寒冷地區大窗墻比住宅熱舒適性數值模擬分析

侯昱晟，劉維，劉滪

（1.中國建筑設計研究院有限公司，北京 100044；2.融創中國北京公司，北京 100102）

1 引言

隨著人們生活品質的提高，幕墻等大窗墻比立面設計不僅運用到公共建筑中，還逐漸出現在住宅建筑內。雖然住宅建筑采用較大的窗墻相比外圍護結構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熱負荷，人員在室內的熱舒適性下降，較為嚴重地影響室內人員休息。外圍護結構住宅建筑采用較大的窗體面積同樣會增加室內熱負荷，增加采暖系統能耗。此外，外圍護結構住宅建筑內人員衣著較單薄，且處于靜坐的時間較長。較大窗墻比的外圍護結構的住宅建筑內部，人員對室內溫度及平均熱輻射溫度較敏感。

為了研究寒冷地區大窗墻比外圍護結構住宅建筑內人員的舒適性，以北京某住宅的典型戶型為研究目標，采用數值模擬方法對其內部北向客房及南向臥室進行建模。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結構房間對室內溫度場、流場以及人員預測分析均值投票數（Predicted Mean Vote，PMV）的影響。對大窗墻比住宅建筑內人員熱舒適度的研究與分析，對住宅建筑外圍護窗墻比設計、室內布置及暖通系統的設置具有指導意義。

2 國內外發展現狀

隨著經濟科技的進步，人們對居所的要求由簡單的遮風擋雨，逐漸向健康、舒適、良好的視域等更高的目標邁進。相應地，國內外學者對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象周圍客觀環境因素有關，還與其自身的主觀感覺有關。這就導致由于人們個體的差異，每個人對相同的室內環境的舒適程度判斷存在較大的差別。

1962 年，Macpherson[1]將室內空氣溫度、濕度、風速、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行研究分析。Fanger[2]等人通過數學方法列出了熱舒適方程，定義了PMV 和預后不滿百分比（Prognosis Percentage Dissatisfaction，PPD）等指標作為對人體熱舒適研究的特征指標，意味著同一環境中大部分人的熱冷感覺的均值。PMVPPD 熱舒適實體模型是人體特異性免疫最開始的數學分析模型，該實體模型明確提出的指標值表達了大部分人對熱環境的主觀平均評價，其有7 級，即冷（-3）、涼（-2）、稍涼（-1）、中性化（0）、稍暖（1）、暖（2）、熱（3）。PMV=0 時代表房間內熱環境為最好熱舒適情況。同時兼顧了人員主觀因素及客觀環境因素。曠金玉[3]等學者針對玻璃幕墻外圍護結構的辦公室內空調氣流組織，采用數值模擬方法對室內環境進行模擬研究，對不同送風速度下室內溫度分布進行分析，發現1.5 m/s 的風速下可有效阻止熱量通過幕墻傳遞到室外。黃華明[4]等學者采用SIMPLEST 算法對珠三角地區某商場進行風速、溫度、室內人員PMV 及PPD 的研究，對不同工況下人員熱舒適度進行綜合分析與研究，在兼顧人員熱舒適因素的前提下，對商場內溫度和風速合理的設計取值區間進行研究分析。目前存在的問題如下：

1）在穩定熱環境中，大量研究針對大窗墻比下的公共建筑內部人體的熱舒適度進行分析，但對于寒冷地區住宅建筑大窗墻比的工況下住宅室內人員熱舒適性的相關研究較少。

2）在研究穩定熱環境中，大多研究對人體所產生的影響以及出現人熱舒適性降低的問題多從圍護結構及室外環境入手，而結合暖通低溫輻射采暖系統進行分析的較少，對末端空調系統方案設計選擇缺乏指導。

3）有關采用室內輻射供暖系統大窗墻比住宅建筑內人員舒適度分析的研究較少。

3 CFD 模型的建立及數值分析方法

3.1 數值分析方法

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

住宅建筑內考慮采用地輻射采暖，人員考慮為靜止站立狀態，空間內沒有設置機械通風裝置，僅存在因空氣密度不同產生的空氣對流，空氣流速較為緩慢，接近于層流。輻射面板與周圍圍護結構及人體產生輻射換熱，空氣與人體、圍護結構及輻射板存在對流換熱。考慮到模型具有上述特點，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流體傳熱以及穩定流工況。

3.2 物理模型的建立及邊界條件的設定

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

模型的樓板及圍護結構非透明部分采用混凝土材料，透明窗體材質為玻璃。玻璃的發射率E=0.25，玻璃內表面溫度邊界條件T=12.1 ℃。根據墻體熱工規范要求最小傳熱允許溫差為2 ℃，室內墻壁溫度邊界條件T=18 ℃（室內溫度20 ℃考慮）。地采暖地面為大理石鋪裝，發射率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 ℃。網格采用均勻的正方形網格，對2 個模型進行劃分，網格尺寸為0.2 m。

3.3 工況設置

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

4 模擬結果及分析

4.1 工況一：客廳北、東兩面玻璃幕墻外圍護結構

1）溫度場。客廳垂直方向Z=0.5 m 高度，東北角區域平均溫度約為22.6 ℃；Z=1.5 m 高度，平均溫度為23.1 ℃，房間靠近地面區域溫度較房間垂直方向上部區域空氣平均溫度低。靠近幕墻周邊區域的空氣由于溫度低，冷空氣下沉，進入室內被地暖加熱后成為熱空氣，上浮形成對流，導致房間內區空氣垂直方向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 個區域溫度差＜1 ℃。此外，玻璃幕墻附近區域最低平均溫度為19 ℃，見圖1 和圖2。

圖1 客廳Y 軸溫度場云圖

圖2 客廳Z 軸溫度場云圖

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

圖3 客廳Y 軸速度場云圖

3）PMV。客廳內垂直方向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 高度房間區域內人體所處位置PMV=-0.48，平均值為-0.5。但靠近幕墻區域冷空氣下沉，熱空氣上浮形成的對流，使得1.5 m高度環境的熱舒適性優于0.5 m 高度的熱舒適性，見圖4 和圖5。

圖4 客廳Y 軸PMV 結果云圖

圖5 客廳Z 軸PMV 結果云圖

4.2 工況二：南向臥室南向外圍護結構

1）溫度場。室內平均溫度約25 ℃，人員腿部附近溫度24 ℃，1 m 以上區域溫度達到26 ℃左右。

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

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期停留的室內舒適度較雙面玻璃幕墻工況下室內舒適度更高，平均PMV 為-0.14。

5 結語

大窗墻比住宅建筑典型戶型工況，北向有2 面外圍護結構客廳，Z=0.5 m 高度靠近東北角區域平均溫度約為22.6 ℃；Z=1.5 m 高度房間區域內溫度平均為23.1 ℃，Z=0.5 m 高度靠近東北角區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，南向單面外圍護結構臥室，室內平均溫度約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。

北向客廳由于設置2 面外圍護結構，導致室內人員熱舒適度較低，人員感覺微涼。根據模擬結果，人員長期停留區域應避開幕墻2 m 范圍內熱舒適性較低的區間。住宅建筑應避免2 面幕墻同時出現在人員長期停留房間，建議大窗墻比房間僅設置1 面外圍護結構。低溫輻射地暖的設置應重點考慮距離大窗墻比圍護結構2 m 范圍內的區域，應對該區域加熱構件進行加密敷設或采取合理的措施提高地面溫度。