深圳某建筑中庭夏季熱環(huán)境的數(shù)值模擬研究

任改霞 龐觀藝 方聰 胡浩文

深圳國(guó)研建筑科技有限公司

0 引言

中庭一般是綜合多種功能而形成的高大空間，它經(jīng)常貫穿多個(gè)樓層，并與各樓層間接或直接相通。在中庭內(nèi)，人們既可以享受到室內(nèi)空間的空氣品質(zhì)，又能感受到中庭營(yíng)造出來(lái)的一種室外空間特有的開敞和自然環(huán)境，目前中庭廣泛被應(yīng)用于商場(chǎng)、辦公樓等公共建筑設(shè)計(jì)中[1-2]。然而，中庭一般體量較大，煙囪效應(yīng)及熱浮力作用會(huì)使其垂直方向溫度梯度變化很大，出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，使得中庭上部偏熱，下部偏冷，影響室內(nèi)的熱舒適性[3]。若想達(dá)到室內(nèi)的全舒適性，就會(huì)帶來(lái)巨大的能耗，中庭的空調(diào)系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)不當(dāng)，常常會(huì)導(dǎo)致巨大的能源浪費(fèi)，因此，對(duì)中庭空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，找到切實(shí)可行的節(jié)能措施就顯得尤為重要。

本文對(duì)深圳某工程建筑中庭的氣流組織進(jìn)行數(shù)值模擬，評(píng)價(jià)中庭的熱環(huán)境。對(duì)該中庭夏季工況，三種不同的空調(diào)送風(fēng)設(shè)計(jì)方案下的氣流組織和熱環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)中庭垂直溫差、各層平均溫度、室內(nèi)風(fēng)速進(jìn)行分析比較，從而確定滿足要求的空調(diào)送風(fēng)方案，為工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值模擬模型

1.1 物理模型

該建筑地上12 層均為商業(yè)用房，地上1 層為中庭大堂，3-12 層為走道，該中庭貫穿整個(gè)建筑，共12 層。每層凈高4.5 m，建筑北側(cè)為玻璃幕墻，設(shè)有可開啟的外窗，中庭頂部為透明玻璃屋頂，其空調(diào)的形式為多聯(lián)機(jī)。

1.2 數(shù)學(xué)模型

本次研究的數(shù)學(xué)模型采用K-ε 模型，對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)的空氣流動(dòng)進(jìn)行如下假設(shè)：

1）假設(shè)空氣流動(dòng)為不可壓縮牛頓粘性流體的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。

2）滿足Bonssinesq 假設(shè)。即認(rèn)為空氣溫度變化僅引起空氣密度的變化，且除密度之外的其他參數(shù)均為常數(shù)；密度僅考慮動(dòng)量方程中與體積力有關(guān)的參數(shù)，其余各項(xiàng)中密度也視為常數(shù)。密度可以表示為：

式中：T 為空氣溫度，K；ρ 為空氣密度；kg/m3；ρ0、T0分別為對(duì)應(yīng)的密度和參考溫度。

3）由于室內(nèi)人員眾多，人員散熱較大，因此將人員符合折算成熱流密度，近似設(shè)置為地面散熱，燈光負(fù)荷設(shè)置為頂面散熱。

在上述簡(jiǎn)化的前提下，室內(nèi)空氣的流動(dòng)受質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒三大定律支配，其通式為：

式中：φ-通用變量，代表u、v、w、T 等求解變量；Γ-廣義擴(kuò)散系數(shù)；S-廣義源項(xiàng)。

1.3 模擬邊界條件

利用CFD 技術(shù)對(duì)空調(diào)房間氣流組織、熱環(huán)境模擬時(shí)，確定合理的邊界條件是保證模擬計(jì)算結(jié)果正確的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本次模擬選取設(shè)計(jì)工況的參數(shù)作為邊界條件，驗(yàn)證該房間在最不利條件下空調(diào)工況的氣流組織設(shè)計(jì)是否滿足熱環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)要求。

中庭大堂及走道計(jì)算區(qū)域的進(jìn)口為速度入口，出口為壓力出口。建筑進(jìn)口風(fēng)速根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑脑O(shè)計(jì)風(fēng)量計(jì)算得出，工況一首層多聯(lián)機(jī)MDV-D71T2/N1-C3（B）風(fēng)速設(shè)置為1.85 m/s，送風(fēng)溫度設(shè)置為19 ℃；標(biāo)準(zhǔn)層MDV-D56 下送風(fēng)風(fēng)速2.78 m/s，送風(fēng)溫度19 ℃；回風(fēng)口均設(shè)置為壓力出口。工況二工況三首層采用MDV-90 多聯(lián)機(jī)，回風(fēng)口為壓力出口。根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算表，選擇14:00 的冷負(fù)荷作為邊界條件，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 室內(nèi)熱環(huán)境邊界設(shè)置

1.4 數(shù)值模擬工況

本次分析模型分別以中庭大堂及走道為依據(jù)，由于項(xiàng)目處于夏熱冬暖地區(qū)，故選取中庭大堂及走道這個(gè)重要功能區(qū)域進(jìn)行夏季空調(diào)氣流組織模擬，冬季工況不作研究。根據(jù)建筑圖紙建立幾何模型。模擬計(jì)算區(qū)域的大小以不影響氣流流動(dòng)為準(zhǔn)。本次模擬分別針對(duì)三種工況進(jìn)行模擬，通過(guò)比較分析，確定滿足熱環(huán)境要求的設(shè)計(jì)方案。如表2 所示：

