空调房间热舒适性的数值模拟与实验研究

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3.0 牛悦 2025-01-09 9 4 14.64MB 87 页 15积分

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第一章绪论

§1.1 研究背景

随着现代化科学技术的迅猛发展，城市社会化、现代化的程度越来越高，导

致人们大多数时间生活在各种人为的环境气候中。室内环境品质如声、光、热环

境及室内空气品质对人的身心健康、舒适感及工作效率都会产生直接的影响。在

上述诸多影响因素中，热环境和室内空气品质因素对人的影响尤为显著。这一事

实引起了人们对环境条件的重视，室内气候和人体舒适方面的课题日益引起人们

的关注。

人们对居住环境的舒适要求越来越高，给人们创造一个良好的，舒适的室内

环境，是空调设计者所一直追求的。为了获得舒适的热环境，大量的能源被用于

供热空调。如果缺乏对热舒适的正确理解及对建筑热指标的正确使用，往往造成

对建筑过分加热或过分冷却，这样，不仅浪费大量的能源，而且会对环境产生危

害。在建筑室内保持一个良好舒适的环境既有益于人体健康，又能使人体处于最

佳状况，有助于提高工作效率，使人更富创造力。同时将室内舒适条件维持在一

个适宜的水平上，对降低建筑物能耗也具有重大意义。因此，创造舒适的室内环

境气候具有重要的社会意义和经济意义。

热舒适技术的研究，主要是研究热环境系统。除了与建筑学、卫生工程学、

人类工效学有关外，还与传热学、生理学、心理学、生物气象学等很多学科有关，

是一门典型的交叉学科、边缘学科。建筑能耗问题己成为建筑行业发展的中心议

题，其中有相当部分的能源是为了创造现代建筑的室内舒适环境而消耗的。在越

来越强调以人为本的今天，人们对舒适性提出了更高的要求，要求能满足各种环

境条件下更多人群的舒适要求。同时，必须强调节能性。空调技术作为控制建筑

室内环境的重要一环正向着节能化、智能化、人性化、科学化发展。

人们大多数的时间都呆在房间里，而房间空调器的首要任务是为居住者提供

舒适的热环境。因而有必要对使用房间空调器的房间的热环境进行研究。房间空

调一般分为窗式、分体壁拄式、分体立柜式、移动式等。窗式空调室内、外机合

为一体，适用于小而积房间，安装方便，且价格便宜。分体壁挂式空调不受安装

位置限制，易与室内装饰搭配，噪音较小，是近年来在家庭中最为普遍的一种空

调。分体立柜式空调功率大、风力强，适合大而积房间，并可进行多个房间的调

空调房间热舒适性的数值模拟与实验研究

温。变频式空调根据环境温度有效控制压缩机运转(空调不停机)，具有起动迅速、

温控稳定、高效节能，等许多优点，价格比普通空调要高。一拖多空调一台室外

机带动多台室内机，节省室外安装空间，也较安装多台分体机经济，单独工作时

耗电量几乎是一拖一机型的 1.6倍，且噪音极大。另外，若发生局部故障，则所

有机器都将停止运转。移动空调可随意移动，适用于局部制冷，可使用于许多场

合:厨房、客厅、工地、办公室等，噪音相对较大，和窗式空调差不多。如何将空

调系统的舒适性与节能性协调起来，是非常重要和关键的问题。舒适性空调以舒

适为目的，为达到舒适的目的必然要耗费能源，制定合理的舒适性范围、合理的

设计方案会有助于大大节省能源的不合理耗费。在空调的这些领域的研究仍需要

进一步细化、深入，对空调室内热环境的分析研究就显得非常重要。目前，采用

变频技术的壁挂式房间空调器已经成为市场主流，越来越多的家庭使用此种空调，

