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摘要：随着空调的日益普及，出现了很多“病态建筑”，室内空气质量越来越引起人们的重视。因此，人们希望在规划设计阶段了解室内空气流速，温度，湿度，有害物浓度等的分布，以制定最佳的通风空调方案。现就针对位于天津一新建教工住宅建筑，通过CFD技术模拟热舒适性指标进行评价，设计良好的通风空调方案使教工在入住之后能保证他们有良好的生活质量及室内热舒适性。
关键字：CFD技术 舒适性
中图分类号：TB494 文献标识码：A
1 引言
随着经济发展速度的不断提高，各种有害物质的排放使得地球环境进一步恶化，表现为CO2气体造成全球的气候变暖，臭氧层空洞面积越来越大等，人们在室外逗留时间变短，对室内环境质量的要求不断提高，而住宅作为与人密不可分的场所，更应满足健康、舒适和环境保护等多方面的要求。近年来人们开始认识到改善室内空气品质的重要性和紧迫性，并为改善室内空气品质做了大量的研究。目前，计算机大容量化和高速度化以及计算流体力学(Computational FluidDynamics，简称CFD)的发展，使空调设计中逐步采用CFD 技术来预测气流组织、热舒适性、优化设计方案成为可能。
2 研究对象
本文选取的是天津某地装有户式空调机的教工住宅为研究对象，本住宅为不规则形状，其面积为88.29m2，南外墙开有四扇尺寸为1.4×1.8和一扇尺寸为1.0×1.8的窗，而东外墙开有两扇尺寸为1.0×1.8的窗。室内有家具若干，一个人等，本文选取北墙与西墙位于地面的交点为坐标原点，x方向为西，y为高度方向，z方向为南，具体模型见图1。
图1. 住宅模型
3模拟结果分析
3.1 模拟结果研究的舒适性指标
模拟的结果主要是看人体活动区域内的温度场、速度场、PMV等指标是否符合规范，主要分析人体区域内热舒适。
(1)温度场：对温度梯度的要求是，生活区内距地面0.5～1.8m的范围内温度梯不超过3℃。
(2)速度场：夏季舒适性空调工作区域内的风速不能超过0.3m/s，人才不会有吹风感。
(3) PMV：是Predicted Mean Vote (预测平均评价)的缩写。代表了对同一环境绝大多数人的冷热感觉，因此可用PMV指标预测热环境下人体的热反应。
热感觉 热 暖 微暖 适中 微凉 凉 冷
PMV值 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3
ISO7730对PMV的推荐值： PMV值在-0.5～+0.5之间。
3.2 空调器位置对房间热舒适性影响的研究
本文首先模拟两种空调器的位置对室内热舒适性的影响：方案1空调器位于西墙，客厅与餐厅的中部，坐标位置为：x=0m，z=6m；方案2空调器位于客厅东墙，卧室入口与客厅入口的中间位置，坐标位置为：x=3.63m，z=5m。
3.2.1 南北截面模拟结果分析
本住宅家具分布为客厅靠近西墙有一排沙发，人可以坐在上面活动，所以下面截取两方案各在x=1m处的温度、速度、PMV分布图，来比较两方案空调器布置的优劣。又因为在本论文的家具摆放布置来看，人躺在床上面部位置大约在x=7m处，所以本文还截取了x=7m处的截面通过对温度、PMV的分布图分析来进一步比较两方案的优劣。
（1） x=1m截面处结果分析
图2 方案1在x=1m处温度分布云图
图3 方案2在x=1m处温度分布云图
图4 方案1在x=1m处速度分布云图
图5 方案2在x=1m处速度分布云图
图6 方案1在x=1m处PMV分布云图
图7 方案2在x=1m处PMV分布云图
方案1、2在x=1m处的温度分布云图见图2、图3。由图2可见方案1除了在人腿部有一些热的气流聚集，其他环境的温度分布比较均匀，而且在26℃左右，满足舒适性要求。而方案2在空调器附近形成低温温度滞留现象，在24℃附近，人在这个温度区域内活动会感觉偏冷，不舒服，而且在墙的四周温度明显上升，达到27℃，甚至更高，人在这个环境下生活、活动会感觉到明显的温度分层现象，舒适性明显下降。
