安徽某半開放演出建筑中庭采暖的優(yōu)化研究

史鑫 梁珍

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

本項(xiàng)目屬于開放大空間建筑，對(duì)于中庭類大空間供冷一般采用分層空調(diào)技術(shù)，且效果顯著。但對(duì)于供暖來說，熱氣流上升，空間下部不一定能達(dá)到供暖要求，應(yīng)用分層空調(diào)時(shí)并不能取得很好的節(jié)能效果，因此大空間供暖方案仍然值得探討。而且對(duì)于開放式建筑的研究比較稀少，所以本文以美麗之冠國(guó)際旅游城項(xiàng)目作為研究對(duì)象，探究一種符合其建筑特點(diǎn)的供暖方案，為工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型建立

1.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于安徽省黃山市，建筑總高度23.75 m，屋面不完全封閉，20%開敞，中間格局是有從一層貫穿至頂層通透式的大中庭。中庭內(nèi)部設(shè)有舞臺(tái)、戲水池、水吧等娛樂區(qū)。

1.2 物理模型

由于本建筑中庭空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模擬時(shí)網(wǎng)格數(shù)目較多，故對(duì)物理模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。根據(jù)實(shí)際建筑建立的物理模型如圖1 所示。

圖1 美麗之冠國(guó)際旅游城-W1 號(hào)物理模型

本工程由中國(guó)建筑設(shè)計(jì)院委托設(shè)計(jì)，院方提供總熱負(fù)荷為3121 kW，考慮到輔助供暖設(shè)備的初投資，設(shè)計(jì)采用將2921 kW 的熱負(fù)荷由噴口送風(fēng)承擔(dān)，200 kW的熱負(fù)荷由輔助供暖設(shè)備承擔(dān)，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為22 ℃，由此計(jì)算空調(diào)送風(fēng)量1740960 m3/h，送風(fēng)溫度28 ℃，圖形1 中有一條南北向貫通的通道，距地面6 m處設(shè)有球形噴口，傾角可調(diào)節(jié)。送、排風(fēng)口數(shù)量、位置、規(guī)格見表1。

表1 送、回風(fēng)口數(shù)量規(guī)格

1.3 模型建立條件

流動(dòng)為不可壓縮牛頓粘性的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。符合Boussinesq 假設(shè)。送排風(fēng)口空氣溫度、速度均勻。

1.4 單值性條件的確定

中庭外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和客房相接，定義常壁溫18 ℃，通道定義為壓力出口，溫度18 ℃，屋頂敞開部分與大氣相連定義為壓力出口，溫度0℃，供餐區(qū)是人員集中區(qū)，簡(jiǎn)化成長(zhǎng)方體模型，尺寸50 m（長(zhǎng)度）×20 m（寬度）×1.7 m（高度），定義常壁溫36 ℃。戲水池簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方形，定義常壁溫40 ℃。

2 三種方案的CFD 模擬

2.1 球形噴口側(cè)送風(fēng)+地板輻射邊界條件設(shè)定及模擬結(jié)果分析

噴口尺寸選用Φ0.7m 的球形噴口，采用速度邊界入口條件。地板采用輻射邊界條件，表面輻射溫度按下式計(jì)算[1]：

式中：tpi為地表面平均溫度，℃；tn為室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃；為單位地面面積所需散熱量，W/m2。

選取的工況如表2 所示。

表2 球形噴口側(cè)送風(fēng)+地板輻射工況

圖2 和圖3 分別為Q1 工況下1.5m 高水平面上的速度和溫度分布圖。戲水池側(cè)溫度較高，這是由于戲水池水溫在40 ℃左右，由此導(dǎo)致溫度較其他區(qū)域略高，供餐區(qū)溫度和風(fēng)速較其他區(qū)域高，這是因?yàn)楣┎蛥^(qū)為人員集中區(qū)，所以風(fēng)口布置較密。經(jīng)計(jì)算距地面1.5 m 高處的水平面上平均風(fēng)速約為0.84 m/s，平均溫度為19.2 ℃，風(fēng)速、溫度分布比較均勻，但是風(fēng)速過高。模擬分析Q2 工況得出：距地面1.5 m 高處的水平面上平均風(fēng)速約為1.33 m/s，平均溫度為19.6 ℃，溫、速度分布情況較工況1 大致相同，由于風(fēng)口下傾，導(dǎo)致人員活動(dòng)區(qū)有4 個(gè)明顯的風(fēng)速帶，最大風(fēng)速達(dá)到了2.4 m/s 左右，風(fēng)速分布不均勻。

