摘要：本文針對(duì)健身房這種人體處于高代謝率條件，且同一開闊空間中存在不同細(xì)分區(qū)域，各區(qū)域間存在代謝率差異的情況，研究氣流組織對(duì)不同空間、不同代謝率下人體舒適度的影響，利用CFD軟件對(duì)杭州某健身房?jī)?nèi)的空調(diào)夏季送風(fēng)工況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，通過分別調(diào)節(jié)各區(qū)域空調(diào)的送風(fēng)溫度、角度、速度，探究了上述變量對(duì)各區(qū)域健身房用戶的熱舒適性及空調(diào)能量利用率的影響規(guī)律，并基于所得結(jié)果對(duì)各不同區(qū)域空調(diào)送風(fēng)工況分別進(jìn)行綜合優(yōu)化，最終獲取室內(nèi)熱舒適性、空調(diào)能量利用率相對(duì)均比較高的控制方案，為夏季健身房的空調(diào)設(shè)定提供參考。
關(guān)鍵詞：健身房；空調(diào)；熱舒適；PMV-PPD；氣流組織；數(shù)值模擬
引言 近年來，隨著生活水平的提升，人們對(duì)于自身健康的關(guān)注度不斷提高，越來越多的人前往健身房進(jìn)行鍛煉，以提高自身的身體素質(zhì)。但是，南方城市夏季氣候炎熱，健身又是一種大量出汗的運(yùn)動(dòng)，健身房室內(nèi)必須開啟空調(diào)來確保舒適。然而，對(duì)大量流汗、高代謝對(duì)人體來說，不合理的室內(nèi)氣流組織不僅可能導(dǎo)致舒適度降低，更會(huì)引發(fā)疾病風(fēng)險(xiǎn)，還可能造成不必要的能源浪費(fèi)。因此，通過合理的氣流組織來在高代謝率情況下獲得更舒適的體驗(yàn)，同時(shí)避免能源浪費(fèi)，對(duì)健身房的空調(diào)控制方案設(shè)計(jì)具有極大的意義。室內(nèi)空間的空調(diào)舒適性問題早已獲得大量關(guān)注。何博與李健健[1]利用CFD模擬對(duì)冬季室內(nèi)送風(fēng)舒適性進(jìn)行了分析，據(jù)此對(duì)導(dǎo)風(fēng)板角度進(jìn)行了優(yōu)化；董玉平等[2]對(duì)一展覽中心進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)使用分層空調(diào)方案能夠滿足高大建筑室內(nèi)的熱舒適性要求，同時(shí)與全空間空調(diào)相比，建筑能耗更低；蘆克龍等[3]對(duì)在開空調(diào)的狀態(tài)下，貨車乘員艙室內(nèi)人體熱舒適性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)分配給前吹面風(fēng)道的風(fēng)量比例對(duì)人體熱舒適性有較大影響，并基于此結(jié)果對(duì)貨車內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)；錢峰[4]從人體熱舒適性與節(jié)能等方面考慮，認(rèn)為對(duì)體育館觀眾席這一高大空間來說，由于室溫較高，人員密集，室內(nèi)需要較大的風(fēng)速以使人體感到舒適；王晶等[5]對(duì)不同空調(diào)安裝位置下的住宅內(nèi)氣流進(jìn)行了數(shù)值模擬，比較各工況下室內(nèi)的溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)以得到人體的熱舒適性，并發(fā)現(xiàn)空調(diào)的送風(fēng)能夠影響到無遮擋物的相鄰區(qū)域；P Aryal等[6]分析圖書館內(nèi)安裝的隔斷對(duì)室內(nèi)人體熱舒適性及建筑能耗的影響，并得出隔斷的安裝可能導(dǎo)致室內(nèi)熱舒適性變差，能耗增加的結(jié)論；朱文兵等[7]分析夏季船艙內(nèi)部的人體熱舒適性，對(duì)空調(diào)艙室內(nèi)的送風(fēng)溫度、速度及空氣相對(duì)濕度進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)相對(duì)濕度固定時(shí)，送風(fēng)速度過高引起的人體舒適性不佳可以通過提高送風(fēng)溫度解決，反之亦然；G Losi等[8]對(duì)半開放式的體育館進(jìn)行了研究，分析在自然通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)的共同作用下，體育館內(nèi)各區(qū)域的熱舒適性，確保在高溫狀態(tài)下場(chǎng)館內(nèi)各區(qū)域仍較舒適。