ASHRAE规格与CAE热流体模拟
ASHRAE标准进入分析的哪些环节
概述
做空调CFD时常被要求“按ASHRAE评价”，可ASHRAE的标准多得数不清，到底该看哪些？
从分析的角度整理，用途分为四类：①边界条件的来源（设计室外条件、发热量、在室人数）；②判定结果的标准（舒适性、换气量、设备进风温度）；③软件与模型的有效性确认；④向实测校准。CFD的结果只是“速度和温度的分布”，把它变成合格与否的尺子要从标准中借来——这样理解最清楚。
分析中常用的标准
| 标准 | 规定内容 | 在分析中的用途 |
|---|---|---|
| Standard 55 | 人员热舒适条件（PMV/PPD、作用温度、局部不适） | 室内CFD结果的判定标准 |
| Standard 62.1 | 为可接受室内空气品质所需的换气量 | 室外新风量边界条件与通风效率评价 |
| Standard 90.1 | 建筑节能标准（附录G为性能评价方法） | 能耗分析的基准建筑与建模规则 |
| Standard 140 | 建筑能耗模拟软件的测试方法（BESTEST） | 确认所用软件的有效性 |
| Guideline 14 | 节能量的测量（含模型校准标准） | 判定与实测的吻合程度 |
| Handbook—Fundamentals | 湿空气焓湿图、热负荷计算方法、设计气象数据 | 室外条件、物性和发热量的来源 |
标准会不断修订，引用数值时应在报告中注明所用版本（年份）。本页数值是用来说明思路的代表值。
设计用室外条件
制冷设计一般采用 Handbook 气象数据中“全年0.4%、1%、2%”的值，供暖采用“99.6%、99%”的值。0.4% 的意思是一年中超过该温度的时间只占0.4%（约35小时）。CFD室外边界取哪个值会改变送风温度和热负荷，所以一定要写明选用的超越概率。
由供暖与制冷两个学会合并而成
ASHRAE（美国供暖、制冷与空调工程师学会）由1894年成立的供暖通风工程师学会与1904年成立的制冷工程师学会于1959年合并而成。名称中并列“供暖”“制冷”“空调”正是这一渊源。如今它的标准不仅涉及建筑冷暖，还涵盖制冷剂安全、数据中心冷却等广泛领域。
用CFD评价舒适性（Standard 55）
PMV与PPD
PMV（预计平均热感觉指数）由空气温度、平均辐射温度、风速、湿度四个环境要素和代谢率（met）、服装热阻（clo）计算，取值 −3～+3。由它可以得到感到不满意者的比例 PPD：
| PMV | PPD | 含义 |
|---|---|---|
| 0 | 5.0 % | 最小值——不存在让所有人满意的环境 |
| ±0.5 | 10.2 % | Standard 55 一般舒适范围的边界 |
| ±1.0 | 26.1 % | 四人中有一人不满意 |
| ±1.5 | 50.9 % | 一半人不满意 |
| ±2.0 | 76.8 % | 明显不舒适 |
CFD软件里已经有PMV公式了吧？算出温度和风速不就自动得到了吗？
它会计算，但一半的输入来自CFD之外。办公室坐姿工作的代谢率典型为1.0～1.2 met，服装热阻夏季约0.5 clo、冬季约1.0 clo，仅改变这些，PMV就很容易变化0.5以上。另一个常被忽视的是平均辐射温度。不求解辐射的CFD相当于把平均辐射温度当作与气温相同，窗边冷墙面和日射的影响就消失了。窗户多的房间若不加辐射模型，PMV的结论甚至可能相反。
作用温度
Standard 55 的舒适范围以作用温度表示。风速较小（低于0.2 m/s）时，可近似为空气温度 $t_a$ 与平均辐射温度 $\bar{t}_r$ 的平均值：
局部不适与评价点
- 垂直温差：坐姿时脚踝（0.1 m）与头部（1.1 m）的气温差过大会不舒适。Standard 55 以3℃为上限参考，这是地板送风或置换通风CFD首先要确认的项目。
- 地板表面温度：穿鞋时约19～29℃，用于地板采暖与地板供冷的分析。
