摘要：本文針對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，研究氣流組織對不同空間、不同代謝率下人體舒適度的影響，利用CFD軟件對杭州某健身房內的空調夏季送風工況進行了數(shù)值模擬分析，通過分別調節(jié)各區(qū)域空調的送風溫度、角度、速度，探究了上述變量對各區(qū)域健身房用戶的熱舒適性及空調能量利用率的影響規(guī)律，并基于所得結果對各不同區(qū)域空調送風工況分別進行綜合優(yōu)化，最終獲取室內熱舒適性、空調能量利用率相對均比較高的控制方案，為夏季健身房的空調設定提供參考。
關鍵詞：健身房；空調；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，人們對于自身健康的關注度不斷提高，越來越多的人前往健身房進行鍛煉，以提高自身的身體素質。但是，南方城市夏季氣候炎熱，健身又是一種大量出汗的運動，健身房室內必須開啟空調來確保舒適。然而，對大量流汗、高代謝對人體來說，不合理的室內氣流組織不僅可能導致舒適度降低，更會引發(fā)疾病風險，還可能造成不必要的能源浪費。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，同時避免能源浪費，對健身房的空調控制方案設計具有極大的意義。室內空間的空調舒適性問題早已獲得大量關注。何博與李健健[1]利用CFD模擬對冬季室內送風舒適性進行了分析，據(jù)此對導風板角度進行了優(yōu)化；董玉平等[2]對一展覽中心進行研究，發(fā)現(xiàn)使用分層空調方案能夠滿足高大建筑室內的熱舒適性要求，同時與全空間空調相比，建筑能耗更低；蘆克龍等[3]對在開空調的狀態(tài)下，貨車乘員艙室內人體熱舒適性進行了分析，發(fā)現(xiàn)分配給前吹面風道的風量比例對人體熱舒適性有較大影響，并基于此結果對貨車內的空調系統(tǒng)進行了相應改進；錢峰[4]從人體熱舒適性與節(jié)能等方面考慮，認為對體育館觀眾席這一高大空間來說，由于室溫較高，人員密集，室內需要較大的風速以使人體感到舒適；王晶等[5]對不同空調安裝位置下的住宅內氣流進行了數(shù)值模擬，比較各工況下室內的溫度場與速度場以得到人體的熱舒適性，并發(fā)現(xiàn)空調的送風能夠影響到無遮擋物的相鄰區(qū)域；P Aryal等[6]分析圖書館內安裝的隔斷對室內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致室內熱舒適性變差，能耗增加的結論；朱文兵等[7]分析夏季船艙內部的人體熱舒適性，對空調艙室內的送風溫度、速度及空氣相對濕度進行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)當相對濕度固定時，送風速度過高引起的人體舒適性不佳可以通過提高送風溫度解決，反之亦然；G Losi等[8]對半開放式的體育館進行了研究，分析在自然通風與空調系統(tǒng)的共同作用下，體育館內各區(qū)域的熱舒適性，確保在高溫狀態(tài)下場館內各區(qū)域仍較舒適。然而，雖然已有大量學者研究空調控制方案對室內人體舒適性體驗的影響，但大多數(shù)研究均未考慮人體代謝率對舒適度需求的差異。對于人體處于高代謝率條件，且同一開闊空間中存在不同細分區(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應的氣流優(yōu)化方案分析。與此同時，空調室內的人體個性化需求已經(jīng)日益受到人們的關注[9-10]。健身房作為用戶需求差異較大的場所，對室內空調控制進行有針對性的改善具有較大的意義。因此，本論文針對某健身房及其現(xiàn)存的空調送風條件開展數(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，對比不同方案所對應的舒適性指標，結合能耗因素分析，為空調控制提出基于用戶個性化需求的優(yōu)化方案。1研究概況
1.1 健身房室內概況
本文中的研究對象為杭州某高處送風的健身房，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)三個區(qū)域。健身房室內有一長寬均為1.24m的柱子及六個長寬均為0.84m的相同規(guī)格的空調。空調送風高度為3.2m。室內布局尺寸如圖1所示。
該送風空調送風口及回風口尺寸如圖2所示。
1.2 邊界條件及模擬條件設置本研究主要針對健身房空調夏季工況的優(yōu)化。為簡化模型，將室內低速流動的空氣視為不可壓縮流體，同時，根據(jù)環(huán)境溫度（夏季白天室外平均溫度）設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℃。由于空調送風溫度及風速均可通過風速計測量得到，故將空調送風口設置為速度入口。根據(jù)測量所得數(shù)據(jù)，原始工況下各區(qū)域空調送風速度均為7.5m/s，送風溫度均為297K，送風角度均為30°（本文中送風角度均指送風口處送風射流方向與送風口所在平面間的夾角）。
綜上所述，整理計算邊界條件如表1所示。
表1 計算邊界條件設置
