基于耦合 BES-CFD 框架的混合暖通空调调控开放式办公室热环境高保真时空预测

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：High-fidelity spatiotemporal prediction of thermal environments in hybrid HVAC-conditioned open-plan offices using a coupled BES–CFD framework

　　

## 摘要

针对大型开放式空间中暖通空调（HVAC）设计日益增长的复杂性，本研究提出了一种增强的建筑能源模拟–计算流体力学（BES–CFD）耦合框架，用于对由混合辐射–对流HVAC系统调控的大型开放式办公室室内热环境进行高保真的时空预测。本研究引入了三项关键增强措施：适用于CFD模拟的物理一致动态边界条件、BES中基于气流的对流换热建模，以及平衡预测精度与计算效率的优化数据交换方案。所提出的框架通过与实地测量数据进行对比进行了验证，测量数据来自一座由混合HVAC系统服务的建筑，该系统集成了水系统辐射供暖和供冷（HRHC）、专用新风系统（DOAS）以及吊顶和地板送风的全空气系统。验证结果显示平均绝对误差为0.13–0.23°C，CV-RMSE值低于2%。经验证的框架随后被应用于模拟多种设计和运行场景，展示了其识别改善大型开放式空间室内热舒适度和能源性能策略的能力。基准评估表明，通过高透光幕墙的太阳得热是热不均匀性和局部热不适的主要来源，而太阳控制玻璃场景则展示了该框架在评估改善策略及其对热舒适度和HVAC性能的季节性影响方面的适用性。总体而言，所提出的框架能够通过对热舒适度、空间热分布和能源性能的同时评估，实现对混合HVAC系统的定量设计阶段评估，为大型开放式建筑中HVAC与幕墙设计的多目标优化提供了实用工具。

## 引言

办公建筑领域是城市区域能源使用的主要贡献者之一[1,2,3]。其中很大一部分能源需求与提供舒适的室内环境密切相关，而室内环境的舒适度又与住户健康、幸福感和工作生产力紧密相关[4,5,6]。与此同时，开放式布局已成为现代办公建筑中广泛采用的形式。与独立办公室不同，开放式办公室去除了工位之间的专用物理隔断，从而在降低维护需求的同时促进了住户之间的互动[7,8,9]。此类环境中的住户通常对其局部热环境缺乏控制能力，这些条件主要由集中运行的热系统调节[10]。然而，大型开放式办公室的空间范围广阔，加之内部热负荷在空间分布上不均匀，使得供暖、通风和空调（HVAC）系统的高效设计与运行面临相当大的困难[11,12,13]。因此，局部供冷不足和过度供冷的问题普遍存在，导致住户不适和能源浪费[14,15,16]。

为同时改善空间热舒适度并降低能源消耗，混合辐射–对流HVAC系统应运而生，该系统利用不同调控原理的互补优势。混合HVAC策略已得到广泛探索，证实了结合不同方法可以同时提升能效和热舒适度[17,18,19,20,21]。据He等人报告，一项现场实验研究表明，辐射工作台与个人风扇的组合使住户即使在29–32°C的较高室内温度下仍能保持舒适，与常规全空气系统相比展现了显著的节能潜力[22]。此外，Khan等人评估了与专用新风系统（DOAS）集成的辐射冷却系统，报告称混合配置比常规全空气系统节能约17.5%，同时提供更均匀的室内温度分布[23]。因此，根据不同占用条件和空间功能整合不同系统的混合辐射–对流HVAC策略已越来越多地应用于实际建筑中。

然而，大型建筑中日益复杂的HVAC设计可能产生高度复杂的热环境。不恰当的设计可能导致局部热不适和HVAC运行效率低下。因此，在设计阶段准确预测这些环境对于混合HVAC系统的有效设计和运行至关重要，以实现令人满意的热舒适度同时保持高效运行。更广泛地说，工程领域已开发出先进的方法用于跟踪和解释多维时空数据，凸显了稳健的数据表示和分析在大型物理环境中的重要性日益增长[24]。此外，研究人员越来越强调多目标优化框架对支持建筑早期设计（包括幕墙设计、能源负荷和热舒适度）的重要性[25,26,27]。对于室内环境分布的调查研究，计算流体力学（CFD）作为一种可靠的工具被广泛应用，能够预测各种HVAC系统运行条件下的气流模式和详细热环境[28,29,30]。然而，CFD模拟通常简化边界条件，因此不能充分考虑时变热过程，包括墙体蓄热和室外环境波动[31]。同时，建筑能源模拟（BES）通常采用基于各区域空气充分混合假设的单节点区域模型，能够高效预测长期动态热响应和整个区域的热负荷。相比之下，在单节点假设下，BES无法捕捉气流引起的非均匀温度分布或居住区域内的局部热舒适度变化[32,33]。