方案1、2在x=1m处的速度分布云图见图4、图5。方案1在空调器附近没有形成大的速度涡旋，而且在人体头部及胸部速度较均匀，人体不会感到不同的速度，比较舒适。而方案2在人体的腿部会感到凉风，舒适性下降。
方案1、2在x=1m处的PMV分布云图见图6、图7。由图可见，方案1的大空间PMV基本在-0.155109～0.319039左右，分布比较均匀，而方案2的PMV在空调器附近及墙体周围都有明显的变化，最小值达到-2.03558左右，最远处却能达到0.6附近。
（2）x=7m截面处结果分析
图8 方案1在x=7m处温度分布云图
图9 方案2在x=7m处温度分布云图
图10 方案1在x=7m处速度分布云图
图11 方案2在x=7m处速度分布云图
图12 方案1在x=7m处PMV分布云图
图13 方案2在x=7m处PMV分布云图
方案1、2在x=7m处的温度分布云图见图8、图9。由图可见在卧室床的上方，主卧室的温度都在26℃，满足人体舒适性要求，但从图8与图9的比较可以看出方案1温度分布比较均匀，无明显的温度突增现象，而图9说明方案2靠近墙的周围温度明显有变高趋势。。
方案1、2在x=7m处的速度分布云图见图10、图11。由图11可知，方案1在x=7m处的两卧室的截面速度分布均在0.029408m/s左右，而且比较均匀，无明显的空气滞留与速度突变。而可从图11看出在x=7m处空气速度极不平稳，而且在左边卧室最大风速达到0.141569m/s左右,存在空气滞留现象，人体会有不同的风速感觉，不舒适。
方案1、2在x=7m处的PMV分布云图见图17、图18。由图17可知，相对于方案2来说，在x=7m处PMV较均匀，且在0.0781491～0.183398之间，无明显空气滞留现象。而图18 PMV分布云图极不均匀，最大达到了0.653581，明显超出了人体舒适性PMV范围。
3.2.2 高度截面处模拟结果分析
人体直立呼吸距离一般在y=1.5m左右，本文为了进一步研究室内舒适性，取此距离通过比较两方案气流组织各舒适性指标分布云图，方案1、2比较分析结果如下:
图14方案1在y=1.5m处温度分布云图图15方案2在y=1.5m处温度分布云图
图16方案1在y=1.5m处速度分布云图图17方案2在y=1.5m处速度分布云图
图18方案1在y=1.5m处PMV分布云圖 图19方案2在y=1.5m处PMV分布云图
由图14，图15可见在y=1.5m处，方案1、2客厅的温度大约在25.8750℃左右，满足人体舒适性要求，两卧室的温度大约在26.2500℃，对于室内温度要求26℃,出入不大。但从图14与15的比较可以看出方案2在餐厅墙角处有明显的冷空气滞留现象，在24℃左右，不满足舒适性要求，
由图16可知，方案1在y=1.5m处的两卧室的截面速度分布比较均匀，而方案2在其中一间卧室形成了较大的空气涡旋现象，会使人在同一高度感到风速变化，不舒适，客厅的风速分布都因为空调器风口送冷风出现了风速突变。
由图18可知，方案1相对于方案2的来说，在y=1.5m处PMV较均匀，无明显PMV值变化。而图19 PMV分布云图极不均匀，在餐厅墙角出现了偏小的PMV值，人体会有微冷的感觉。
4 结论
本文主要对装有户式空调机的教工住宅室内环境的研究，采用Airpak软件模拟出三方案不同截面温度场、速度场、PMV、空气龄的分布云图，通过比较得出满足房间热舒适性的方案。本文得出的主要结论如下：
(1).方案1、2研究的是空调安放在不同位置时对房间的热舒适性比较，通过比较，方案1的温度、速度、PMV的云图所呈现的结果都比方案2好。
(2).室内各种家具的摆放及空调器的放置位置会对气流组织及运行效果有很大的影响，可能会形成空气滞留现象，因此，无论在模拟、设计还是运行中，都要仔细考虑，合理地布局。
