寒冷地區(qū)商業(yè)建筑中庭冬季垂直溫差優(yōu)化研究

劉姵君

阿特金斯顧問（深圳）有限公司

0 引言

針對北方地區(qū)具有高大中庭的商業(yè)建筑，冬季供暖時，經(jīng)常有低樓層過冷、高樓層過熱，導致豎向溫差大，能耗水平高等問題[1]。在設計階段中對中庭熱環(huán)境進行優(yōu)化的手段主要是通過數(shù)值模擬方式來分析不同措施對室內熱環(huán)境及氣流組織的影響，進而提出降低空調能耗的可能性。王龍閣提出了中庭類型高大空間的負荷物理特征，通過CFD 數(shù)值模擬方法來驗證中送下回分層空調方式對全市空調負荷節(jié)能率的影響[2]。孫燕采用FLUENT 軟件驗證分層空調設計方案對空間氣流組織與熱舒適性的影響，同時明確了地板輻射采暖對減小中庭垂直溫度梯度影響[3]。文獻[4-5]通過現(xiàn)場調研實測的方式，反映了中庭高大空間冬季普遍出現(xiàn)的上熱下冷現(xiàn)象，并提出可行的優(yōu)化措施來改善中庭空間的熱環(huán)境現(xiàn)狀。本文結合近年來學者的成果及本文工程實例的研究，梳理了影響中庭垂直溫差的因素，希望通過數(shù)值模擬的手段判斷影響中庭垂直溫差的權重參數(shù)，討論既有建筑中庭熱環(huán)境改善的技術措施。本文作為研究對象的項目是一個位于濟南的地標性商業(yè)購物中心，建筑面積超過35 萬m2，為地下2 層、地上7 層的商業(yè)建筑。同時由于地形南北高差較大，LG/G 層局部空間為半地下空間。本工程主要使用功能為：地下一、二層為設備機房及汽車庫。LG 層、G 層為附屬機房、汽車庫及零售商業(yè)。地上1～5 層為大型商業(yè)，百貨，餐飲，兒童業(yè)態(tài)，室內冰場及影院等。

商業(yè)中庭建筑的中庭溫度梯度研究工作難點在于室外（風速、風壓、溫度）及室內（滲漏風、不同運行工況的風量平衡）等諸多影響參數(shù)所導致的中庭煙囪效應。室內的垂直空氣溫差的定義為室內環(huán)境達到熱穩(wěn)定狀態(tài)后，垂直方向上存在的空氣溫差[6]。本文通過多區(qū)域網(wǎng)路模型CONTAM 軟件與計算流體力學CFD仿真模擬軟件在在計算機上虛擬的做實驗，分析復雜的工程問題，觀察流場內各個位置上的基本物理量（如速度、壓力、溫度等）的分布，希望借助熱壓的負荷轉移效應，重新規(guī)劃各層送風風量、溫度，嘗試改善商業(yè)中庭空間垂直溫差問題，同時提出可行的運行控制策略。

1 模擬工況與邊界條件設定

濟南南靠山地，北鄰黃河，東邊向海，除南側山地外，其余方向皆為平原，各季節(jié)主導風向以東北風為主，冬季平均風速為3.8 m/s，冬季室外設計溫度為-7.7 ℃。本研究根據(jù)JGJ/T 449-2018 民用綠色建筑計算標準中的室外風環(huán)境模擬邊界條件設置的要求[7]，計算后得出目標建筑冬季建筑表面風壓值分布如圖1所示。室外環(huán)境風場作用于目標建筑立面各處的風壓值將作為室內流場模擬的入口滲透邊界輸入?yún)?shù)。建筑滲漏風考量內容包含地下室車庫通道入口、地下室車庫扶梯廳入口、LG 至L2 層顧客主要出入口、屋頂管井及立面幕墻滲漏風。外門開啟及地下室扶梯廳門的開啟狀況，取決于各模擬工況的設定。地下室扶梯廳熱水風幕分布在B1、B2 層，且門斗區(qū)域設置送回風系統(tǒng)，各個入口處的風幕系統(tǒng)與加壓系統(tǒng)，分布在LG、G、L1 層。自屋頂管井流失的熱空氣，其孔隙面積按20 cm2/m2為計算基準，孔隙將平均分布在現(xiàn)有模型屋頂面上。立面幕墻在規(guī)范氣密性能測試條件下前后壓差為10 Pa 時，漏風量為2.0 m3/(m2·h)。實際漏風量是根據(jù)室內熱壓和室外風壓的和，進而通過多區(qū)域網(wǎng)絡模型計算得出冷風是滲透進還是滲透出建筑空間。冬季地板輻射系統(tǒng)地表溫度取30 ℃，走廊區(qū)域人員密度按公共走廊4 m2/人，其余走廊區(qū)域8 m2/人輸入。走廊區(qū)域照明及設備負荷為10 W/m2。目前冬季工況設定餐飲店鋪中的新風吹向中庭，溫度為26 ℃或20 ℃。餐飲時間排油煙風量-補風量=從中庭吸入餐廳的風量，風量將根據(jù)廚房排風的情況進行調整。冬季空調送風溫度按30 ℃設定。太陽輻射量根據(jù)項目能耗模型輸出。