| 名稱 | 邊界類型 | 取值 |
| 墻壁 地面 天花板 柱面 空調送風口 空調回風口 | 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湍流模型并選擇標準壁面函數(shù)，采用SIMPLE C壓力-速度耦合模型進行數(shù)值仿真。在ANSYSFLUENT 19.0中劃分網(wǎng)格并進行網(wǎng)格無關性分析后，最終選用非均勻分布的結構化網(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)計算為63，符合標準壁面函數(shù)對網(wǎng)格的需求，每個算例均得以穩(wěn)定收斂。
2 評價標準
2.1 熱舒適指標本文所使用的熱環(huán)境評價指標是1972年丹麥的P O Fanger[12]提出的PMV-PPD指標。該指標為一關于室溫、風速、空氣相對濕度、平均輻射溫度、人體新陳代謝率與服裝熱阻的函數(shù)，其得到了國際標準化組織ISO[13]與美國采暖、制冷與空調工程師學會ASHRAE[14]的認證，是目前最具權威性的熱環(huán)境評價指標。其中，PMV值表征了人體熱感覺，PPD值則表征了人群對某一區(qū)域的預測不滿意百分比。
表2 PMV-PPD指標與熱感覺對照表
| 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對照關系見表2。隨著PMV值的下降，人體熱感覺由熱變?yōu)槔?，冷感逐漸增強。
PMV-PPD指標的計算公式如下：
按照我國現(xiàn)行國標《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范GB50736-2012》 [17]中的有關規(guī)定，熱舒適度可以劃分為如下兩個等級：
Ι級：-0.5≤PMV≤0.5且PPD≤10%。
Ⅱ級：-1≤PMV≤-0.5或0.5≤PMV≤1，且PPD≤27%。
其中，Ι級對應的人體熱舒適度較好，Ⅱ級對應的人體熱舒適度一般。本研究中認為滿足熱舒適Ⅱ級要求時，區(qū)域內用戶即感到舒適。
2.2 能量利用率指標
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，空調的能量利用越充分，能量利用率越高。
3 仿真結果分析
3.1 實際工況結果分析與方法驗證使用熱線風速儀和溫度計對健身房的風速和溫度情況進行測量。在早上6點未開啟空調時，對室內/室外、地面、墻面和窗戶的溫度分別進行測試和記錄，隨后開啟空調。用熱線風速儀測量空調出風口的出風速度與溫度，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)頂部的空調出風口，然后在休息區(qū)側面離地1米的高度設置測點（圖1），持續(xù)跟蹤該點溫度和風速變化，與瞬態(tài)仿真結果進行對比，驗證仿真分析的準確性。
圖3 對比開啟空調10分鐘時間，測點處的溫度變化情況。從圖中可見，隨時間變化，仿真與測試的溫度均顯著降低，但均未達到空調設置溫度293K。其中測試溫度因為受干擾因素較多，總體出現(xiàn)一定的波動，但變化趨勢與仿真基本一致，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點時健身房的實際工況進行仿真，所得健身房室內各區(qū)域，人體活動區(qū)（2m以下區(qū)域，下文中提及區(qū)域均指代該范圍內區(qū)域）的平均PMV、平均PPD見表3。此時室內空調能量利用系數(shù)為0.95。由表可知，在健身房室內原始工況下，休息區(qū)用戶已經(jīng)感到較為舒適，平均PMV及PPD值可達到人體熱舒適Ι級要求，舉重區(qū)與健美操區(qū)的用戶則均認為所處區(qū)域較熱，其中，健美操區(qū)的用戶對所處區(qū)域熱舒適性更不滿意。該結果與從運動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 |
為進一步分析健身房用戶在各區(qū)域內對熱環(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，對室內的PMV-PPD值分布進行分析。
綜上所述，為滿足各區(qū)域用戶的舒適性要求，各區(qū)域空調送風工況均需進行較大優(yōu)化。本文中的研究主要通過調整送風溫度、送風速度及送風角度三個變量以達到優(yōu)化空調工況的目的。
通過一系列預仿真，發(fā)現(xiàn)室內溫度的變化對于室內人體熱舒適度的影響最大，故首先考慮改變各區(qū)域空調的送風溫度。通過改變送風溫度將人體活動區(qū)域（2m以下）內平均PMV、PPD值降至接近人體熱舒適要求后，再分別調整送風速度及送風角度，探究上述參數(shù)對于室內速度場、溫度場及PMV、PPD值分布造成的影響，進而得到能夠使在各區(qū)域內進行活動的健身房用戶均感到熱舒適的前提下，空調能量利用率最大的送風工況。
3.2 各區(qū)域空調送風溫度優(yōu)化
