送風方式對玻璃幕墻建筑室內(nèi)氣流組織的影響

曾軍勇鐘劍唐鐵軍李昌姜昌偉

1長沙理工大學能源與動力工程學院

2中建三局第二建設(shè)工程有限責任公司

送風方式對玻璃幕墻建筑室內(nèi)氣流組織的影響

曾軍勇1鐘劍2唐鐵軍2李昌2姜昌偉1

1長沙理工大學能源與動力工程學院

2中建三局第二建設(shè)工程有限責任公司

結(jié)合某工程實例，對兩種送回風方式下玻璃幕墻辦公建筑室內(nèi)氣流組織進行了模擬分析。兩種送回風方式分別采用中間送風兩側(cè)回風（送回風方式A）與兩側(cè)送風中間回風（送回風方式B）。對兩種送回風方式下玻璃幕墻辦公建筑室內(nèi)的流場與溫度場的數(shù)值模擬結(jié)果進行了分析比較。結(jié)果表明：采用送回風方式B可以明顯降低靠近玻璃幕墻側(cè)辦公區(qū)溫度，提高辦公區(qū)整體熱舒適性。

送回風方式 氣流組織 玻璃幕墻 數(shù)值模擬

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和城市化建設(shè)步伐的加快，玻璃幕墻辦公建筑大量興起。玻璃幕墻辦公建筑作為辦公場所，其室內(nèi)熱環(huán)境要求較高。目前，很多學者開展了玻璃幕墻傳熱特性的研究，李榮敏等[1～2]對玻璃幕墻熱通道內(nèi)氣流組織進行了數(shù)值模擬與設(shè)計優(yōu)化，分析了影響玻璃幕墻內(nèi)氣流組織的影響因素進而提出了優(yōu)化措施。然而對玻璃幕墻辦公建筑室內(nèi)氣流組織的研究很少，所以研究玻璃幕墻對辦公建筑空調(diào)室內(nèi)氣流組織的影響很有必要。本文以深圳某玻璃幕墻辦公建筑為研究對象，分析了兩種送回風方式對玻璃幕墻辦公建筑氣流組織的影響，為該類建筑的空調(diào)設(shè)計提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 物理數(shù)學模型

1.1 物理模型

本文選取的研究對象為夏季工況下深圳某玻璃幕墻辦公建筑13層辦公區(qū)域，如圖1所示。該辦公區(qū)域是一個長方體，尺寸為30.6m（長）×13.8m（寬）×3m（高），辦公區(qū)域?qū)嶋H面積為422m2。辦公區(qū)域南面為玻璃幕墻，玻璃幕墻為單層，該玻璃為熱反射玻璃，厚度為10mm，導(dǎo)熱系數(shù)0.8W/(m·K)。辦公區(qū)域送風口4排52個，回風口2排26個。送回風口布置方式考慮兩種方案：中間送風兩邊回風（送回風方式A：中間4排為送風口，其它2排為回風口）與兩邊送風中間回風（送回風方式B：中間2排為送風口，其它4排為回風口）。送回風口形狀如圖2所示，送回風口與燈具采用一體化設(shè)計，燈具上面有兩個與吊頂夾角45°的送回風口，送回風口尺寸都為40mm×600mm。

圖1 送回風方式物理模型

圖2 送風口與回風口結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 數(shù)學模型

假定：①室內(nèi)空氣流動為不壓縮穩(wěn)定流動；②滿足Boussinesq假設(shè)，認為空氣密度的變化僅對浮升力產(chǎn)生影響；③考慮玻璃幕墻的輻射熱而其它墻壁的輻射熱忽略。采用標準k-ε雙方程模型結(jié)合壁面函數(shù)法描述室內(nèi)空氣流動。玻璃幕墻輻射熱計算采用DO輻射模型。

1.3 邊界條件

1）空調(diào)送風邊界條件：送風溫度14.6℃，送風速度1.88m/s，空氣相對濕度60%。

2）玻璃幕墻邊界條件：深圳夏季平均風速3.1m/s，室外空氣計算干球溫度33.5℃[3]。太陽總輻射照度最大時的數(shù)據(jù)為450W/m2[4]。

深圳夏季玻璃幕墻外側(cè)壁面綜合溫度計算式為

式中：tz為外側(cè)壁面的綜合溫度，℃；tw為室外空氣計算溫度，取33.5℃；αw為玻璃幕墻與室外環(huán)境的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，取19.3W/(m·2K)；α為玻璃幕墻對太陽輻射的吸收系數(shù)，取0.75；I為玻璃幕墻外表面接受的太陽總輻射照度，取450W/m2。因此玻璃幕墻外側(cè)壁面綜合溫度為50.99℃。

3）辦公區(qū)域室內(nèi)熱源假定為均勻內(nèi)熱源，根據(jù)辦公區(qū)域?qū)嶋H熱負荷計算。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與對比分析

圖3給出了長度方向上兩種送回風方式下玻璃幕墻辦公建筑內(nèi)氣流速度場分布。圖4、圖5分別給出了長度與寬度方向上玻璃幕墻辦公建筑內(nèi)溫度場分布。下面分別對兩種送回風方式下辦公建筑內(nèi)氣流組織進行分析。