圖2 Q1 工況1.5 m 處溫度分布（地板輻射）

圖3 Q1 工況1.5 m 處風(fēng)速分布（地板輻射）

分析Q3 工況得出：人員活動(dòng)區(qū)的溫、速度分布情況介于工況1 和工況2 之間，平均風(fēng)速約為1.01 m/s，平均溫度為21.7 ℃，概括采用噴口送風(fēng)+地板輻射在送風(fēng)速度為10 m/s 時(shí)，人員活動(dòng)區(qū)的溫度分布較為均勻，風(fēng)速分布情況Q1 比Q2、Q3 效果要好，Q3 比Q2效果好。平均風(fēng)速隨著噴口角度的增加呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，其原因是由于當(dāng)噴口角度為30°時(shí)氣流送往下部的分速度增加，因此人員活動(dòng)區(qū)的風(fēng)速會(huì)略有提升，但是當(dāng)噴口下傾角為45°時(shí)，由于角度傾斜過大，加劇了與墻體的摩擦，摩擦削弱了氣流的流速，因此送到下部的氣流速度會(huì)相應(yīng)的減少。

2.2 噴口送風(fēng)+燃?xì)廨椛溥吔鐥l件設(shè)定及模擬的結(jié)果分析

輻射采暖是以電磁波的方式傳遞熱量，可提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，室內(nèi)水平方向空氣溫度分布均勻，垂直方向空氣溫度梯度小，能源浪費(fèi)相對(duì)較少。輻射采暖的計(jì)算熱負(fù)荷一般是對(duì)流采暖計(jì)算熱負(fù)荷的80%～85%[2]，或者比對(duì)流采暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度低2～3 ℃[3]。燃?xì)饧t外線輻射采暖系統(tǒng)主要由紅外線輻射、尾氣排放，燃?xì)夤?yīng)，電氣控制和燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)組成。

本工程選取標(biāo)準(zhǔn)正壓U 型燃?xì)饧t外采暖設(shè)備型號(hào)ZD20，每隔10 m 布置一臺(tái)共10 臺(tái)，安裝高度6 m，輻射管表面定義恒壁溫200 ℃。送風(fēng)參數(shù)不變。安裝位置圖如圖4 所示，同樣也是根據(jù)噴口角度分為Q1、Q2、Q3 三種工況。

圖4 燃?xì)廨椛涔馨惭b位置圖

圖5 Q1 工況1.5 m 處風(fēng)速分布（U 型燃?xì)廨椛洌?/p>

圖6 Q1 工況1.5 m 處溫度分布（U 型燃?xì)廨椛洌?/p>

從圖5、圖6 可以看出：采用燃?xì)廨椛漭o助供暖的溫度、速度場(chǎng)沒有地暖均勻，經(jīng)計(jì)算風(fēng)口平送時(shí)距地面1.5 m 高處的水平面上平均溫度約21.4 ℃，平均速度0.91 m/s，傾角30°時(shí)，平均溫度21 ℃，平均速度1.29 m/s，傾角45°時(shí)，平均溫度21.3 ℃，平均速度1 m/s，平均風(fēng)速變化趨勢(shì)和采用地板輻射一致，都是先增大后減小。

2.3 噴口送風(fēng)+瓦楞板踢腳線散熱器邊界條件設(shè)定及模擬結(jié)果分析

鑄鐵散熱器是我國(guó)使用時(shí)間最長(zhǎng)的一種供暖裝置,因不符合節(jié)能環(huán)保要求，逐步被其他新型散熱器所取代[4]，地板輻射因其舒適度高、節(jié)能以及可以利用低品位能源的優(yōu)點(diǎn)得以在北方地區(qū)大范圍推廣，是公認(rèn)的比較理想的供暖方式[5]。采用散熱器供暖會(huì)影響房間的美觀。而采用地板輻射采暖會(huì)降低層高，瓦楞板踢腳線散熱器外形與踢腳線一樣，如圖7 所示，長(zhǎng)度1 m，厚度只有3 cm，高度1.2 m 左右，中間的瓦楞板形扁管是供暖的水流道，回水管隱藏在扁管下部的支架中，做到了完全隱藏式的設(shè)計(jì)。本身既是踢腳線，同時(shí)又是散熱器，做到了供暖和裝飾的高度結(jié)合。

圖7 瓦楞板踢腳線散熱器

瓦楞板踢腳線散熱器沿中庭一周，布置在墻面踢腳線位置，根據(jù)下式可計(jì)算出散熱器的散熱量[6]：

式中：G 為散熱器中的循環(huán)水量，kg/h；tg為熱媒的進(jìn)口溫度，℃；th為熱媒的出口溫度，℃。

圖8 Q1 工況1.5 m 處溫度分布（瓦楞板散熱器）

圖9 Q1 工況1.5 m 處風(fēng)速分布（瓦楞板散熱器）

根據(jù)規(guī)范可知，散熱器集中供暖系統(tǒng)的供回水宜按75 ℃/50 ℃連續(xù)供暖進(jìn)行設(shè)計(jì)，且供水溫度不宜大于85 ℃，并且供回水的溫差不宜小于20 ℃。設(shè)定散熱器表面的溫度為54 ℃，定壁溫邊界條件。

