自然通風條件下熱舒適性的模擬分析

閆鳳英,王 龍

(1.天津大學建筑學院,天津300072;2.天津大學建筑工程學院,天津300072)

自然通風條件下熱舒適性的模擬分析

閆鳳英1,2,王 龍2

(1.天津大學建筑學院,天津300072;2.天津大學建筑工程學院,天津300072)

采用基于CFD理論的Airpak軟件對自然通風(正弦周期性波動的風速)條件下的熱舒適性進行模擬分析,通過預測平均熱感覺(PMV)指標和不滿意率(PD)指標對熱舒適性進行評價,比較人體對低頻(0.3、0.4、0.5 Hz)變化風速的滿意度。結果表明,在室內溫度、相對濕度等條件不變時,PMV值與風速呈現出相同的變化規律,人體對變化頻率為0.3 Hz的風速最滿意。

熱舒適性;自然風;頻率;模擬

人們通常會發現自然風比其他方式產生的風要舒服些,而且與在空調環境下相比,人在自然風環境下可以忍受較高的風速。早在20世紀80年代,日本學者研究發現自然風具有1/f紊動特性,并嘗試制造能夠產生這種波動氣流的空調設備[1]。巨永平等[2]發現吹風感的產生不僅與空調房間內的空氣溫度和平均風速有關,而且與房間內氣流的紊動強度及紊動頻率有關。夏一哉等[3]發現環境溫度和相對濕度對人體選擇頻率的作用不顯著,而在等溫條件下氣流脈動頻率對人體感受氣流強度影響顯著,試驗中還發現超過80%的受試者感覺到熱環境比較舒適時的氣流脈動頻率為0.3～0.5 Hz,氣流脈動頻率在0.7 Hz以下時,感覺舒適者比例達到95%。Fanger等[4]認為按0.3～0.5 Hz周期性變化的氣流容易引起處于冷—中性狀態的受試者產生更強的不舒適感。Tanabe[5]研究了空氣速度周期性變化(包括正弦變化、隨機變化、脈沖、恒定等)產生的效果,結果表明正弦變化氣流對人體熱舒適性的影響最佳,即正弦變化的氣流形式比較接近于自然風。

本文采用基于CFD理論的Airpak軟件對以0.3～0.5 Hz周期性波動的正弦變化氣流進行數值模擬,并分析熱舒適性隨風速的動態變化情況以及不同風速變化頻率對熱舒適性的影響。

1 熱舒適性的模擬

1.1 模擬對象

以家庭住房常見戶型(如圖1所示)的室內熱舒適狀態為研究對象。在模擬過程中將客廳的窗戶作為進風口,其余窗戶均打開作為出風口。

圖1 研究對象平面圖Fig.1 Plane graph of study object

1.2 模擬邊界條件的設定

通常認為室內風速為0.15 m/s、溫度為26℃時,人體處于熱舒適最佳狀態,但這是在風速穩定時得出的結論,而且這種穩定的熱舒適狀況對人的身體健康是不利的。研究表明,當風速波動時,室內風速及溫度可以適當提高,因此本文模擬的邊界條件設為:室內溫度為26℃,相對濕度為60%,平均風速為0.3 m/s,風速變化頻率分別為0.3、0.4、0.5 Hz。

1.3 分析指標的選取

本文選用預測平均熱感覺(PM V)指標對熱舒適性進行評價。1970年Fanger教授采用統計學方法綜合分析了近千人在不同熱環境下的熱感覺,提出熱舒適定量評價方程和 PM V熱舒適指標[6],這個指標綜合考慮了空氣溫度、濕度、人體新陳代謝等多種因素,是目前對熱舒適性進行評價的最常用指標之一。

另外,為了能夠對不同風速變化頻率下的熱舒適性進行評價,還要找到一個能夠體現熱舒適波動性的參數,根據這個參數的變化來判斷最適宜的風速變化頻率,這可以從與 PM V值波動相關的因素中去分析。風速波動的標準差反映了其波動的程度[7],Fanger等[8]發現湍流度與氣流產生的吹風感關系密切,并通過統計分析得出因吹風感引起的不滿意率計算公式:

式(1)表明,PD指標與湍流度和風速波動標準差直接相關,而風速波動標準差又可以反映出整個周期內風速的波動程度,如果風速波動與PM V指標的波動一致的話,則可以用 PD指標來反映整個周期內熱舒適性的動態變化。

2 模擬結果與分析

2.1 PM V指標

人體不同部位對熱舒適的敏感度是不同的,而且人在不同姿態時敏感部位高度也是不同的,在進行熱舒適實驗時,受試者通常是處在坐姿狀態,所以本文模擬分析的高度設為1.1 m。另外,為了對整個周期內熱舒適性的變化進行分析,將模擬時間設為5 s。在風速變化頻率 f=0.3 Hz的條件下,不同時刻的 PM V值分布如圖2所示從圖2中可以看出,隨著時間的變化,PM V值的大小及分布情況也在變化,這表明室內熱舒適性(人體的熱感覺)確實是呈動態變化的,只是這種變化過程比較短暫,人體感覺不是那么明顯。

為了確定熱舒適性在整個周期內的變化趨勢,本文選取模型內的一個點 P(5,1.1,1)作為分析對象。點 P在不同風速變化頻率下的PMV值變動如圖3所示。從圖3中可以看出,在假定室內溫度、相對濕度等條件不變時,PM V值的變化類似于周期性變化,并且隨著風速變化頻率的增大,PM V值的變化頻率也在增大。