圖3 x=14m處速度場分布

圖4 y=1.5m處溫度場分布

圖5 x=14m處溫度場分布

2.1 送回風方式A時室內(nèi)氣流組織的數(shù)值模擬結(jié)果

如圖3a所示，送回風方式A下冷風從送風口射出后，在慣性力的作用下，呈斜拋物線向下流向室內(nèi)空間。冷風在碰到地板后，一部分沿著地板流向周邊墻壁，這部分冷風在流動過程中吸收室內(nèi)熱量而溫度不斷升高，在浮升力的作用下沿著墻壁慢慢上升，最后從回風口排出。另外，最中間兩排送風口射出的冷風相互碰撞后流向室內(nèi)，然后吸收室內(nèi)熱量流向回風口，最終在辦公區(qū)域中部形成渦流。圖4a與圖5a中溫度場分布可以看出，送回風方式A下，一方面由于辦公區(qū)域中部渦流的存在使得室內(nèi)空氣不能充分混合，另一方面由于玻璃幕墻附近沒布置送風口使得玻璃幕墻輻射熱不能及時帶走，造成辦公區(qū)域溫度場分布不均勻，呈現(xiàn)中間溫度低而而四周溫度高的分布規(guī)律，這使得辦公區(qū)域內(nèi)工作人員熱舒適度不高。

2.2 送回風方式B時室內(nèi)氣流組織的數(shù)值模擬結(jié)果

如圖3b所示，送回風方式B下南面送風口射出的冷風在慣性力作用下，呈拋物線向下運動，當碰到地板后，大部分氣流沿著地板流向辦公區(qū)域中部，同時冷風吸收室內(nèi)熱量與玻璃幕墻輻射熱后流向回風口。同時北面送風口射出的冷風大部分氣流也遵循相同的規(guī)律。另外，南面送風口與北面送風口射出的一小部分冷風會在辦公區(qū)域中部相互混合后再排出室外。圖4b與圖5b可以看出，送回風方式B下除了南面玻璃幕墻附近辦公區(qū)域溫度稍高外，其它辦公區(qū)域溫度場分布較為均勻，因此室內(nèi)工作人員熱舒適性較高。但是，由于南面送風口位置位于玻璃幕墻附近，此時冷風會攜帶玻璃幕墻輻射熱進入辦公區(qū)域中部，因此送回風方式B下辦公區(qū)域平均溫度稍高于送回風方式A下辦公區(qū)域平均溫度，但該平均溫度只相差0.1℃。

2.3 送風方式A與送風方式B的對比分析

圖6給出了兩種送回風方式下玻璃幕墻附近空氣溫度分布。從圖中可以看出，靠近玻璃幕墻附近0.3m距離內(nèi)，送回風方式A下室內(nèi)空氣溫度要高于送回風方式B下室內(nèi)空氣溫度，這是由于送回風方式B下靠近玻璃幕墻處的送風口送出的冷風對玻璃幕墻輻射熱的冷卻作用；但在靠近玻璃幕墻附近0.3～0.7m距離區(qū)間內(nèi)，送回風方式A下室內(nèi)空氣溫度要低于送回風方式B下室內(nèi)空氣溫度，這是由于送回風方式B下冷風會攜帶玻璃幕墻輻射熱進入辦公區(qū)域中部。但從總體上看，送回風方式B要優(yōu)于送回風方式A。

圖6 玻璃幕墻附近空氣溫度分布

3 結(jié)論

運用數(shù)值模擬方法分析了兩種送回風方式對玻璃幕墻辦公建筑內(nèi)氣流組織的影響，得出如下結(jié)論：

1）送回風方式B下玻璃幕墻辦公建筑內(nèi)氣流混合較為均勻，產(chǎn)生的渦流比送回風方式A的少。

2）送回風方式B下靠近玻璃幕墻側(cè)辦公區(qū)域溫度比送回風方式A下辦公區(qū)域溫度低。

3）送回風方式B比送回風方式A的室內(nèi)溫度分布均勻，整體熱舒適性高，因而送回風方式B要優(yōu)于送回風方式A。

[1]李榮敏,顧建明.玻璃幕墻熱通道內(nèi)氣流組織的模擬與分析[J].暖通空調(diào),2007,37(1):23-28

[2]岑顯榮,詹杰民,楊仕超,等.雙層玻璃幕墻的CFD模擬與設(shè)計優(yōu)化[J].中山大學學報,2008,47(2):18-21

[3]陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008

[4]鄭愛平.空氣調(diào)節(jié)工程[M].北京:科學出版社,2002

Effe c t of Air Supply Mode on Indoor Air Dis tribution of Offic e Building w ith Gla s s Curta in Wa ll

ZENG Jun-yong1,ZHONG Jian2,TANG Tie-jun2,LI Chang2,JIANG Chang-wei1
1 College of Energy and Power Engineering,Changsha University of Science and Technology
2 Second Construction Engineering Co.Ltd.,Bureau 3 of CSCEC

Combined with a practical project,the airflow organization in office building with glass curtain wall in two kinds of air supply modes were simulated and analyzed.Two kinds of air supply modes are middle air supply(air supply mode A)and both sides air supply(air supply mode B),respectively.The simulation results of flow field and temperature field on the office building with glass curtain wall are analyzed and compared within the two kinds of air supply modes. The results show that the air supply mode B can significantly reduces the office zone temperature near glass curtain wall and improves overall thermal comfort of office district.

air supply mode,air distribution,glass curtain wall,numerical simulation

1003-0344（2015）01-042-3

2013-12-23

姜昌偉（1973～），男，博士，教授；湖南省長沙市雨花區(qū)萬家麗南路2段960號長沙理工大學能源與動力工程學院（410004）；E-mail:cw.jiang@163.com