基于CFD數(shù)值模擬的圖書館門廳中庭室內(nèi)熱環(huán)境分析與優(yōu)化

許伊那 黃璞潔 李艷霞

(華南理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院，廣東 廣州 510640)

1 概述

門廳、走道、序廳等人員短暫停留的過渡區(qū)域空間，為了滿足人體從室外進(jìn)入室內(nèi)的環(huán)境適應(yīng)性，從節(jié)能角度考慮，往往無需按照最大冷負(fù)荷來設(shè)計空調(diào)系統(tǒng)。有很多文章從滿足人體舒適性角度，通過調(diào)低空調(diào)計算冷負(fù)荷、減少新風(fēng)量等手段，達(dá)到節(jié)能目的[1]。對此類過渡區(qū)域大空間的空調(diào)室內(nèi)環(huán)境變化，可以通過計算流體力學(xué)(CFD)軟件進(jìn)行模擬分析。

CFD通過輸入邊界條件參數(shù)，可以動態(tài)模擬流體場、溫度場及濕度變化過程。CFD模擬在室外熱環(huán)境模擬中已經(jīng)有了成熟的應(yīng)用[2]，在室內(nèi)熱環(huán)境模擬領(lǐng)域也有長足發(fā)展[3]。

2 工程概況

本工程位于北回歸線以南，屬熱帶季風(fēng)氣候，圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要考慮夏季防熱，兼顧冬季保溫，空調(diào)系統(tǒng)主要以夏季制冷為主。根據(jù)該建筑特性、地區(qū)特點，在中央空調(diào)系統(tǒng)上做了針對性的設(shè)計。

圖書館門廳中庭占地面積1 345.8 m2，凈高約25 m。鴻業(yè)負(fù)荷軟件計算，該區(qū)域空調(diào)冷負(fù)荷為230 kW。圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱:東玻璃幕墻傳熱量為50 W/m2，屋頂天窗傳熱量為200 W/m2,地面?zhèn)鳠崃?0 W/m2；室內(nèi)空調(diào)送風(fēng)量為40 000 m3/h。該區(qū)域?qū)儆诖罂臻g送風(fēng)制冷，采用分層空調(diào)，送風(fēng)口位于距地面11 m高度東西兩側(cè)墻上，采用球形噴射風(fēng)口，風(fēng)口角度垂直向下45°；單層百葉回風(fēng)口位于2 m高度西側(cè)墻，回風(fēng)口尺寸500 mm×3 000 mm。

3 模擬計算

本文采用FLUENT模擬軟件進(jìn)行計算。

3.1 建立求解模型

建立模型需要用到“流動控制方程為N-S方程，紊流模型使用RNG k-ε兩方程湍流模型，能量方程。采用有限容積法離散計算區(qū)域，動量方程在交錯網(wǎng)格上求解,近壁區(qū)采用壁面函數(shù)法考慮墻壁邊界條件，使用混合差分格式,速度—壓力耦合采用SIMPLE算法[4]?！?/p>

3.2 初始條件設(shè)置

根據(jù)本工程負(fù)荷計算結(jié)果設(shè)置初始條件。送風(fēng)口送風(fēng)溫度均為290 K(≈17 ℃)，豎直墻面送風(fēng)口風(fēng)速為12 m/s，弧形墻面送風(fēng)口風(fēng)速為11 m/s；回風(fēng)口壓力為-50 Pa，回風(fēng)溫度與室內(nèi)擬設(shè)定溫度一致300 K(≈27 ℃)；屋面考慮輻射傳熱量為200 W/m2，弧形墻面溫差傳熱為50 W/m2，地面?zhèn)鳠釣?0 W/m2，其他墻面按內(nèi)墻考慮，假設(shè)與室內(nèi)大空間無熱交換。

