供暖模式下寒冷地区住宅建筑冬季室内热舒适性分析

以西南寒冷地区云南省昭通市为例，以PMV–PPD舒适性评价指标为依据，通过现场实测与软件模拟的方式，对冬季室内热舒适性进行分析，模拟、优化并提高冬季住宅室内热舒适性，也为五恒系统在西南寒冷地区的适用性提供依据。

1研究方法

1.1?研究对象

对五恒系统舒适性进行测试，时间为2022年10月25日至27日。以云南省昭通市昭阳区某住宅区某户型为例，选取户型实际面积为99.5?m ² ，层高为3.1?m，该住宅区采用五恒系统供暖。昭通市当日白天平均气温为17.8?℃，最高气温为23?℃，最低气温为9?℃。

1.2?测量方案及仪器

选择路格L92–1+记录仪测量温湿度，用TESTO 425热敏风速仪测试室内空气流速，使用黑球温度计AZ8778测量黑球温度，要求测量一天中各个时间段的数据。

测量温湿度时，测量高度为人体坐姿时距腹部0.5~0.6?m的位置，黑球温度计和热敏风速仪的测点位置为离地1.1?m的桌面。将温湿度记录仪置于客厅沙发、餐厅餐椅、卧式床和飘窗；黑球温度计和热敏风速仪分别置于客厅、餐厅、卧式平面四边形对角线交叉点处。

测量时间为每天上午8∶00至11∶00，温湿度采集频率为5?min/次，并设置记录时间3?h，同时进行黑球温度和空气流速的测量，将黑球温度计和热敏风速仪放在房间对角线的交叉点上，两者的采集频率均为0.5?h/次。

2测量结果分析

2.1?温度分析

在3?h内各房间温度缓慢上升，其中次卧的上升幅度最小，由8?℃逐渐稳步提升至26.9?℃；主卧的温度上升至28.2?℃后达到稳定；客厅温度上升幅度最 大，温度上升至29.4?℃，如图1所示。

图1?各房间温度

各房间产生温差的原因主要是在设计阶段，部分水系统管路的盘管管道长短不同，不同位置盘管密集程度不一样，有些位置的盘管间距较为稀疏，导致供热不均匀，各房间温度不同。另外，天棚辐射水系统的供水立管与次卧的距离最远，管路相对最长，所以产生了一定的温差。

根据GB/T?18883—2022《室内空气质量标准》中规定冬季供暖标准为16~24?℃，使用五恒系统供暖各房间可以达到供暖温度标准，是受天棚辐射水系统的影响，同时门窗密闭性较高，冷空气渗透较少，因此室内温度较高。

2.2?湿度分析

GB/T?18883—2022《室内空气质量标准》中规定冬季室内空气湿度标准为30?%~60?%。测量期间湿度数据呈明显下降的趋势，次卧的湿度从53.1?%下降至36.8?%；主卧的湿度从49.3?%下降至34.6?%后趋于稳定；而客厅湿度降幅最小，从44.7?%下降至32.5?%，如图2所示。

图2?各房间湿度

房间湿度逐渐下降主要是由于采用机械通风的方式换气，新风口将干燥的新风源不断地吹进室内，室内原本的湿度不能满足需求，相对湿度不能维持在较高的水平。

并且受冬季供暖的影响室内温度相对较高，空气中的水分被蒸干，在温度越高的房间内相对湿度会 更低。

2.3?空气流速分析

GB/T?18883—2022《室内空气质量标准》中规定室内空气流速冬季供暖应为0.2?m/s。室内空气流速测试结果显示，次卧房间内的空气流速最低，由0.43?m/s 逐渐稳定在0.81?m/s；主卧的空气流速相对变化不明显，由0.77?m/s升高至0.86?m/s；客厅的空气流速较为平稳，基本保持在0.98?m/s。

这是由于集风箱与各个房间的送风口距离不同，且风管支管的长度和弯头数量存在差异，每条支路的阻力都有差别。房间的空气流速均未达到规定标准，由于送风风速相对较小，且风管管路的弯头较多，则送风过程中的局部阻力较大，最终导致末端风口的风速与预期标准存在一定的差距，如图3所示。

