寒冷地區(qū)大窗墻比住宅熱舒適性數(shù)值模擬分析

侯昱晟，劉維，劉滪

（1.中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100044；2.融創(chuàng)中國(guó)北京公司，北京 100102）

1 引言

隨著人們生活品質(zhì)的提高，幕墻等大窗墻比立面設(shè)計(jì)不僅運(yùn)用到公共建筑中，還逐漸出現(xiàn)在住宅建筑內(nèi)。雖然住宅建筑采用較大的窗墻相比外圍護(hù)結(jié)構(gòu)能夠在日間獲得較多的日照輻射熱，但在夜間或陰雨天氣幕墻將增大室內(nèi)熱負(fù)荷，人員在室內(nèi)的熱舒適性下降，較為嚴(yán)重地影響室內(nèi)人員休息。外圍護(hù)結(jié)構(gòu)住宅建筑采用較大的窗體面積同樣會(huì)增加室內(nèi)熱負(fù)荷，增加采暖系統(tǒng)能耗。此外，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)住宅建筑內(nèi)人員衣著較單薄，且處于靜坐的時(shí)間較長(zhǎng)。較大窗墻比的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的住宅建筑內(nèi)部，人員對(duì)室內(nèi)溫度及平均熱輻射溫度較敏感。

為了研究寒冷地區(qū)大窗墻比外圍護(hù)結(jié)構(gòu)住宅建筑內(nèi)人員的舒適性，以北京某住宅的典型戶型為研究目標(biāo)，采用數(shù)值模擬方法對(duì)其內(nèi)部北向客房及南向臥室進(jìn)行建模。分析了冬季夜間室外極端天氣氣溫下，同樣窗墻比一面及兩面外圍護(hù)結(jié)構(gòu)房間對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)、流場(chǎng)以及人員預(yù)測(cè)分析均值投票數(shù)（Predicted Mean Vote，PMV）的影響。對(duì)大窗墻比住宅建筑內(nèi)人員熱舒適度的研究與分析，對(duì)住宅建筑外圍護(hù)窗墻比設(shè)計(jì)、室內(nèi)布置及暖通系統(tǒng)的設(shè)置具有指導(dǎo)意義。

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟(jì)科技的進(jìn)步，人們對(duì)居所的要求由簡(jiǎn)單的遮風(fēng)擋雨，逐漸向健康、舒適、良好的視域等更高的目標(biāo)邁進(jìn)。相應(yīng)地，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)人員舒適程度的研究也隨之增多。人體熱舒適性不僅與研究對(duì)象周圍客觀環(huán)境因素有關(guān)，還與其自身的主觀感覺有關(guān)。這就導(dǎo)致由于人們個(gè)體的差異，每個(gè)人對(duì)相同的室內(nèi)環(huán)境的舒適程度判斷存在較大的差別。

1962 年，Macpherson[1]將室內(nèi)空氣溫度、濕度、風(fēng)速、平均輻射度、人體新陳代謝率和服裝作為影響人體熱舒適性的因素進(jìn)行研究分析。Fanger[2]等人通過(guò)數(shù)學(xué)方法列出了熱舒適方程，定義了PMV 和預(yù)后不滿百分比（Prognosis Percentage Dissatisfaction，PPD）等指標(biāo)作為對(duì)人體熱舒適研究的特征指標(biāo)，意味著同一環(huán)境中大部分人的熱冷感覺的均值。PMVPPD 熱舒適實(shí)體模型是人體特異性免疫最開始的數(shù)學(xué)分析模型，該實(shí)體模型明確提出的指標(biāo)值表達(dá)了大部分人對(duì)熱環(huán)境的主觀平均評(píng)價(jià)，其有7 級(jí)，即冷（-3）、涼（-2）、稍涼（-1）、中性化（0）、稍暖（1）、暖（2）、熱（3）。PMV=0 時(shí)代表房間內(nèi)熱環(huán)境為最好熱舒適情況。同時(shí)兼顧了人員主觀因素及客觀環(huán)境因素。曠金玉[3]等學(xué)者針對(duì)玻璃幕墻外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的辦公室內(nèi)空調(diào)氣流組織，采用數(shù)值模擬方法對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行模擬研究，對(duì)不同送風(fēng)速度下室內(nèi)溫度分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)1.5 m/s 的風(fēng)速下可有效阻止熱量通過(guò)幕墻傳遞到室外。黃華明[4]等學(xué)者采用SIMPLEST 算法對(duì)珠三角地區(qū)某商場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)速、溫度、室內(nèi)人員PMV 及PPD 的研究，對(duì)不同工況下人員熱舒適度進(jìn)行綜合分析與研究，在兼顧人員熱舒適因素的前提下，對(duì)商場(chǎng)內(nèi)溫度和風(fēng)速合理的設(shè)計(jì)取值區(qū)間進(jìn)行研究分析。目前存在的問(wèn)題如下：

