健身房高代谢率下的空调舒适性研究与送风优化

摘要：本文针对健身房这种人体处于高代谢率条件，且同一开阔空间中存在不同细分区域，各区域间存在代谢率差异的情况，研究气流组织对不同空间、不同代谢率下人体舒适度的影响，利用CFD软件对杭州某健身房内的空调夏季送风工况进行了数值模拟分析，通过分别调节各区域空调的送风温度、角度、速度，探究了上述变量对各区域健身房用户的热舒适性及空调能量利用率的影响规律，并基于所得结果对各不同区域空调送风工况分别进行综合优化，最终获取室内热舒适性、空调能量利用率相对均比较高的控制方案，为夏季健身房的空调设定提供参考。

关键词：健身房；空调；热舒适；PMV-PPD；气流组织；数值模拟

引言近年来，随着生活水平的提升，人们对于自身健康的关注度不断提高，越来越多的人前往健身房进行锻炼，以提高自身的身体素质。但是，南方城市夏季气候炎热，健身又是一种大量出汗的运动，健身房室内必须开启空调来确保舒适。然而，对大量流汗、高代谢对人体来说，不合理的室内气流组织不仅可能导致舒适度降低，更会引发疾病风险，还可能造成不必要的能源浪费。因此，通过合理的气流组织来在高代谢率情况下获得更舒适的体验，同时避免能源浪费，对健身房的空调控制方案设计具有极大的意义。室内空间的空调舒适性问题早已获得大量关注。何博与李健健^[1]利用CFD模拟对冬季室内送风舒适性进行了分析，据此对导风板角度进行了优化；董玉平等^[2]对一展览中心进行研究，发现使用分层空调方案能够满足高大建筑室内的热舒适性要求，同时与全空间空调相比，建筑能耗更低；芦克龙等^[3]对在开空调的状态下，货车乘员舱室内人体热舒适性进行了分析，发现分配给前吹面风道的风量比例对人体热舒适性有较大影响，并基于此结果对货车内的空调系统进行了相应改进；钱峰^[4]从人体热舒适性与节能等方面考虑，认为对体育馆观众席这一高大空间来说，由于室温较高，人员密集，室内需要较大的风速以使人体感到舒适；王晶等^[5]对不同空调安装位置下的住宅内气流进行了数值模拟，比较各工况下室内的温度场与速度场以得到人体的热舒适性，并发现空调的送风能够影响到无遮挡物的相邻区域；P Aryal等^[6]分析图书馆内安装的隔断对室内人体热舒适性及建筑能耗的影响，并得出隔断的安装可能导致室内热舒适性变差，能耗增加的结论；朱文兵等^[7]分析夏季船舱内部的人体热舒适性，对空调舱室内的送风温度、速度及空气相对湿度进行了优化，发现当相对湿度固定时，送风速度过高引起的人体舒适性不佳可以通过提高送风温度解决，反之亦然；G Losi等^[8]对半开放式的体育馆进行了研究，分析在自然通风与空调系统的共同作用下，体育馆内各区域的热舒适性，确保在高温状态下场馆内各区域仍较舒适。然而，虽然已有大量学者研究空调控制方案对室内人体舒适性体验的影响，但大多数研究均未考虑人体代谢率对舒适度需求的差异。对于人体处于高代谢率条件，且同一开阔空间中存在不同细分区域，各区域间存在代谢率差异的情况，仍缺少具体研究和对应的气流优化方案分析。与此同时，空调室内的人体个性化需求已经日益受到人们的关注^[9-10]。健身房作为用户需求差异较大的场所，对室内空调控制进行有针对性的改善具有较大的意义。因此，本论文针对某健身房及其现存的空调送风条件开展数值模拟分析，考虑健身房在开阔区域中不同代谢率特征并存的现象，对比不同方案所对应的舒适性指标，结合能耗因素分析，为空调控制提出基于用户个性化需求的优化方案。