图3?各房间室内空气流速

2.4?平均辐射温度分析

平均辐射温度是指环境四周表面对人体辐射作用的平均温度。人体与围护结构内表面的辐射热交换取决于各表面的温度及人与表面间的相对位置关系。常用于评价热舒适性和计算人体散热量。

通过测量黑球温度的方式进行计算，可间接得到平均辐射温度。 由测试的温度分布结果可知，次卧、主卧以及客厅的平均辐射温度分布都呈现相似的规律。房间的平均辐射温度均低于室内环境温度，其中次卧平均辐射温度的平均值为14.53?℃，最高温度为15.32?℃，最低温度为13.28?℃；主卧平均辐射温度的平均值为14.73?℃，最高温度为15.60?℃，最低温度为13.35℃；客厅的平均辐射温度的平均值为13.70?℃，最高温度为14.14?℃，最低温度为12.91?℃，如图 4所示。

图4?各房间平均辐射温度

3模型建立

3.1?数学模型

为了使计算更加方便，假设模型状态如下。

房间各壁面间传热均匀，且为稳态传热，不考虑太阳辐射热的影响，流场按湍流模式处理。

由于房间内空气流速较低，过程中空气密度变化较小，且符合Boussinesq假设，可将整个室内流场视为三维不可压缩流场。 房间内热源为天棚辐射水系统。

采用k–ε的湍流模型和压力耦合方程组的半隐式方法进行计算，在辐射系统上选择surface to surface的辐射模型，对房间内的温度场和速度场进行求解。质量守恒、动量守恒与能量守恒方程作为模拟运算的基础理论。

建立UDF用户自定义函数，通过对室内人体热舒适度评价指标进行自定义，将预测平均投票数PMV和不满意者百分数PPD的计算公式转换为Fluent软件能够识别的文件并导入进行模 拟计算。

3.2?物理模型

房间尺寸为13.3?m×10.5?m×3.1?m（长×宽×高）且并不规则，分别对应y轴、x轴、z轴。该房屋中窗户均为断桥铝合金和low–e双层中空玻璃的材料，入户门的尺寸为2.05?m×1.17?m（长×宽），客厅玻璃门的尺寸为2.4?m×2.1?m（长×宽），厨房玻璃门的尺寸为2.1?m×1.1?m（长×宽）。

其中厨房面积为6.435?m ² ，餐厅面积为8.32?m ² ，客厅面积为12.8?m ² ，卧室的面积分别为17.015?m ² 、9.875?m ² 、8.68?m ² ，卧室窗户的尺寸均为1.5?m×1.6?m（长×宽）。 房内共有8个出风口，风口大小为0.3?m×0.15?m，由于室内采用机械通风的方式进行换气，故不开启窗户通风。

3.3?网格划分

模型网格数量为221万个，网格质量扭曲度小于0.6。在模拟过程中，将压力、动量、能量、湍流动 能、湍流耗散率和湍流粘度设置为二阶迎风格式。能量参数收敛于10–6，其他参数均收敛于10–3。

3.4?边界条件

本研究以房屋中的8个新风口作为入口边界条件，将房屋内的门窗作为出口边界。通过查阅建筑图纸，研究对象的固体壁面边界条件为内外墙和楼板，均为混凝土构造，边界条件见表1。

表1?边界条件

4模拟结果分析

4.1?室内温度分布图

分别选取xy截面、yz截面和zx截面，用于分析室内温度场的分布情况。

房屋内客厅、厨房、餐厅、书房和次卧的温度基本稳定在23.80?~28.26?℃，在较为舒适的范围内；而客房温度相对较高，温度较低处为靠窗和主卧一侧墙体，温度为28.26?~30.49?℃，客房温度较高的区域位于中部，温度为30.49?~33.56?℃，客房的温度总体较高，超出人体舒适范围；卫生间的温度相对较高，房间内温度均在33.56?℃；主卧内卧室、衣帽间、卫生间的温度不同，卧室内的温度基本保持在24.68?℃，衣帽间的温度处于29.3?℃和32.46?℃，主卧内卫生间的温度较高，达到34.95?℃左右。

