閆鳳英,王 龍

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

自然通風(fēng)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(xué)建筑學(xué)院,天津300072;2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津300072)

采用基于CFD理論的Airpak軟件對(duì)自然通風(fēng)(正弦周期性波動(dòng)的風(fēng)速)條件下的熱舒適性進(jìn)行模擬分析,通過預(yù)測(cè)平均熱感覺(PMV)指標(biāo)和不滿意率(PD)指標(biāo)對(duì)熱舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià),比較人體對(duì)低頻(0.3、0.4、0.5 Hz)變化風(fēng)速的滿意度。結(jié)果表明,在室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度等條件不變時(shí),PMV值與風(fēng)速呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律,人體對(duì)變化頻率為0.3 Hz的風(fēng)速最滿意。

熱舒適性;自然風(fēng);頻率;模擬

人們通常會(huì)發(fā)現(xiàn)自然風(fēng)比其他方式產(chǎn)生的風(fēng)要舒服些,而且與在空調(diào)環(huán)境下相比,人在自然風(fēng)環(huán)境下可以忍受較高的風(fēng)速。早在20世紀(jì)80年代,日本學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)自然風(fēng)具有1/f紊動(dòng)特性,并嘗試制造能夠產(chǎn)生這種波動(dòng)氣流的空調(diào)設(shè)備[1]。巨永平等[2]發(fā)現(xiàn)吹風(fēng)感的產(chǎn)生不僅與空調(diào)房間內(nèi)的空氣溫度和平均風(fēng)速有關(guān),而且與房間內(nèi)氣流的紊動(dòng)強(qiáng)度及紊動(dòng)頻率有關(guān)。夏一哉等[3]發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度和相對(duì)濕度對(duì)人體選擇頻率的作用不顯著,而在等溫條件下氣流脈動(dòng)頻率對(duì)人體感受氣流強(qiáng)度影響顯著,試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)超過80%的受試者感覺到熱環(huán)境比較舒適時(shí)的氣流脈動(dòng)頻率為0.3～0.5 Hz,氣流脈動(dòng)頻率在0.7 Hz以下時(shí),感覺舒適者比例達(dá)到95%。Fanger等[4]認(rèn)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(tài)的受試者產(chǎn)生更強(qiáng)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(jī)變化、脈沖、恒定等)產(chǎn)生的效果,結(jié)果表明正弦變化氣流對(duì)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(fēng)。

本文采用基于CFD理論的Airpak軟件對(duì)以0.3～0.5 Hz周期性波動(dòng)的正弦變化氣流進(jìn)行數(shù)值模擬,并分析熱舒適性隨風(fēng)速的動(dòng)態(tài)變化情況以及不同風(fēng)速變化頻率對(duì)熱舒適性的影響。

1 熱舒適性的模擬

1.1 模擬對(duì)象

以家庭住房常見戶型(如圖1所示)的室內(nèi)熱舒適狀態(tài)為研究對(duì)象。在模擬過程中將客廳的窗戶作為進(jìn)風(fēng)口,其余窗戶均打開作為出風(fēng)口。

圖1 研究對(duì)象平面圖Fig.1 Plane graph of study object

1.2 模擬邊界條件的設(shè)定

通常認(rèn)為室內(nèi)風(fēng)速為0.15 m/s、溫度為26℃時(shí),人體處于熱舒適最佳狀態(tài),但這是在風(fēng)速穩(wěn)定時(shí)得出的結(jié)論,而且這種穩(wěn)定的熱舒適狀況對(duì)人的身體健康是不利的。研究表明,當(dāng)風(fēng)速波動(dòng)時(shí),室內(nèi)風(fēng)速及溫度可以適當(dāng)提高,因此本文模擬的邊界條件設(shè)為:室內(nèi)溫度為26℃,相對(duì)濕度為60%,平均風(fēng)速為0.3 m/s,風(fēng)速變化頻率分別為0.3、0.4、0.5 Hz。

