健身房空调末端的冬季热舒适性研究

健身房空调末端的冬季热舒适性研究
王龙 吕洁 孙厚永
沈阳工业大学建筑与土木工程学院
摘 要： 本文以沈阳市某健身房为研究对象， 对健身房分别采用风机盘管加新风和置换通风两种空调末端方式进 行模拟分析， 并从流场的均匀性、 人员的热舒适性等角度对模拟结果进行探讨。

结果表明， 置换通风方式比常规风
机盘管加新风系统的室内温度场和速度场更均匀， 人员活动区域的热舒适性更好， 能够减小吹风感， 更适宜用于 健身会所类建筑。

关键词： 健身房风机盘管 置换通风热舒适性
Study on Thermal Comfort of Air Conditioning Terminal of Gym in Winter
WANG­long,LV­jie,SUN Hou­yong
School of Architecture and Civil Engineering,Shenyang University of Technology
Abstract: Taking a gym in Shenyang city as the research object,CFD software is used to simulate the temperature field and velocity field distribution of gymnasium which applied fan coil plus fresh air ventilation and replacement ventilation. The simulation results are discussed from uniformity of flow field and thermal comfort of personnel.It shows that displacement ventilation mode is more uniform than conventional fan coil unit plus fresh air system,and the thermal comfort of the active area is better.It can reduce the blow feeling and is more suitable for the fitness club buildings.
Keywords: gym,fan coil,displacement ventilation,thermal comfor
收稿日期： 2018­3­5
作者简介： 王龙 （1995~） 男， 硕士研究生； 辽宁省沈阳市沈辽西路111号沈阳工业大学中央校区 （110870）； E­mail:1638243214@
目前，中小型健身房内的空调存在问题较多， 导 致空调常常停开，空调存在的问题主要有吹风感较 强， 室内温度和速度超标， 耗能， 室内空气不良等。

本 文针对由空调末端不同形式导致的前两个主要问题 进行研究， 通过采用CFD 模拟技术对沈阳某健身房展 开冬季热舒适性研究， 由于健身房的层高较高， 选择 风机盘管顶送顶回和置换送风两种空调系统末端形 式进行对比分析。

1 物理模型及划分网格
1.1 物理模型
根据沈阳某健身房的实际建筑尺寸，
并对空调房 间的健身设备、 人体进行一定简化， 建立如图 1~2 所 示的数值模拟物理模型，图中 Y 轴负方向为北方，
健 身房内有5扇窗户和3扇门，
设置3个机械排风口。

按 该健身房运营情况假设房间内部有27人，
其中8人在 做哑铃， 拉力器及握力器的相关健身运动， 5人在做行 体操的健身运动，
8人在做类似动感单车的健身运动， 5人在静坐休息。

人体物理尺寸经过简化处理， 相关尺 寸表格详见表1。

机械排风口半径尺寸为 0.3m 。

当该模型采用常 规的风机盘管空调系统时，
采用上送上回的气流组织 形式。

房间内布置 8 个风机盘管， 送风口尺寸为 0.13m 伊 1.56
m ， 回风口尺寸为 0.17m 伊 1.52m ， 数值模 拟物理模型如图1所示。

当该模型采用置换通风空调
第38 卷第 3 期 2019 年3 月
建 筑 热 能 通 风 空 调
Building Energy &Environment Vol.38No.3 Mar.2019.65~68
文章编号： 1003­0344 （2019） 3­065­4
系统时， 选择5个送风口和5个回风口。

送风从房间下 部的 0.6m 伊 1.0
m 的矩形风口送入。

回风口尺寸为 0.6m 伊 0.6m ， 位于送风口对侧壁面上方， 物理模型如 图2所示。

表1 各个模型几何尺寸
图1 风机盘管的物理模型
图2 置换通风的物理模型
1.2 网格划分及条件假设
对气流组织问题进行数值计算时， 其中重要的一 步是对建立的物理模型进行网格划分， 并确定每个区
域中的节点
[1]。

流动问题数值计算结果最终的精度及 计算过程的效率主要取决于生成的网格和采用的算
法 [2]。

本文对健身房网格的划分采用了非结构体混合
网格， 为提高精度， 在人体热源附近和风口附近做了 网格加密处理，模型一共有 240142 个节点、 1327128 个网格。

模型二共有 283454个节点、 173432个网格。

根据健身房内空气流动的特征对室内空气条件， 作出 以下假设：
1） 房间内气体为粘性、 常温、 低速、 不可压缩理想 气体稳态紊流。

2）
室内气体符合Boussinesq [3] 假设， 流体中的粘性 耗散忽略不计， 除密度外其它物性为常数。

3）
室内气体符合气体状态方程的等压流动。

4）室内空气在房间计算区域的固体壁面边界取
无滑移速度边界。

5）
办公室完全封闭， 不考虑漏风。

6）
考虑各界面辐射影响。

2 数学模型
在雷诺平均模拟法中， 有雷诺应力模型法及涡粘 模型法两大类。

雷诺应力模型法的计算量较大，尚未 达到便于工程应用的阶段。

涡粘模型有零方程模型、 一方程模型、 两方程模型等。

其中， 两方程模型在室内
空气动力学的计算模拟中应用最为广泛，
两方程模型 主要包括标准k-着模型、 RNG k-着模型、 realizable k-着 模型等。