從圖8、圖9 可以看出采用散熱片輔助供暖的效果同樣沒有地暖均勻，但是和燃?xì)廨椛湎啾?，在送風(fēng)角度為0°即Q1 工況下時(shí)，圖8 要比圖5 更協(xié)調(diào)，高溫區(qū)積聚現(xiàn)象明顯少很多，所以散熱器的供暖性能要強(qiáng)于燃?xì)廨椛?。?jīng)計(jì)算風(fēng)口平送時(shí)距地面1.5 m 高處的水平面上平均溫度約19.2 ℃，平均速度0.84 m/s，傾角30°時(shí)，平均溫度19.6 ℃，平均速度1.33 m/s，傾角45°時(shí)，平均溫度21.7 ℃，平均速度1 m/s，平均風(fēng)速變化趨勢(shì)仍然符合先增大后減小的規(guī)律。

3 熱舒適性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化方案

1）地面輻射輔助采暖方式依賴其覆蓋面廣、布置均勻等特點(diǎn)，供暖效果優(yōu)于燃?xì)廨椛浜蜕崞?/p>

2）在此三種供暖方案下，人員活動(dòng)區(qū)的平均溫度都滿足規(guī)范，但是局部熱量積聚現(xiàn)象較普遍，風(fēng)口平送時(shí)的溫度場(chǎng)比傾斜送風(fēng)時(shí)更加均勻。

3）人員活動(dòng)區(qū)的平均風(fēng)速遠(yuǎn)高于冬季供暖人員活動(dòng)區(qū)的風(fēng)速設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

鑒于以上特點(diǎn)，需要對(duì)風(fēng)口布置以及風(fēng)速進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》對(duì)于噴口送風(fēng)風(fēng)速的規(guī)定，噴口送風(fēng)的最小風(fēng)速不能低于4 m/s，考慮到以上模擬結(jié)果平均風(fēng)速在1 m/s 左右，GB50736 的規(guī)定界限為0.1～0.3 m/s，所以在保證送風(fēng)量不變的情況下，風(fēng)速減小到4 m/s，風(fēng)口直徑相應(yīng)擴(kuò)大到1 m。另外考慮到整個(gè)中庭的熱負(fù)荷主要來自上部敞開空間，將噴口安裝高度提高到中庭中央位置，同時(shí)采用插排布置方式，插排間距2 m，這種插排方案能夠?qū)釟饬鞒浞只旌?，?duì)提高溫度場(chǎng)的均勻性有很好的效果，進(jìn)行重新模擬計(jì)算。由之前的模擬分析可知，采用地暖輔助供暖的效果要優(yōu)于踢腳線散熱器和燃?xì)廨椛洌瑑?yōu)化方案只針對(duì)采用地暖在送風(fēng)角度為0°時(shí)進(jìn)行模擬分析，并通過熱舒適性指標(biāo)PMV-PPD 驗(yàn)證優(yōu)化方案的合理性。

3.2 模擬結(jié)果及分析

從圖10、11 可以看出，將送風(fēng)速度速度調(diào)整為4 m/s，噴口高度適當(dāng)提高之后，人員活動(dòng)區(qū)的平均風(fēng)速、溫度云圖非常均勻，經(jīng)計(jì)算平均風(fēng)速值為0.3 m/s，平均溫度22 ℃已經(jīng)達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，PMV 指標(biāo)為-0.06，所對(duì)應(yīng)的的PPD 值為5.1%，也就是說人群中只有5.1%的個(gè)體在此種送風(fēng)方式下感到不舒適，符合人體的熱舒適性標(biāo)準(zhǔn)。

圖10 距地面1.5 m 處風(fēng)速分布

圖11 距地面1.5 m 處溫度分布

圖12 Y=1 m，Y=4 m 平面溫度云圖

圖13 Y=7 m，Y=10 m 平面溫度云圖

圖14 Y=16 m，Y=19 m 平面溫度云圖

圖12～14 是垂直方向溫度分布剖面圖，將噴口高度提升之后，噴口上部區(qū)域仍然有冷空氣大面積積聚狀況，上部為非人員活動(dòng)區(qū)，這也符合設(shè)計(jì)節(jié)能的特性，噴口平面下部空間冷空氣明顯減少許多，說明噴口送出來的熱空氣對(duì)冷氣流起到一定阻隔作用，類似于空氣幕的效果，給中庭下部空間營(yíng)造一個(gè)較為穩(wěn)定的熱環(huán)境。

4 總結(jié)

本文利用CFD 技術(shù)分別對(duì)噴口送風(fēng)+地暖，噴口送風(fēng)+燃?xì)廨椛洌瑖娍谒惋L(fēng)+散熱片3 種方案9 種工況的氣流組織進(jìn)行了模擬研究，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定本項(xiàng)目采用噴口送風(fēng)+地暖方式，送風(fēng)角度選擇0°，噴口插排布置。為半敞開式建筑供暖系統(tǒng)的選擇提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。同時(shí)，國(guó)內(nèi)對(duì)于踢腳線散熱器以及燃?xì)廨椛鋸?fù)合噴口送風(fēng)供暖的研究比較少，所以本研究也為新型復(fù)合供暖方式提供了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。