(3). 模拟验证了Airpak软件在实际工程中的可行性，可见CFD技术成本低、速度快、资料完备等优点在暖通领域的优势，将会更为广泛的在实际中应用，通过模拟得出最优方案来实现所要达到的目的。
关键字：CFD技术 舒适性
中图分类号：TB494 文献标识码：A
1 引言
随着经济发展速度的不断提高，各种有害物质的排放使得地球环境进一步恶化，表现为CO2气体造成全球的气候变暖，臭氧层空洞面积越来越大等，人们在室外逗留时间变短，对室内环境质量的要求不断提高，而住宅作为与人密不可分的场所，更应满足健康、舒适和环境保护等多方面的要求。近年来人们开始认识到改善室内空气品质的重要性和紧迫性，并为改善室内空气品质做了大量的研究。目前，计算机大容量化和高速度化以及计算流体力学(Computational FluidDynamics，简称CFD)的发展，使空调设计中逐步采用CFD 技术来预测气流组织、热舒适性、优化设计方案成为可能。
2 研究对象
本文选取的是天津某地装有户式空调机的教工住宅为研究对象，本住宅为不规则形状，其面积为88.29m2，南外墙开有四扇尺寸为1.4×1.8和一扇尺寸为1.0×1.8的窗，而东外墙开有两扇尺寸为1.0×1.8的窗。室内有家具若干，一个人等，本文选取北墙与西墙位于地面的交点为坐标原点，x方向为西，y为高度方向，z方向为南，具体模型见图1。
图1. 住宅模型
3模拟结果分析
3.1 模拟结果研究的舒适性指标
模拟的结果主要是看人体活动区域内的温度场、速度场、PMV等指标是否符合规范，主要分析人体区域内热舒适。
(1)温度场：对温度梯度的要求是，生活区内距地面0.5～1.8m的范围内温度梯不超过3℃。
(2)速度场：夏季舒适性空调工作区域内的风速不能超过0.3m/s，人才不会有吹风感。
(3) PMV：是Predicted Mean Vote (预测平均评价)的缩写。代表了对同一环境绝大多数人的冷热感觉，因此可用PMV指标预测热环境下人体的热反应。
热感觉 热 暖 微暖 适中 微凉 凉 冷
PMV值 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3
ISO7730对PMV的推荐值： PMV值在-0.5～+0.5之间。
3.2 空调器位置对房间热舒适性影响的研究
本文首先模拟两种空调器的位置对室内热舒适性的影响：方案1空调器位于西墙，客厅与餐厅的中部，坐标位置为：x=0m，z=6m；方案2空调器位于客厅东墙，卧室入口与客厅入口的中间位置，坐标位置为：x=3.63m，z=5m。
3.2.1 南北截面模拟结果分析
本住宅家具分布为客厅靠近西墙有一排沙发，人可以坐在上面活动，所以下面截取两方案各在x=1m处的温度、速度、PMV分布图，来比较两方案空调器布置的优劣。又因为在本论文的家具摆放布置来看，人躺在床上面部位置大约在x=7m处，所以本文还截取了x=7m处的截面通过对温度、PMV的分布图分析来进一步比较两方案的优劣。
（1） x=1m截面处结果分析
图2 方案1在x=1m处温度分布云图
图3 方案2在x=1m处温度分布云图
图4 方案1在x=1m处速度分布云图
图5 方案2在x=1m处速度分布云图
图6 方案1在x=1m处PMV分布云图
图7 方案2在x=1m处PMV分布云图
方案1、2在x=1m处的温度分布云图见图2、图3。由图2可见方案1除了在人腿部有一些热的气流聚集，其他环境的温度分布比较均匀，而且在26℃左右，满足舒适性要求。而方案2在空调器附近形成低温温度滞留现象，在24℃附近，人在这个温度区域内活动会感觉偏冷，不舒服，而且在墙的四周温度明显上升，达到27℃，甚至更高，人在这个环境下生活、活动会感觉到明显的温度分层现象，舒适性明显下降。