本文在计算室内热流场时，
由于RNG k-着模 型对高应变率及流线弯曲程度较大流动可以处理更
好， 准确性较高 [4]
， 所以本文选取RNG k-着
湍流模型。

3 边界条件设置
3.1 风机盘管边界条件
1）
送风口： 设为 Velocity­Inlet ， 速度为2.48m/s ， 温 度为31益。

2） 回风口： 设为Outflow ， 有8个回风口， 回风比例 均匀， 均为0.125。

3）
排风口： 设Pressure­Outlet 。

4）
壁面条件： 在 Ansys 软件中可以给出第一类和 第二类边界条件，即给出壁面温度或者给出热流密
度。

本文给出了第一类边界条件， 即壁面温度。

由于该 健身房位于建筑顶层， 围护结构均为外墙，
墙体温度取 ­5 益。

门窗的温度均取室外温度­8 益， 近壁面采用标 准壁面函数法处理， 人体温度设为31 益。

3.2 置换通风的边界条件
1）
送风口： 设Velocity­Inlet ， 置换通风位于房间下 方， 相当于人体坐着时的头部高度， 为避免吹风感， 送
风口速度不宜超过 0.5m/s ， 本文通过计算确定送风速 度为0.45m/s ，
温度取28 益。

2） 回风口： 设为Outflow ， 有5个回风口， 回风比例 均与，
均为0.2。

3）
排风口： 设Pressure­Outlet 。

4）
壁面条件： 在 Ansys 软件中可以给出第一类和 第二类边界条件，即给出壁面温度或者给出热流密
度。

本文给出第一类边界条件， 即壁面温度。

由于该健 身房位于建筑顶层， 围护结构均为外墙， 墙体温度取 ­5 益。

门窗的温度均取室外温度­8 益，
近壁面采用标 编号 项目 尺寸/m 数量 1 健身房 1×19.5×7 1 2 窗户 1.5×2 5 3 门 1.2×2 3 4 内墙窗户 3×3 8 5 人­头部 0.3×0.3×0.3 27 6 坐着­身子 0.3×0.4×0.8 13 7 站着­身子 0.3×0.4×1.7 8 8
躺着­身子
0.3×0.4×1.7
6
2019年
建 筑 热 能 通 风 空 调 ·66·
准壁面函数法处理， 人体温度设为31益。

4健身房模拟结果分析及讨论
本文采用的 CFD软件是专门用于暖通空调领域 的， 它调用 Fluent求解器求解， 采用控制容积离散法 对控制方程组进行离散， 对于固体壁面附近的粘性流 体采用壁面函数法进行处理。

4.1风机盘管系统的温度场分布
健身房内人员在健身的时候， 室内温度对科学健 身以及人体健康都十分重要，本文分别选取 x=5m、 x=15m、 x=25m截面温度场分布（沿Y轴正方向的水 平截面） 如图3、 图4、 图5。

图3 风机盘管系统x=5 m温度分布云图
图4 风机盘管系统x=15 m温度分布云图
图5 风机盘管系统x=25 m温度分布云图
由图3、 图4、 图5可以看出， 当采用风机盘管空调 系统时， 由于风口送风速度并不高， 且房间高度高于 一般建筑， 靠近风口下方的温度明显高于远离分口周 围的温度。

房间温度分布横向分层明显不均匀。

在房间垂直方向2m以下区域内，风口下方区域 可以保证在19益左右。

但是由于风口位置较高以及送 风区域的局限性， 使得风口下方区域的周围的温度仅 16益至17益之间，如果人员在该区域活动会有由于 温度偏低而产生不舒适感。

通过图5可以清晰地看到， 仅房间宽度的一半区域的温度都在偏低。

如果人员在 进行健身运动的过程中， 由风口下方区域走向四周活 动时， 会明显感觉室内由高到低的变化过程， 人体舒适 感会受到明显的影响。

即使用风机盘管空调系统时， 房间温度分布不均匀， 只能满足部分人员活动区域的 舒适性要求。

4.2置换通风系统的温度场分布
置换通风是自然对流和强迫对流共同作用的混 合对流湍流流动， 室内温度分层比较明显 [5]。

为了对比 风机盘管加新风系统和置换通风系统对人体周围的 温度影响。

所以，本文对模拟结果截取位置与风机盘 管加新风系统相同， 得到如下图6、 图7、 图8。

图6 置换通风系统x=5 m温度分布云图
图7 置换通风系统x=15 m温度分布云图
由图6、 图7、 图8可以看出， 当采用置换通风系统 时， 新风由底部送进来，
由于送风温度高于室内温度，
王龙等： 健身房空调末端的冬季热舒适性研究
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新风受到热空气浮生力的作用沿底部缓慢向上爬升， 直至送风口。