1研究概况

1.1 健身房室内概况

本文中的研究对象为杭州某高处送风的健身房，建筑总面积382，建筑高度为4.2m。其大致可分为休息区、举重区及健美操区三个区域。健身房室内有一长宽均为1.24m的柱子及六个长宽均为0.84m的相同规格的空调。空调送风高度为3.2m。室内布局尺寸如图1所示。

该送风空调送风口及回风口尺寸如图2所示。

1.2 边界条件及模拟条件设置本研究主要针对健身房空调夏季工况的优化。为简化模型，将室内低速流动的空气视为不可压缩流体，同时，根据环境温度（夏季白天室外平均温度）设置健身房与空气接触的外壁面温度条件并考虑墙壁热阻；其余壁面则忽略其热交换。根据2020年浙江统计年鉴^[11]中的数据，2019年6、7、8月杭州均温分别为25.0℃，28.1℃，29.4℃。考虑到昼夜温差，白天杭州均温约为33℃。由于空调送风温度及风速均可通过风速计测量得到，故将空调送风口设置为速度入口。根据测量所得数据，原始工况下各区域空调送风速度均为7.5m/s，送风温度均为297K，送风角度均为30°（本文中送风角度均指送风口处送风射流方向与送风口所在平面间的夹角）。

综上所述，整理计算边界条件如表1所示。

表1 计算边界条件设置

名称	边界类型	取值
墙壁地面天花板柱面空调送风口空调回风口	定温壁面绝热壁面绝热壁面绝热壁面定温速度入口自然出流	306K 详见各工况优化

研究选用Realizable k-ε湍流模型并选择标准壁面函数，采用SIMPLE C压力-速度耦合模型进行数值仿真。在ANSYSFLUENT 19.0中划分网格并进行网格无关性分析后，最终选用非均匀分布的结构化网格，网格尺度分布范围约从0.02-0.2m，网格总数为1037135，表征边界层网格高度的y+值经计算为63，符合标准壁面函数对网格的需求，每个算例均得以稳定收敛。

2 评价标准

2.1 热舒适指标本文所使用的热环境评价指标是1972年丹麦的P O Fanger[12]提出的PMV-PPD指标。该指标为一关于室温、风速、空气相对湿度、平均辐射温度、人体新陈代谢率与服装热阻的函数，其得到了国际标准化组织ISO^[13]与美国采暖、制冷与空调工程师学会ASHRAE^[14]的认证，是目前最具权威性的热环境评价指标。其中，PMV值表征了人体热感觉，PPD值则表征了人群对某一区域的预测不满意百分比。

表2 PMV-PPD指标与热感觉对照表

PMV	热感觉	PPD
+3 +2 +1 0 -1 -2 -3	热暖微暖适中微凉凉冷	100 75 25 5 25 75 100

PMV、热感觉与PPD对照关系见表2。随着PMV值的下降，人体热感觉由热变为冷，冷感逐渐增强。

PMV-PPD指标的计算公式如下：

按照我国现行国标《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范GB50736-2012》 [17]中的有关规定，热舒适度可以划分为如下两个等级：

Ι级：-0.5≤PMV≤0.5且PPD≤10%。

Ⅱ级：-1≤PMV≤-0.5或0.5≤PMV≤1，且PPD≤27%。

其中，Ι级对应的人体热舒适度较好，Ⅱ级对应的人体热舒适度一般。本研究中认为满足热舒适Ⅱ级要求时，区域内用户即感到舒适。

2.2 能量利用率指标

由于本文欲得到在使人体感到热舒适的条件下，能量利用率更高的空调工况，故引入能量利用系数公式如下[18]：

顾名思义，随着能量利用系数的增大，空调的能量利用越充分，能量利用率越高。

3 仿真结果分析

3.1 实际工况结果分析与方法验证使用热线风速仪和温度计对健身房的风速和温度情况进行测量。在早上6点未开启空调时，对室内/室外、地面、墙面和窗户的温度分别进行测试和记录，随后开启空调。用热线风速仪测量空调出风口的出风速度与温度，作为仿真的初始条件和边界条件。为了减少干扰因素，选择仅开启休息区顶部的空调出风口，然后在休息区侧面离地1米的高度设置测点（图1），持续跟踪该点温度和风速变化，与瞬态仿真结果进行对比，验证仿真分析的准确性。