然而，雖然已有大量學(xué)者研究空調(diào)控制方案對(duì)室內(nèi)人體舒適性體驗(yàn)的影響，但大多數(shù)研究均未考慮人體代謝率對(duì)舒適度需求的差異。對(duì)于人體處于高代謝率條件，且同一開闊空間中存在不同細(xì)分區(qū)域，各區(qū)域間存在代謝率差異的情況，仍缺少具體研究和對(duì)應(yīng)的氣流優(yōu)化方案分析。與此同時(shí)，空調(diào)室內(nèi)的人體個(gè)性化需求已經(jīng)日益受到人們的關(guān)注[9-10]。健身房作為用戶需求差異較大的場(chǎng)所，對(duì)室內(nèi)空調(diào)控制進(jìn)行有針對(duì)性的改善具有較大的意義。因此，本論文針對(duì)某健身房及其現(xiàn)存的空調(diào)送風(fēng)條件開展數(shù)值模擬分析，考慮健身房在開闊區(qū)域中不同代謝率特征并存的現(xiàn)象，對(duì)比不同方案所對(duì)應(yīng)的舒適性指標(biāo)，結(jié)合能耗因素分析，為空調(diào)控制提出基于用戶個(gè)性化需求的優(yōu)化方案。1研究概況
1.1 健身房室內(nèi)概況
本文中的研究對(duì)象為杭州某高處送風(fēng)的健身房，建筑總面積382，建筑高度為4.2m。其大致可分為休息區(qū)、舉重區(qū)及健美操區(qū)三個(gè)區(qū)域。健身房室內(nèi)有一長(zhǎng)寬均為1.24m的柱子及六個(gè)長(zhǎng)寬均為0.84m的相同規(guī)格的空調(diào)。空調(diào)送風(fēng)高度為3.2m。室內(nèi)布局尺寸如圖1所示。
該送風(fēng)空調(diào)送風(fēng)口及回風(fēng)口尺寸如圖2所示。
1.2 邊界條件及模擬條件設(shè)置本研究主要針對(duì)健身房空調(diào)夏季工況的優(yōu)化。為簡(jiǎn)化模型，將室內(nèi)低速流動(dòng)的空氣視為不可壓縮流體，同時(shí)，根據(jù)環(huán)境溫度（夏季白天室外平均溫度）設(shè)置健身房與空氣接觸的外壁面溫度條件并考慮墻壁熱阻；其余壁面則忽略其熱交換。根據(jù)2020年浙江統(tǒng)計(jì)年鑒[11]中的數(shù)據(jù)，2019年6、7、8月杭州均溫分別為25.0℃，28.1℃，29.4℃。考慮到晝夜溫差，白天杭州均溫約為33℃。由于空調(diào)送風(fēng)溫度及風(fēng)速均可通過風(fēng)速計(jì)測(cè)量得到，故將空調(diào)送風(fēng)口設(shè)置為速度入口。根據(jù)測(cè)量所得數(shù)據(jù)，原始工況下各區(qū)域空調(diào)送風(fēng)速度均為7.5m/s，送風(fēng)溫度均為297K，送風(fēng)角度均為30°（本文中送風(fēng)角度均指送風(fēng)口處送風(fēng)射流方向與送風(fēng)口所在平面間的夾角）。
綜上所述，整理計(jì)算邊界條件如表1所示。
表1 計(jì)算邊界條件設(shè)置
| 名稱 | 邊界類型 | 取值 |
| 墻壁 地面 天花板 柱面 空調(diào)送風(fēng)口 空調(diào)回風(fēng)口 | 定溫壁面 絕熱壁面 絕熱壁面 絕熱壁面 定溫速度入口 自然出流 | 306K?? 詳見各工況優(yōu)化? |
