熱環(huán)境模擬下大空間建筑室內(nèi)能耗優(yōu)化方法

徐茂劍，褚海峰

(桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004)

1 引言

大空間建筑均具備某些特定的服務(wù)功能，且結(jié)構(gòu)與風(fēng)格各異，如圖書館、教堂和大型商業(yè)場所等，大空間建筑由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，人員流動性較大，其內(nèi)部溫度、濕度分布不同，因此其室內(nèi)熱環(huán)境難以滿足人們舒適度，鑒于此類情況，對大空間建筑室內(nèi)空間熱環(huán)境進行模擬，掌握室內(nèi)溫度、濕度等分布情況，是提升室內(nèi)人員舒適度和建筑節(jié)能的必要條件[1]。可持續(xù)發(fā)展是近年來全球關(guān)注的話題，在此背景下，將節(jié)約資源與環(huán)境保護作為重要發(fā)展方向，大空間建筑能耗優(yōu)化成為近年來建筑領(lǐng)域熱議的話題，如何準(zhǔn)確地模擬大空間建筑室內(nèi)熱環(huán)境，為其設(shè)計節(jié)能策略是提升建筑行業(yè)水準(zhǔn)的技術(shù)難點之一[2]，為此本文研究大空間建筑室內(nèi)熱環(huán)境模擬與能耗優(yōu)化方法，為降低大空間建筑室內(nèi)能耗提供技術(shù)支持。

2 大空間建筑室內(nèi)熱環(huán)境模擬與能耗優(yōu)化方法

2.1 大空間建筑室內(nèi)概況

大空間建筑室內(nèi)設(shè)計外形、結(jié)構(gòu)、面積等各不相同，但都具備空間高度較大的特點，因此室內(nèi)溫度受空氣浮力作用表現(xiàn)為垂直梯度形式，為更加清晰且直觀了解大空間建筑室內(nèi)熱環(huán)境[3]，以某城市大型商場為研究對象，從多個方面對其熱環(huán)境展開模擬，為后續(xù)能耗優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

本文研究對象室內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其室內(nèi)結(jié)構(gòu)棚頂表面積約4200m2，由玻璃幕墻組成，棚頂距地平面高度約為38m，室內(nèi)中庭長度約為88m，寬度約為55m，中庭面積約為4840m2，建筑室內(nèi)劃分為3層，1、2層為商業(yè)區(qū)，3層為休閑娛樂區(qū)，各個層間以電梯回廊方式相連，一二層之間回廊垂直高度約為5.46m。

圖1 大空間建筑室內(nèi)圖

2.1.1 大空間建筑室外參數(shù)

依據(jù)該大空間建筑所處城市氣候特點，以該城市氣象年參數(shù)作為影響該建筑室內(nèi)溫度參數(shù)，氣象年參數(shù)獲取途徑為國家氣象數(shù)據(jù)庫，室外氣象參數(shù)如表1所示。

表1 室外氣象參數(shù)

2.1.2 建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能

大空間室內(nèi)建筑冷熱負(fù)荷受其外圍護結(jié)構(gòu)影響較大[4]，研究對象的室內(nèi)棚頂天窗外側(cè)由鋁合金百葉和中空玻璃組成，內(nèi)側(cè)由紗窗和中空玻璃組成，內(nèi)側(cè)與外側(cè)占比約為7：3，棚頂天窗的傳熱系數(shù)與遮陽系數(shù)詳見表2所示。

表2 棚頂天窗熱工性能表(W/m2·w)

2.1.3 室內(nèi)熱干擾與空調(diào)采暖情況

大空間建筑室內(nèi)溫度除了受棚頂遮陽設(shè)備和室外溫度影響，室內(nèi)人員流動、照明等設(shè)備干擾也是不可忽略因素，根據(jù)商業(yè)類項目建筑調(diào)用結(jié)果以及各個商鋪實際使用情況進行簡化和抽象總結(jié)[5]，得出室內(nèi)作息時間規(guī)律，大空間建筑中庭位置和走廊位置的人員密度、人均發(fā)熱量、人均散濕量分別為3.2m2/人、66W/人、0.097kg/h和22m2/人、56W/人、0.063kg/h，中庭位置照明功率密度和設(shè)備功率密度分別為25W/m2、9W/m2，而走廊是供人們行走的，不存在設(shè)備功率密度，但照明密度為11W/m相對較大。