图3 对比开启空调10分钟时间，测点处的温度变化情况。从图中可见，随时间变化，仿真与测试的温度均显著降低，但均未达到空调设置温度293K。其中测试温度因为受干扰因素较多，总体出现一定的波动，但变化趋势与仿真基本一致，表明本文采用的瞬态仿真方法基本可靠。随后根据中午12点时健身房的实际工况进行仿真，所得健身房室内各区域，人体活动区（2m以下区域，下文中提及区域均指代该范围内区域）的平均PMV、平均PPD见表3。此时室内空调能量利用系数为0.95。由表可知，在健身房室内原始工况下，休息区用户已经感到较为舒适，平均PMV及PPD值可达到人体热舒适Ι级要求，举重区与健美操区的用户则均认为所处区域较热，其中，健美操区的用户对所处区域热舒适性更不满意。该结果与从运动人群处获得的意见反馈信息较为一致。

表3 原始工况下各区域热舒适度仿真结果

	平均PMV	平均PPD
休息区举重区健美操区	-0.29 1.22 2.57	8.07 36.56 94.64

为进一步分析健身房用户在各区域内对热环境的感知情况，选取及z=1.6m（人体头部所在横向截面）的典型代表截面，对室内的PMV-PPD值分布进行分析。

综上所述，为满足各区域用户的舒适性要求，各区域空调送风工况均需进行较大优化。本文中的研究主要通过调整送风温度、送风速度及送风角度三个变量以达到优化空调工况的目的。

通过一系列预仿真，发现室内温度的变化对于室内人体热舒适度的影响最大，故首先考虑改变各区域空调的送风温度。通过改变送风温度将人体活动区域（2m以下）内平均PMV、PPD值降至接近人体热舒适要求后，再分别调整送风速度及送风角度，探究上述参数对于室内速度场、温度场及PMV、PPD值分布造成的影响，进而得到能够使在各区域内进行活动的健身房用户均感到热舒适的前提下，空调能量利用率最大的送风工况。

3.2 各区域空调送风温度优化

为优化举重区与健美操区内人体舒适度，优先考虑不改变送风速度（7.5m/s）与送风角度（30°），仅降低上述区域内的空调送风温度。同时，由于该健身房内各相邻区域间无墙体阻隔，温度场会相互影响，故为防止休息区内健身房用户受相邻区域（健美操区）空调送风温度降低的影响感到过冷，适当升高休息区内空调送风温度。该空调的可调节温度为16℃~32℃，故计算稳定后，各区域均温应在289K~305K范围内。

综上所述，经过多次调整，最终得到使人体活动区域（2m以下）内平均PMV、PPD值降至接近人体热舒适级要求的各区域空调送风温度及所得室内相关参数如表4及图5所示（由于室内速度场未发生变化，此节暂不对速度场进行分析）。

表4 各区域空调送风温度优化结果

工况	区域	送风温度K	平均温度K	能量利用系数
原始工况	休息区举重区健美操区	297 297 297	299.6 299.0 299.0	0.95
温度优化	休息区举重区健美操区	301 285 285	298.8 290.0 291.4	0.94

由图表可知，对各区域空调送风温度进行优化后：1）空调能量利用率略下降。由于不同区域送风温度存在差异，且各区域间均没有隔断，空调制冷效果相互影响，导致能量浪费增加，空调能量利用率下降；2）各区域平均PMV值普遍降低，冷感均得到加强。举重区与健美操区由于送风温度的下调，室内平均温度下降，直接导致了冷感的加强。同时，休息区送风温度虽然小幅上调，但受到相邻区域送风温度较低的影响，区域均温仍较原始工况下降，导致了PMV值降低；3）举重区、健美操区热舒适性增强，休息区略下降。受到区域冷感增强的影响，原本用户感到较热的健美操区、举重区两区域热舒适性增强，人群预测不满意百分比降低，原本用户热感觉偏冷的休息区热舒适性下降，人群预测不满意百分比上升。