研究選用Realizable k-ε湍流模型并選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，采用SIMPLE C壓力-速度耦合模型進(jìn)行數(shù)值仿真。在ANSYSFLUENT 19.0中劃分網(wǎng)格并進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析后，最終選用非均勻分布的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格尺度分布范圍約從0.02-0.2m，網(wǎng)格總數(shù)為1037135，表征邊界層網(wǎng)格高度的y+值經(jīng)計(jì)算為63，符合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)網(wǎng)格的需求，每個(gè)算例均得以穩(wěn)定收斂。
2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
2.1 熱舒適指標(biāo)本文所使用的熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)是1972年丹麥的P O Fanger[12]提出的PMV-PPD指標(biāo)。該指標(biāo)為一關(guān)于室溫、風(fēng)速、空氣相對(duì)濕度、平均輻射溫度、人體新陳代謝率與服裝熱阻的函數(shù)，其得到了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO[13]與美國(guó)采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)ASHRAE[14]的認(rèn)證，是目前最具權(quán)威性的熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中，PMV值表征了人體熱感覺，PPD值則表征了人群對(duì)某一區(qū)域的預(yù)測(cè)不滿意百分比。
表2 PMV-PPD指標(biāo)與熱感覺對(duì)照表
| PMV | 熱感覺 | PPD |
| +3 +2 +1 0 -1 -2 -3 | 熱 暖 微暖 適中 微涼 涼 冷 | 100 75 25 5 25 75 100 |
PMV、熱感覺與PPD對(duì)照關(guān)系見表2。隨著PMV值的下降，人體熱感覺由熱變?yōu)槔?，冷感逐漸增強(qiáng)。
PMV-PPD指標(biāo)的計(jì)算公式如下：
按照我國(guó)現(xiàn)行國(guó)標(biāo)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50736-2012》 [17]中的有關(guān)規(guī)定，熱舒適度可以劃分為如下兩個(gè)等級(jí)：
Ι級(jí)：-0.5≤PMV≤0.5且PPD≤10%。
Ⅱ級(jí)：-1≤PMV≤-0.5或0.5≤PMV≤1，且PPD≤27%。
其中，Ι級(jí)對(duì)應(yīng)的人體熱舒適度較好，Ⅱ級(jí)對(duì)應(yīng)的人體熱舒適度一般。本研究中認(rèn)為滿足熱舒適Ⅱ級(jí)要求時(shí)，區(qū)域內(nèi)用戶即感到舒適。
2.2 能量利用率指標(biāo)
由于本文欲得到在使人體感到熱舒適的條件下，能量利用率更高的空調(diào)工況，故引入能量利用系數(shù)公式如下[18]：
顧名思義，隨著能量利用系數(shù)的增大，空調(diào)的能量利用越充分，能量利用率越高。
3 仿真結(jié)果分析
3.1 實(shí)際工況結(jié)果分析與方法驗(yàn)證使用熱線風(fēng)速儀和溫度計(jì)對(duì)健身房的風(fēng)速和溫度情況進(jìn)行測(cè)量。在早上6點(diǎn)未開啟空調(diào)時(shí)，對(duì)室內(nèi)/室外、地面、墻面和窗戶的溫度分別進(jìn)行測(cè)試和記錄，隨后開啟空調(diào)。用熱線風(fēng)速儀測(cè)量空調(diào)出風(fēng)口的出風(fēng)速度與溫度，作為仿真的初始條件和邊界條件。為了減少干擾因素，選擇僅開啟休息區(qū)頂部的空調(diào)出風(fēng)口，然后在休息區(qū)側(cè)面離地1米的高度設(shè)置測(cè)點(diǎn)（圖1），持續(xù)跟蹤該點(diǎn)溫度和風(fēng)速變化，與瞬態(tài)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真分析的準(zhǔn)確性。