1.3 分析指標(biāo)的選取

本文選用預(yù)測(cè)平均熱感覺(PM V)指標(biāo)對(duì)熱舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)。1970年Fanger教授采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法綜合分析了近千人在不同熱環(huán)境下的熱感覺,提出熱舒適定量評(píng)價(jià)方程和 PM V熱舒適指標(biāo)[6],這個(gè)指標(biāo)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(duì)熱舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)的最常用指標(biāo)之一。

另外,為了能夠?qū)Σ煌L(fēng)速變化頻率下的熱舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià),還要找到一個(gè)能夠體現(xiàn)熱舒適波動(dòng)性的參數(shù),根據(jù)這個(gè)參數(shù)的變化來判斷最適宜的風(fēng)速變化頻率,這可以從與 PM V值波動(dòng)相關(guān)的因素中去分析。風(fēng)速波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差反映了其波動(dòng)的程度[7],Fanger等[8]發(fā)現(xiàn)湍流度與氣流產(chǎn)生的吹風(fēng)感關(guān)系密切,并通過統(tǒng)計(jì)分析得出因吹風(fēng)感引起的不滿意率計(jì)算公式:

式(1)表明,PD指標(biāo)與湍流度和風(fēng)速波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差直接相關(guān),而風(fēng)速波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差又可以反映出整個(gè)周期內(nèi)風(fēng)速的波動(dòng)程度,如果風(fēng)速波動(dòng)與PM V指標(biāo)的波動(dòng)一致的話,則可以用 PD指標(biāo)來反映整個(gè)周期內(nèi)熱舒適性的動(dòng)態(tài)變化。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 PM V指標(biāo)

人體不同部位對(duì)熱舒適的敏感度是不同的,而且人在不同姿態(tài)時(shí)敏感部位高度也是不同的,在進(jìn)行熱舒適實(shí)驗(yàn)時(shí),受試者通常是處在坐姿狀態(tài),所以本文模擬分析的高度設(shè)為1.1 m。另外,為了對(duì)整個(gè)周期內(nèi)熱舒適性的變化進(jìn)行分析,將模擬時(shí)間設(shè)為5 s。在風(fēng)速變化頻率 f=0.3 Hz的條件下,不同時(shí)刻的 PM V值分布如圖2所示從圖2中可以看出,隨著時(shí)間的變化,PM V值的大小及分布情況也在變化,這表明室內(nèi)熱舒適性(人體的熱感覺)確實(shí)是呈動(dòng)態(tài)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(gè)周期內(nèi)的變化趨勢(shì),本文選取模型內(nèi)的一個(gè)點(diǎn) P(5,1.1,1)作為分析對(duì)象。點(diǎn) P在不同風(fēng)速變化頻率下的PMV值變動(dòng)如圖3所示。從圖3中可以看出,在假定室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度等條件不變時(shí),PM V值的變化類似于周期性變化,并且隨著風(fēng)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(shí)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(fēng)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(biāo)

上述分析表明 PM V指標(biāo)的波動(dòng)與風(fēng)速波動(dòng)具有一致性,而 PD指標(biāo)與風(fēng)速波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差又直接相關(guān),因此用 PD指標(biāo)來反映整個(gè)周期內(nèi)熱舒適性的動(dòng)態(tài)變化是合理的。

在進(jìn)行熱舒適實(shí)驗(yàn)研究或現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí),實(shí)驗(yàn)對(duì)象(人)通常是按要求分布于一定的實(shí)驗(yàn)空間范圍內(nèi)。在對(duì)熱舒適性進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),可以用模型中的分析點(diǎn)來代替實(shí)驗(yàn)對(duì)象。數(shù)值模擬的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于分析點(diǎn)的數(shù)量可以按照需要設(shè)定,而實(shí)驗(yàn)研究中實(shí)驗(yàn)對(duì)象的數(shù)量往往受到限制。由于距離進(jìn)風(fēng)口遠(yuǎn)端處的風(fēng)速較小且相差不大,所以分析點(diǎn)盡量設(shè)置在靠近進(jìn)風(fēng)口的位置。點(diǎn)的數(shù)量和相互之間的距離對(duì)模擬結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生一定的影響,根據(jù)人體工程學(xué),成人兩肩之間的寬度約為60 cm,考慮到距離太近的分析點(diǎn),其模擬結(jié)果相差不大,因此將分析點(diǎn)間距設(shè)為1 m。從圖2中可以看出,熱舒適性受影響較大的區(qū)域大概集中在4.5 m×5 m平面范圍內(nèi),因此將分析點(diǎn)的數(shù)量設(shè)為20個(gè),點(diǎn)的具體分布如圖4所示,其中點(diǎn)1的坐標(biāo)為(4,1.1,1),點(diǎn)1上方依次為點(diǎn)2～點(diǎn)5,點(diǎn)1左邊依次為點(diǎn)6、點(diǎn)11和點(diǎn)16。