基于BES和CFD的互补能力，Zhai等人讨论了将BES模型与CFD模拟相结合的潜力，并奠定了BES–CFD耦合方法的基础[34]。此后，研究人员试图通过手动或自动耦合方法整合这两种方法，以实现室内热环境和HVAC能源性能的综合评估[35,36,37]。值得注意的是，现有研究主要集中在简化或单一HVAC系统配置上，而将其应用于集成多种调控策略的混合系统方面仍较为有限。例如，Shan等人[38]将EnergyPlus与CFD求解器MIT-CFD耦合，分析由常规全空气系统调控的大型开放式办公室的室内热环境和制冷需求。在每个模拟时间步中，EnergyPlus向CFD模型提供热边界条件，后者计算热边界层内的空气温度分布和对流换热系数（CHTCs）。这些CFD导出的参数随后返回给EnergyPlus，从而改善制冷负荷和室内热舒适度的预测。Zhang等人[39]开发了一种准动态耦合方法，将EnergyPlus与ANSYS Fluent连接，以研究自然通风条件下基于相变材料（PCM）的辐射地板冷却系统。每隔10分钟，EnergyPlus向CFD模型提供室外空气温度、太阳辐照度、风速、区域平均辐射温度和壁面对流热通量，而CFD导出的PCM地板CHTC则返回给EnergyPlus用于下一个时间步。与传统的非耦合方法相比，该耦合方法改善了相变行为、近地面热条件 and室内温度分布的预测。此外，Wang和Wong[40]将ESP-r与FLUENT耦合，评估两区域住宅建筑的自然通风。为降低计算成本，CFD仅应用于一个区域，压力边界条件由ESP-r提供，而ESP-r代表整个建筑的几何形状、材料属性和气流网络。该耦合方法比独立模拟实现了更高的预测精度。由于CFD导出的CHTC直接计算需要精细的近壁网格分辨率，从而带来高昂的计算成本，以往耦合的BES–CFD研究通常依赖于简化假设以维持计算可行性，包括减少CFD计算域、简化建筑或HVAC配置，或将耦合模拟限制在代表性时段而非连续长期运行。此外，尽管BES–CFD耦合已被确立为在研究各种HVAC运行条件下热分布的有效且广泛使用的方法，但在采用混合辐射–对流HVAC策略的大型开放式空间中进行室内热分布数值模拟的研究仍不充分。

本研究旨在弥补这一空白，追求两个主要目标。第一，开发一种增强的BES–CFD耦合框架，用于对多个HVAC子系统同时运行的大型开放式空间（包括吊顶和地板送风的全空气系统、水系统辐射供暖和供冷（HRHC）以及DOAS）进行高保真的室内热环境时空预测。具体而言，我们旨在通过使所提出的框架能够再现瞬态室内热响应和空间温度分布（包括水平和垂直变化）并评估由此产生的空间热舒适度变化来实现高保真预测。这一能力通过捕捉时变HVAC运行、对流和辐射换热、围护结构热传递以及不同HVAC子系统之间的动态相互作用来实现。第二个目标是将所提出的框架应用于一系列设计和运行场景，从而定量评估其对室内热舒适度和能源性能的影响。通过这一分析，识别出改善大型开放式空间环境质量和减少能源使用的有效策略，同时展示该框架的实用适用性。

所提出的框架与以往方法相比有三项关键创新：

I. 适用于CFD的物理一致动态边界条件，考虑时变表面温度、热惯性和瞬态HVAC送风条件。

II. 基于CFD导出的局部近壁速度的BES中动态CHTC更新，使辐射表面在空间非均匀气流条件下能够实现物理严谨的传热表示。

III. 为大规模耦合模拟平衡预测精度与计算效率的优化数据交换方案。

该框架已通过与实际公共建筑的实地测量数据进行验证，随后被应用于评估混合辐射–对流HVAC系统在多种设计场景下的热能和能源性能。通过实现对瞬态热行为、空间温度分布、住户热舒适度和HVAC负荷的同时评估，所提出的框架为HVAC分区设计、运行优化和入住后性能诊断提供了定量依据，支持建筑早期设计阶段的多目标优化。

## 模拟方法概述

图1展示了整体模拟框架。BES工具THERB for HAM[41]（已针对建筑物理高性能环境模拟进行验证[42,43]）被用于预测动态热环境。在我们先前的研究中[44]，THERB for HAM被增强以在混合HVAC运行下再现瞬态耦合热、气和湿传递现象，并评估时变室内温度、湿度和热负荷特征。

## 分析条件

本节描述了所提出的BES–CFD耦合框架的分析设置和验证结果。选择了日本福冈市的一座实际公共行政建筑作为参考案例（图4）。该建筑配备了混合辐射–对流HVAC系统，位于福冈县33°33′ N，130°25′ E。当地气候以温暖潮湿的夏季为特征，平均空气温度和相对湿度（RH）值约为…

## 实用适用性评估

在验证了所提出的框架之后，本节将其应用于评估混合HVAC系统在多种运行场景下的热环境。第4.1节评估了目标空间在当前运行条件下的时空热特征，以识别需要设计改善的潜在问题。在此基础上，第4.2节通过太阳控制玻璃策略的参数化评估进行了实用适用性评估。

## 讨论

本研究的结论文结果表明，所提出的BES–CFD耦合框架能够准确再现大型开放式空间中由混合辐射–对流HVAC系统产生的复杂时空热环境。除了测量值与模拟值在温度和湿度变化方面的一致性良好之外，空间热分布的验证（所有测量位置的CV-RMSE值均低于2%）确认了三项关键增强措施…

## 结论

本研究的主要目标是开发和验证一种高保真的BES–CFD耦合框架，能够定量评估大型开放式建筑中由混合辐射–对流HVAC系统形成的时空热环境。该框架被应用于实际建筑案例。主要结论如下：

1）所提出的耦合框架，结合了动态CFD边界条件、基于气流依赖性CHTC建模和优化数据交换…

## CRediT作者贡献声明

Xianzhe Yang：写作—初稿、可视化、验证、方法论、调查研究、形式分析。Seonghwan Yoon：写作—审阅与编辑、方法论。Sung-Jun Yoo：写作—审阅与编辑、可视化、数据管理。Yusuke Arima：调查研究。Younhee Choi：写作—审阅与编辑。Akihito Ozaki：监督、软件、项目管理、方法论、概念化。

Xianzhe Yang | Seonghwan Yoon | Sung-Jun Yoo | Yusuke Arima | Younhee Choi | Akihito Ozaki

九州大学环境科学研究生院，日本福冈市西区百道744号，819-0395