圖3 對(duì)比開啟空調(diào)10分鐘時(shí)間，測(cè)點(diǎn)處的溫度變化情況。從圖中可見，隨時(shí)間變化，仿真與測(cè)試的溫度均顯著降低，但均未達(dá)到空調(diào)設(shè)置溫度293K。其中測(cè)試溫度因?yàn)槭芨蓴_因素較多，總體出現(xiàn)一定的波動(dòng)，但變化趨勢(shì)與仿真基本一致，表明本文采用的瞬態(tài)仿真方法基本可靠。隨后根據(jù)中午12點(diǎn)時(shí)健身房的實(shí)際工況進(jìn)行仿真，所得健身房室內(nèi)各區(qū)域，人體活動(dòng)區(qū)（2m以下區(qū)域，下文中提及區(qū)域均指代該范圍內(nèi)區(qū)域）的平均PMV、平均PPD見表3。此時(shí)室內(nèi)空調(diào)能量利用系數(shù)為0.95。由表可知，在健身房室內(nèi)原始工況下，休息區(qū)用戶已經(jīng)感到較為舒適，平均PMV及PPD值可達(dá)到人體熱舒適Ι級(jí)要求，舉重區(qū)與健美操區(qū)的用戶則均認(rèn)為所處區(qū)域較熱，其中，健美操區(qū)的用戶對(duì)所處區(qū)域熱舒適性更不滿意。該結(jié)果與從運(yùn)動(dòng)人群處獲得的意見反饋信息較為一致。
表3 原始工況下各區(qū)域熱舒適度仿真結(jié)果
| 平均PMV | 平均PPD | |
| 休息區(qū) 舉重區(qū) 健美操區(qū) | -0.29 1.22 2.57 | 8.07 36.56 94.64 |
為進(jìn)一步分析健身房用戶在各區(qū)域內(nèi)對(duì)熱環(huán)境的感知情況，選取及z=1.6m（人體頭部所在橫向截面）的典型代表截面，對(duì)室內(nèi)的PMV-PPD值分布進(jìn)行分析。
綜上所述，為滿足各區(qū)域用戶的舒適性要求，各區(qū)域空調(diào)送風(fēng)工況均需進(jìn)行較大優(yōu)化。本文中的研究主要通過調(diào)整送風(fēng)溫度、送風(fēng)速度及送風(fēng)角度三個(gè)變量以達(dá)到優(yōu)化空調(diào)工況的目的。
通過一系列預(yù)仿真，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)溫度的變化對(duì)于室內(nèi)人體熱舒適度的影響最大，故首先考慮改變各區(qū)域空調(diào)的送風(fēng)溫度。通過改變送風(fēng)溫度將人體活動(dòng)區(qū)域（2m以下）內(nèi)平均PMV、PPD值降至接近人體熱舒適要求后，再分別調(diào)整送風(fēng)速度及送風(fēng)角度，探究上述參數(shù)對(duì)于室內(nèi)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及PMV、PPD值分布造成的影響，進(jìn)而得到能夠使在各區(qū)域內(nèi)進(jìn)行活動(dòng)的健身房用戶均感到熱舒適的前提下，空調(diào)能量利用率最大的送風(fēng)工況。
3.2 各區(qū)域空調(diào)送風(fēng)溫度優(yōu)化
為優(yōu)化舉重區(qū)與健美操區(qū)內(nèi)人體舒適度，優(yōu)先考慮不改變送風(fēng)速度（7.5m/s）與送風(fēng)角度（30°），僅降低上述區(qū)域內(nèi)的空調(diào)送風(fēng)溫度。同時(shí)，由于該健身房?jī)?nèi)各相鄰區(qū)域間無墻體阻隔，溫度場(chǎng)會(huì)相互影響，故為防止休息區(qū)內(nèi)健身房用戶受相鄰區(qū)域（健美操區(qū)）空調(diào)送風(fēng)溫度降低的影響感到過冷，適當(dāng)升高休息區(qū)內(nèi)空調(diào)送風(fēng)溫度。該空調(diào)的可調(diào)節(jié)溫度為16℃~32℃，故計(jì)算穩(wěn)定后，各區(qū)域均溫應(yīng)在289K~305K范圍內(nèi)。