大空間建筑室內(nèi)夏季和冬季空調(diào)采暖情況完全不同，夏季利用空調(diào)送風(fēng)方式在該建筑的走廊、電梯口和一層平臺區(qū)域安裝出風(fēng)口，出風(fēng)溫度為17.5 ℃，出風(fēng)量為188000m3/h，在與走廊、電梯口和一層平臺出風(fēng)口相對位置設(shè)置回風(fēng)口，回風(fēng)量為15800m3/h，出風(fēng)量與送風(fēng)量差值通過棚頂天窗排出。冬季通過地暖與空調(diào)送暖風(fēng)相結(jié)合的方式，送風(fēng)溫度為人體適宜溫度，即26 ℃，送風(fēng)量與回風(fēng)量和夏季相差不大[6]。

2.2 大空間建筑室內(nèi)數(shù)值模型建立

依據(jù)上述大空間建筑的室外參數(shù)、建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能、室內(nèi)熱干擾與空調(diào)采暖情況等參數(shù)，利用計算流體力學(xué)方式建立該大空間建筑數(shù)值模型，該模型可將具備不間斷特性的物理量以數(shù)值方式轉(zhuǎn)換為離散變量集合，該方法在仿真技術(shù)中不可或缺，對于是否能壓縮的流動物理量均適用。而大空間建筑室內(nèi)氣流運行方式符合質(zhì)量、動量與能量守恒方式，依據(jù)守恒定理的數(shù)學(xué)表達方式表示其控制方程，其流程如下：

1)連續(xù)性方程建立

令q、v、w分別為三維坐標(biāo)軸內(nèi)三個方向上的速度分量，大空間建筑室內(nèi)流體運行方式以歐拉法展示，根據(jù)質(zhì)量守恒定理可知，該建筑室內(nèi)質(zhì)量受時間影響的變化率與室內(nèi)氣流和凈流入空間的質(zhì)量流量數(shù)值相等，因此大空間建筑室內(nèi)連續(xù)方程表達式如下

(1)

其中

(2)

式中，x、y、z為三維坐標(biāo)軸的三個方向，?表示流體密度，且該數(shù)值為常數(shù)。

2)動量方程

流體在運行過程中的動量守恒用動量方程表示，由于流體微元的動量變化率與施加流體本身的所有外力數(shù)值相同[7，8]，因此，該建筑室內(nèi)的流體動量方程表達式如下

(3)

式中，靜壓、應(yīng)力張量分別由P、τij表示，室內(nèi)i方向的外部體積力和重力體積力分別由F、gi表示，t表示時間，且i=1，2，…，n，j=1，2，…，n。

3)能量方程

依據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，介質(zhì)在變化過程中具有能量守恒特征[9]，其表達公式如下

(4)

式中，μt表示空氣動力粘性系數(shù)。

4)k-ε模型

大空間建筑室內(nèi)湍流運行過程為非線性形式[10]，本文利用k-ε模型計算湍流非線性流動過程。k-ε模型由k和ε兩個獨立方程構(gòu)成，其中，k方程代表流體湍流動能，表達式如下：

(5)

式中，σk表示湍流普朗特系數(shù)，Gk表示擾動量，其表達式如下

(6)

在上述方程的基礎(chǔ)上，依據(jù)專家經(jīng)驗得出ε流體擴散方程，其表達式如下

(7)

式中，C2ε表示受平均梯度影響形成的湍流動能形成項，μt表示湍流粘性系數(shù)，其表達公式如下

(8)

