许伊那 黄璞洁 李艳霞

(华南理工大学建筑设计研究院，广东 广州 510640)

1 概述

门厅、走道、序厅等人员短暂停留的过渡区域空间，为了满足人体从室外进入室内的环境适应性，从节能角度考虑，往往无需按照最大冷负荷来设计空调系统。有很多文章从满足人体舒适性角度，通过调低空调计算冷负荷、减少新风量等手段，达到节能目的[1]。对此类过渡区域大空间的空调室内环境变化，可以通过计算流体力学(CFD)软件进行模拟分析。

CFD通过输入边界条件参数，可以动态模拟流体场、温度场及湿度变化过程。CFD模拟在室外热环境模拟中已经有了成熟的应用[2]，在室内热环境模拟领域也有长足发展[3]。

2 工程概况

本工程位于北回归线以南，属热带季风气候，围护结构主要考虑夏季防热，兼顾冬季保温，空调系统主要以夏季制冷为主。根据该建筑特性、地区特点，在中央空调系统上做了针对性的设计。

图书馆门厅中庭占地面积1 345.8 m2，净高约25 m。鸿业负荷软件计算，该区域空调冷负荷为230 kW。围护结构传热:东玻璃幕墙传热量为50 W/m2，屋顶天窗传热量为200 W/m2,地面传热量30 W/m2；室内空调送风量为40 000 m3/h。该区域属于大空间送风制冷，采用分层空调，送风口位于距地面11 m高度东西两侧墙上，采用球形喷射风口，风口角度垂直向下45°；单层百叶回风口位于2 m高度西侧墙，回风口尺寸500 mm×3 000 mm。

3 模拟计算

本文采用FLUENT模拟软件进行计算。

3.1 建立求解模型

建立模型需要用到“流动控制方程为N-S方程，紊流模型使用RNG k-ε两方程湍流模型，能量方程。采用有限容积法离散计算区域，动量方程在交错网格上求解,近壁区采用壁面函数法考虑墙壁边界条件，使用混合差分格式,速度—压力耦合采用SIMPLE算法[4]。”

3.2 初始条件设置

根据本工程负荷计算结果设置初始条件。送风口送风温度均为290 K(≈17 ℃)，竖直墙面送风口风速为12 m/s，弧形墙面送风口风速为11 m/s；回风口压力为-50 Pa，回风温度与室内拟设定温度一致300 K(≈27 ℃)；屋面考虑辐射传热量为200 W/m2，弧形墙面温差传热为50 W/m2，地面传热为30 W/m2，其他墙面按内墙考虑，假设与室内大空间无热交换。

各种参数设定完成，初始化后设定计算迭代次数，进行模拟计算。

4 计算结果与分析

FLUENT模拟计算收敛，通过创建观察平面能直观展现考察区域的计算结果。考虑室内人员站立高度，主要活动区域为计算域中部2 m以下，分别创建室内1.5 m和2 m高度平面，计算域中轴线剖面和竖直墙面风口中线剖面。观察截面温度场和室内气流分布，并进行分析。

有文章提出“对于大空间建筑的舒适性空调来说,辐射影响有限，相对湿度在较大范围内(30%～70%)变化对人体热舒适影响不明显”[5]。本文借鉴上述说法，玻璃幕墙面积相对于外表面积之比较小，且近玻璃幕墙处人员停留时间较短，忽略辐射不均匀性因素带来的人体不适感。主要从气流与吹风感、垂直方向温差对人体舒适度的影响两方面对空调系统进行评价，给出建议。

4.1 气流与吹风感对人体舒适度的影响

室内1.5 m高度平面温度场云图见图1。由图1可见，室内主要活动区温度在299 K～301 K(26 ℃～28 ℃)之间，符合人体舒适度要求，具有较舒适的温度场，能为使用人员提供优良的室内环境。其中，东部玻璃幕墙附近温度偏高，室温在303 K(30 ℃)左右，最高温度达305 K(32 ℃)，模拟结果符合玻璃幕墙传热的实际情况，但由于该区域属于门厅入口，人员停留时间不长，对室内主要使用区域的人员舒适度影响不大。门厅作为一个联通室内外的区域，室内温度不可太低，否则易造成忽冷忽热的不舒适感，从入口到室内温度逐渐降低，正好符合人体热舒适度的适应性。建议在入口处设置空气幕帘，减少冷空气外泄。