3.3 各区域空调送风角度优化

通过对各区域送风温度进行优化，各区域PMV及PPD已经基本降至人体热舒适要求范围内。为进一步提升室内热舒适性，同时得到更为节能的空调工况方案，仍需对各区域送风角度与送风速度进行优化。

表5 各区域空调送风角度优化结果

送风角度	区域	平均温度K	平均风速m/s	能量利用系数
15°	休息区举重区健美操区	300.8 292.9 294.6	0.09 0.10 0.08	0.97
30°	休息区举重区健美操区	298.8 290.0 291.4	0.14 0.14 0.13	0.94
45°	休息区举重区健美操区	299.0 288.2 290.0	0.15 0.15 0.14	0.84

在各区域送风温度保持优化后取值不变的前提下，选取15°、45°两个典型送风角度与原始工况（30°）进行对比。最终得到不同送风角度下，人体活动区域（2m以下）内平均温度、平均风速等见表5及图6。根据图表中的数据，随送风角度的增大：1）空调能量利用率变差，送风射流对区域的影响增加。随着送风角度的增加，送回风口短路现象逐渐严重，被送入室内的冷风直接从回风口被排出的比例增加，导致了能源浪费的增加。与此同时，由于送风角度的增大，送风射流对于人体活动区域的影响增大，导致了各区域平均风速的增加与平均温度的下降（休息区由于邻区送风温度较低，出现了送风温度高于室内平均温度的特殊现象，平均温度变化规律无明显趋势）；2）举重区与健美操区冷感增强，举重区热舒适性变差，健美操区热舒适性改善。受到均温下降与区域平均风速增大的双重影响，举重区与健美操区PMV值均下降。就举重区而言，温度优化后该区域人体热感觉微凉。冷感的进一步增强导致该区域热舒适性下降，人群预测不满意百分比上升。就健美操区而言，由于该区用户新陈代谢率较高，温度优化后的PMV值仍远高于1，故随着冷感的增强，区域热舒适性得到改善，人群预测不满意百分比下降；3）休息区15°送风时热舒适性最佳，30°送风时最差。受到邻区低温射流的影响，休息区PMV及PPD值变化未呈明显单调性。该区域在15°送风时热舒适性最佳，30°送风时最差。

3.4 各区域空调送风速度优化

为进一步了解空调送风速度对室内流场、温度场、热舒适性及空调能量利用率造成的影响，寻求健身房室内热舒适性的更优解，在各区域送风温度已优化完成，送风角度仍为30°的基础上增大各区域空调送风速度至10m/s，最终得到不同送风速度人体活动区域（2m以下）内平均温度、平均风速等见表6与图9。

表6 各区域空调送风速度优化结果

送风速度m/s	区域	平均温度K	平均风速m/s	能量利用系数
7.5	休息区举重区健美操区	298.8 290.0 291.4	0.14 0.14 0.13	0.94
10	休息区举重区健美操区	296.5 290.4 291.3	0.20 0.19 0.18	0.99

根据图表中的数据，随着送风速度的增大：1）空调能量利用率改善，送风射流对区域的影响增加。送风速度的增大减轻了空调的送回风口短路现象，减少了能源的浪费。与此同时，送风速度的增大使得送风射流更容易对人体活动区域造成影响，导致区域内的平均风速增加，平均温度降低；2）各区域冷感增强。受到区域均温下降，平均风速上升的影响，各区域PMV值均呈现不同程度的下降。这导致休息区及举重区内的热舒适性变差，健美操区热舒适性了则得到改善。

3.5 综合优化

通过上述对送风温度、送风角度、送风速度分别进行优化后得到的结果，最终考虑空调能耗性及室内热舒适性，综合优化健身房室内空调送风工况如表7所示，得到人体活动区域（2m以下）内平均温度、平均风速等如表8及图10所示。