沿房屋yz方向分别为厨房和客厅、书房和客卧、次卧和卫生间以及客房的截面、主卧的截面（包括卫生间及衣帽间）。由yz方向截面温度分布可知厨房、客厅、书房、次卧和主卧房间内部的温度均保持在23.80?~29.68?℃；由yz方向截图可知客房室内的最低温度为25.3?℃，最高温度为34.62?℃，客房温度在30?℃以下；卫生间内的温度相差较大，处于27.56?~39.48?℃；主卧内的衣帽间和卫生间内温度较高，温度在28.39?~40.6?℃，超出人体舒适温度范围。

分析zx方向截面温度分布，分别为次卧和书房以及厨房的截面、主卧和客卧以及客厅的截面、主卧内的卫生间和客厅以及卫生间的截面。

由zx方向截面温度分布可知次卧、书房、客厅、主卧房间内温度基本在25.43?~28.35?℃；厨房和客卧温度较高，最低温度达到27.26?℃，最高温度为33.1?℃，zx方向截面，厨房温度比次卧温度更低；卫生间温度为28.5?~32.72?℃；主卧卫生间温度基本为33.5?℃。各个房间整体温度较高，其中卫生间和客房温度最高，超出标准范围，而客厅、书房、次卧和主卧房间内的温度较为舒适，供暖效果最好。

4.2?室内风速分布图

分别选取xy截面、yz截面和zx截面分析室内风速的分布情况。房间内的大部分区域风速在0.1?m/s 以下。其中8个新风口位置的风速较高，主卧新风出口的速度为0.37~0.82?m/s；客厅的新风出口速度为0.32~0.81?m/s；书房与次卧新风出口风速相近，均为0.28~0.69?m/s，与实际测量风速相符。

在yz方向截面分别为厨房和客厅的截面、书房和客厅截面、次卧和卫生间以及客房的截面、主卧截面（包括卫生间及衣帽间）。由yz方向截面风速分布可知客厅和书房内风速最大，风速较高位置为新风出口上方，最高 风速为0.79?m/s，房间最低风速为0.02?m/s；厨房、客房、卫生间和主卧内衣帽间、卫生间风速均在0.05?m/s；次卧与主卧房间风速为0.06~0.36?m/s。

zx方向截面分别为次卧和书房以及厨房的截面、主卧和客卧以及客厅的截面、主卧内的卫生间和客厅以及卫生间的截面。分析可以看出厨房、客卧和卫生间的风速相对较低，低于0.04?m/s；在客厅、主卧、次卧、书房内的风速较高，其中客厅和主卧的风速在各房间中最高为0.04~0.94?m/s，次卧和书房内的风速为0.03~0.58?m/s。

通过对室内风速场的分析，可知各房间的风速均在标准范围内，较合理。

5室内热环境分析

依据PMV模型，通过建立UDF用户自定义函 数，即C语言或者C++函数，可以定义某个条件，例如边界条件、材料属性等，处理个性化的问题。需要自定义室内人体热舒适度评价指标，将预测平均投票数PMV和不满意者百分数PPD的计算公式转换为FLUENT软件可识别文件，导入并进行模拟计算。

模拟室内热舒适性，其中图5为室内PMV云 图，图6为与之对应的PPD云图。模拟中的室内PMV值大部分区域均达到了0.5<pmv<1的Ⅱ级热舒适度范围，仅有较少的区域达到了Ⅰ级热舒适度等级。室内pmv值从通风状态优良区域到通风不佳区域呈现逐渐减小的趋势，室内不舒适区域主要分布在机械通风较差区域。室内通风较差的区域有着内隔墙较多，结构复杂，室内流场分布相对不清晰特点，不利于室内热环境进行换热，制约了热舒适性提高。同时，机械通风较差区域内的ppd值基本在18?％左右，而在通风情况较为良好的位置，ppd值10?％以内。

图5?PMV云图示意

图6?PPD云图示意

6结论

根据试验数据可知，研究对象的室内平均湿度达到30?％，室内温度基本在26?℃以上，可以满足热舒适度要求。通过模拟分析，卫生间的温度明显高于其他房间，在开窗通风的同时安装排风扇也可以使卫生间内的空气与其他房间内的空气进行热交换，以此达到降温的目的。通过PMV–PPD模型分析，采用五恒系统的模式房间大部分区域达到了Ⅱ级热舒适度。