1）在穩(wěn)定熱環(huán)境中，大量研究針對(duì)大窗墻比下的公共建筑內(nèi)部人體的熱舒適度進(jìn)行分析，但對(duì)于寒冷地區(qū)住宅建筑大窗墻比的工況下住宅室內(nèi)人員熱舒適性的相關(guān)研究較少。

2）在研究穩(wěn)定熱環(huán)境中，大多研究對(duì)人體所產(chǎn)生的影響以及出現(xiàn)人熱舒適性降低的問(wèn)題多從圍護(hù)結(jié)構(gòu)及室外環(huán)境入手，而結(jié)合暖通低溫輻射采暖系統(tǒng)進(jìn)行分析的較少，對(duì)末端空調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)選擇缺乏指導(dǎo)。

3）有關(guān)采用室內(nèi)輻射供暖系統(tǒng)大窗墻比住宅建筑內(nèi)人員舒適度分析的研究較少。

3 CFD 模型的建立及數(shù)值分析方法

3.1 數(shù)值分析方法

本次研究采用PHOENICS 軟件對(duì)大窗墻比住宅建筑進(jìn)行建模與分析研究，該軟件是由皇家工程院院士D.Bspalding教授及多位學(xué)者開發(fā)的。其主要采用SIMPLEST 算法，該算法適用于求解低流速問(wèn)題，并不斷改進(jìn)與發(fā)展成為較為成熟的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）求解方法。

住宅建筑內(nèi)考慮采用地輻射采暖，人員考慮為靜止站立狀態(tài)，空間內(nèi)沒(méi)有設(shè)置機(jī)械通風(fēng)裝置，僅存在因空氣密度不同產(chǎn)生的空氣對(duì)流，空氣流速較為緩慢，接近于層流。輻射面板與周圍圍護(hù)結(jié)構(gòu)及人體產(chǎn)生輻射換熱，空氣與人體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及輻射板存在對(duì)流換熱。考慮到模型具有上述特點(diǎn)，本次研究采用PHOENICS 特有的湍流模型，該湍流模型適合于低雷諾數(shù)流體傳熱以及穩(wěn)定流工況。

3.2 物理模型的建立及邊界條件的設(shè)定

模型根據(jù)寒冷地區(qū)某大窗墻比住宅工程項(xiàng)目進(jìn)行分析。選取該建筑典型戶型內(nèi)的客廳及臥室進(jìn)行建模，具體的北向房間為客廳、南向房間為臥室。北向的客廳北、東兩面設(shè)有玻璃幕墻外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，該房間尺寸為7.5 m×5 m×2.8 m（長(zhǎng)×寬×高），幕墻高2.6 m（工況一）。南向臥室僅南面有外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，房間尺寸為5.5 m×5 m×2.8 m（長(zhǎng)×寬×高），幕墻高2.6 m（工況二）。

模型的樓板及圍護(hù)結(jié)構(gòu)非透明部分采用混凝土材料，透明窗體材質(zhì)為玻璃。玻璃的發(fā)射率E=0.25，玻璃內(nèi)表面溫度邊界條件T=12.1 ℃。根據(jù)墻體熱工規(guī)范要求最小傳熱允許溫差為2 ℃，室內(nèi)墻壁溫度邊界條件T=18 ℃（室內(nèi)溫度20 ℃考慮）。地采暖地面為大理石鋪裝，發(fā)射率E=0.98，溫度邊界條件北向房間地面溫度T=33 ℃，南向房間地面溫度T=31 ℃。網(wǎng)格采用均勻的正方形網(wǎng)格，對(duì)2 個(gè)模型進(jìn)行劃分，網(wǎng)格尺寸為0.2 m。

3.3 工況設(shè)置

該典型住宅位于寒冷地區(qū)，室外參數(shù)條件考慮為冬季夜間極端溫度（-20 ℃）條件下。將人員模型均設(shè)置于房間正中心，房間內(nèi)人員為男性，保持站姿靜止?fàn)顟B(tài)，人體散熱量為109 W。模擬輸出結(jié)果有PMV、溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)，并在Y 軸及Z 軸設(shè)置檢測(cè)切片。

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 工況一：客廳北、東兩面玻璃幕墻外圍護(hù)結(jié)構(gòu)