為優(yōu)化舉重區(qū)與健美操區(qū)內人體舒適度，優(yōu)先考慮不改變送風速度（7.5m/s）與送風角度（30°），僅降低上述區(qū)域內的空調送風溫度。同時，由于該健身房內各相鄰區(qū)域間無墻體阻隔，溫度場會相互影響，故為防止休息區(qū)內健身房用戶受相鄰區(qū)域（健美操區(qū)）空調送風溫度降低的影響感到過冷，適當升高休息區(qū)內空調送風溫度。該空調的可調節(jié)溫度為16℃~32℃，故計算穩(wěn)定后，各區(qū)域均溫應在289K~305K范圍內。
綜上所述，經(jīng)過多次調整，最終得到使人體活動區(qū)域（2m以下）內平均PMV、PPD值降至接近人體熱舒適級要求的各區(qū)域空調送風溫度及所得室內相關參數(shù)如表4及圖5所示（由于室內速度場未發(fā)生變化，此節(jié)暫不對速度場進行分析）。
表4 各區(qū)域空調送風溫度優(yōu)化結果
| 工況 | 區(qū)域 | 送風溫度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，對各區(qū)域空調送風溫度進行優(yōu)化后：1）空調能量利用率略下降。由于不同區(qū)域送風溫度存在差異，且各區(qū)域間均沒有隔斷，空調制冷效果相互影響，導致能量浪費增加，空調能量利用率下降；2）各區(qū)域平均PMV值普遍降低，冷感均得到加強。舉重區(qū)與健美操區(qū)由于送風溫度的下調，室內平均溫度下降，直接導致了冷感的加強。同時，休息區(qū)送風溫度雖然小幅上調，但受到相鄰區(qū)域送風溫度較低的影響，區(qū)域均溫仍較原始工況下降，導致了PMV值降低；3）舉重區(qū)、健美操區(qū)熱舒適性增強，休息區(qū)略下降。受到區(qū)域冷感增強的影響，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，人群預測不滿意百分比降低，原本用戶熱感覺偏冷的休息區(qū)熱舒適性下降，人群預測不滿意百分比上升。
3.3 各區(qū)域空調送風角度優(yōu)化
通過對各區(qū)域送風溫度進行優(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。為進一步提升室內熱舒適性，同時得到更為節(jié)能的空調工況方案，仍需對各區(qū)域送風角度與送風速度進行優(yōu)化。
表5 各區(qū)域空調送風角度優(yōu)化結果
| 送風角度 | 區(qū)域 | 平均溫度K | 平均風速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)域送風溫度保持優(yōu)化后取值不變的前提下，選取15°、45°兩個典型送風角度與原始工況（30°）進行對比。最終得到不同送風角度下，人體活動區(qū)域（2m以下）內平均溫度、平均風速等見表5及圖6。根據(jù)圖表中的數(shù)據(jù)，隨送風角度的增大：1）空調能量利用率變差，送風射流對區(qū)域的影響增加。隨著送風角度的增加，送回風口短路現(xiàn)象逐漸嚴重，被送入室內的冷風直接從回風口被排出的比例增加，導致了能源浪費的增加。與此同時，由于送風角度的增大，送風射流對于人體活動區(qū)域的影響增大，導致了各區(qū)域平均風速的增加與平均溫度的下降（休息區(qū)由于鄰區(qū)送風溫度較低，出現(xiàn)了送風溫度高于室內平均溫度的特殊現(xiàn)象，平均溫度變化規(guī)律無明顯趨勢）；2）舉重區(qū)與健美操區(qū)冷感增強，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。冷感的進一步增強導致該區(qū)域熱舒適性下降，人群預測不滿意百分比上升。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值仍遠高于1，故隨著冷感的增強，區(qū)域熱舒適性得到改善，人群預測不滿意百分比下降；3）休息區(qū)15°送風時熱舒適性最佳，30°送風時最差。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性。該區(qū)域在15°送風時熱舒適性最佳，30°送風時最差。
3.4 各區(qū)域空調送風速度優(yōu)化
為進一步了解空調送風速度對室內流場、溫度場、熱舒適性及空調能量利用率造成的影響，尋求健身房室內熱舒適性的更優(yōu)解，在各區(qū)域送風溫度已優(yōu)化完成，送風角度仍為30°的基礎上增大各區(qū)域空調送風速度至10m/s，最終得到不同送風速度人體活動區(qū)域（2m以下）內平均溫度、平均風速等見表6與圖9。
表6 各區(qū)域空調送風速度優(yōu)化結果
| 送風速度m/s | 區(qū)域 | 平均溫度K | 平均風速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)，隨著送風速度的增大：1）空調能量利用率改善，送風射流對區(qū)域的影響增加。送風速度的增大減輕了空調的送回風口短路現(xiàn)象，減少了能源的浪費。與此同時，送風速度的增大使得送風射流更容易對人體活動區(qū)域造成影響，導致區(qū)域內的平均風速增加，平均溫度降低；2）各區(qū)域冷感增強。受到區(qū)域均溫下降，平均風速上升的影響，各區(qū)域PMV值均呈現(xiàn)不同程度的下降。這導致休息區(qū)及舉重區(qū)內的熱舒適性變差，健美操區(qū)熱舒適性了則得到改善。
