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点型个性化空调的冷却效率
Shengwei Zhuaa, *, Daniel Dalgobb, Jelena Srebricbb, Shinsuke Katocc
a华中科技大学建筑与城市规划学院，武汉，湖北，中国
b美国马里兰大学帕克分校机械工程系
c东京大学工业科学研究所，日本东京
文章信息
文章历史：2017年1月25日收到；2017年4月25日收到修改后的表格；2017年5月8日定稿；2017年5月10日在线可用
关键词：点型个性化空调
流体动力学计算
冷却效率
速率
易听到的损失
预计平均注入量
摘要
本研究将SPAC设备的冷却效率（CE）定义为由SPAC引起的人体附加显热排出量与设备冷却能力的比值。冷却效率通过其与平均热感觉指数（∆PMV）的变化之间的定量关系，研究点型个性化空调性能对用户的显热损失（Qs）和热感觉的影响。直径分别为0.08米，0.105米和0.128米的三个圆形喷嘴在空气中喷出的空气射流速率范围从11.8L/s到59.0L/s，吹向坐着或站立穿着0.48clo的人体胸部。这项研究开发了一个经过验证的计算流体动力学模型，结合Fanger的体温调节模型，计算出一个以3 ACH速率通风的房间26℃的显热。 根据结果，脸部的显热，冷却效率和速率与点型个性化空调装置的供气流率（R2gt; 0.96）呈显着正线性相关，与人体平均热感觉指数呈负相关。供气速率等于20％时，冷却效率始终低于0.3，人体平均热感觉指数在-1.0-1.15左右。有趣的是，冷却效率和人体平均热感觉指数对直径为0.105米的喷嘴产生的空气射流的影响最小，与体位无关。总之，虽然SPAC可以通过从较小的喷嘴以较高的空气流量输送空气而导致额外的Q值，但由于气流交换风险，冷却效率和热感觉的改善有限。
第一章 绪论
发达国家的建筑占能源消耗的20％至40％[1]。虽然这种能源消耗的一半是通过加热，通风和空调（HVAC）系统保持舒适的室内环境[2]，但许多用户由于个人热偏好而感到不适。典型的基于行业标准的HVAC系统，例如：美国国家标准协会标准55 [3]或ISO 7730 [4]，为大多数用户提供热舒适性，但不为每个用户提供热舒适性。这些限制引发了许多研究，以探讨个性化空调（PAC）的机会，它允许单独控制基于个人喜好的空气温度，空气流量和个性化空气流动方向[5]。近年来，多篇报告回顾和总结了PAC技术在热舒适性和能源效率方面取得的成就[2,6]。大多数PAC采用点冷却[2]，以在高空气速度下提供局部强制对流，因为人们喜欢在炎热的环境条件下具有较高水平的空气流动[7,8]。使用这种点式个性化空调（SPAC）设备，即使室温为30°C，相对湿度为70％，人们也可以体验热舒适[2,9]。建筑暖通空调能耗以每摄氏度约10％的速度降低[10]，因此通过提高空调建筑的温度设定值，同时为SPAC提供热舒适性，可以显着节能。 现有的研究表明，通过正确设计和使用SPAC，在炎热的气候条件下，暖通空调的总节能量将从4％降至51％[2]。此外，只有当用户在场时，才能操控SPAC设备使之能源使用降低[2]。然而，现有的研究忽视了SPAC设备冷却能力的节能效率，因为它仅考察了SPAC在热舒适性和节能方面的性能。可以想象，给定一个SPAC设备，我们可以通过最大限度地提高冷却能力以达到可接受的热舒适度来进一步提高环境温度设定点。
作为“任务环境通风”，SPAC系统通常在交流电源的固定位置工作，并为居住在相对较小空间且具有轻微活动水平的乘员实现热舒适，例如睡觉的用户[11]，航空旅客[12] ]或者工作者[13,14]。目前，没有一项相关研究提出了有这样可以在不同建筑位置或不同地点的不同人员中随时移动以保持热舒适的SPAC设备。这种“移动”的SPAC设备必须使用电池作为电源。因此，对于“移动”SPAC设备来说，提高其冷却效率非常重要，以确保即使对于活动水平相对较高的用户而言，有限的冷却能力也可以有效地提供充分的冷却。此外，当使用SPAC时，当地气流交换潜在的不适性是一个特别的挑战。通过个性化的空气流向面部区域，当提供整体热舒适性时SPAC有可能导致居住者不舒服[15]。因此，有必要优化SPAC装置的冷却效率以避免吃草不适; 换句话说，SPAC不要求尽可能地最大化其冷却效果，而是需要优化达到适当的冷却效果。