綜上所述，經(jīng)過多次調(diào)整，最終得到使人體活動(dòng)區(qū)域（2m以下）內(nèi)平均PMV、PPD值降至接近人體熱舒適級(jí)要求的各區(qū)域空調(diào)送風(fēng)溫度及所得室內(nèi)相關(guān)參數(shù)如表4及圖5所示（由于室內(nèi)速度場(chǎng)未發(fā)生變化，此節(jié)暫不對(duì)速度場(chǎng)進(jìn)行分析）。
表4 各區(qū)域空調(diào)送風(fēng)溫度優(yōu)化結(jié)果
| 工況 | 區(qū)域 | 送風(fēng)溫度K | 平均溫度K | 能量利用系數(shù) |
| 原始 工況 | 休息區(qū) 舉重區(qū) 健美操區(qū) | 297 297 297 | 299.6 299.0 299.0 | 0.95 |
| 溫度 優(yōu)化 | 休息區(qū) 舉重區(qū) 健美操區(qū) | 301 285 285 | 298.8 290.0 291.4 | 0.94 |
由圖表可知，對(duì)各區(qū)域空調(diào)送風(fēng)溫度進(jìn)行優(yōu)化后：1）空調(diào)能量利用率略下降。由于不同區(qū)域送風(fēng)溫度存在差異，且各區(qū)域間均沒有隔斷，空調(diào)制冷效果相互影響，導(dǎo)致能量浪費(fèi)增加，空調(diào)能量利用率下降；2）各區(qū)域平均PMV值普遍降低，冷感均得到加強(qiáng)。舉重區(qū)與健美操區(qū)由于送風(fēng)溫度的下調(diào)，室內(nèi)平均溫度下降，直接導(dǎo)致了冷感的加強(qiáng)。同時(shí)，休息區(qū)送風(fēng)溫度雖然小幅上調(diào)，但受到相鄰區(qū)域送風(fēng)溫度較低的影響，區(qū)域均溫仍較原始工況下降，導(dǎo)致了PMV值降低；3）舉重區(qū)、健美操區(qū)熱舒適性增強(qiáng)，休息區(qū)略下降。受到區(qū)域冷感增強(qiáng)的影響，原本用戶感到較熱的健美操區(qū)、舉重區(qū)兩區(qū)域熱舒適性增強(qiáng)，人群預(yù)測(cè)不滿意百分比降低，原本用戶熱感覺偏冷的休息區(qū)熱舒適性下降，人群預(yù)測(cè)不滿意百分比上升。
3.3 各區(qū)域空調(diào)送風(fēng)角度優(yōu)化
通過對(duì)各區(qū)域送風(fēng)溫度進(jìn)行優(yōu)化，各區(qū)域PMV及PPD已經(jīng)基本降至人體熱舒適要求范圍內(nèi)。為進(jìn)一步提升室內(nèi)熱舒適性，同時(shí)得到更為節(jié)能的空調(diào)工況方案，仍需對(duì)各區(qū)域送風(fēng)角度與送風(fēng)速度進(jìn)行優(yōu)化。
表5 各區(qū)域空調(diào)送風(fēng)角度優(yōu)化結(jié)果
| 送風(fēng)角度 | 區(qū)域 | 平均溫度K | 平均風(fēng)速m/s | 能量利用系數(shù) |
| 15° | 休息區(qū) 舉重區(qū) 健美操區(qū) | 300.8 292.9 294.6 | 0.09 0.10 0.08 | 0.97 |
| 30° | 休息區(qū) 舉重區(qū) 健美操區(qū) | 298.8 290.0 291.4 | 0.14 0.14 0.13 | 0.94 |
| 45° | 休息區(qū) 舉重區(qū) 健美操區(qū) | 299.0 288.2 290.0 | 0.15 0.15 0.14 | 0.84 |
