高大中庭室內(nèi)熱環(huán)境的優(yōu)化模擬分析

李晨玉 曾 剛 金?？?謝孟曉 王 健,

高大中庭室內(nèi)熱環(huán)境的優(yōu)化模擬分析

李晨玉1曾 剛1金?？?謝孟曉2王 健1,2

（1.同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司 上海 200092；2.同濟大學 上海 200092）

針對大型公共建筑高大中庭夏季供冷出現(xiàn)的頂部溫度過高、底部溫度過低現(xiàn)象，結合中庭自身特點提出三種空調(diào)送風方案，并利用計算流體力學法（CFD）綜合考慮溫度和風速兩種控制目標，優(yōu)化高大中庭及周邊區(qū)域室內(nèi)熱環(huán)境，滿足熱舒適的同時利于節(jié)能。

高大中庭；熱環(huán)境；空調(diào)系統(tǒng)；氣流組織；CFD模擬

0 引言

高大中庭作為一種豐富室內(nèi)空間、改善內(nèi)區(qū)采光和通風的公共空間，被廣泛應用于辦公、商業(yè)、醫(yī)療等建筑類型中。高大中庭體量大、空間復雜、大面積采用玻璃幕墻或天窗，造成中庭垂直溫度梯度過大、溫度和風速難以同時滿足控制要求、太陽輻射對熱環(huán)境的影響較大等問題[1-3]。

高大中庭功能、形體的特殊性和復雜性使得傳統(tǒng)的設計方法很難對上述問題提出有據(jù)可依的解決方案，CFD數(shù)值模擬法較現(xiàn)場實測、風洞試驗等方法具有快速簡便、準確有效、成本較低等優(yōu)點，受到廣泛認可并被大量應用的工程實踐中[4,5]。

本文以浙江某具有高大中庭的辦公建筑為例，利用計算流體力學（CFD）方法對中庭室內(nèi)熱環(huán)境進行優(yōu)化模擬分析，結合中庭自身特點，為解決上述問題提出合理建議。

1 項目概況

1.1 中庭概況

某辦公建筑位于浙江省杭州市，為豐富室內(nèi)空間及改善內(nèi)區(qū)采光和通風，2層～12層設置有通至屋面的采光中庭（中庭總高：約39m～73m）。頂部均為采光玻璃（天窗），地面層為人員活動區(qū)。中庭通過共享空間與各層辦公區(qū)連通，中庭與共享空間（或辦公區(qū)）之間無封閉的物理隔斷；3～12層西側每層設有回廊，5、7、9、11層東側設有連廊。中庭及周邊共享空間平面圖詳見圖1。

圖1 中庭及周邊共享區(qū)各層平面圖

1.2 空調(diào)系統(tǒng)概況

高大中庭底部和頂部分別設置全空氣定風量系統(tǒng)，西側幕墻下設置落地式風機盤管；共享區(qū)分層設置全空氣變風量系統(tǒng)（VAV）。2層地面風機盤管夏季送風溫度16℃，冬季送風溫度30℃；2層共享區(qū)夏季送風溫度15℃，冬季送風溫度25℃；3～12層共享區(qū)、回廊及連廊夏季送風溫度15℃，冬季送風溫度15℃。共享區(qū)空調(diào)氣流組織形式及風口布置詳見圖2。

圖2 共享區(qū)空調(diào)氣流組織形式及風口布置

2 評價標準

2.1 標準要求

根據(jù)《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》GB 50736-2012中“3.0.2舒適性空調(diào)室內(nèi)設計參數(shù)應符合以下規(guī)定：

（1）人員長期逗留區(qū)域空調(diào)室內(nèi)設計參數(shù)應符合表1（規(guī)范表3.0.2）的規(guī)定：

（2）人員短期逗留區(qū)域空調(diào)供冷工況室內(nèi)設計參數(shù)宜比長期逗留區(qū)域提高1℃～2℃，供熱工況宜降低1℃～2℃。短期逗留區(qū)域供冷工況風速不宜大于0.5m/s，供熱工況風速不宜大于0.3m/s?！盵6]