现有研究通过使用SPAC导致的人体热损失增加导致皮肤温度[16,17]或基于人体模型的等效温度的变化来评估SPAC装置的冷却效果[13,18]。关注气温最可能来自主要关注乘员对环境温度的感知的热舒适性研究。然而，当焦点集中在SPAC设备的能源效率时，显然增加的热量损失是最合适的指标，因为它直接显示了SPAC设备的冷却功率可以有效地用于从人体去除热量。另外 ，正如热力学标准[3,4]中给出的，PMV（人体平均热感觉指数）指数根据体内热量产生和环境热损失的平衡来评估热感觉。由于使用SPAC导致的热损失增加，冷却效应是定量测量SPAC装置的能量效率与电容器热感觉之间的相互关系。因此，有必要开发一个指标来评估SPAC的冷却能力实际上能够冷却人体的多少热量，而不只是指在环境中消耗能量。这样的指数应该能够将SPAC装置的冷却能力与来自人体的期望热量损失量以及所需的热感觉变化联系起来，例如， 居住者的人体热感觉指数水平。因此，使用移动SPAC设备时，了解用户周围的微环境和用户的热状态非常重要。计算流体动力学（CFD）和人体温度调节模型的耦合仿真是一种通用的数值工具，能够在使用SPAC时模拟人体周围的微环境[16,19]。与实验方法相比，耦合模拟是一种有效且低成本的方法，可预测虚拟环境中人体与周围环境之间发生的热传递。在耦合模拟中，CFD计算人体热平衡模型的对流传热（CHT），以计算每个身体部位的皮肤温度，从而更新模拟过程中身体表面的CFD热边界条件。
作为开发可为移动乘员提供独立空调的自主“机器人SPAC”的项目的一部分[20,21]，本研究提出了一个新的指标来评估SPAC设备的冷却能力的能源效率以除去人体附加的显热。由于使用SPAC，该指标对PMV级别进行了修改。通过使用这个新的指标，本研究探讨了SPAC设备在固定制冷量为100W的情况下的热效应和能量利用率。此外，本研究考虑了表面不适的可能性，并探讨了SPAC设备的喷嘴尺寸和空气流量对SPAC的热效应和热效率的影响。本研究使用CFD和Fanger的温度调节模型的耦合模拟来计算人体的显热损失和相关的热感觉。为了避免由壁函数引入的CHTC预测误差，这对耦合仿真使用CHT的传统定义来计算人体对流热损失。
第二章 计算方法
2.1 为SPAC，人体模型和室内环境建模
仿真中使用的SPAC器件是一种自主的“机器人SPAC器件”[20,21]，如图1所示。充电电池提供电力，以便在向人体发送冷空气时进行运动。SPAC装置具有100W的固定冷却容量，它从靠近装置底部的开口抽取室内空气，并在靠近顶部的相反侧提供冷却空气。 吸气口比较大，以减少对环境流场的影响。供气喷嘴有三种不同的直径，包括0.08米，0.105米和0.128米。如表1所示，SPAC设备为每个喷嘴提供五种不同的空气流量的空气。 由于SPAC装置的固定冷却能力和进气固定的温度，供应空气的温度随着空气流量而增加。
图1.SPAC装置设计图
在CFD模拟中，人体模型与SPAC设备相对坐或站立，主干水平放置在SPAC设备1 m处。当然，较短的距离应该有利于提高SPAC冷却效果。然而，由于其重量的限制，该设备的高度仅为0.9米。随着距离的缩短，个性化的空气必须在较大的散布角度向上吹，特别是对于站立的人体模型。更大的向上传播角度会使较冷的人化空气越来越快地下降，导致冷却能力的浪费。因此，选择这个距离是为了以适当的散布角度散发个性化的空气。这两种人体模型都可以用来验证耦合模拟方法的实验中使用的热人体模型的形状和大小[18]。 表2显示了人体模型的全部划分，其中颈部的前部和后部分别属于脸部和头部。假设炎热的户外条件，人体模型具有轻的服装绝缘等于0.48克。服装包括胸罩（0.01clo），内裤（0.03clo），长袖衬衫（0.25clo），细长裤（0.15clo），脚踝运动袜（0.02clo）和鞋子（0.02clo）[3]。根据每个身体部位的局部服装来确定热阻，除了头部以外，人体模型在前实验研究中使用假发[22,23]。此外，如表2所示，CHTC和辐射传热系数（RHTC）在实验数据[24]中使用与验证实验中部署的类似的人体模型[18]测量。 特别地，CHTC和RHTC在面部和头部具有相同的值，因为它们代表了热人体模型中的单个身体部分。 此外，与坐姿和站姿模型相关的活动水平分别为1.2％和1.6％[3]。如图2所示，使用Pointwise创建的虚拟房间模型复制了气候室，用于SPAC设备性能的实验研究。房间通过混合方式提供新鲜空气，沿水平方向提供新鲜空气，靠近天花板的侧壁和靠近对面侧墙地板的房间空气。环境通风达到3ACH的空气交换率。人体模型和SPAC设备位于房间中间。 当使用SPAC时，空气向人体传播，其具有相对较大的传热表面积并通过衣服绝缘保护免受不舒服的感觉。在每个房间模型中，完整的模拟空间由大约110万个四面体空间单元和0.1亿个三角形面网格组成。 网格系统的品质高低比小于4.2，等边偏斜度小于0.8。