在各區(qū)域送風(fēng)溫度保持優(yōu)化后取值不變的前提下，選取15°、45°兩個(gè)典型送風(fēng)角度與原始工況（30°）進(jìn)行對(duì)比。最終得到不同送風(fēng)角度下，人體活動(dòng)區(qū)域（2m以下）內(nèi)平均溫度、平均風(fēng)速等見表5及圖6。根據(jù)圖表中的數(shù)據(jù)，隨送風(fēng)角度的增大：1）空調(diào)能量利用率變差，送風(fēng)射流對(duì)區(qū)域的影響增加。隨著送風(fēng)角度的增加，送回風(fēng)口短路現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重，被送入室內(nèi)的冷風(fēng)直接從回風(fēng)口被排出的比例增加，導(dǎo)致了能源浪費(fèi)的增加。與此同時(shí)，由于送風(fēng)角度的增大，送風(fēng)射流對(duì)于人體活動(dòng)區(qū)域的影響增大，導(dǎo)致了各區(qū)域平均風(fēng)速的增加與平均溫度的下降（休息區(qū)由于鄰區(qū)送風(fēng)溫度較低，出現(xiàn)了送風(fēng)溫度高于室內(nèi)平均溫度的特殊現(xiàn)象，平均溫度變化規(guī)律無明顯趨勢(shì)）；2）舉重區(qū)與健美操區(qū)冷感增強(qiáng)，舉重區(qū)熱舒適性變差，健美操區(qū)熱舒適性改善。受到均溫下降與區(qū)域平均風(fēng)速增大的雙重影響，舉重區(qū)與健美操區(qū)PMV值均下降。就舉重區(qū)而言，溫度優(yōu)化后該區(qū)域人體熱感覺微涼。冷感的進(jìn)一步增強(qiáng)導(dǎo)致該區(qū)域熱舒適性下降，人群預(yù)測(cè)不滿意百分比上升。就健美操區(qū)而言，由于該區(qū)用戶新陳代謝率較高，溫度優(yōu)化后的PMV值仍遠(yuǎn)高于1，故隨著冷感的增強(qiáng)，區(qū)域熱舒適性得到改善，人群預(yù)測(cè)不滿意百分比下降；3）休息區(qū)15°送風(fēng)時(shí)熱舒適性最佳，30°送風(fēng)時(shí)最差。受到鄰區(qū)低溫射流的影響，休息區(qū)PMV及PPD值變化未呈明顯單調(diào)性。該區(qū)域在15°送風(fēng)時(shí)熱舒適性最佳，30°送風(fēng)時(shí)最差。
3.4 各區(qū)域空調(diào)送風(fēng)速度優(yōu)化
為進(jìn)一步了解空調(diào)送風(fēng)速度對(duì)室內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、熱舒適性及空調(diào)能量利用率造成的影響，尋求健身房室內(nèi)熱舒適性的更優(yōu)解，在各區(qū)域送風(fēng)溫度已優(yōu)化完成，送風(fēng)角度仍為30°的基礎(chǔ)上增大各區(qū)域空調(diào)送風(fēng)速度至10m/s，最終得到不同送風(fēng)速度人體活動(dòng)區(qū)域（2m以下）內(nèi)平均溫度、平均風(fēng)速等見表6與圖9。
表6 各區(qū)域空調(diào)送風(fēng)速度優(yōu)化結(jié)果
| 送風(fēng)速度m/s | 區(qū)域 | 平均溫度K | 平均風(fēng)速m/s | 能量利用系數(shù) |
| 7.5 | 休息區(qū) 舉重區(qū) 健美操區(qū) | 298.8 290.0 291.4 | 0.14 0.14 0.13 | 0.94 |
| 10 | 休息區(qū) 舉重區(qū) 健美操區(qū) | 296.5 290.4 291.3 | 0.20 0.19 0.18 | 0.99 |
根據(jù)圖表中的數(shù)據(jù)，隨著送風(fēng)速度的增大：1）空調(diào)能量利用率改善，送風(fēng)射流對(duì)區(qū)域的影響增加。送風(fēng)速度的增大減輕了空調(diào)的送回風(fēng)口短路現(xiàn)象，減少了能源的浪費(fèi)。與此同時(shí)，送風(fēng)速度的增大使得送風(fēng)射流更容易對(duì)人體活動(dòng)區(qū)域造成影響，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的平均風(fēng)速增加，平均溫度降低；2）各區(qū)域冷感增強(qiáng)。受到區(qū)域均溫下降，平均風(fēng)速上升的影響，各區(qū)域PMV值均呈現(xiàn)不同程度的下降。這導(dǎo)致休息區(qū)及舉重區(qū)內(nèi)的熱舒適性變差，健美操區(qū)熱舒適性了則得到改善。
