引言随着暖通技术的发展，人们对大型公共建筑中的室内座椅的舒适性有了更高的要求［1］。在体育馆、报告厅、电影院等高大空间建筑内，座椅的舒适性是设计人员必须研究测试的一大重点。如何使座椅更加舒适，逐步成为一项热门的研究课题。国外的专家较早地发现了这一问题，率先进行了座椅舒适性的相关研究［2］，如今，国内的研究人员在座椅舒适性的研究上也有了较大的进展，相关的研究者对沙发座椅舒适度的评价方法进行了研究，探讨出一种客观评价其舒适性的标准和方法［3］。然而，关于温变特性的座椅舒适性研究则较少，因此文中将从实测温度数据出发，应用 Fluent 软件，研究大型开放式体育场馆座椅在多因素影响下的温变及热舒适性。1模型建立及边界条件设置1.1研究对象本次研究的对象为北京市某大型开放式体育场馆内观众座椅的舒适性及其温变特性，选定季节为冬季，体育馆长 332.3 m、宽 296.4 m、高 68.5 m；座椅间的前后间隔为 0.6 m、左右间隔为 0.2 m，后一排比前一排的高度均高 0.3 m。数值计算模型如图1所示。选取场馆座椅中的一个 4×4 单元为其研究对象。将依次对座椅在通电升温、断电降温、是否添加相变微胶囊发泡海绵以及是否加入座套等多种工况下的舒适性和保温性能进行数值模拟研究。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.014.F001图1数值计算模型1.2几何模型建立及网格划分单一座椅物理模型，其中坐垫为长415 mm、宽310 mm、高 70 mm的长方体，靠背底部与坐垫相连，顶部为长 425 mm、宽 70 mm的矩形，将其组合成4×4的大厅座椅群计算模型。几何模型及网格采用Gambit软件进行划分，各零件相互接触的位置均采用Bonded 接触方式。模型采用四面体非结构化网格进行网格划分。最小单元尺寸为 0.2 mm。其中座椅模型单元数为 169 908 ，节点数为 379 868。1.3求解方式及边界条件采用 Fluent 的湍流模型为标准k- ε双方程模型，基于3个基本守恒定律，通过求解 Navier-Stokes 方程解决质量、动量、能量的传输问题。本研究基于压力计算，采用三维瞬态求解器，结合 SIMPLE 压力速度耦合算法，基于Green-Gauss Cell Based 梯度处理方法，其中Pressure处理采用Presto控制方程组对流项采用高阶迎风格式。1.3.1仅座椅模拟工况边界条件座椅坐垫与靠背处均为空间中空，坐垫中空部位和靠背中空部位分别安装1块1拖3和1拖2的发热片，且两套发热片串联。在座椅坐垫、靠背的中空部位填充550 g的相变微胶囊发泡海绵，其物性参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.014.T001表1物性参数参数相变微胶囊发泡海绵融化相变温度/℃43.1融化相变潜热焓值/（J/g）105.07凝固相变温度/℃40凝固相变潜热焓值/（J/g）59.37海绵密度/（kg/m3）50海绵比热/[kJ/（kg·K）]1200海绵导热系数/（W/（m·K）0.1体育场馆内仅座椅的模拟工况主要分为3个部分：（1）设计3种不同的发热片发热功率，模拟座椅（不填充相变微胶囊发泡海绵）温度随时间变化。初始温度T0为-5 ℃，加热至恒温温度T1为50 ℃。对比选出最优发热功率PX，设计3组不同发热功率如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.014.T002表23种不同发热功率的座椅组别功率模型110模型220模型330W（2）使用最优发热功率PX加热座椅到恒温温度，分析填充与不填充相变微胶囊发泡海绵的情况下，从恒温温度T1开始，断电后座椅温度随时间变化，终止温度为室温T0。（3）设计了场馆座椅有限元几何模型，在场馆内使用最优发热功率PX，分析在座椅填充与不填充相变微胶囊发泡海绵的情况下，场馆内的整体温度随时间的变化。1.3.2座套座椅组合模拟工况边界条件为进一步研究座椅的舒适性，为上述座椅设计匹配的座套（见图2），其平均厚度为2.5 cm，同座椅一样，座套也可增加相变储能层，并将其模型简化。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.014.F002图2座套实物扫描座套座椅组合的模拟工况主要分为3个部分：（1）设计不同发热片发热功率，模拟椅（不填充相变微胶囊发泡海绵）温度随时间变化，初始温度T0为-5 ℃，加热至恒温温度T1为50 ℃。对比选出最优发热功率PY，所设计的3组发热功率组具体参数如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.014.T003表3加入座套后座椅3种不同发热功率组别功率模型410模型520模型630W（2）使用最优发热功率PY加热座椅到恒温温度，分析填充与不填充相变微胶囊发泡海绵的情况下，从恒温T1开始，断电后加入座套后的座椅温度随时间的变化，终止温度为室温T0。（3）在场馆内，使用最优发热功率PY，分析加入座套后座椅在填充与不填充相变微胶囊发泡海绵的情况下，场馆内的整体温度随时间的变化。2模拟计算结果与分析2.1仅座椅温度随时间变化分析针对第一部分，分别对模型1、模型2和模型3计算座椅温度随时间的变化图（见图3）。