自然通风条件下热舒适性的模拟分析

闫凤英,王 龙

(1.天津大学建筑学院,天津300072;2.天津大学建筑工程学院,天津300072)

自然通风条件下热舒适性的模拟分析

闫凤英1,2,王 龙2

(1.天津大学建筑学院,天津300072;2.天津大学建筑工程学院,天津300072)

采用基于CFD理论的Airpak软件对自然通风(正弦周期性波动的风速)条件下的热舒适性进行模拟分析,通过预测平均热感觉(PMV)指标和不满意率(PD)指标对热舒适性进行评价,比较人体对低频(0.3、0.4、0.5 Hz)变化风速的满意度。结果表明,在室内温度、相对湿度等条件不变时,PMV值与风速呈现出相同的变化规律,人体对变化频率为0.3 Hz的风速最满意。

热舒适性;自然风;频率;模拟

人们通常会发现自然风比其他方式产生的风要舒服些,而且与在空调环境下相比,人在自然风环境下可以忍受较高的风速。早在20世纪80年代,日本学者研究发现自然风具有1/f紊动特性,并尝试制造能够产生这种波动气流的空调设备[1]。巨永平等[2]发现吹风感的产生不仅与空调房间内的空气温度和平均风速有关,而且与房间内气流的紊动强度及紊动频率有关。夏一哉等[3]发现环境温度和相对湿度对人体选择频率的作用不显著,而在等温条件下气流脉动频率对人体感受气流强度影响显著,试验中还发现超过80%的受试者感觉到热环境比较舒适时的气流脉动频率为0.3～0.5 Hz,气流脉动频率在0.7 Hz以下时,感觉舒适者比例达到95%。Fanger等[4]认为按0.3～0.5 Hz周期性变化的气流容易引起处于冷—中性状态的受试者产生更强的不舒适感。Tanabe[5]研究了空气速度周期性变化(包括正弦变化、随机变化、脉冲、恒定等)产生的效果,结果表明正弦变化气流对人体热舒适性的影响最佳,即正弦变化的气流形式比较接近于自然风。

本文采用基于CFD理论的Airpak软件对以0.3～0.5 Hz周期性波动的正弦变化气流进行数值模拟,并分析热舒适性随风速的动态变化情况以及不同风速变化频率对热舒适性的影响。

1 热舒适性的模拟

1.1 模拟对象

以家庭住房常见户型(如图1所示)的室内热舒适状态为研究对象。在模拟过程中将客厅的窗户作为进风口,其余窗户均打开作为出风口。

图1 研究对象平面图Fig.1 Plane graph of study object

1.2 模拟边界条件的设定

通常认为室内风速为0.15 m/s、温度为26℃时,人体处于热舒适最佳状态,但这是在风速稳定时得出的结论,而且这种稳定的热舒适状况对人的身体健康是不利的。研究表明,当风速波动时,室内风速及温度可以适当提高,因此本文模拟的边界条件设为:室内温度为26℃,相对湿度为60%,平均风速为0.3 m/s,风速变化频率分别为0.3、0.4、0.5 Hz。

1.3 分析指标的选取

本文选用预测平均热感觉(PM V)指标对热舒适性进行评价。1970年Fanger教授采用统计学方法综合分析了近千人在不同热环境下的热感觉,提出热舒适定量评价方程和 PM V热舒适指标[6],这个指标综合考虑了空气温度、湿度、人体新陈代谢等多种因素,是目前对热舒适性进行评价的最常用指标之一。

另外,为了能够对不同风速变化频率下的热舒适性进行评价,还要找到一个能够体现热舒适波动性的参数,根据这个参数的变化来判断最适宜的风速变化频率,这可以从与 PM V值波动相关的因素中去分析。风速波动的标准差反映了其波动的程度[7],Fanger等[8]发现湍流度与气流产生的吹风感关系密切,并通过统计分析得出因吹风感引起的不满意率计算公式:

式(1)表明,PD指标与湍流度和风速波动标准差直接相关,而风速波动标准差又可以反映出整个周期内风速的波动程度,如果风速波动与PM V指标的波动一致的话,则可以用 PD指标来反映整个周期内热舒适性的动态变化。

2 模拟结果与分析

2.1 PM V指标

人体不同部位对热舒适的敏感度是不同的,而且人在不同姿态时敏感部位高度也是不同的,在进行热舒适实验时,受试者通常是处在坐姿状态,所以本文模拟分析的高度设为1.1 m。另外,为了对整个周期内热舒适性的变化进行分析,将模拟时间设为5 s。在风速变化频率 f=0.3 Hz的条件下,不同时刻的 PM V值分布如图2所示从图2中可以看出,随着时间的变化,PM V值的大小及分布情况也在变化,这表明室内热舒适性(人体的热感觉)确实是呈动态变化的,只是这种变化过程比较短暂,人体感觉不是那么明显。