2.2 CFD和Fanger的温度调节方法的耦合
CFD模拟采用了重整化群（RNG）k-3模型[25]，该模型在雷诺平均Navier-Stokes方程（RANS）模型中被发现具有最好和最稳定的强制对流和混合对流模拟[26，27]。 具体而言，表3总结了CFD方法。 下面的质量守恒方程，动量，能量，k和3 [28]用有限体积法求解。
Rε代表平均流量失真对湍流的影响，这是RNG模型和Stan-dard k-3模型的主要区别。 如等式 （2）中，Boussinesq假设考虑了人体周围冷却的个性化气流和暖自由对流的浮力。本次调查中的收敛标准使用比例绝对残差之和，除了需要残差低于1times;10-6的能量方程外，所有变量的每个元素都需要低于5times;10-4。此外，我们每次模拟都会监测人体的对流和热传导损失，直到稳定。CFD和人体热力学模型耦合模拟的一般流程可参考计算热人体模型的原始研究[22,23,29]。根据图3，耦合模拟能够频繁更新CFD中人体每个表面网格处的温度边界条件。表4列出了边界条件和等式（6）等量关系 [30]计算新的表面温度，以更新每个体表网格的温度。Hr和Icl在每个身体部分是恒定的，如表1所示，取决于在CFD旁边的表面的第一个网格处的速度。Ta和Tr的值为26℃，与环境空气的温度相同。
例如当人体被自由对流（图4）覆盖时，在模拟中使用的增强壁面处理[28]提高了低 - 雷诺数流在近壁区域的计算精度，而y lt;lt;5 。当运行SPAC时，随着附近高速度（图4（b））的增加，在被高雷诺数流包围的身体树干处大大增加，标准壁功能[31]被认为是近壁处理。由于标准壁函数在y和30-300之间有效，当SPAC装置以高初始速度运行时，表现出错误的CHT值，所以本次调查使用传统的定义而不是基于CFD方法计算CHT 在墙上的功能。
2.3 评估SPAC设备的冷却效率
本研究将SPAC装置的冷却效率（CE）定义为SPAC对其冷却能力引起的人体附加显热损失比率，如下式所示。
Qs.ws.和Qs.ns.分别是运行SPAC和不运行SPAC时人体的总体显热损失。该评估假定来自人体的额外显热损失是SPAC装置的冷却能力的一部分，其直接或间接调节皮肤温度的变化。因此，CE是评估SPAC设备冷却能力的能源效率的合适指标。 根据节能法律，CE不得超过1。而且，CE = 1是理想但不可能的条件，这意味着SPAC设备的所有冷却能力都用于冷却人体。在实际的SPAC部署中，部分SPAC设备的冷却能力在接近人体时通过与室内空气的相互作用不可避免地消散。实际上，这是实现高冷却性能和可接受的热舒适性的折中方案。 因此，在使用SPAC装置时，为了防止吃草不适，重要的是避免由强制对流导致的局部身体部位的过热损失。
2.4 整体热感觉的变化
本研究仅考虑辐射和对流的热损失，忽略了其他潜在的降温机制，如蒸散，传导和呼吸。因此，根据PMV指数[3,4]的定义，通过使用SPAC和以下等式来评估用户整体热感觉的改善是方便的：
如等式 （8）中，∆PMV与SPAC设备的冷却效率呈负相关; 换句话说，如果SPAC设备具有更好的冷却效率以从人体消除额外的显热，它还可以改善居住者在炎热气候下对热感觉的感知。
2.5 评估空气流局部的表面不适
由于暴露在空气流中而引起的局部不适是SPACE用户的主要投诉的问题[32]。因此，当设计和应用SPAC时，局部空气流不适是一个重要问题。 因此，本研究使用Fanger [33]提出的回归方程，在ASHRAE和ISO热舒适标准中采用[3,4]评估了暴露在空气中的局部不适感。
等式（10）用于计算湍流强度，这不是Fluent模拟的副产品。 在这个等式中，空气温度，速度和湍动能是在表面网格旁边的网格层的体积平均值。 因此，DR的结果不可避免地受到CFD仿真精度的影响。
重要的是，正如ASHRAE热标准[3]所认可的那样，人们
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