3.5 綜合優(yōu)化
通過上述對(duì)送風(fēng)溫度、送風(fēng)角度、送風(fēng)速度分別進(jìn)行優(yōu)化后得到的結(jié)果，最終考慮空調(diào)能耗性及室內(nèi)熱舒適性，綜合優(yōu)化健身房室內(nèi)空調(diào)送風(fēng)工況如表7所示，得到人體活動(dòng)區(qū)域（2m以下）內(nèi)平均溫度、平均風(fēng)速等如表8及圖10所示。
表7 綜合優(yōu)化后各區(qū)域空調(diào)送風(fēng)工況
| 區(qū)域 | 送風(fēng)速度m/s | 送風(fēng)溫度K | 送風(fēng)角度 ° |
| 休息區(qū) 舉重區(qū) 健美操區(qū) | 10 10 10 | 301 285 285 | 45 15 45 |
表8 各區(qū)域綜合優(yōu)化結(jié)果
| 工況 | 區(qū)域 | 平均溫度K | 平均風(fēng)速m/s | 能量利用系數(shù) |
| 原始 工況 | 休息區(qū) 舉重區(qū) 健美操區(qū) | 299.6 299.0 299.0 | 0.14 0.14 0.13 | 0.95 |
| 綜合 優(yōu)化 工況 | 休息區(qū) 舉重區(qū) 健美操區(qū) | 299.8 289.5 291.0 | 0.22 0.13 0.20 | 0.87 |
由表7可見，多數(shù)送風(fēng)參數(shù)均選用了室內(nèi)熱舒適性更好的工況，僅部分送風(fēng)參數(shù)考慮到其他因素進(jìn)行了調(diào)整：休息區(qū)及舉重區(qū)送風(fēng)風(fēng)速選用10m/s。該健身房空調(diào)為一高處送風(fēng)空調(diào)，故送風(fēng)速度的改變對(duì)熱舒適性的影響相對(duì)最小，但送風(fēng)速度的增大可以較大程度的提升空調(diào)能量利用率。為了保證空調(diào)的能量利用率，選擇犧牲一部分的用戶熱舒適性。休息區(qū)送風(fēng)角度調(diào)整為與健美操區(qū)一致的45°。由于休息區(qū)與健美操區(qū)兩區(qū)域交界處無隔斷，且兩區(qū)域送風(fēng)溫度相差較大，若兩區(qū)域送風(fēng)角度不同，則角度相對(duì)較大的送風(fēng)射流將從角度較小的送風(fēng)射流下方偷溜進(jìn)角度較小的射流所在區(qū)域，導(dǎo)致該區(qū)域的熱舒適性急劇下降。為防止這種情況出現(xiàn)，將休息區(qū)送風(fēng)角度調(diào)整為45°，以將健美操區(qū)冷風(fēng)盡可能控制在休息區(qū)外。由表8及圖10可見，與原始工況相比，綜合優(yōu)化后室內(nèi)熱舒適性得到了較大的改善，健身房室內(nèi)各區(qū)域進(jìn)行不同代謝率活動(dòng)的用戶均能感到較為舒適。其中，休息區(qū)與舉重區(qū)用戶感到稍冷，健美操區(qū)用戶則感到稍熱。雖然經(jīng)過綜合優(yōu)化后空調(diào)能量利用系數(shù)有所降低，但考慮到熱舒適性的提升，認(rèn)為該下降幅度在可接受范圍內(nèi)。