- 吹风感与辐射不对称：脚部的冷气流，以及冷窗户、热顶棚造成的辐射不均，也作为不适原因加以评价。
- 评价高度：坐姿取0.1、0.6、1.1 m，站姿取0.1、1.1、1.7 m。同时给出CFD在整个人员活动区的分布，更有说服力。
换气、空气龄与数据中心
换气量算例（Standard 62.1）
换气量计算程序把人均新风量与单位面积新风量相加，得到呼吸区所需新风量 $V_{bz}$，再除以由送回风布置决定的区域空气分配效率 $E_z$：
取办公用途代表值 $R_p = 2.5$ L/(s·人)、$R_a = 0.3$ L/(s·m²)，建筑面积100 m²、10人的办公室，$V_{bz} = 25 + 30 = 55$ L/s（198 m³/h）。若布置使 $E_z = 0.8$（例如供暖时顶送热风、顶部回风），所需新风量增至 68.75 L/s（约248 m³/h）。
用空气龄确认通风效率
CFD可以把空气进入室内后经过的时间（空气龄）$\tau$ 作为源项为1的标量求解。它与公称时间常数 $\tau_n$（室容积 $V$ 除以换气量 $Q$）之比，是表示通风效率的指标：
上面的办公室（层高2.7 m、容积270 m³）送入198 m³/h 新风时，$\tau_n$ 约为82分钟。若CFD得到呼吸区平均空气龄为95分钟，则 $\varepsilon \approx 0.86$，可以判断新风可能在到达人员活动区之前发生短路。看空气龄分布图，还能看出是哪组送风口与回风口之间短路。能看到仅凭换气量数字看不到的东西，正是使用CFD的价值。
数据中心进风温度
ASHRAE 技术委员会 TC 9.9 建议IT设备进风温度范围为18～27℃。数据中心CFD应判断每个机柜前面（进风面）的温度是否在此范围内，而不是看室温平均值。若热通道气流回流，即使平均值较低，最上层服务器也常常超出范围。
比细致建模送风口更重要的事
在室内CFD中逐一对顶棚散流器的叶片和格栅划分网格，仅此一项就会让计算规模增大数倍。因此常采用 Nielsen 等提出的 Box 法、Momentum 法等简化方法，只把送风口附近的测量值或动量作为边界条件。关键是确认离送风口稍远处的射程和温度衰减与厂商性能数据一致。只要这一点吻合，细部形状对人员活动区的评价几乎没有影响。
校准与常见错误
向实测校准（Guideline 14）
| 数据 | NMBE | CV(RMSE) |
|---|---|---|
| 月度 | ±5 % | 15 % |
| 逐时 | ±10 % | 30 % |
NMBE 表示整体偏差，CV(RMSE) 表示离散程度。建筑能耗模型满足这些标准后才能称为“已校准”。CFD 同样可以对实测点的温度和风速分别给出偏差和离散，更容易说明结果的可信度。
常见错误
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 只用气温判断舒适性 | 忽略窗户和顶棚辐射的影响 | 求解辐射，用作用温度和PMV判定 |
| cfm 与 L/s、ft² 与 m² 换算错误 | 新风量相差约两倍 | 使用SI版数值，或注明换算（1 cfm ≈ 0.472 L/s） |
| 总是把分配效率取为1 | 如供暖时顶送风导致新风不足 | 按布置取 $E_z$，并用空气龄确认 |
| 代谢率和服装热阻保持默认值 | PMV 可能偏差0.5以上 | 按用途和季节选取数值，并写入报告 |
| 未写明标准版本 | 日后无法追溯判定值依据 | 注明参考的标准及年份 |
有没有能帮助建立数值直觉的工具？
舒适性计算可以用PMV/PPD温热舒适性模拟，新风量与污染物衰减可以用洁净室换气次数模拟器确认。空调箱周围的热湿收支用空调箱热平衡模拟器和冷却盘管热负荷模拟器，整栋建筑的热损失用建筑热损失模拟器，数据中心冷却效率用数据中心PUE冷却效率模拟器。全年能耗分析的方法整理在建筑能源仿真中。
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