利用上述模型獲取大空間建筑室內(nèi)相關(guān)數(shù)值，為其熱環(huán)境模擬提供理論參數(shù)。

2.3 室內(nèi)熱環(huán)境模擬

依據(jù)上個小節(jié)提供的大空間建筑室內(nèi)理論參數(shù)，利用計算流體力學(xué)軟件即CFD軟件從多角度對研究對象室內(nèi)熱環(huán)境展開模擬。

冬季水平送風(fēng)溫度分布與風(fēng)速分布情況如圖2所示。

圖2 冬季水平送風(fēng)溫度分布情況

由圖2(a)可知，該建筑室內(nèi)溫度曲線隨著時間的增加呈現(xiàn)先上升隨后溫度保持一段時間而后稍微下降趨勢，其原因在于水平送風(fēng)無法使風(fēng)形成上下回流，風(fēng)在室內(nèi)形成逆時針旋轉(zhuǎn)走向，將出風(fēng)口處的風(fēng)壓向地面的同時稍遠(yuǎn)位置的風(fēng)形成上升趨勢，因此當(dāng)室內(nèi)溫度達到人體適宜溫度后，溫度會稍微降低。而從圖2(b)可知，采暖設(shè)備送風(fēng)之初風(fēng)速較大，隨后呈現(xiàn)下降趨勢，是由于室內(nèi)溫度達到設(shè)定溫度后，采暖設(shè)備均以均速方式送風(fēng)以保持溫度為穩(wěn)定狀態(tài)。

繪制該大空間建筑室內(nèi)中部風(fēng)速矢量圖，如圖3所示。

圖3 建筑室內(nèi)中部風(fēng)速矢量圖

從上圖可知，出風(fēng)口位置風(fēng)走向為自下往上，在中部位置兩組風(fēng)匯集形成滯點，當(dāng)風(fēng)形成滯點后，該位置處風(fēng)速最小，上升的風(fēng)到達室內(nèi)棚頂后，一部分通過棚頂天窗排出，一部分向下形成回流，流向出風(fēng)口，風(fēng)回流區(qū)域為人員流動性較大的區(qū)域。

夏季該建筑室內(nèi)水平送風(fēng)時溫度分布情況，如圖4所示。

圖4 夏季水平送風(fēng)時室內(nèi)溫度分布情況

由上圖可知，夏季時，室內(nèi)送風(fēng)口位置溫度較中部區(qū)域溫度稍低，其溫度始終在24 ℃至26 ℃之間，而室內(nèi)中部區(qū)域位于兩個送風(fēng)口之間，受送風(fēng)測流影響，中部區(qū)域熱像聚集，因此室內(nèi)中部區(qū)域溫度要高于送風(fēng)口位置。

2.4 能耗優(yōu)化方法

依據(jù)上述室內(nèi)熱環(huán)境模擬結(jié)果，設(shè)計該大空間建筑室內(nèi)能耗優(yōu)化方法，該方法分別從夏季和冬季兩個方向入手，詳情如下。

2.4.1 夏季能耗優(yōu)化方法

通過上個小節(jié)對該建筑室內(nèi)夏季溫度分布模擬數(shù)據(jù)可知，該建筑夏季溫度較滿足室內(nèi)溫度需求，但其中部區(qū)域部分時間段溫度超過30 ℃，表明室內(nèi)空調(diào)送風(fēng)口設(shè)置合理度稍差，會造成氣流分布不夠均勻。針對這一狀況，可將送風(fēng)方式變更為噴口雙側(cè)送風(fēng)和底板送風(fēng)相結(jié)合的方式，而室內(nèi)的中央空調(diào)送風(fēng)量在原有基礎(chǔ)上增加2000m3/h，詳細(xì)配置如圖5所示。

