便观察，风速云图标尺上限设定值为1。通过室内风速流线图、平面温度云图、垂直面风速云图可以看出：
1）喷口送风时，空气呈喷射状水平送出，到达一定距离后速度衰减，冷空气在重力作用下向下运动，最终经布置于侧墙下的排风口均匀排出。得益于喷口诱导作用，周围空气互相掺混，最终人员区域的气流组织均匀，温度舒适，风速符合设计要求。
2）旋流送风时，空气向下旋转送出，扰动较强，覆盖面积大，流经人员停留区后，由侧墙下的排风口均匀低速排出。结合垂直剖面的风速云图可以看出，风速衰减较快，人员区域大部分风速在0.3m/s以下符合设计要求，但风口正下方存在部分小区域风速较高，达到0.8m/s，会产生人的局部不舒适情况。
3）置换送风时，冷空气低速贴地送出，当遇到人员等热源时，空气被加热上浮；当途径无热源的过道区域时，冷空气沿阶梯报告厅的斜坡构造向低处流动聚集，造成无人区域温度偏低和以及报告厅前后温差偏大现象，从而产生人的局部不舒适情况。
3.2 热舒适的整体评价
PMV用来评价人群对热湿环境的热感觉，人体对热湿环境的感觉主要与全身的热平衡有关，这种平衡受到室内温度、风速、湿度等环境参数的影响，还受人体代谢、活动和着装的影响，体现了人对于室内热湿环境的整体热感觉，以下为PMV的计算公式[11]：
式中：
PMV——预计平均热感觉指数；
M——代谢率（W/m2）;
W——有效机械功率（W/m2）;
lcl——服装热阻（m2·K/W）;
fcl——服装表面系数；
ta——空气温度（℃）；
——平均辐射温度（℃）；
var——相对风速（m/s）；
Pa——水蒸气分压（Pa）；
hc——对流换热系数；
tcl——服装表面温度（℃）。
图8 室内PMV云图
针对本项目模拟结果，对室内的舒适情况进行如下分析：
1）喷口和旋流形式下，送风扰动强，速度衰减快，大部分人员区域温度和速度都比较均匀。同时温度和速度都是影响PMV的重要指标，所以PMV分布均匀，室内PMV值基本都处于-1和+1之间，整体热感觉适中；
2）置换送风形式下，冷空气不断向报告厅前排低处无人区域流动。由后至前，温度逐渐降低，风速逐渐升高， PMV呈现明显降低趋势，且前部人行通道处PMV<-1，感觉偏凉。
3.3 热舒适的局部评价
当室内气流组织分布欠佳，会对人身体体局部形成不必要的冷却或者加热，从而造成人的局部不舒适感，局部热舒适评价指标包括LPD1、LPD2和LPD3[1]，各指标要求如下：
表4 局部评价指标
1）冷吹风感引起的局部不舒适
LPD1反映由冷风直吹引起的局部不舒适。
LPD1——冷吹风感不满意率（%）；
tal ——局部空气温度（℃）；
——局部平均空气流速（m/s）。若局部平均空气流速小于0.05m/s，取0.05m/s;
Tu ——局部紊流强度（%）。
图9室内风速云图
图10室内LPD1云图
风速云图中可以看出，旋流风口送风时，风口下方存在一小部分区域风速超过1m/s，这与前文气流组织分析一致。通过模拟得到的LPD1云图发现，风速偏大的局部区域LPD1 达到100%，反映出风口冷风直吹引起的人体局部不舒适。
同样，置换送风时，前部人行通道处风速较高，LPD1值超过70%，反映出由于冷空气向下聚集，流速增大引起吹风感，进而造成人体感觉的局部不舒适。
2）垂直空气温差引起的局部不舒适
LPD2反映由头和脚踝间垂直空气温差引起的局部不满意率：
LPD2——局部不满意率（%）；
Δta,v——头跟脚踝之间的垂直空气温度差（℃）。
图11垂直面温度云图
图12室内LPD2云图
垂直面温度云图显示，喷口送风和旋流送风时人员区域在垂直方向上整体温度分布比较均匀，LPD2值很低。而置换送风时，受冷空气沿斜坡地面向前流动影响，后排区域的冷空气层更薄，导致后排人员脚凉头热的局部不舒适情况，计算得到LPD2的值高达10%，反映出后排垂直温差大的现象。
3）地表面温度引起的局部不舒适
LPD3反映室内地表面温度引起的人局部不舒适：
LPD3——局部不满意率（%）；
tf——地板表面平均温度（℃）。
图13室内LPD3云图
最终比较地板表面温度引起的不满意率LPD3。与其他两种送风形式相比，置换送风LPD3较高。该结果与前文温度云图分析结果一致，主要是由于冷空气向下流动并不断聚集，造成贴近地面区域温度前低后高，从而引起前面大部分坐席区域的局部不舒适。
4 结论
通过分析该案例的三种不同送风形式对应的气流组织、热舒适整体和局部评价指标，可知对于人员停留区域的整体热感觉，喷口送风和旋流送风都比较适中，而置换送风则显示部分区域偏冷。
进一步分析局部评价指标LPD1、LPD2和LPD3，得出如下结论：
1）旋流风口送风时，风口正下方部分区域局部风速偏大，人员受到冷风直吹，有冷吹风感。冷吹风感引起的局部不满意率LPD1精确反映出该问题，数值高达100%，因此需要通过控制风速或者调整风向来优化气流组织；
2）置换送风时，受阶梯教室结构特点和冷空气密度作用冷风不断向低处无人区汇集和流动，前排无人区风速增大，后排冷空气层变薄，从而产生前排冷吹风感和后排垂直温差大，增加了人的局部不舒适感。通过计算该区域LPD1值高达70%，LPD2超过10%，因此需要根据报告厅结构和人员情况，优化前后排风口的布置。
3）相比之下，喷口侧向送风时，人员区域温度均匀，风速合理，局部不满意率LPD各项指标都很低，人的局部舒适感较好。
通过整体评价指标PMV和局部评价指标LPD的综合分析，最终确定喷口侧送风形式舒适性最佳。
可见在进行空调气流组织设计进行评价时，不仅要进行整体评价指标分析，局部热舒适指标的分析也非常必要。
参考文献
[1] GB/T 50785-2012，民用建筑室内热湿环境评价标准[S].
[2] GB/T 50378-2019, 绿色建筑评价标准[S].
[3] T/ASC 02-2016，健康建筑评价标准[S].
[4] 实用供热空调设计手册[M]. 中国建筑工业出版社 , 陆耀庆, 2007
[5] 胡定科,荣先成,罗勇.大空间建筑室内气流组织模拟数值模拟与舒适性研究[J].暖通空调,2006,36(5):12~16.
[6] Joseph C.lam,Apple L. S Chan. CFD analysis and energy simulation of agymnasium,Enery and Buildings,2001(36):351~358
[7] 胡勇,侯艳,许志浩,陈明.基于Phoenics的地板送风孔板风口和旋流风口的数值模拟对比[J].制冷与空调(四川),2014,28(01):72-74+86.
[8] 杨梦瑶. 高大空间建筑分层空调气流组织的设计优化研究[D].西华大学,2019.
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[10] 原帅. 严寒地区大空间空调冬夏气流组织优化模拟研究[D].吉林建筑大学,2016.
[11] GB/T 18049-2017. 热环境人类工效学[S].
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。