因此本课题针对采用变频技术的壁挂式空调房间的热特性进行分析，对空调器的

设计、使用提出建议和改进措施。

计算机技术的发展，使采用 CFD 软件对室内热环境进行模拟，成为评价室内

热舒适性的有效手段。正确的预测和评价室内气流组织及温度分布，不仅可以实

现暖通空调系统的优化设计和运行管理，提高室内热舒适性和室内空气品质，而

且对整个系统的节能也具有重要的指导意义。

本课题全面地综述了目前国内外在室内环境热舒适领域的研究现状，介绍了

国际上普遍采用的热舒适标准，并讨论了计算流体动力学(Computational Fluid

Dynamics)在室内气候模拟方面的研究进展。针对壁挂式空调房间，对通风空调房

间室内气流进行了理论分析，运用 CFD 软件建立了三维气流数学模型，紊流模型

及传热模型。对室内气候热舒适进行了理论研究，详细分析了影响室内气候热舒

适的因素。本课题同时搭建了室内热环境与热舒适综合试验室，对壁挂式空调房

间室内气候进行了全面的实验测试及计算机模拟计算，在实验与模拟计算的基础

上全面分析了影响热舒适的因素，提出了改善室内热环境的有效措施，对建筑、

设备系统优化设计及室内气流组织，具有指导意义。出对节约建筑能耗，提高热

舒适性，具有创新及社会经济效益。

§1.2 国内外研究现状

相对应于集中式和半集中空调室内环境研究，家用房间空调室内热环境研究

显得相对缺乏。房间空调越来越普及，但也出现了很多问题，主要表现在房间形

第一章绪论

成明显的温度梯度，热分布不均匀。从而引起能源利用低下、热舒适性较差等问

题。由于房间空调的相关规范和标准大都针对空调器本身，房间的气流组织以及

气象等条件的影响和实际相应产生的问题长期以来未能得的重视，缺乏深入研究。

在实际应用当中，房间空调的选购一般只考虑满足冬季工况，缺乏对其他工

况的温场、速度场分布等的研究，相应的热舒适分析也比较少。西安建筑科技大

学进行了冬季集中供暖房间和空调房间的热环境调查分析[1]；湖南大学环境工程系

曾经就长沙市的几个大型商场的空调热环境做了问卷调查和现场测试[2]；保定市建

筑设计院就北方地区商场室内温度分布不均问题进行了调查分析[3]；有关调查表

明，人们对空调室内热环境的满意率低下。分析找到了一些造成室内热环境满意

率不高的原因，但缺乏系统性的总结与分析。

随着计算机模拟仿真技术的开发应用，CFD 技术发展迅速。CFD 是英文

Computational Fluid Dynamics(计算流体动力学)的简称。它是伴随着计算机技术、

数值计算技术的发展而发展的[4]。简单地说，CFD 相当于“虚拟”地在计算机上做

实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。而其基本原理则是数值求解控制流体

流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟

流体流动情况。可以认为 CFD 是现代模拟仿真技术的一种。CFD 是目前国际上一

个被极为关注的研究领域，是进行“三传”（传热、传质、动量传递)及燃烧、多相

流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于热能动力、航空航天、机械、

土木水利、环境化工等诸多工程领域，暖通空调制冷行业是 CFD 技术应用的重要

领域之一[5] 。1933 年，英国人 Thom 首次用手摇计算机数值求解了二维粘性流

体偏微分方程，

CFD 由此而生。之后短短的 20 多年内，

CFD 技术在暖通空调工程

中的研究和应用进行地如火如荼。如今，CFD 技术逐渐成为广大空调工程师和建