圖5 建筑室內(nèi)能耗改進方案模型圖

2.4.2 冬季能耗優(yōu)化方法

從該建筑室內(nèi)冬季溫度、風(fēng)速與風(fēng)速矢量圖來看，其冬季室內(nèi)溫度基本達到人體適宜溫度需求，但由于其熱量分布在送風(fēng)口兩組風(fēng)匯聚區(qū)域，導(dǎo)致空調(diào)長期運作，能耗巨大，因此可利用熱輻射方式與地板送風(fēng)相結(jié)合的方式對其進行改進，為避免熱輻射溫度過高，使人們產(chǎn)生熱感，設(shè)置熱輻射溫度在27～30 ℃之間，進行熱輻射過程中，送風(fēng)噴口可適當(dāng)關(guān)閉1～2組，送風(fēng)量在原有的基礎(chǔ)上增加3000m3/h，排風(fēng)口與夏季能耗優(yōu)化方法相同。

3 實驗分析

為驗證本文方法的應(yīng)用效果，利用CFD軟件從多角度對比能耗優(yōu)化前后數(shù)值，分析本文方法能效優(yōu)化性能。

3.1 夏季空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能與能耗分析

本文針對空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源和風(fēng)機進行節(jié)能和能耗分析，結(jié)果如表3所示。

表3 夏季空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能與能耗一覽表

分析表3可知，在空調(diào)系統(tǒng)能耗方面，優(yōu)化后的能耗明顯低于優(yōu)化前，在空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能方面，單從總制冷量來看，較比優(yōu)化前降低了36.5kW，而節(jié)能率提升了12.7個百分點，綜合而言，使用本文方法優(yōu)化后的建筑室內(nèi)能耗降低明顯，優(yōu)化能力較好。

3.2 冬季能耗分析

大空間建筑冬季采暖費用支出在其能耗類目中占比較大，因此對比相同周期內(nèi)使用本文方法優(yōu)化前后的該建筑采暖費用，分析本文方法在冬季的應(yīng)用效果，結(jié)果如圖6所示。

圖6 冬季采暖費用統(tǒng)計圖

分析圖6可知，該建筑室內(nèi)取暖費用12月至來年2月之間取暖費用較高，該時間段為集中不間斷供暖時間，而使用本文方法優(yōu)化前后的取暖費用對比較明顯，尤其是在11月與來年3月這兩個時間段內(nèi)，優(yōu)化后與優(yōu)化前最大取暖費用差值為10000元左右，其原因在于熱輻射與空調(diào)送風(fēng)方式相結(jié)合的供暖方式中，熱輻射費用較低，且熱輻射溫度較空調(diào)而言稍高，而空調(diào)供暖方式可依據(jù)室外溫度自由調(diào)節(jié)，二者相結(jié)合從根源上保證了室內(nèi)溫度平衡性，并降低了能源消耗。

3.3 氣流組織特性分析

通過模擬軟件統(tǒng)計人員流動區(qū)域的氣流特性，從送風(fēng)溫度系數(shù)、速度系數(shù)以及人體熱反應(yīng)量化數(shù)值等方面對比該建筑室內(nèi)能耗優(yōu)化前后效果，結(jié)果如表4所示。

表4 不同季節(jié)優(yōu)化前后氣流組織特性

分析表4可知，不管是冬季還是夏季優(yōu)化后的建筑室內(nèi)溫度系數(shù)和速度系數(shù)等均有所下降，尤其是人體熱反應(yīng)量化數(shù)值下降幅度較大，可見優(yōu)化后的建筑室內(nèi)溫度更符合人體舒適度需求，由此可見本文方法在有效降低大空間建筑室內(nèi)能耗的同時也提升了室內(nèi)人員舒適度。

4 結(jié)論

本文通過對大空間建筑室內(nèi)熱環(huán)境模擬并依據(jù)模擬結(jié)果設(shè)計大空間建筑室內(nèi)能耗優(yōu)化方法，從夏季和冬季兩個不同環(huán)境展開實驗，實驗結(jié)果表明：夏季時，風(fēng)機能耗、主機能耗和單位面積能耗降低率均有不同幅度降低，總制冷量較比優(yōu)化前降低了36.5kW，節(jié)能率提升了12.7個百分點；冬季取暖費用較優(yōu)化前降低接近10000元左右，能耗優(yōu)化效果好等。