表1 人員長期逗留區(qū)域空調(diào)室內(nèi)設計參數(shù)

2.2 設計要求及目標

高大中庭與各層周邊共享區(qū)、辦公區(qū)連通，若中庭頂部過熱，熱氣會擴散至周邊共享區(qū)和辦公區(qū)，降低熱舒適性，故在人員活動區(qū)滿足設計要求的同時，頂部的溫度也必須進行控制。同時，熱舒適度不僅與溫度有關，室內(nèi)空氣流動在一定程度上會加快人體的對流散熱和蒸發(fā)散熱，提供冷卻效果，但風速過大會導致吹風感強烈，不利于舒適性[7]。綜上，確定高大中庭及周邊功能區(qū)的室內(nèi)設計要求及目標，如表2所示。

表2 高大中庭室內(nèi)溫度、風速控制目標

3 模擬區(qū)域及工況確定

3.1 模型簡化策略

因中庭與共享區(qū)相連通，難以分割，故模擬區(qū)域定義為中庭及其周邊共享區(qū)。但共享區(qū)空調(diào)系統(tǒng)方案不變，僅研究中庭空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化對中庭及其周邊熱環(huán)境的影響。

因中庭與周邊辦公區(qū)連通，將中庭模型簡化：假設與周邊辦公區(qū)有絕熱的物理封閉隔斷。

考慮中庭與各層辦公區(qū)之間的熱質(zhì)交換：將以上物理封閉隔斷設為速度邊界，保證中庭與周邊辦公區(qū)之間的空氣流動和風量平衡，風速按風量平衡計算確定；周邊共享區(qū)、辦公區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)均開啟，且均達到室內(nèi)設計溫度（夏季25℃、冬季20℃）。

太陽輻射透過天窗和玻璃幕墻到達人員活動區(qū)，考慮太陽輻射對中庭熱環(huán)境的影響：太陽輻射取《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》夏季/冬季日平均溫度最高/最低那一日太陽輻射量最高那一時刻的太陽輻射量、太陽高度角和方位角[8]。

3.2 模擬方案與工況

共享區(qū)空調(diào)系統(tǒng)方案不變，僅研究中庭空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化對中庭及其周邊熱環(huán)境的影響。中庭空調(diào)系統(tǒng)方案及模擬工況詳見表3、表4。

表3 中庭空調(diào)系統(tǒng)方案及模擬工況

注：方案二、方案三冬季也均不開啟中庭上部空調(diào)系統(tǒng)，故方案二、方案三的冬季工況和方案一的冬季工況完全相同。

表4 各工況太陽輻射、內(nèi)熱源啟閉情況

空調(diào)方案一：中庭底層（人員活動區(qū)）設置空調(diào)送風系統(tǒng)（夏季送風溫度16℃，冬季送風溫度25℃）。中庭頂部設置排風系統(tǒng)（平衡大樓空調(diào)新風）。中庭上部區(qū)域不設置空調(diào)送風系統(tǒng)，考慮通過排風將中庭上部的熱量帶走。

空調(diào)方案二：中庭底層（人員活動區(qū)）設置空調(diào)送風系統(tǒng)（夏季送風溫度18℃，冬季送風溫度25℃）。中庭頂部設置排風系統(tǒng)（平衡大樓空調(diào)新風）。中庭上部區(qū)域增加空調(diào)送風系統(tǒng)，夏季送冷風降溫（16℃），冬季不送風?？紤]空調(diào)冷風會自然下沉，中庭上部區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)的送風口集中設置在12F和設備層。

空調(diào)方案三：中庭底層（人員活動區(qū)）設置空調(diào)送風系統(tǒng)（夏季送風溫度18℃，冬季送風溫度25℃）。中庭頂部設置排風系統(tǒng)（平衡大樓空調(diào)新風）。中庭上部區(qū)域增加空調(diào)送風系統(tǒng)，夏季送冷風降溫（16℃），冬季不送風。中庭上部區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)的送風口均勻設置在8F～設備層，送風量按倒金字塔分配。