为了确定热舒适性在整个周期内的变化趋势,本文选取模型内的一个点 P(5,1.1,1)作为分析对象。点 P在不同风速变化频率下的PMV值变动如图3所示。从图3中可以看出,在假定室内温度、相对湿度等条件不变时,PM V值的变化类似于周期性变化,并且随着风速变化频率的增大,PM V值的变化频率也在增大。

(c)t=5 s图2 不同时刻的 PMV分布情况(f=0.3 Hz)Fig.2 PMV distribution at different times(f=0.3 Hz)

图3 不同风速变化频率下PMV值的变化Fig.3 Variation of PMV under differen t frequencies

2.2 PD指标

上述分析表明 PM V指标的波动与风速波动具有一致性,而 PD指标与风速波动标准差又直接相关,因此用 PD指标来反映整个周期内热舒适性的动态变化是合理的。

在进行热舒适实验研究或现场调查时,实验对象(人)通常是按要求分布于一定的实验空间范围内。在对热舒适性进行数值模拟时,可以用模型中的分析点来代替实验对象。数值模拟的一个优势在于分析点的数量可以按照需要设定,而实验研究中实验对象的数量往往受到限制。由于距离进风口远端处的风速较小且相差不大,所以分析点尽量设置在靠近进风口的位置。点的数量和相互之间的距离对模拟结果也会产生一定的影响,根据人体工程学,成人两肩之间的宽度约为60 cm,考虑到距离太近的分析点,其模拟结果相差不大,因此将分析点间距设为1 m。从图2中可以看出,热舒适性受影响较大的区域大概集中在4.5 m×5 m平面范围内,因此将分析点的数量设为20个,点的具体分布如图4所示,其中点1的坐标为(4,1.1,1),点1上方依次为点2～点5,点1左边依次为点6、点11和点16。

图4 分析点的分布Fig.4 Distribution of analysis points

研究表明,对房间气流的舒适性可以采用总测点中不满意点数量所占比例来进行评价,不满意点数量所占比例低于15%时即为满意的热舒适状况[2]。本文首先通过分析得到这20个点在3种频率工况下的 PD值,某一点的 PD>10%时即为不满意点,然后统计在每一种工况下不满意点数量所占的比例,比较在哪一种频率下满意率最高。这里采用离散风速样本来模拟正弦变化气流,模拟时间为5 s,风速样本数为50,即每隔0.1 s风速变化一次。计算得到3种风速变化频率下各个分析点的 PD值,经过比较发现(见图5),3种风速变化频率下 20个点的 PD值都小于10%,也就是说这3种工况下的热舒适性都是令人满意的,但是在 f=0.3 Hz时,20个分析点中至少有16个点的 PD值比其他两种频率下对应点的PD值要小,也就是说,80%以上的人更愿意接受变化频率为0.3 Hz的风速。为了对此进一步验证,本文将风速增加到0.4 m/s后,采用同样的方法进行分析比较,结果发现所有20个分析点的 PD值均比其他两种频率下对应点的PD值要小(见图6),因此可以推断,人们确实更倾向于以0.3 Hz周期性变化的风速,而且有风速越大、倾向性越大的趋势。人们比较喜欢自然风,而自然风大多处于低频区,这与本文研究结论也是相吻合的。

图5 风速为0.3 m/s时不同风速变化频率下分析点的PD值Fig.5 PD valuesof analysis pointsunder different frequencies(v=0.3 m/s)

图6 风速为0.4 m/s时不同风速变化频率下分析点的PD值Fig.6 PD valuesof analysis pointsunder different frequencies(v=0.4 m/s)

3 结论

(1)在室内温度、相对湿度等条件不变时,随着风速的正弦周期性变化,PM V值也呈现出类似的波动趋势。

(2)在0.3、0.4、0.5 Hz这3种风速变化频率中,人们对以0.3 Hz周期性变化的风速最满意。

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

[2] 巨永平,马九贤.气流运动及其与热舒适关系研究的进展与评述[J].暖通空调,1999,29(4):27-30.

[3] 夏一哉,赵荣义.等温条件下气流运动的选择频率[J].清华大学学报:自然科学版,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] 贾庆贤,赵荣义.风速频谱对人体热舒适性的影响[J].清华大学学报:自然科学版,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

[责任编辑 尚 晶]

2010-06-21

天津市应用基础研究计划资助项目(08JCYBJC13300).

闫凤英(1967-),女,天津大学副教授.E-mail:yan_fengying@163.com