筑师解决分析工程问题的强有力工具。

CFD 是利用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的技术，这其

中涉及流体力学(尤其是湍流力学)、计算方法乃至计算机图形处理等技术。因问题

的不同，CFD 技术也会有所差别，如可压缩气体的亚音速流动、不可压缩气体的

低速流动等。对于暖通空调领域内的流动问题，多为低速流动，流速在 10 m /s 以

下:流体温度或密度变化不大，故可将其看作不可压缩流动，不必考虑可压缩流体

高速流动下的激波等复杂现象。从此角度而言，此应用范围内的 CFD 和数值传热

学NHT( Numerical Heat Transfer)等同。另外，暖通空调领域内的流体流动多为湍

流流动，这又给解决实际问题带来很大的困难。由于湍流现象理论求解至今没有

完全得到解决，目前 HVAC 领域内的一些湍流现象主要依靠湍流半经验理论来解

决[4, 6, 7]。

空调房间热舒适性的数值模拟与实验研究

1974 年，丹麦的 P.V.Nilsen 首次利用计算流体动力学对空气流动问题进行了数

值模拟。通过 CFD 方法可以对通风房间的温度、速度等参数的详细的分布情况进

行预测，通过浓度方程还可以对室内污染物浓度进行计算。采用 CFD 模拟方法可

以得到房间不同位置上的具体参数分布，从而可以对空调房间的气流组织、热舒

适和室内空气品质进行全面的综合评价，近年来各种 CFD 商业软件的发展迅速，

使CFD 方法成为研究室内外微气候的主流方法。西安交通大学就空调房间夏季工

况的气流组织进行了数值模拟[8]。重庆建筑大学姚润明等进行了室内气候模拟及热

舒适研究[9]；清华大学开发的三维流体流动与传热数值计算软件 STACH-3 就此做

了很多尝试[10]，国外相继推出的商用软件 FLUENT, CFX, PHOENICS, STAR-CD 等

大型软件可以模拟房间内速度、温度、湿度等物理量的详细分布情况[11] 。

但CFD 模拟方法在湍流模型、风口模型、热源和辐射模型等方面还存在许多

问题，例如:空调通风房间的空气流动就是由风口射流引起的，射流动量流量和质

量流量对室内空气分布情况有着关键作用。因此建立风口模型(Supply opening

Model)来合理描述房间入流边界条件是准确、快速地模拟室内空气流动的关键;同

时对于 CFD 所求解的描述室内空气湍流输送的非线性偏微分方程组，边界条件对

计算结果的准确性有着极大的影响。但空调工程领域内的室内空气流动数值模拟

的风口入流边界条件是很复杂的。如条缝风口、方型散流器、盘型散流器、百叶

风口等，且送风气流基本为紊动射流。由于出口气流复杂，目前无法对实际工程

应用中最常见的百叶或散流器等进行描述[12]。这大大影响了 CFD 空气流动数值膜

拟在实际空调工程当中的实用性。

针对空调房间的热舒适的评价，主要以热舒适方程及 PMV-PPD 指标研究为

主，运用丹麦技术大学 Fanger 教授创造性地提出了完善的热舒适定义来进行[13]。

清华大学夏一哉等做了空气流动对热舒适影响的实验[14];西安建筑科技大学王怡、

刘加平进行了空调房间冬季室内致适参数的分析与研究[15];天津大学巨永平、马九

贤对气流运动及其与热舒适关系的进展进行了总结与评述[16]。但结合使用空间特

点、功能性特点、人群特点、气流组织特点来对空调房间热舒适规律进行全面评

价的分析还较缺乏，特另是缺乏改进性的优化研究，在工程实际中难以对空调房

间热环境进行改善。

§1.3 课题主要分析和研究内容

课题主要研究如下内容:

第一章绪论

（1）对空调房间热环境特性进行完整系统的测试分析，对不同的空调房间进

行分析，明确空调房间热环境存在的问题及其程度。

（2）结合我国空调室内人们适应性特点，通过对空调房间热舒适性的分析，

总结空调房间热舒适特点，指导空调室内热环境的设计、运行管理。

（3）建立符合房间空调送风工况的湍流模型，运用 CFD 方法模拟室内空调

热环境。以符合工程精度为原则，重点分析人体的活动区域热环境舒适性，给设

计师提供既满足舒适要求又节省能耗的措施和方法。

（4）通过搭建房间环境热舒适实验室，对模拟结果进行对比和分析，验证

分析壁挂式空调器房间的热环境特性。

第二章室内环境热舒适性及其评价指标

空调房间热舒适性的数值模拟与实验研究

热舒适是穿着一定衣服、处于一定活动状态下的人在某一个特定环境中是否

感到舒适的主观判断。在建筑室内保持一个良好舒适的环境既有益于人体健康，

又能使人体处于最佳状况，有助于提高工作效率，使人更富创造力。同时将室内

舒适条件维持在一个适宜的水平上，对降低建筑物能耗也具有重大意义。因此，

创造舒适的室内环境气候具有重要的社会意义和经济意义。

本章将介绍热舒适的影响因素和评价指标，并选择适宜的平价指标建立房间

热环境的评价体系。

§2.1 热舒适定义和影响因素

§2.1.1 热舒适的定义

究竟什么是热舒适?国际上通用的热舒适的定义是 1970 年由美国采暖、制冷

和空气调节工程师学会(ASHARE) [17]给出的:“热舒适是人对环境在心理状态上感

到满意。” 也就是说，热舒适是人对周围热环境感到满意的一种主观感觉。使人

感到舒适的那个条件范围称为热舒适区。热舒适是一种主观感觉，在生理学上，

舒适区的概念是指人体的热调节机能处于最低活动状态时的条件范围。在绝大多

数场合，采用空调的目的在于所建立的热环境尽可能使每一个人都处于舒适状态。

但由于每个人生理上的差异及主观感觉的多样性，即使在相同的室内气候条件下，

也不可能使所有的人同时感到满意。因此专家们做出结论:凡是外部因素使 80%的

人感到满意的那些地方就算达到了舒适。

§2.1.2 影响热舒适的因素

人体的热舒适性受到诸多因素的影响，但主要的因素可分为二类:室内物理因

素，如空气温度、相对湿度、空气流速、平均辐射温度;和个人因素，如衣服热阻

和人体新陈代谢率。

一、物理因素

1.空气温度

房间内空气温度是由房间内的得热、失热、维护结构内表面的温度及通风等

因素构成的热平衡所决定的，它也直接决定人体与周围环境的热平衡。而对于工

程设计者来说，主要任务是使实际温度达到室内设计计算温度，因此，室内空气

温度是关系舒适与节能的重要指标。

2.相对湿度

第二章室内环境热舒适性及其评价指标评

相对湿度是在一定的温度和气压下空气中实际水蒸汽量与饱和水蒸汽量之

比，相对湿度直接或间接地影响人体热舒适度，过高或过低都会引起人体的不良

反应。对于人体来说，相对湿度的升高减少了人体表面的潜热损失，就意味着增

加了人体的热感觉。通常认为应该避免湿度极高或极低的环境条件，因为极端条

件会引起一些副作用，如在高湿度时产生的“潮湿感”，及低湿度时出现的粘膜干

燥现象。

3.平匀辐射温度

人处于室内，室内各物理表面跟人体之间存在辐射热交换。平均辐射温度即

室内与人体辐射换热有影响的各表面温度的平均值，可用黑球温度计测量并换算

求得。辐射温度由于直接影响到皮肤表面的换热，因此会很大程度地影响人体热

舒适性。

4.空气流速

室内空气的流动直接影响皮肤表面与环境的对流换热及皮肤表面水分蒸发，

即皮肤表面的热损失，从而影响人体与环境的换热、皮肤温度和皮肤湿润度.也就

对人体舒适性产生影响。空气流动本身有诸多的因素，如气流速度的大小(速率)、

角度、扰动强度和频率等.空气速度是一个矢量，它由大小(速率)和方向共同决定。

在大部分流体力学中，我们重视的是瞬时或平均的矢量场。但以往的研究表明，

气流的角度对人体的热舒适的影响并不明显。因此，在热舒适评价中，考虑空气

流动对热舒适的影响，常将空气速率用于热评价指标的确立。

气流的方向和大小的改变会提高人体表面的热损失。温暖的身体处于静止的

空气中，身体表面形成较稳定的气流流型。当气流方向对于身体改变较快时，气

流会不断地建立，而又被破坏。此时的热损失比根据平均值计算出的热损失大。

空气的不规律或扰动流动也会引起热损失的显著变化。但是所提高的损失量由于

对气流测量手段不同，难于进行估计。此外，实际中人体各部分所受到的空气流

动速度并不相同，但人体上部所受的空气流动对热舒适起主要影响作用。因此通