中庭三種空調(diào)方案示意圖如圖3所示。

圖3 中庭三種空調(diào)方案示意圖

4 技術路線

4.1 模擬軟件

CD-adapco公司的商用CFD軟件STAR- CCM+，其獨特的架構使其具有穩(wěn)定、超高精度-時間比的特點，在汽車、航運等不同領域均有廣泛使用和認可，并且在建筑環(huán)境領域有越來越多的應用。

4.2 幾何模型

根據(jù)建筑、暖通專業(yè)圖紙建立詳細的中庭及周邊共享區(qū)三種空調(diào)系統(tǒng)方案的模型，如圖4所示。

圖4 中庭及周邊共享區(qū)三種空調(diào)系統(tǒng)方案模型圖

4.3 數(shù)學模型與邊界條件

模擬過程中，為簡化問題，數(shù)學模型與邊界條件做出如下假設：

（1）中庭內(nèi)空氣不可壓縮且符合Bossinesq假設；

（2）空氣流動為穩(wěn)態(tài)湍流；

（3）室內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)；

（4）不考慮漏風影響，認為室內(nèi)氣密性良好；

（5）采用較基礎模型改進的RNG-兩方程模型，速度與壓力耦合采用PISO算法；

（6）求解區(qū)域的離散采用控制容積法，控制體積為多面體；

（7）送風口設定為速度進口型邊界，回風口設定為速度出口型邊界，對于圍護結構壁面及地面速度分量均采用無滑移邊界條件，即壁面速度分量為零。

4.4 參數(shù)設置

4.4.1 壁面邊界條件

浙江省杭州市冬季空調(diào)室外計算干球溫度-2.4℃，室內(nèi)設計溫度為20℃；夏季空調(diào)室外計算干球溫度35.6℃，室內(nèi)設計溫度為26℃。

表5 壁面邊界條件

中庭圍護結構熱工參數(shù)根據(jù)本項目節(jié)能計算書確定，屋面?zhèn)鳠嵯到y(tǒng)為0.22W/m2·K，幕墻傳熱系數(shù)為0.24W/m2·K，屋頂天窗傳熱系數(shù)為2.40W/m2·K，太陽輻射參數(shù)根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》夏季、冬季日平均溫度最高、最低那一日的最高太陽輻射量確定[8]。壁面邊界條件詳見表5。

4.4.2 室內(nèi)負荷

根據(jù)暖通設計，中庭及其周邊共享區(qū)的室內(nèi)負荷主要為照明、設備、人員散熱，室內(nèi)各項負荷及總負荷詳見表6。

表6 室內(nèi)各項負荷及總負荷

注：將室內(nèi)負荷發(fā)熱量設置在中庭地面和各層共享區(qū)、回廊及連廊地面上。

5 模擬結果與分析

5.1 空調(diào)方案一

5.1.1 工況1-1

工況1-1溫度分布：5F以上中庭平均溫度>27℃，共享區(qū)溫度高達29.0℃以上，不滿足夏季≯27℃的控制目標，11～12F的共享區(qū)溫度偏高，人員舒適感很差。其中連廊及回廊3F～7F溫度基本滿足要求，7F以上溫度不滿足夏季≯27℃的控制目標，11F溫度達到30℃左右。

工況1-1風速分布：3F～12F平均風速均接近0.20m/s的控制目標；風速最大的2F超過控制目標 0.25m/s。

5.1.2 工況1-2

工況1-2溫度分布：中庭底部區(qū)域溫度≮18℃，中庭上部周邊共享區(qū)溫度≯24℃，滿足控制目標要求；各層溫度均在22.8℃左右，人員舒適感好。其中連廊及回廊3F～12F溫度滿足要求，11～12F的回廊和連廊溫度22.8℃左右，滿足冬季≯24℃的控制目標，人員舒適感較好。

工況1-2風速分布：中庭3F～12F平均風速均接近0.20m/s的控制目標；風速最大的2F超過控制目標0.12m/s。其中連廊3F～12平均風速均滿足要求，11F連廊最高風速為0.15m/s。