圖4 分析點(diǎn)的分布Fig.4 Distribution of analysis points

研究表明,對(duì)房間氣流的舒適性可以采用總測(cè)點(diǎn)中不滿意點(diǎn)數(shù)量所占比例來進(jìn)行評(píng)價(jià),不滿意點(diǎn)數(shù)量所占比例低于15%時(shí)即為滿意的熱舒適狀況[2]。本文首先通過分析得到這20個(gè)點(diǎn)在3種頻率工況下的 PD值,某一點(diǎn)的 PD>10%時(shí)即為不滿意點(diǎn),然后統(tǒng)計(jì)在每一種工況下不滿意點(diǎn)數(shù)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(fēng)速樣本來模擬正弦變化氣流,模擬時(shí)間為5 s,風(fēng)速樣本數(shù)為50,即每隔0.1 s風(fēng)速變化一次。計(jì)算得到3種風(fēng)速變化頻率下各個(gè)分析點(diǎn)的 PD值,經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)(見圖5),3種風(fēng)速變化頻率下 20個(gè)點(diǎn)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(shí),20個(gè)分析點(diǎn)中至少有16個(gè)點(diǎn)的 PD值比其他兩種頻率下對(duì)應(yīng)點(diǎn)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(fēng)速。為了對(duì)此進(jìn)一步驗(yàn)證,本文將風(fēng)速增加到0.4 m/s后,采用同樣的方法進(jìn)行分析比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有20個(gè)分析點(diǎn)的 PD值均比其他兩種頻率下對(duì)應(yīng)點(diǎn)的PD值要小(見圖6),因此可以推斷,人們確實(shí)更傾向于以0.3 Hz周期性變化的風(fēng)速,而且有風(fēng)速越大、傾向性越大的趨勢(shì)。人們比較喜歡自然風(fēng),而自然風(fēng)大多處于低頻區(qū),這與本文研究結(jié)論也是相吻合的。

圖5 風(fēng)速為0.3 m/s時(shí)不同風(fēng)速變化頻率下分析點(diǎn)的PD值Fig.5 PD valuesof analysis pointsunder different frequencies(v=0.3 m/s)

圖6 風(fēng)速為0.4 m/s時(shí)不同風(fēng)速變化頻率下分析點(diǎn)的PD值Fig.6 PD valuesof analysis pointsunder different frequencies(v=0.4 m/s)

3 結(jié)論

(1)在室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度等條件不變時(shí),隨著風(fēng)速的正弦周期性變化,PM V值也呈現(xiàn)出類似的波動(dòng)趨勢(shì)。

(2)在0.3、0.4、0.5 Hz這3種風(fēng)速變化頻率中,人們對(duì)以0.3 Hz周期性變化的風(fēng)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(yùn)動(dòng)及其與熱舒適關(guān)系研究的進(jìn)展與評(píng)述[J].暖通空調(diào),1999,29(4):27-30.

[3] 夏一哉,趙榮義.等溫條件下氣流運(yùn)動(dòng)的選擇頻率[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2001,41(6):92-94.

[4] Fanger PO,Pedersen C J K.Discomfo rt due to air velocities in spaces[C]//Proceedingsof the Meeting of Commission B1,B2,E1 of the International Institute Refrigeration.Paris,1977,4:289-296.

[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.

[7] 賈慶賢,趙榮義.風(fēng)速頻譜對(duì)人體熱舒適性的影響[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2001,41(6):89-91.

[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(zé)任編輯 尚 晶]

2010-06-21

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(08JCYBJC13300).

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