方案1、2在x=1m处的速度分布云图见图4、图5。方案1在空调器附近没有形成大的速度涡旋，而且在人体头部及胸部速度较均匀，人体不会感到不同的速度，比较舒适。而方案2在人体的腿部会感到凉风，舒适性下降。
方案1、2在x=1m处的PMV分布云图见图6、图7。由图可见，方案1的大空间PMV基本在-0.155109～0.319039左右，分布比较均匀，而方案2的PMV在空调器附近及墙体周围都有明显的变化，最小值达到-2.03558左右，最远处却能达到0.6附近。
（2）x=7m截面处结果分析
图8 方案1在x=7m处温度分布云图
图9 方案2在x=7m处温度分布云图
图10 方案1在x=7m处速度分布云图
图11 方案2在x=7m处速度分布云图
图12 方案1在x=7m处PMV分布云图
图13 方案2在x=7m处PMV分布云图
方案1、2在x=7m处的温度分布云图见图8、图9。由图可见在卧室床的上方，主卧室的温度都在26℃，满足人体舒适性要求，但从图8与图9的比较可以看出方案1温度分布比较均匀，无明显的温度突增现象，而图9说明方案2靠近墙的周围温度明显有变高趋势。。
方案1、2在x=7m处的速度分布云图见图10、图11。由图11可知，方案1在x=7m处的两卧室的截面速度分布均在0.029408m/s左右，而且比较均匀，无明显的空气滞留与速度突变。而可从图11看出在x=7m处空气速度极不平稳，而且在左边卧室最大风速达到0.141569m/s左右,存在空气滞留现象，人体会有不同的风速感觉，不舒适。
方案1、2在x=7m处的PMV分布云图见图17、图18。由图17可知，相对于方案2来说，在x=7m处PMV较均匀，且在0.0781491～0.183398之间，无明显空气滞留现象。而图18 PMV分布云图极不均匀，最大达到了0.653581，明显超出了人体舒适性PMV范围。
3.2.2 高度截面处模拟结果分析
人体直立呼吸距离一般在y=1.5m左右，本文为了进一步研究室内舒适性，取此距离通过比较两方案气流组织各舒适性指标分布云图，方案1、2比较分析结果如下:
图14方案1在y=1.5m处温度分布云图图15方案2在y=1.5m处温度分布云图
图16方案1在y=1.5m处速度分布云图图17方案2在y=1.5m处速度分布云图
图18方案1在y=1.5m处PMV分布云圖 图19方案2在y=1.5m处PMV分布云图
由图14，图15可见在y=1.5m处，方案1、2客厅的温度大约在25.8750℃左右，满足人体舒适性要求，两卧室的温度大约在26.2500℃，对于室内温度要求26℃,出入不大。但从图14与15的比较可以看出方案2在餐厅墙角处有明显的冷空气滞留现象，在24℃左右，不满足舒适性要求，
由图16可知，方案1在y=1.5m处的两卧室的截面速度分布比较均匀，而方案2在其中一间卧室形成了较大的空气涡旋现象，会使人在同一高度感到风速变化，不舒适，客厅的风速分布都因为空调器风口送冷风出现了风速突变。
由图18可知，方案1相对于方案2的来说，在y=1.5m处PMV较均匀，无明显PMV值变化。而图19 PMV分布云图极不均匀，在餐厅墙角出现了偏小的PMV值，人体会有微冷的感觉。
4 结论
本文主要对装有户式空调机的教工住宅室内环境的研究，采用Airpak软件模拟出三方案不同截面温度场、速度场、PMV、空气龄的分布云图，通过比较得出满足房间热舒适性的方案。本文得出的主要结论如下：
(1).方案1、2研究的是空调安放在不同位置时对房间的热舒适性比较，通过比较，方案1的温度、速度、PMV的云图所呈现的结果都比方案2好。
(2).室内各种家具的摆放及空调器的放置位置会对气流组织及运行效果有很大的影响，可能会形成空气滞留现象，因此，无论在模拟、设计还是运行中，都要仔细考虑，合理地布局。
(3). 模拟验证了Airpak软件在实际工程中的可行性，可见CFD技术成本低、速度快、资料完备等优点在暖通领域的优势，将会更为广泛的在实际中应用，通过模拟得出最优方案来实现所要达到的目的。