各種參數(shù)設(shè)定完成，初始化后設(shè)定計算迭代次數(shù)，進(jìn)行模擬計算。

4 計算結(jié)果與分析

FLUENT模擬計算收斂，通過創(chuàng)建觀察平面能直觀展現(xiàn)考察區(qū)域的計算結(jié)果。考慮室內(nèi)人員站立高度，主要活動區(qū)域為計算域中部2 m以下，分別創(chuàng)建室內(nèi)1.5 m和2 m高度平面，計算域中軸線剖面和豎直墻面風(fēng)口中線剖面。觀察截面溫度場和室內(nèi)氣流分布，并進(jìn)行分析。

有文章提出“對于大空間建筑的舒適性空調(diào)來說,輻射影響有限，相對濕度在較大范圍內(nèi)(30%～70%)變化對人體熱舒適影響不明顯”[5]。本文借鑒上述說法，玻璃幕墻面積相對于外表面積之比較小，且近玻璃幕墻處人員停留時間較短，忽略輻射不均勻性因素帶來的人體不適感。主要從氣流與吹風(fēng)感、垂直方向溫差對人體舒適度的影響兩方面對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行評價，給出建議。

4.1 氣流與吹風(fēng)感對人體舒適度的影響

室內(nèi)1.5 m高度平面溫度場云圖見圖1。由圖1可見，室內(nèi)主要活動區(qū)溫度在299 K～301 K(26 ℃～28 ℃)之間，符合人體舒適度要求，具有較舒適的溫度場，能為使用人員提供優(yōu)良的室內(nèi)環(huán)境。其中，東部玻璃幕墻附近溫度偏高，室溫在303 K(30 ℃)左右，最高溫度達(dá)305 K(32 ℃)，模擬結(jié)果符合玻璃幕墻傳熱的實際情況，但由于該區(qū)域?qū)儆陂T廳入口，人員停留時間不長，對室內(nèi)主要使用區(qū)域的人員舒適度影響不大。門廳作為一個聯(lián)通室內(nèi)外的區(qū)域，室內(nèi)溫度不可太低，否則易造成忽冷忽熱的不舒適感，從入口到室內(nèi)溫度逐漸降低，正好符合人體熱舒適度的適應(yīng)性。建議在入口處設(shè)置空氣幕簾，減少冷空氣外泄。

室內(nèi)1.5 m高度平面氣流分布箭圖見圖2。我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[6]：二級舒適度指標(biāo)，冬季室內(nèi)風(fēng)速不應(yīng)大于0.2 m/s，夏季不應(yīng)大于0.3 m/s。由圖2可知，室內(nèi)中部A點氣流速度約為0.6 m/s，可能會出現(xiàn)冷吹風(fēng)感，而B點風(fēng)速小于0.1 m/s，人體感覺可能較熱?，F(xiàn)對室內(nèi)風(fēng)速最高點A點與風(fēng)速最低點B點作氣流分析。

人體在空調(diào)房間內(nèi)常見的不滿是有吹風(fēng)感。吹風(fēng)感是由于室內(nèi)空氣溫度和風(fēng)速(房間濕度和輻射溫度假定不變)引起的人體局部地方有冷感，從而導(dǎo)致不舒服的感覺。美國ASHRAE用有效吹風(fēng)溫度來判斷是否有吹風(fēng)感，定義式為：

θ=(tx-tr)-7.8(vx-0.15)。

其中，θ為有效吹風(fēng)溫度，℃；tx,tr分別為室內(nèi)某地點溫度和室內(nèi)平均溫度，℃；vx為室內(nèi)某地點的風(fēng)速，m/s。

對于辦公環(huán)境，當(dāng)θ在-1.7 ℃～1.1 ℃，vx<0.35 m/s時，大多數(shù)人感覺是舒適的，小于下限時有冷吹風(fēng)感。

對于A點θ計算值為-2.5，人體有冷吹風(fēng)感；B點θ計算值為2.11，A點、B點處均達(dá)不到室內(nèi)優(yōu)良?xì)饬鹘M織要求，需采取必要措施。建議采用可調(diào)節(jié)氣流噴射角度風(fēng)口，并相應(yīng)調(diào)整橫向噴射角度，使B點附近區(qū)域加強(qiáng)通風(fēng)，A點附近區(qū)域流場減弱。