3.5 綜合優(yōu)化
通過上述對送風溫度、送風角度、送風速度分別進行優(yōu)化后得到的結果，最終考慮空調能耗性及室內熱舒適性，綜合優(yōu)化健身房室內空調送風工況如表7所示，得到人體活動區(qū)域（2m以下）內平均溫度、平均風速等如表8及圖10所示。
表7 綜合優(yōu)化后各區(qū)域空調送風工況
| 區(qū)域 | 送風速度m/s | 送風溫度K | 送風角度 ° |
| 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)化結果
| 工況 | 區(qū)域 | 平均溫度K | 平均風速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)送風參數(shù)均選用了室內熱舒適性更好的工況，僅部分送風參數(shù)考慮到其他因素進行了調整：休息區(qū)及舉重區(qū)送風風速選用10m/s。該健身房空調為一高處送風空調，故送風速度的改變對熱舒適性的影響相對最小，但送風速度的增大可以較大程度的提升空調能量利用率。為了保證空調的能量利用率，選擇犧牲一部分的用戶熱舒適性。休息區(qū)送風角度調整為與健美操區(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)域送風溫度相差較大，若兩區(qū)域送風角度不同，則角度相對較大的送風射流將從角度較小的送風射流下方偷溜進角度較小的射流所在區(qū)域，導致該區(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)送風角度調整為45°，以將健美操區(qū)冷風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)化后室內熱舒適性得到了較大的改善，健身房室內各區(qū)域進行不同代謝率活動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)化后空調能量利用系數(shù)有所降低，但考慮到熱舒適性的提升，認為該下降幅度在可接受范圍內。
4 研究結論本文以杭州某高處送風健身房為研究對象。通過數(shù)值模擬，得到該健身房原始工況下室內各區(qū)域的溫度場、速度場及熱舒適數(shù)據(jù)，并基于所得結果對室內空調送風工況進行了送風溫度、送風角度及送風速度的優(yōu)化。最終得到結論如下：1）在健身房的開闊空間中，由于各區(qū)域內人群的代謝率特征不同，從而對舒適度有不同需求。原始工況下，當休息區(qū)用戶已感到較為舒適時，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，送風射流的影響區(qū)域內由于風速較大，溫度較低，冷感較強。2）通過對各區(qū)域空調送風溫度的優(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。若能夠改變該健身房室內布局，應考慮將人體代謝率較接近的活動區(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）通過對各區(qū)域空調送風角度的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)隨送風角度增大，送回風口處更易發(fā)生短路現(xiàn)象，導致能量利用系數(shù)降低，能源浪費增加。且隨著送風角度的增大，送風射流對人體活動區(qū)域的影響逐漸增大，區(qū)域內均溫下降，平均風速上升，區(qū)域冷感增強，但熱舒適區(qū)域分布的均勻性變差。在通過調節(jié)送風溫度即可使室內熱舒適性能達到要求的前提下，選擇15°送風工況為最優(yōu)解，當調節(jié)送風溫度已無法滿足室內熱舒適要求時，可選擇45°送風工況以提高室內平均風速，進一步降低室內均溫以保證用戶在室內運動時的熱舒適性。4）通過對各區(qū)域送風速度的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)送風速度由7.5m/s增至10m/s后，送回風口短路現(xiàn)象被削弱，空調能量利用系數(shù)得到提升。與此同時，送風射流對人體活動區(qū)域的影響增大。當區(qū)域內用戶感到較熱，且送風溫度已難以進一步調整時，可通過增大送風速度以提升舒適性。該結論與朱文兵[7]等研究所得的結果相符。5）最終對健身房室內空調送風工況進行綜合優(yōu)化，得到當休息區(qū)送風溫度為301K，送風速度為10m/s，送風角度為45°，舉重區(qū)送風溫度為285K，送風速度為10m/s，送風角度為45°，健美操區(qū)送風溫度為285K，送風速度為10m/s，送風角度為15°時，室內各區(qū)域熱舒適性均相對較好，但與原始工況相比，此時受到送回風口布局位置的限制，空調能量利用率略下降。
（文章來源?：浙江勘協(xié)建環(huán)與設備專業(yè)委員會）