房间内中部温度比较平缓， 在靠近墙角 位置2m之内亦会形成气流死角。

图8 置换通风系统x=25 m温度分布云图
在房间垂直方向 2m以下区域内， 温度均在 18益以上。

在靠近墙角位置形成的气流死角非人员主 要活动区域， 对人体热舒适影响较小， 所以不予分析。

在人员主要活动区域内，中部温度较高在 22益左右， 中部周围温度大致在20益至21益之间，均满足人体 热舒适性要求。

相比于风机盘管空调系统， 主要活动 区域的最大温差也由3益减少到1益。

即采用置换通 风空调系统时， 温度分布均匀， 可以满足大部分人员 活动区域的热舒适性要求。

4.3风机盘管系统的速度场分布
风速也是室内环境的重要影响因素。

为此， 本文 选择人员躯干中心高度的风速矢量图进行分析。

从图 9可以看到，当采用风机盘管空调系统时， 由于风口下方风速高于四周风速， 在人体躯干中心高 度周围会形成涡流现象， 影响人体舒适性要求， 房间 内速度分布不均匀比较紊乱。

图9 风机盘管系统人员躯干中心高度风速矢量图
从图 10中可以看到，在 2m以下的区域内风速 维持在 0.45m/s以下。

中间区域的风速较高在 0.36m/s至0、 43m/s之间，靠近墙角区域的风速较低 在 0.1m/s以下。

在人员主要活动区域最大风速差为 0.3m/s。

根据供热空调设计手册的规范标准， 在人员活
≦
动区域的空气流速应维持在 0.3m/s，此时人体无明 显的吹风感。

使用该空调系统时，风速不能满足人体 舒适性要求， 对人员有一定的吹风感， 并且速度场波动 较明显。

图10 风机盘管系统Y=10 m袁Z=2 m
处风速沿水平方向变化
4.4置换通风系统的速度场分布
从图11可以看到，当采用置换通风空调系统时， 由于新风受到浮生力作用以及回风口的抽吸作用， 与 周围空气换热的同时缓慢平稳的向上运动。

靠近送风 口的位置风速会较高， 但房间内整体风速均匀。

图11 置换通风系统人员躯干中心高度风速矢量图
图12 置换通风系统Y=10 m袁Z=2 m
处风速沿水平方向变化
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针对置换通风矩形送风口和圆柱形送风筒在工业厂 房内的气流组织特性开展数值模拟， 研究室内温度和 速度分布特点， 数值模拟结果如下：
1） 送风量直接影响室内气流组织的分布。

增大送 风速度可降低房间各平面平均温度，减小温度梯度， 从而减小人体头脚温差。

风量过小使头脚温差超过规 范规定， 人员会产生不舒适感。

2） 圆柱形送风筒在垂直方向存在较大温差， 在热 源附近温度变化大， 温度分层明显。

上部混合区温度 梯度较大， 热源中上部容易形成局部高温， 减慢余热 的排除。

3） 矩形送风口送风速度对平均温差的影响更大， 送风速度与平均温度负线性相关。

头脚温差大， 上部 混合区温度分布均匀。

在远离送回风口厂房中部， 容 易造成热量积累。

4） 矩形送风口除污效率高， 可广泛应用于洁净度 要求高的场所， 圆柱形送风筒初始除污效果快， 污染 物浓度分布均匀， 不存在污染物积累区， 适用于人员 活动范围大的场所。

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从图 12中可以看到，在 2m以下的区域内风速 维持在0.22m/s以下，中间风速由于靠近风口的位置 比墙体周围的风速高一些在 0.18m/s至 0.22m/s之 间， 靠近墙角的风速维持在0.13m/s左右， 在人员主要 活动区域内最大风速差为 0.09m/s。

即使用该空调系 统时， 房间内速度比较均匀， 新风换气均匀， 中部风速 比较平缓， 人员无明显吹风感， 满足人员舒适性要求。

5结论
通过风机盘管系统与置换通风系统的数值模拟 对比分析可得：
1） 健身房采用风机盘管顶送时， 送风垂直射流范 围不能覆盖全部空间， 围护结构附近存在少部分空气 流通不畅区域， 温度场、 速度场分布不均。

2） 健身房采用置换通风时,室内温度呈层状分布， 由下至上温度逐渐降低。

人体周围温度高于别处， 人 员活动区域的温度梯度较小。

室内速度场波动较小， 吹风感小。

能够满足人员舒适要求。

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