5.1.3 工況1-3

工況1-3溫度分布：中庭上部周邊共享區(qū)溫度>24℃，不滿足控制目標要求；各層溫度均在25.0℃以上，人員體感偏熱。其中連廊及回廊3F～12F溫度整體較高，維持在24℃以上，不滿足要求；11F連廊溫度26℃左右。

工況1-3風速分布：中庭2F～12F平均風速均接近0.20m/s的控制目標；風速最大的12F超過控制目標僅0.02m/s。其中連廊及回廊3F～7F平均風速基本滿足要求，9F和11F部分區(qū)域最高風速為0.31m/s，不滿足要求。

5.2 空調(diào)方案二

工況2-1溫度分布：中庭底部區(qū)域溫度≮23℃，中庭上部周邊共享區(qū)溫度≯27℃，滿足控制目標要求；但11-12F共享區(qū)存在明顯的局部溫度過低，僅22℃左右，人員體感偏冷。其中連廊及回廊3F～12F溫度均滿足要求小于26℃，11～12F的回廊和連廊溫度均小于26℃，滿足夏季≯27℃的控制目標，人員舒適感較好。

工況2-1風速分布：中庭2F～11F平均風速均滿足≤0.30m/s的控制目標；僅12F超過控制目標0.08m/s。其中連廊及回廊3F～12F平均風速滿足要求，7F風速最大為0.27m/s，也滿足要求。

5.3 空調(diào)方案三

工況3-1溫度分布：中庭底部區(qū)域溫度≮23℃，中庭上部周邊共享區(qū)溫度≯27℃，滿足控制目標要求；且11-12F共享區(qū)溫度較為均勻，不存在明顯的局部溫度過低。其中連廊及回廊3F～12F溫度均滿足要求不大于27℃，11～12F的回廊和連廊溫度均小于26℃，滿足夏季≯27℃的控制目標，人員舒適感較好。

工況3-1風速分布：中庭2F～11F平均風速均滿足≤0.30m/s的控制目標；僅12F超過控制目標0.04m/s。其中連廊及回廊3F～12F平均風速基本滿足要求，5F連廊局部區(qū)域風速最大為0.37m/s，不滿足要求。

5.4 小結

各工況模擬結果詳見表7。

表7 各工況模擬結果匯總

對于夏季工況：

（1）方案一：5F以上中庭平均溫度≥27.2℃，11～12F的共享區(qū)溫度高達29.0℃以上，不滿足控制目標，人員舒適感很差。故方案一基本排除，不再參與后續(xù)比選。

（2）方案二、方案三比較：

方案二、方案三均能滿足控制目標要求，且兩個方案3F～10F的共享區(qū)的溫度均在24.6℃～25.1區(qū)間；故對于3F～10F共享區(qū)的舒適度，方案三和方案二相當；

方案二的11-12F共享區(qū)存在明顯的局部溫度過低，而方案三11-12F共享區(qū)不存在明顯的局部溫度過低；故對于11-12F共享區(qū)的舒適度，方案三優(yōu)于方案二；

方案二的12F平均風速為0.38m/s，高于方案三12F的平均風速0.34m/s，對于風速控制，方案三優(yōu)于方案二；

方案二無法實現(xiàn)3F～10F的共享區(qū)、11～12F的回廊和連廊、11-12F共享區(qū)均達到較好舒適性。

方案二的中庭頂部溫度為34.0℃低于方案三中庭的頂部溫度36.0℃，方案二通過排風帶走的熱量小于方案三，空調(diào)方案二的節(jié)能性不如方案三。

（3）空調(diào)方案三優(yōu)于方案二，更優(yōu)于方案一；采用空調(diào)方案三可有效改善夏季中庭的溫度分層，避免中庭上部溫度過高及局部共享區(qū)過冷，可實現(xiàn)3F～10F的共享區(qū)、11～12F的回廊和連廊、11-12F共享區(qū)均達到較好舒適性。