圖1 冬季建筑表面風壓值分布

本研究針對目標建筑可能發(fā)生的運營情況匯總了9 種模擬工況，具體匯總如下：

工況01：非餐飲時間，純熱壓+風壓不補風，餐飲補風量沒有84%，B2、B1、B1M 車庫扶梯未開門，屋頂外門全開，管井頂部設置未封堵洞口（1.1 m2），出入口外門全開，餐飲新風的溫度為26 ℃，高低樓層均30 ℃送風。

工況02：非餐飲時間，純熱壓+風壓不補風，餐飲補風量沒有84%，B2、B1、B1M 車庫扶梯未開門，屋頂外門關閉，管井頂部設置未封堵洞口（1.1 m2），出入口外門關閉，餐飲新風的溫度為26 ℃，高低樓層均30 ℃送風。

工況03：非餐飲時間，純熱壓+風壓不補風，餐飲補風量沒有84%，B2、B1、B1M 車庫扶梯開一扇門，屋頂外門全開，管井頂部設置未封堵洞口（10.98 m2），出入口外門全開，餐飲新風溫度為20 ℃，高低樓層均30 ℃送風。

工況04：非餐飲時間，純熱壓+風壓不補風，餐飲補風量沒有84%，B2、B1、B1M 車庫扶梯未開門，屋頂外門關閉，管井頂部設置未封堵洞口（10.98 m2），出入口外門關閉，餐飲新風溫度為20 ℃，高低樓層均30 ℃送風。

工況1：餐飲時間，最不利情況，餐飲補風量達到84%，B2、B1、B1M 車庫扶梯開一扇門，屋頂外門全開，管井頂部設置未封堵洞口（10.98 m2），出入口外門全開，餐飲新風溫度為20 ℃，高低樓層均30 ℃送風。

工況2：餐飲時間，接近實際情況，餐飲補風量達到84%，B2、B1、B1M 車庫扶梯開一扇門，屋頂外門半開，管井頂部設置未封堵洞口（10.98 m2），出入口外門半開，餐飲新風溫度為20 ℃，高低樓層均30 ℃送風。

工況3：餐飲時間，空調優(yōu)化工況，餐飲補風量達到84%，B2、B1、B1M 車庫扶梯開一扇門，屋頂外門半開，管井頂部設置未封堵洞口（10.98 m2），出入口外門半開，餐飲新風溫度為20 ℃，L4-L5 層AHU 及PAU全部關閉。L2-L3 層PAU 關閉，AHU20%新風，送風溫度30 ℃。LG-1F 低樓層商鋪PAU 新風全開，公共區(qū)AHU 新風20%，送風溫度35 ℃。

工況4：餐飲時間，空調優(yōu)化工況，餐飲補風量達到84%，B2、B1、B1M 車庫扶梯開一扇門，屋頂外門半開，管井頂部設置未封堵洞口（10.98 m2），出入口外門半開，餐飲新風溫度為20 ℃，L2～L5 層AHU 及PAU全開，AHU 新風20%，L4-L5 送風溫度20℃，L2-L3 送風溫度30 ℃。LG～1F 層AHU 及PAU 全開，AHU 新風50%，送風溫度30 ℃。門斗區(qū)域風機送30 ℃新風（室外風抽入加熱至30 ℃，送入門斗）。

工況5：餐飲時間，空調優(yōu)化工況，餐飲補風量達到84%，B2、B1、B1M 車庫扶梯開一扇門，屋頂外門關閉，管井頂部設置未封堵洞口（10.98 m2），出入口外門半開，餐飲新風溫度為20 ℃，L2～L5 層AHU 及PAU全開，AHU 新風20%，L4-L5 送風溫度20 ℃，L2-L3 送風溫度30 ℃。LG～1F 層AHU 及PAU 全開，AHU 新風50%，送風溫度30 ℃。門斗區(qū)域風機送30 ℃新風（室外風抽入加熱至30 ℃，送入門斗）。