1）溫度場(chǎng)。客廳垂直方向Z=0.5 m 高度，東北角區(qū)域平均溫度約為22.6 ℃；Z=1.5 m 高度，平均溫度為23.1 ℃，房間靠近地面區(qū)域溫度較房間垂直方向上部區(qū)域空氣平均溫度低。靠近幕墻周邊區(qū)域的空氣由于溫度低，冷空氣下沉，進(jìn)入室內(nèi)被地暖加熱后成為熱空氣，上浮形成對(duì)流，導(dǎo)致房間內(nèi)區(qū)空氣垂直方向Z=0.5 m 高度平均溫度小于Z=1.5 m 高度空氣平均溫度，但2 個(gè)區(qū)域溫度差＜1 ℃。此外，玻璃幕墻附近區(qū)域最低平均溫度為19 ℃，見圖1 和圖2。

圖1 客廳Y 軸溫度場(chǎng)云圖

圖2 客廳Z 軸溫度場(chǎng)云圖

2）速度場(chǎng)。靠近玻璃幕墻處空氣溫度較低，冷空氣下降卷吸入室內(nèi)后由地面加熱后升至房間上部分區(qū)域。人員附近由于加熱周圍空氣同樣產(chǎn)生密度差，卷吸靠近幕墻地面溫度較低氣流浮升至室內(nèi)屋頂，見圖3。

圖3 客廳Y 軸速度場(chǎng)云圖

3）PMV。客廳內(nèi)垂直方向Z=0.5 m 高度人體感受是較為舒適，人體所處位置PMV=-0.66，平均為-0.6。Z=1.5 m 高度房間區(qū)域內(nèi)人體所處位置PMV=-0.48，平均值為-0.5。但靠近幕墻區(qū)域冷空氣下沉，熱空氣上浮形成的對(duì)流，使得1.5 m高度環(huán)境的熱舒適性優(yōu)于0.5 m 高度的熱舒適性，見圖4 和圖5。

圖4 客廳Y 軸PMV 結(jié)果云圖

圖5 客廳Z 軸PMV 結(jié)果云圖

4.2 工況二：南向臥室南向外圍護(hù)結(jié)構(gòu)

1）溫度場(chǎng)。室內(nèi)平均溫度約25 ℃，人員腿部附近溫度24 ℃，1 m 以上區(qū)域溫度達(dá)到26 ℃左右。

2）速度場(chǎng)。靠近玻璃幕墻處空氣溫度較低，冷空氣下降卷吸入室內(nèi)后由地面加熱后升至房間上部分區(qū)域。

3）PMV。人體附近感受較為舒適PMV 約為-0.24，接近0，在單面玻璃幕墻工況下人員長(zhǎng)期停留的室內(nèi)舒適度較雙面玻璃幕墻工況下室內(nèi)舒適度更高，平均PMV 為-0.14。

5 結(jié)語(yǔ)

大窗墻比住宅建筑典型戶型工況，北向有2 面外圍護(hù)結(jié)構(gòu)客廳，Z=0.5 m 高度靠近東北角區(qū)域平均溫度約為22.6 ℃；Z=1.5 m 高度房間區(qū)域內(nèi)溫度平均為23.1 ℃，Z=0.5 m 高度靠近東北角區(qū)域人體感受是較為舒適的，PMV 平均值為-0.6。Z=1.5 m 高度，PMV 平均值為-0.5。

大窗墻比住宅建筑典型戶型工況，南向單面外圍護(hù)結(jié)構(gòu)臥室，室內(nèi)平均溫度約25 ℃。人體附近PMV 約為-0.24，接近0。工況二中人員熱舒適度較雙面玻璃幕墻工況下人員熱舒適度高，平均PMV 為-0.14。

北向客廳由于設(shè)置2 面外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致室內(nèi)人員熱舒適度較低，人員感覺微涼。根據(jù)模擬結(jié)果，人員長(zhǎng)期停留區(qū)域應(yīng)避開幕墻2 m 范圍內(nèi)熱舒適性較低的區(qū)間。住宅建筑應(yīng)避免2 面幕墻同時(shí)出現(xiàn)在人員長(zhǎng)期停留房間，建議大窗墻比房間僅設(shè)置1 面外圍護(hù)結(jié)構(gòu)。低溫輻射地暖的設(shè)置應(yīng)重點(diǎn)考慮距離大窗墻比圍護(hù)結(jié)構(gòu)2 m 范圍內(nèi)的區(qū)域，應(yīng)對(duì)該區(qū)域加熱構(gòu)件進(jìn)行加密敷設(shè)或采取合理的措施提高地面溫度。