3种模型总体均呈现直线上升的趋势，在323.15 K附近达到稳定值。主要是因为换热过程遵循：Q=cm∆T (1)式中：Q——放出的总热量，J；c——比热容，J/(kg·℃)；m——物体的质量，kg；∆T——吸热（或放热）后温度的变化量，℃。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.014.F003图3座椅温度变化曲线由于所研究的温度范围变化较小，c、m可为常量，因此温度的变化呈现出直线上升趋势。3种模型均在323 K左右保持恒定，即处于恒温（T1）状态。模型1、模型2和模型3分别在约100 s、60 s、45 s后达到恒温。模型3的加热速率比模型1高55%，比模型2高25%。因此，选择模型3所对应的30 W作为最佳发热功率PX。针对第二部分，设计出填充相变微胶囊发泡海绵座椅，普通座椅为对照组，使用最优发热功率PX加热座椅到恒温状态后断电，分析断电后座椅的温度随时间的变化，终止温度为室温T0。计算结果如图4所示，普通与填充的座椅冷却到时间分别约为1 500 s、5 000 s ，冷却时间为普通座椅的3.3倍。因此实际应用中，可采用填充相变微胶囊的发泡海绵座椅，在加热到恒温后可适当切断电源节约电能，当温度降低到恒温的1/2处后，开机继续加热。采用填充相变微胶囊的发泡海绵座椅不仅可满足热舒适性要求，而且更节能环保。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.014.F004图4座椅温度随时间变化针对第三部分，在4×4座椅的场馆内，将普通座椅群作为对照组。使用最优发热功率PX加热座椅，分析整个场馆的温度随时间的变化。计算结果为座椅填充了相变微胶囊发泡海绵后，整个场馆的温度上升速率比普通座椅要慢。这是因为相变材料在发生相变过程时，温度会维持恒定。安装普通座椅的场馆，在加热约500 s后，温度达到稳定，为298.1 K。安装相变微胶囊发泡海绵座椅的场馆，在加热1 750 s左右后，温度达到稳定，为295.38 K，其场馆温度略低于普通座椅的场馆。2.2座套座椅组合温度随时间变化的对比分析针对第一部分，分别对单一的加入座套后的座椅输入3种不同的发热功率，即模型4、模型5和模型6。计算座椅温度随时间的变化，依旧是功率为30 W的模型6升温速率最高。最终选择模型6所对应的30 W作为最佳发热功率PY。图5表明，在相同的座椅发热功率下，加入座套比不加座套的座椅升温速率略高一些，但差异非常小。这说明增加座套后，几乎不影响座椅的升温速率。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.014.F005图5模型3与模型6座椅升温对比针对第二部分，设计出加入座套且填充相变微胶囊发泡海绵的座椅，将加入座套后的普通座椅作为对照组，使用最优发热功率PY加热座椅到恒温状态后断电，分析断电后座椅的温度随时间的变化，终止温度为室温T0。计算结果依旧是填充相变微胶囊发泡海绵的座椅的冷却时间较长。进一步将填充了相变海绵的座椅与填充海绵并加入座套后的座椅进行对比，对比情况如图6所示。不加入座套、加入座套后，座椅冷却时间分别约5 000 s、7 000 s，冷却时间比不加入座套的座椅长40%。这说明加入座套后座椅的保温时间增加，观众在使用过程中能更加舒适，更节约电能。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.014.F006图6座椅冷却温度对比针对第三部分，在4×4座椅的场馆内，使用最优发热功率PY加热座椅，分析整个场馆内温度随时间的变化。由上文可知，PX = PY = 30 W，由4种工况下的计算结果可知：填充了相变微胶囊海绵后，整个场馆的温度上升速率比普通座椅要慢。加入座套后的座椅也可发现同样的结论。加入座套、不加座套但不填充相变海绵的场馆达到稳定温度的时间分别为750 s、500 s，升温速率增加50%；而加入座套、不加座套且填充相变海绵的场馆达到稳定温度的时间分别为2 500 s、1 750 s ，升温速率增加了42.86%。加入座套能使得场馆的升温速率减慢，可以进一步提高座椅的保温性能。3结语（1）座椅采用人性化设计，坐垫与靠背处均为空间中空，在坐垫中空部分朝近肤侧安装1条1拖3发热片，在靠背中空部分朝近肤侧安装1条1拖2发热片，两套发热片串联。在适宜的发热片发热功率下，座椅的温度随时间呈现直线上升的趋势，发热功率越大，升温速率越快。（2）填充相变微胶囊发泡海绵后的座椅，断电后，从恒温状态T1到室温状态T0所需的冷却时间被较大程度延长。在实际应用中，可采用填充相变微胶囊的发泡海绵座椅，在加热到恒温后可适当切断电源节约电能，而且并不响观众的舒适度。（3）在相同的座椅发热功率下，加入座套后的座椅比不加座套的座椅升温速率略微高一些，但其差异非常小。增加座套后，几乎不影响座椅的升温速率。（4）将填充了相变海绵的座椅与填充海绵并加入座套后的座椅进行对比，发现加入座套后其冷却时间比不加入座套的座椅长40%。加入座套后座椅的保温时间增加，观众在使用过程中更加舒适，更加节约电能。（5）4×4座椅的模拟场馆内，填充了相变微胶囊发泡海绵后的座椅整个场馆的温度上升速率比普通座椅要慢。当加入座套后，不论是否填充相变海绵，场馆整体的温度上升速率均有所延迟。加入座套降低了场馆的升温速率，加入座套可以进一步提高座椅的保温性。