對于冬季工況：

冬季中庭內(nèi)溫度分布受不同空調(diào)方案影響較小，垂直方向溫度均較為均勻。考慮太陽輻射影響時，中庭整體溫升在2.5℃左右。

6 結論

利用數(shù)值模擬的方法，研究分析了三種空調(diào)送風方案在某高大中庭建筑中氣流組織效果，為高大中庭建筑中的送風、回風和排風方案的設計與運行提供了參考，并得到以下主要結論。

夏季、冬季考慮太陽輻射影響時，中庭整體溫升均在2.5℃左右；夏季中庭垂直溫度梯度受太陽輻射影響更大，考慮太陽輻射時梯度顯著加強；冬季受太陽輻射影響較小，太陽輻射考慮與否中庭垂直方向溫度均較為均勻。

當高大中庭僅下部送風+頂部排風時，夏季中庭垂直溫度梯度過大，僅底部樓層溫度滿足控制要求，以上各層溫度均過高，人員舒適性很差；當高大中庭下部送風+頂層集中送風+頂部排風時，明顯改善夏季中庭垂直溫度梯度過大問題，溫度分布趨于均勻，但集中送風造成底層和頂層局部區(qū)域溫度過低、風速過大，不利于人員舒適性；當高大中庭下部送風+上部每層均勻送風+頂部排風時，明顯改善夏季中庭垂直溫度梯度過大問題，溫度分布趨于均勻，同時能保證溫度、風速均處于控制范圍內(nèi)，利于人員舒適性，且頂部溫度明顯降低，通過排風帶走的熱量多，更利于節(jié)能。

按規(guī)范和經(jīng)驗設置的空調(diào)系統(tǒng)送風量、送風風速，造成夏季室內(nèi)溫度偏低、風速偏高，冬季室內(nèi)溫度、風速均偏高。需考慮項目實際情況、使用需求，盡量均勻布置送風口、降低送風量、送風風速≤2.0m/s（除噴口），滿足熱舒適的同時利于節(jié)能。

本文所研究的高大中庭建筑還未建設投入使用，不具備現(xiàn)場測試的條件，無法根據(jù)測試結果來驗證CFD模擬結果的準確性。雖存在一定的缺點和不足，但本文的研究思路與成果能為CFD模擬法預測高大中庭內(nèi)氣流組織理論起到一定推動作用，并為設計人員做空調(diào)系統(tǒng)設計時提供一定的參考。

[1] 蔣友娣.基于個性化需求的高大中庭熱舒適性優(yōu)化工程實踐[J].暖通空調(diào),2013,43(11):32-35.

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[4] 楊曉坤.廣州地區(qū)玻璃采光頂建筑熱環(huán)境優(yōu)化研究[D].重慶:重慶大學,2018.

[5] 孫燕.高大中庭空調(diào)氣流組織的數(shù)值模擬研究[D].山東:山東建筑大學,2013.

[6] GB 50736-2012,民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

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Optimization and Simulation Analysis of Thermal Environment in Large Atrium

Li Chenyu1Zeng Gang1Jin Haikui1Xie Mengxiao2Wang Jian1,2

( 1.Architecture Design & Research Institute of Tongji University (Group) Co., Ltd., Shanghai, 200092;2.Tongji University, Shanghai, 200092 )

Aimed at the excessive high temperature at top and excessive low temperature at bottom that occurs in high and large atrium of public buildings during cooling in summer,three air supply schemes are proposed ,combined with the characteristics of the atrium.Temperature and wind speed are considered synthetically by computational fluid dynamics (cfd).Optimize the indoor thermal environment of the large atrium and surrounding areas to meet the thermal comfort and at the same time to save energy.

Large Atrium; Thermal Environment; Air-Conditioning System; Air Distribution; CFD Simulation

TU83

A

1671-6612（2020）02-146-11

李晨玉（1990.5-），女，碩士，工程師，E-mail：402529050@qq.com

王 健（1958.4-），男，碩士，教授級高工，E-mail：wangjiantjad@#edu.cn

2019-06-06