2 各工況滲漏風量結果分析

本研究以美國 NIST（National Institute of Standards and Technology）所發(fā)展的多區(qū)域網(wǎng)路模型CONTAM 作為分析工具，得出個別空間的室內外壓差值，當高樓層室內外壓差為正壓差時，室內熱空氣會從縫隙、孔洞滲漏出。低樓層室內外壓差為負壓差時，冬季室外冷空氣會從圍護結構縫隙、商場進出口侵入室內。本研究除了考慮室外風環(huán)境對各個出入口處形成的風壓外，建筑的風量滲透還需考慮建筑內部通風空調系統(tǒng)的風平衡。本研究設定非餐飲時間，餐飲店鋪中的新風吹向中庭，計算模型設定由空調系統(tǒng)原因進入中庭的新風量為商鋪和步行走廊的新風。餐飲時間排油煙風量-補風量=從中庭吸入餐廳的風量，風量將根據(jù)廚房排風的情況進行調整。

在非餐飲時段，工況0-3/4 模擬屋頂管井縫隙實際施工水平，管井熱風外泄風量在20～26 萬m3/h 之間。工況0-1/3 模擬屋頂對外門、通道、商鋪門敞開，熱風外泄量約為24 萬m3/h。工況0-2/4 模擬所有顧客出入口全部關閉，冷風侵入量非常少，說明加強出入口氣密性十分重要。屋頂管井縫隙大，不僅導致頂部熱空氣散失多，還加劇低樓層冷風滲透進入室內空間。純熱壓工況下，如出入口門全開，冬季中庭冷風侵入量在60 萬m3/h 上下。幕墻滲漏風總體上是熱空氣向室外泄出，出入口關閉時，煙囪效應弱，故工況0-2/4 幕墻熱風滲漏較小，但基本都在10 萬m3/h 左右。詳細的非餐飲時段滲透風量模擬數(shù)據(jù)匯總如表1，其冷風侵入及熱風散失量分項數(shù)據(jù)如圖2 所示。

圖2 冷風侵入及熱風散失量分析（非餐飲時段）

表1 出入口及管井滲透風量匯總（非餐飲時段）

在餐飲時段，工況1、2～4、5 模擬屋頂對外門、通道、商鋪門敞開/半開/關閉工況，熱風外泄量有較大差別。工況4、5 模擬了暖通改善措施后的效果，可以看出冷風的侵入量有明顯減少。工況1 由于屋頂門全開，故熱風散失量大。工況2 與4 差別在于一個是接近實際工況，一個是有暖通措施的改善工況，兩者比較，冷風總侵入量減少了近5 萬m3/h，但由于工況4 增大了中庭新風量，故屋頂熱風散失也略大。工況3 為其中一種暖通措施的改善工況，但模擬結果反而是冷風侵入更多。工況5 條件與工況4 接近，區(qū)別在于屋頂門全關和半開，可以發(fā)現(xiàn)屋頂門全關時，可減輕低區(qū)出入口的冷風侵入，此結果表明屋頂外門氣密性管理的重要性。其中，工況4、5 付出的代價是需多加熱室外新風6萬m3/h 送至中庭低樓層。詳細的餐飲時段滲透風量模擬數(shù)據(jù)匯總如表2，其冷風侵入及熱風散失量分項數(shù)據(jù)如圖3 所示。

表2 出入口及管井滲透風量匯總（餐飲時段）

圖3 冷風侵入及熱風散失量分析（餐飲時段）

3 不同工況溫度場及垂直溫差模擬結果

中庭垂直溫差主要受出入口冷風侵入，建筑氣密性以及不同的暖通改善措施影響。出入口門全開，對于溫度場的影響很大。在工況4 與工況2 比較下，LG層的溫度場分布相差不大，但越高樓層工況4 的樓層平均溫度明顯低于工況2，高樓層熱舒適度可有效提升。各模擬工況的溫度場分布如圖4 及圖5 所示，本項目各樓層的中庭平均溫度及中庭垂直溫差統(tǒng)計匯總如表3。