室内1.5 m高度平面气流分布箭图见图2。我国标准规定[6]：二级舒适度指标，冬季室内风速不应大于0.2 m/s，夏季不应大于0.3 m/s。由图2可知，室内中部A点气流速度约为0.6 m/s，可能会出现冷吹风感，而B点风速小于0.1 m/s，人体感觉可能较热。现对室内风速最高点A点与风速最低点B点作气流分析。

人体在空调房间内常见的不满是有吹风感。吹风感是由于室内空气温度和风速(房间湿度和辐射温度假定不变)引起的人体局部地方有冷感，从而导致不舒服的感觉。美国ASHRAE用有效吹风温度来判断是否有吹风感，定义式为：

θ=(tx-tr)-7.8(vx-0.15)。

其中，θ为有效吹风温度，℃；tx,tr分别为室内某地点温度和室内平均温度，℃；vx为室内某地点的风速，m/s。

对于办公环境，当θ在-1.7 ℃～1.1 ℃，vx<0.35 m/s时，大多数人感觉是舒适的，小于下限时有冷吹风感。

对于A点θ计算值为-2.5，人体有冷吹风感；B点θ计算值为2.11，A点、B点处均达不到室内优良气流组织要求，需采取必要措施。建议采用可调节气流喷射角度风口，并相应调整横向喷射角度，使B点附近区域加强通风，A点附近区域流场减弱。

4.2 垂直方向温差对人体舒适度的影响

计算域中轴线剖面温度场云图见图3。由计算结果可知，以送风口作为分界面,将空间在垂直方向分为空调区域和非空调区域，11 m以下空间温度在26 ℃～30 ℃之间，基本满足要求；11 m以上空间由于顶部受太阳辐射较强，温度偏高，但不至于影响室内热舒适感，建议屋面采用传热系数较小的建筑材料，提高屋面热阻，达到隔热效果。

在东侧玻璃幕墙11 m高度，回风口附近的区域形成一个冷气团，温度为25 ℃左右，但下方人员活动区域温度偏高。

二层平台温度偏高，接近30 ℃，建议在二层顶部增加冷空气送风口。

考察室内垂直方向温差对人体舒适度的影响。根据ASHRAE 55—2013[7]舒适标准中夏季的舒适区为：t0=22.5 ℃～25.5 ℃(t0为室内温度)，tdp=16.8 ℃(tdp为露点温度)；夏季平均风速不大于0.20 m/s；大理石地板的垂直空气温差t1.7-t0.1≤1.5 ℃。

对中轴线剖面空间点进行温度数据提取。现以竖直墙面为横坐标0点，将该截面平均分为5段，每段空间间隔7 m，分别提取分界线处距地面0.1 m和1.7 m空间点温度数值，列表如表1所示。

表1 中轴线剖面空间各点温度数据表

根据表1数据列线性图如图4所示。

由图4可知，室内主要使用区域(0 m～28 m横向区域)温度波动很小，温度值在27 ℃～29 ℃之间，有良好的室内温度环境。28 m区域位于冷空气射流背面，气流扰动较小，近玻璃幕墙处温度升高，但不影响室内主要使用区域舒适度。室内中轴线处垂直空气温差t1.7-t0.1<1.5 ℃，符合ASHRAE对室内温度与温差的标准。

5 结语

本文通过CFD技术与HVAC设计的结合，对某图书馆门厅中庭空调夏季工况及对人体舒适度的影响做了分析。室温基本满足人体舒适度要求，室温分布满足人体在过渡区自我调节的舒适度要求，室内主要使用区域温度波动范围较小，温度场分布均匀，垂直方向温差符合要求。但仍存在如下问题：

1)室内主要活动区域出现冷吹风感，一定程度上影响室内人员热舒适感，建议调整风口角度，使气流在室内分布更加均匀。

2)室内上部空间温度较高，屋面附近尤为严重，建议采用传热系数较小的屋面构造。

3)二层平台温度过高，建议在二层顶部增加空调送风口。

本图书馆已投入使用多年，据使用人员反馈，对空调系统夏季空调效果较为满意。说明根据上述建议修改，室内空调环境获得了更优良的效果。