常以人体上部的空气流动速度为主。

二、个人因素

1.新陈代谢率

人体进行一定的活动就会在人体内产生热量，因此人体的新陈代谢率直接影

响人体与周围环境的热交换。人体的新陈代谢率受到多种因素的影响，如肌肉活

动强度、环境温度高低、进食后时间长短、神经紧张程度、性别和年龄等。

2 人体服装热阻

在皮肤和人体最外层衣服表面之间的热传递是很复杂的，它包括介于空间内

空调房间热舒适性的数值模拟与实验研究

部的对流和辐射过程，以及通过衣服本身的热传递，因此衣服热阻也是影响人体

热舒适性的重要因素。为方便计算，Gagge 等引入服装热阻的概念用以说明着装人

体通过皮肤向外衣服外层散热的总传热热阻。当人体坐在椅子上或躺在卧榻上时，

有效热阻值要大于站立姿势的热阻值，计算时应对表中数值给予适当的修正。在

一般室内座姿椅子的附加热阻为 0.15clo[18]。

§2.2 人体热反应的数学模型

在人体热反应研究领域，对一定热环境下人体热反应的预测是研究的主要内容

之一。Fanger 教授建立了著名的人体稳态模型，得到普遍应用，模型很好地描述

了人体与周围环境之间的热量交换状况，以及人体的生理调节反应。

Fanger 的热舒适方程[19, 28] 建立了人体与环境的热平衡的数学模型。

人体与环境的热平衡的理论如下：

当长时间停留在某一稳态热环境中，人体通过体温调节机构与周围环境达到

以下平衡

S=M-W-R-C-E (2.1)

其中 S——人体蓄热率，W/ m2 ;

M——人体新陈代谢率，W/m2;

W——人体完成的机械功，W/m2;

R——人体与环境的辐射换热，W/m2;

C——人体与环境的对流换热，W/m2;

E——人体由于呼吸、皮肤表面水分蒸发以及出汗所造成的与环境的潜热

交换，W/m2。

值得说明的是，上式各参量的单位面积是针对人体外表面积而言的，目前采

用的是杜波仪斯表面积，即

275.0425.0

202.0 hhAD

（2.2)

其中

—人体的杜波依斯表面积，

;

w—人体的体重，Kg;

h—人体的身高，m。

尽管采用此表面积与实际的人体表面积存在着偏差，但从热平衡方程式出发，

各式均采用同一计算表面积，系统误差相互抵消，因此完全是合理的。

(一)人体的净得热 H

所谓净得热是指人体通过非传热途径而获得的热量，因此它主要涉及两个变

第二章室内环境热舒适性及其评价指标评

量:新陈代谢率和机械功。

1新陈代谢率

新陈代谢是人体生命活动的基础，在新陈代谢过程中能量被释放出来变成热

和肌肉的有效功，单位时间单位人体表面积体内氧化过程所释放的热能即为新陈

代谢率。人体的能量代谢是与活动强度成正比的，它随着活动状态、人体的差异、

以及周围环境的变化而在一个较大的范围变化。

2人体所作的机械功

机械功的物理意义是力和力作用方向上位移的乘积，而人在从事一般的工作

时，尽量费力，甚至消耗许多能量，但在力的方向上几乎不发生位移，因此做功

几乎为零，所消耗的能量绝大部分转化为体内的发热量。为了方便起见，定义人

的机械效率为:



%100/ MW

(2.3)

前人研究和实测结果表明，即使人在作有效功时，值也是非常低的，最大值

不超过 20%，绝大多数情形



等于零。因此，一般的科研中完全可以认为人体所作

的机械功为零。

(二)人体与环境的换热量

人体散热到周围环境中的热量有两种形式，一种是显热散热(包括导热、对流、

辐射)，另一种是潜热散热，即通过人体皮肤表面和衣服外表面;对流散热约占 40%

左右，而其余的 20%则靠蒸发、呼吸等散失掉。

1人体与环境的辐射换热 R

])273()273[(109.3 448  

mrtclcl ttfR

( 2.4)

其中

——服装面积系数，即着装人体的表面积与裸体人体的表面积之比:

——着装人体外表面平均温度，℃;

mrt

——环境平均辐射温度 ℃。

2人体与环境的对流换热 C

)( aclclc ttfhC 

(2.5)

其中

—人体与周围空气的对流换热系数，W/m2

—人体周围空气温度，℃。

3从皮肤外表面到服装外表面的换热量 K

)155.0()( clcls IttCRK 

( 2.6 )

其中

----人体表面平均皮肤温度，℃;

----服装的基本热阻，℃。

确定衣服热阻最准确的方法是:(I)在加热的人体模型上进行测量;(2)在活动的

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