表3 不同工況下中庭權重溫度與垂直溫差統(tǒng)計

圖4 不同工況下樓層溫度場平面分布情況

圖5 不同工況下樓層溫度場剖面分布情況

4 不同商場溫度梯度實測調研結果

本文調研工作始于2016 年1 月份對山東省內幾個商業(yè)項目進行冬季工況舒適度調查，并于同年8 月份針對研究目標采用數(shù)值模擬分析的方式分析不同運行工況下的室內溫度分布與熱舒適性情況，進而從出入口管理、屋頂建筑氣密性加強、空調設備的運行等方面，提出優(yōu)化研究目標熱環(huán)境溫度舒適性的建議。研究目標已于2019 年10 月建成開業(yè)，在其第一個冬季運行期間（2020 年1 月）開展了冬季舒適性與節(jié)能調研。山東地區(qū)不同商業(yè)項目各樓層公共區(qū)域平均溫度的調研結果匯總如表4 所示。

表4 實地調研樓層溫度分布與垂直溫差統(tǒng)計

針對研究對象的現(xiàn)場調研發(fā)現(xiàn)，商場主入口通道門的形式與管理對減少室外冷風侵入至關重要，寒冷地區(qū)的冬季，外門頻繁開啟造成室外冷空氣大量進入室內，為有效提升局部熱舒適度，可能導致供暖能耗增加，因此現(xiàn)行公共建筑節(jié)能設計規(guī)范亦要求寒冷地區(qū)建筑面向冬季主導風向的外門應設置門斗或雙層外門，其他外門宜設置門斗或應采取其他減少冷風滲透的措施[8]。同時筆者建議門扇采用不定位式地彈簧，定期檢查門自閉器是否損壞和回復力度，并通過粘貼絨條改善門縫隙面積，全面加強連接公共區(qū)域的通道門開關管理。在屋頂區(qū)域相對室外正壓、為防止熱風泄露而造成更大的底層冷風侵入，需確保屋頂井道及穿出墻體的線槽全面封堵。無動力消防補風風道建議加裝單向風閥，或采用動力消防補風方式，降低大量的熱空氣從屋頂層的補風管道逸散至室外的風險。在圍護結構封堵方面，建議定期巡檢后勤通道，及時排查可能的冷風灌入點并采取密封措施，同時教育租戶（尤其是餐飲租戶）關閉連接后勤通道門（廚房門）的重要性。

通過全樓風平衡統(tǒng)計分析，由于廚房機械排風與機械新風量不匹配，使得商場大部分的新風只能通過無組織通風滲入，建議廚房的補風與排油煙風機聯(lián)動運行，并定時檢驗空調自控系統(tǒng)中對餐飲店鋪排油煙風機和補風機的監(jiān)視功能，幫助物業(yè)營運人員監(jiān)督各餐飲店鋪采取應對措施，避免加劇中庭的熱壓效應。在空調末端方面，需定期清洗空氣處理機組濾網(wǎng)，確保送風量滿足設計要求。定期檢查空調送風溫度傳感器顯示溫度是否與送風設定值保持一致。如發(fā)現(xiàn)吊頂送風口送風溫度過低時，需進一步檢查核實是否風管未與精裝風口密接。

5 結語與展望

通過各種不同數(shù)值模擬測試工況與實際調研結果分析后得出，影響中庭垂直溫差的主要影響因素為高/低區(qū)出入口冷風侵入管控、建筑圍護結構氣密性、暖通空調系統(tǒng)控制措施及廚房排補風系統(tǒng)聯(lián)動。提升建筑整體氣密性能夠明顯改善中庭垂直溫差并減少冷風侵入。出入口門對冷風的侵入有很大影響，建議商場主要出入口采用大型旋轉門或設置多層外門結合不定位地彈簧門設計。此外，門斗熱送風在外門開啟的情況下，對整體中庭的垂直溫差改善不明顯。加大空調機組的新風量可減弱室內外負壓，進而減少低樓層的冷風侵入。在加大空調機組新風量的前提下，降低高樓層送風溫度控制，對減小垂直溫差、改善高樓層舒適性、減少能耗有所幫助。針對本研究目標最為有效的暖通控制措施為LG～1F 層AHU 及PAU 全部開啟，AHU新風50%，送風溫度35 ℃。L2～L5 層AHU 及PAU 全部開啟，AHU 新風20%。L4-L5 送風溫度20 ℃，L2-L3 送風溫度30 ℃?？傮w而言，通過暖通控制措施可以改善中庭垂直溫差，但相較于建筑整體圍護結構氣密性以及出入口冷風侵入控制2 個措施的改善效果有限。對于具有高大中庭的商場建筑，減少其由于熱壓效應造成的大量無組織通風，是供暖系統(tǒng)優(yōu)化的核心。通過建立建筑整體的熱壓通風數(shù)值模型，可以在項目設計階段預測室內熱環(huán)境與舒適度，明確各種優(yōu)化措施的可行性與有效性。