(c)t=5 s圖2 不同時刻的 PMV分布情況(f=0.3 Hz)Fig.2 PMV distribution at different times(f=0.3 Hz)

圖3 不同風速變化頻率下PMV值的變化Fig.3 Variation of PMV under differen t frequencies

2.2 PD指標

上述分析表明 PM V指標的波動與風速波動具有一致性,而 PD指標與風速波動標準差又直接相關,因此用 PD指標來反映整個周期內熱舒適性的動態變化是合理的。

在進行熱舒適實驗研究或現場調查時,實驗對象(人)通常是按要求分布于一定的實驗空間范圍內。在對熱舒適性進行數值模擬時,可以用模型中的分析點來代替實驗對象。數值模擬的一個優勢在于分析點的數量可以按照需要設定,而實驗研究中實驗對象的數量往往受到限制。由于距離進風口遠端處的風速較小且相差不大,所以分析點盡量設置在靠近進風口的位置。點的數量和相互之間的距離對模擬結果也會產生一定的影響,根據人體工程學,成人兩肩之間的寬度約為60 cm,考慮到距離太近的分析點,其模擬結果相差不大,因此將分析點間距設為1 m。從圖2中可以看出,熱舒適性受影響較大的區域大概集中在4.5 m×5 m平面范圍內,因此將分析點的數量設為20個,點的具體分布如圖4所示,其中點1的坐標為(4,1.1,1),點1上方依次為點2～點5,點1左邊依次為點6、點11和點16。

圖4 分析點的分布Fig.4 Distribution of analysis points

研究表明,對房間氣流的舒適性可以采用總測點中不滿意點數量所占比例來進行評價,不滿意點數量所占比例低于15%時即為滿意的熱舒適狀況[2]。本文首先通過分析得到這20個點在3種頻率工況下的 PD值,某一點的 PD>10%時即為不滿意點,然后統計在每一種工況下不滿意點數量所占的比例,比較在哪一種頻率下滿意率最高。這里采用離散風速樣本來模擬正弦變化氣流,模擬時間為5 s,風速樣本數為50,即每隔0.1 s風速變化一次。計算得到3種風速變化頻率下各個分析點的 PD值,經過比較發現(見圖5),3種風速變化頻率下 20個點的 PD值都小于10%,也就是說這3種工況下的熱舒適性都是令人滿意的,但是在 f=0.3 Hz時,20個分析點中至少有16個點的 PD值比其他兩種頻率下對應點的PD值要小,也就是說,80%以上的人更愿意接受變化頻率為0.3 Hz的風速。為了對此進一步驗證,本文將風速增加到0.4 m/s后,采用同樣的方法進行分析比較,結果發現所有20個分析點的 PD值均比其他兩種頻率下對應點的PD值要小(見圖6),因此可以推斷,人們確實更傾向于以0.3 Hz周期性變化的風速,而且有風速越大、傾向性越大的趨勢。人們比較喜歡自然風,而自然風大多處于低頻區,這與本文研究結論也是相吻合的。

圖5 風速為0.3 m/s時不同風速變化頻率下分析點的PD值Fig.5 PD valuesof analysis pointsunder different frequencies(v=0.3 m/s)

圖6 風速為0.4 m/s時不同風速變化頻率下分析點的PD值Fig.6 PD valuesof analysis pointsunder different frequencies(v=0.4 m/s)

3 結論

(1)在室內溫度、相對濕度等條件不變時,隨著風速的正弦周期性變化,PM V值也呈現出類似的波動趨勢。

(2)在0.3、0.4、0.5 Hz這3種風速變化頻率中,人們對以0.3 Hz周期性變化的風速最滿意。

[1] Shimizu M,Hara T.The fluctuating characteristics of natural w ind[J].Refrigeration,1996,71(821): 164-168.

[2] 巨永平,馬九賢.氣流運動及其與熱舒適關系研究的進展與評述[J].暖通空調,1999,29(4):27-30.

[3] 夏一哉,趙榮義.等溫條件下氣流運動的選擇頻率[J].清華大學學報:自然科學版,2001,41(6):92-94.

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[5] Tanabe S.Impo rtance of air movement fo r thermal comfo rt under hot and humid conditions[C]//Proc 2nd ASHRAE FEC on Air Conditioning in Hot Climates.A tlanta,1989:95-103.

[6] Fanger P O.Thermal comfort[M].Copenhagen: Danish Technical Press,1970:35-38.

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[8] Fanger P O,Melikov A K.Turbulence and draft [J].ASHRAE J,1989(4):67-70.

Simulation and analysis of thermal com fort in natural ventilation

Yan Fengying1,2,W ang Long2
(1.School of A rchitecture,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Thermal comfort on natural ventilation condition(sinusoidal periodic fluctuations of the w ind)was simulated and analyzed on the basisof CED theory by meansof Airpak software.By using p redict mean vote(PMV)and degree of dissatisfaction,thermal comfort isevaluated and the degree of satisfaction of human body at w indsof different low frequencies(0.3,0.4,0.5 Hz)is compared.The result show s that,under the condition of relatively unchanged indoor temperature and humidity,the value of PMV changes w ith the w ind and peop le have the best satisfaction w hen the w ind speed frequency is 0.3 Hz.

thermal com fo rt;natural w ind;frequency;sim ulation

TU 83

A

1674-3644(2010)06-0660-05

[責任編輯 尚 晶]

2010-06-21

天津市應用基礎研究計劃資助項目(08JCYBJC13300).

閆鳳英(1967-),女,天津大學副教授.E-mail:yan_fengying@163.com