4.2 垂直方向溫差對人體舒適度的影響

計算域中軸線剖面溫度場云圖見圖3。由計算結(jié)果可知，以送風(fēng)口作為分界面,將空間在垂直方向分為空調(diào)區(qū)域和非空調(diào)區(qū)域，11 m以下空間溫度在26 ℃～30 ℃之間，基本滿足要求；11 m以上空間由于頂部受太陽輻射較強(qiáng)，溫度偏高，但不至于影響室內(nèi)熱舒適感，建議屋面采用傳熱系數(shù)較小的建筑材料，提高屋面熱阻，達(dá)到隔熱效果。

在東側(cè)玻璃幕墻11 m高度，回風(fēng)口附近的區(qū)域形成一個冷氣團(tuán)，溫度為25 ℃左右，但下方人員活動區(qū)域溫度偏高。

二層平臺溫度偏高，接近30 ℃，建議在二層頂部增加冷空氣送風(fēng)口。

考察室內(nèi)垂直方向溫差對人體舒適度的影響。根據(jù)ASHRAE 55—2013[7]舒適標(biāo)準(zhǔn)中夏季的舒適區(qū)為：t0=22.5 ℃～25.5 ℃(t0為室內(nèi)溫度)，tdp=16.8 ℃(tdp為露點溫度)；夏季平均風(fēng)速不大于0.20 m/s；大理石地板的垂直空氣溫差t1.7-t0.1≤1.5 ℃。

對中軸線剖面空間點進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)提取。現(xiàn)以豎直墻面為橫坐標(biāo)0點，將該截面平均分為5段，每段空間間隔7 m，分別提取分界線處距地面0.1 m和1.7 m空間點溫度數(shù)值，列表如表1所示。

表1 中軸線剖面空間各點溫度數(shù)據(jù)表

根據(jù)表1數(shù)據(jù)列線性圖如圖4所示。

由圖4可知，室內(nèi)主要使用區(qū)域(0 m～28 m橫向區(qū)域)溫度波動很小，溫度值在27 ℃～29 ℃之間，有良好的室內(nèi)溫度環(huán)境。28 m區(qū)域位于冷空氣射流背面，氣流擾動較小，近玻璃幕墻處溫度升高，但不影響室內(nèi)主要使用區(qū)域舒適度。室內(nèi)中軸線處垂直空氣溫差t1.7-t0.1<1.5 ℃，符合ASHRAE對室內(nèi)溫度與溫差的標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

本文通過CFD技術(shù)與HVAC設(shè)計的結(jié)合，對某圖書館門廳中庭空調(diào)夏季工況及對人體舒適度的影響做了分析。室溫基本滿足人體舒適度要求，室溫分布滿足人體在過渡區(qū)自我調(diào)節(jié)的舒適度要求，室內(nèi)主要使用區(qū)域溫度波動范圍較小，溫度場分布均勻，垂直方向溫差符合要求。但仍存在如下問題：

1)室內(nèi)主要活動區(qū)域出現(xiàn)冷吹風(fēng)感，一定程度上影響室內(nèi)人員熱舒適感，建議調(diào)整風(fēng)口角度，使氣流在室內(nèi)分布更加均勻。

2)室內(nèi)上部空間溫度較高，屋面附近尤為嚴(yán)重，建議采用傳熱系數(shù)較小的屋面構(gòu)造。

3)二層平臺溫度過高，建議在二層頂部增加空調(diào)送風(fēng)口。

本圖書館已投入使用多年，據(jù)使用人員反饋，對空調(diào)系統(tǒng)夏季空調(diào)效果較為滿意。說明根據(jù)上述建議修改，室內(nèi)空調(diào)環(huán)境獲得了更優(yōu)良的效果。