表7 综合优化后各区域空调送风工况

区域	送风速度m/s	送风温度K	送风角度 °
休息区举重区健美操区	10 10 10	301 285 285	45 15 45

表8 各区域综合优化结果

工况	区域	平均温度K	平均风速m/s	能量利用系数
原始工况	休息区举重区健美操区	299.6 299.0 299.0	0.14 0.14 0.13	0.95
综合优化工况	休息区举重区健美操区	299.8 289.5 291.0	0.22 0.13 0.20	0.87

由表7可见，多数送风参数均选用了室内热舒适性更好的工况，仅部分送风参数考虑到其他因素进行了调整：休息区及举重区送风风速选用10m/s。该健身房空调为一高处送风空调，故送风速度的改变对热舒适性的影响相对最小，但送风速度的增大可以较大程度的提升空调能量利用率。为了保证空调的能量利用率，选择牺牲一部分的用户热舒适性。休息区送风角度调整为与健美操区一致的45°。由于休息区与健美操区两区域交界处无隔断，且两区域送风温度相差较大，若两区域送风角度不同，则角度相对较大的送风射流将从角度较小的送风射流下方偷溜进角度较小的射流所在区域，导致该区域的热舒适性急剧下降。为防止这种情况出现，将休息区送风角度调整为45°，以将健美操区冷风尽可能控制在休息区外。由表8及图10可见，与原始工况相比，综合优化后室内热舒适性得到了较大的改善，健身房室内各区域进行不同代谢率活动的用户均能感到较为舒适。其中，休息区与举重区用户感到稍冷，健美操区用户则感到稍热。虽然经过综合优化后空调能量利用系数有所降低，但考虑到热舒适性的提升，认为该下降幅度在可接受范围内。

4 研究结论本文以杭州某高处送风健身房为研究对象。通过数值模拟，得到该健身房原始工况下室内各区域的温度场、速度场及热舒适数据，并基于所得结果对室内空调送风工况进行了送风温度、送风角度及送风速度的优化。最终得到结论如下：1）在健身房的开阔空间中，由于各区域内人群的代谢率特征不同，从而对舒适度有不同需求。原始工况下，当休息区用户已感到较为舒适时，举重区及健美操区用户由于代谢率较大，普遍感到较热。与此同时，送风射流的影响区域内由于风速较大，温度较低，冷感较强。2）通过对各区域空调送风温度的优化，发现由于休息区与健美操区两相邻区域用户代谢率相差较大，两区域交界处存在较大温差的现象难以避免。若能够改变该健身房室内布局，应考虑将人体代谢率较接近的活动区域分配在相邻位置，或在人体代谢率不同的区域间增设屏障，以防止两区域间不同温度的气流相互影响，使环境热舒适性变差。3）通过对各区域空调送风角度的优化，发现随送风角度增大，送回风口处更易发生短路现象，导致能量利用系数降低，能源浪费增加。且随着送风角度的增大，送风射流对人体活动区域的影响逐渐增大，区域内均温下降，平均风速上升，区域冷感增强，但热舒适区域分布的均匀性变差。在通过调节送风温度即可使室内热舒适性能达到要求的前提下，选择15°送风工况为最优解，当调节送风温度已无法满足室内热舒适要求时，可选择45°送风工况以提高室内平均风速，进一步降低室内均温以保证用户在室内运动时的热舒适性。4）通过对各区域送风速度的优化，发现送风速度由7.5m/s增至10m/s后，送回风口短路现象被削弱，空调能量利用系数得到提升。与此同时，送风射流对人体活动区域的影响增大。当区域内用户感到较热，且送风温度已难以进一步调整时，可通过增大送风速度以提升舒适性。该结论与朱文兵[7]等研究所得的结果相符。5）最终对健身房室内空调送风工况进行综合优化，得到当休息区送风温度为301K，送风速度为10m/s，送风角度为45°，举重区送风温度为285K，送风速度为10m/s，送风角度为45°，健美操区送风温度为285K，送风速度为10m/s，送风角度为15°时，室内各区域热舒适性均相对较好，但与原始工况相比，此时受到送回风口布局位置的限制，空调能量利用率略下降。