表2 室內(nèi)氣流組織模擬工況表

計(jì)算區(qū)域具體的幾何模型如圖1 所示：

圖1 中庭大堂及走道3 種工況的幾何模型

本文對(duì)3 種不同的空調(diào)送風(fēng)方案進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，表列出了3 種送風(fēng)方案的模擬工況。模擬工況一：各層送風(fēng)量相等。模擬工況二：首層設(shè)大功率空調(diào)，標(biāo)準(zhǔn)層自然通風(fēng)。模擬工況三：首層設(shè)大功率空調(diào)，標(biāo)準(zhǔn)層窗戶關(guān)閉。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 中庭縱向溫度分析

由于中庭的煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的熱壓，使得室內(nèi)熱空氣有向上流動(dòng)的趨勢(shì)，造成中庭上熱下冷的趨勢(shì)。良好的空調(diào)設(shè)計(jì)方案應(yīng)盡量削弱煙囪效應(yīng)，降低上下樓層的溫差。圖2 為不同模擬工況下夏季中庭縱向溫度分布。

圖2 各工況中庭垂直斷面溫度分布云圖

從圖2 可以看出，中庭在夏季工況一時(shí)，縱向溫度最大值為28 ℃，最小值為23 ℃，垂直溫差為5 ℃，中庭中部區(qū)域和下部區(qū)域室內(nèi)溫度差異較大。工況二、三的縱向溫度分布范圍為23-30 ℃，23-32 ℃。工況二、三垂直溫差分別為7 ℃、9 ℃，通過(guò)比較可得出：工況一可削弱煙囪效應(yīng)，減少垂直溫差。

2.2 各水平溫度分析

計(jì)算在不同模擬工況下，各層1.5 m 處的溫度，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 夏季各層1.5 m 處平均溫度圖

由圖3 可得，在夏季，采用不同的設(shè)計(jì)方案，首層和頂層距離地面1.5 m 處的溫度存在較大不同，中間層距地面1.5 m 處的溫度差異相對(duì)較小。在夏季，工況一各層距地面1.5 m 處的溫度偏離室內(nèi)設(shè)計(jì)值（26 ℃）較小，工況二，三各層距離地面1.5 m 處的室內(nèi)溫度偏離設(shè)計(jì)值較大，工況二頂層由于玻璃屋頂帶來(lái)很大的冷負(fù)荷，導(dǎo)致溫度過(guò)高。工況三由于外窗關(guān)閉及屋頂玻璃屋頂導(dǎo)致8-10 層中庭溫度過(guò)高。因此從各層人員活動(dòng)區(qū)域的平均溫度和各層溫差來(lái)看，工況一為比較好的方案。

2.3 各水平風(fēng)速分析

吹風(fēng)感是空調(diào)室內(nèi)人員常見的不舒適感之一，造成原因是由于人員所處空間的空氣風(fēng)速和溫度未處于人體熱舒適范圍內(nèi)，從而給人以熱不舒適感。建議的舒適標(biāo)準(zhǔn)為：空調(diào)供冷工況室內(nèi)允許最大風(fēng)速約為0.3 m/s。

計(jì)算各層1.5 m 處界面的風(fēng)速，并認(rèn)為距離地面1.5 m 處為人員熱舒適感應(yīng)區(qū)，由于熱壓的作用，首層和頂層最易出現(xiàn)熱不舒適感。

由圖4 可知，在工況一時(shí)，首層和頂層絕大部分區(qū)域風(fēng)速小于0.3 m/s，處于熱舒適標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，僅在風(fēng)口下和少量邊角范圍內(nèi)的風(fēng)速超出標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)有吹風(fēng)感。而工況二、三由于首層采用大功率多聯(lián)機(jī)，首層有較多區(qū)域風(fēng)速大于0.3 m/s，處于熱不舒適區(qū)域。因此從各層人員活動(dòng)區(qū)域的平均風(fēng)速來(lái)看，工況一為比較好的方案。

圖4 夏季各層1.5m 處平均風(fēng)速圖

3 結(jié)論

1）由于中庭的煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的熱壓，使得室內(nèi)熱空氣有向上流動(dòng)的趨勢(shì)，造成中庭上熱下冷的趨勢(shì)，良好的空調(diào)設(shè)計(jì)方案應(yīng)盡量削弱煙囪效應(yīng)。降低上下層的溫差，使中庭內(nèi)各層的溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，使人員活動(dòng)區(qū)域達(dá)到熱舒適要求，可以對(duì)不同的中庭空調(diào)設(shè)計(jì)效果進(jìn)行分析，以確定適合的工程設(shè)計(jì)方案。

2）當(dāng)中庭采用工況二、三時(shí)，首層采用大功率空調(diào)，縱向溫差分別為7 ℃、9 ℃，首層有較多的區(qū)域會(huì)有吹風(fēng)感。

3）當(dāng)采用工況一時(shí)，即各層均設(shè)空調(diào)方案，縱向溫差達(dá)到5 ℃，絕大部分區(qū)域處于熱舒適標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

4）CFD 方法是指導(dǎo)空調(diào)設(shè)計(jì)，預(yù)測(cè)及優(yōu)化氣流組織等的有效方法。