4 研究結(jié)論本文以杭州某高處送風(fēng)健身房為研究對(duì)象。通過數(shù)值模擬，得到該健身房原始工況下室內(nèi)各區(qū)域的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)及熱舒適數(shù)據(jù)，并基于所得結(jié)果對(duì)室內(nèi)空調(diào)送風(fēng)工況進(jìn)行了送風(fēng)溫度、送風(fēng)角度及送風(fēng)速度的優(yōu)化。最終得到結(jié)論如下：1）在健身房的開闊空間中，由于各區(qū)域內(nèi)人群的代謝率特征不同，從而對(duì)舒適度有不同需求。原始工況下，當(dāng)休息區(qū)用戶已感到較為舒適時(shí)，舉重區(qū)及健美操區(qū)用戶由于代謝率較大，普遍感到較熱。與此同時(shí)，送風(fēng)射流的影響區(qū)域內(nèi)由于風(fēng)速較大，溫度較低，冷感較強(qiáng)。2）通過對(duì)各區(qū)域空調(diào)送風(fēng)溫度的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)由于休息區(qū)與健美操區(qū)兩相鄰區(qū)域用戶代謝率相差較大，兩區(qū)域交界處存在較大溫差的現(xiàn)象難以避免。若能夠改變?cè)摻∩矸渴覂?nèi)布局，應(yīng)考慮將人體代謝率較接近的活動(dòng)區(qū)域分配在相鄰位置，或在人體代謝率不同的區(qū)域間增設(shè)屏障，以防止兩區(qū)域間不同溫度的氣流相互影響，使環(huán)境熱舒適性變差。3）通過對(duì)各區(qū)域空調(diào)送風(fēng)角度的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)隨送風(fēng)角度增大，送回風(fēng)口處更易發(fā)生短路現(xiàn)象，導(dǎo)致能量利用系數(shù)降低，能源浪費(fèi)增加。且隨著送風(fēng)角度的增大，送風(fēng)射流對(duì)人體活動(dòng)區(qū)域的影響逐漸增大，區(qū)域內(nèi)均溫下降，平均風(fēng)速上升，區(qū)域冷感增強(qiáng)，但熱舒適區(qū)域分布的均勻性變差。在通過調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度即可使室內(nèi)熱舒適性能達(dá)到要求的前提下，選擇15°送風(fēng)工況為最優(yōu)解，當(dāng)調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度已無法滿足室內(nèi)熱舒適要求時(shí)，可選擇45°送風(fēng)工況以提高室內(nèi)平均風(fēng)速，進(jìn)一步降低室內(nèi)均溫以保證用戶在室內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)的熱舒適性。4）通過對(duì)各區(qū)域送風(fēng)速度的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)送風(fēng)速度由7.5m/s增至10m/s后，送回風(fēng)口短路現(xiàn)象被削弱，空調(diào)能量利用系數(shù)得到提升。與此同時(shí)，送風(fēng)射流對(duì)人體活動(dòng)區(qū)域的影響增大。當(dāng)區(qū)域內(nèi)用戶感到較熱，且送風(fēng)溫度已難以進(jìn)一步調(diào)整時(shí)，可通過增大送風(fēng)速度以提升舒適性。該結(jié)論與朱文兵[7]等研究所得的結(jié)果相符。5）最終對(duì)健身房室內(nèi)空調(diào)送風(fēng)工況進(jìn)行綜合優(yōu)化，得到當(dāng)休息區(qū)送風(fēng)溫度為301K，送風(fēng)速度為10m/s，送風(fēng)角度為45°，舉重區(qū)送風(fēng)溫度為285K，送風(fēng)速度為10m/s，送風(fēng)角度為45°，健美操區(qū)送風(fēng)溫度為285K，送風(fēng)速度為10m/s，送風(fēng)角度為15°時(shí)，室內(nèi)各區(qū)域熱舒適性均相對(duì)較好，但與原始工況相比，此時(shí)受到送回風(fēng)口布局位置的限制，空調(diào)能量利用率略下降。
（文章來源?：浙江勘協(xié)建環(huán)與設(shè)備專業(yè)委員會(huì)）
