室內熱環境空間建筑管理論文

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摘要：采用CFD數值模擬和現場實測的前期研究成果，針對具有上部側墻開口和屋頂頂部開口兩種上部開口形式的大空間建筑，使用PHOENICS數值模擬軟件模擬了室內采用分層空調時各不同噴口高度、上部開口面積及其高度、下部開口面積等幾何結構參數，以及室內負荷、上部開口背壓、上部開口進風速度等運行參數多種組合工況下的室內熱環境，討論和分析了這兩種上部開口形式工況下垂直溫度分布、空調區平均溫度、上部開口排風溫度、上部開口排風量及室內排熱量的差別。

關鍵詞：大空間建筑室內熱環境數值模擬上部側墻開口屋頂頂部開口

1引言

幾乎所有大空間建筑因通風和結構的要求上部均設有開口。上部開口大致有上部側墻開口和屋頂頂部開口兩種形式。采用分層空調時，上部開口的形式和位置的不同對空調能耗和室內熱環境特性的影響亦不盡相同，且差別較明顯。從全年變化的室外氣溫看，除了冬季上部開口排風會增加室內負荷外，夏季或多或少地可以利用上部開口處的高溫排風帶走室內部分負荷，過渡季節則可關閉空調系統僅靠自然通風排走室內負荷，因此研究大空間建筑分層空調時上部開口等諸因素對室內熱環境特性的影響尤為重要。

本文在開發和應用數值模擬預測大空間建筑室內溫度場和速度場的研究基礎上[1]~[3]，選用目前比較典型的側噴送風方式，并將具有上部側墻開口或具有頂部開口兩種不同上部開口形式的大空間建筑作為研究對象，以夏季現場實測工況為分析基礎[4]，重點討論了這兩種不同上部開口形式在不同工況下分層空調時的室內熱環境特性的區別。其中在頂部開口的工況模擬中部分借用了側墻開口工況的實測結果。

2計算條件

2.1建筑模型

圖1為數值模擬用某體育館簡化模型。建筑柱型部分直徑68m，高18m，屋頂呈扁球體，凈高為8m，左右兩側為階梯型觀眾席，室內采用中側送風，由38個噴口組成環形對中噴射，其中28個短程噴口傾斜12°布置，負責觀眾席空調，10個長程噴口水平布置，負責場內中央的空調。回風采用以臺階均勻回風為主、側墻回風為輔的方式。模擬主要基礎參數見表1夏季游樂活動實測日工況[4]。上部開口形式分別模擬為上部側墻開口或屋頂頂部開口。工作區入室大門及滲透縫隙則模擬為下部開口。

2.2數學模型及其邊界條件

表1夏季現場實測日工況送風量：34.57kg/s

回風量：31.31kg/s

送風溫度：16.5℃室外氣溫：36.5℃

環形外走廊平均溫度:32℃

下開口進風溫度：28℃日射量：767W/m2

人體負荷：18.1kW

照明負荷：45kW傳熱系數/W/（m2K）：

屋頂：2.75外墻：2.48

內墻：2.59樓板：2.21

選用Lam-Bremhorst低雷諾數K-ε模型[5]，采用第一類邊界條件。邊界條件以熱平衡為基礎，利用Gebhart吸收系數，借助現場實測數據，通過建立如下壁面i的壁溫方程組求解[3]：

，，，，

式中：──i表面對流放熱系數，W/(m2.K)；

qi，ti/Ti──分別為i表面內側壁溫和相應的空氣溫度，℃/K；

Si，──i表面面積，m2；

QLfU，QLfD──分別為室內空中平面輻射熱源向上和向下輻射分量，W；

Gij，GUj，GDj──分別為i表面、平面輻射熱源上表面、平面輻射熱源下表面對j表面GEBHART吸收系數。

eI──i表面發射率；

s──玻爾茲曼常數，W/(m2.K4)；

qli──i表面導熱散熱，W/m2。

2.3計算工況與室內熱環境參數

上部側墻開口影響室內熱環境的主要因素有噴口高度、上部開口面積及其高度、下部開口面積等幾何結構參數，以及室內負荷、上部開口進風速度等運行參數；頂部開口影響室內熱環境的主要因素有噴口高度，上部開口背壓，上下開口面積等。通過模擬計算對室內垂直溫度分布、空調區溫度、上部開口排風溫度、室內通風排風量及排熱量隨上述因素的變化進行分析與討論，以得出上述因素對室內熱環境特性的影響及其規律。上部側墻開口與屋頂頂部開口的分析討論分別在文獻［6］和文獻［7］中詳述。本文僅針對這兩種不同上部開口形式下的室內熱環境特性參數變化的不同之處進行分析和闡述。表2列出了本文討論的兩種計算工況的變化參數。討論中室內垂直溫度分布以比賽內場為討論對象?？照{區溫度為內場垂直方向上的空氣平均溫度，并定義不偏離平均溫度1%時的區域為等溫空調區，其高度為等溫空調區高度。室內通風排熱量為室內因上下開口引起的總通風排熱量，定義通風排熱為正，得熱為負。室內通風排熱量是衡量建筑在開口作用下，室內自然通風總排熱的狀況，它不僅反映了上部開口排熱量的大小，也反映了下部開口進風帶入室內熱量的大小。無論開口結構形式如何變化，建筑開口所引起的室內通風排熱量越大越好，它是開口節能性的一個標志。

表2上部開口形式計算工況上部側墻開口屋頂頂部開口

變化參數參數計算工況記號參數計算工況記號

噴口高度/m13/15N13/N1511/13/15/17N11/N13/N15/N17

上部開口高度/m15/17/19IN15IN17/IN19————

下部開口面積/m20/0.93/1.86/3.720F/1F/2F/4F0.32/0.644/1.365FXQ、FXH、FX

上部開口面積/m256/28/10.45SO/PO/WO4/9/16T2-O3/T3-O4/T4-O6

圖2～圖4中其他記號說明：

ALLEXH：指上部開口均處于排風狀態

1Q：指室內熱負荷為現場實測日測定值

-5P/0P/+5P：分別指頂部開口處背壓為－5/0/5Pa

3計算結果與分析

3.1垂直溫度分布

在上部側墻開口的計算工況中，上部開口面積對垂直溫度分布的影響相對較大。開口面積越大，下部空調區溫度則越低。噴嘴高度對屋頂附近溫度影響較大，噴嘴高度越高，屋頂附近溫度越低。見圖2(a)、(b)。

在屋頂頂部開口的計算工況中，噴嘴高度對垂直溫度分布的影響最大，其次是上部開口面積。噴嘴高度15m時，屋頂附近溫度最低，等溫空調區溫度處于較低的水平。此外，上部開口面積較小時，非空調區溫度較高。見圖2(c)、(d)。

兩種不同上部開口形式的計算工況下，垂直溫度分布的規律大致是相同的。但上部側墻開口時，垂直溫度明顯高于頂部開口工況5～10℃左右。

3.2空調區平均溫度

在上部側墻開口的計算工況中，空調區平均溫度隨下開口面積的增加而增加，增幅不大；隨上開口面積增加，空調區平均溫度呈增加趨勢，上開口面積大于28m2，增幅已不明顯。不同噴嘴高度，溫度變化趨勢相同，高度增加，溫度亦升高。見圖3(b)、(d)。

在屋頂頂部開口的計算工況中，空調區平均溫度受噴嘴高度影響最大，其次下部開口面積。噴嘴高度在11m~15m時，高度每增加1m,等溫空調區溫度增加約為0.25℃，15m~19m時，噴嘴高度每增加1m，等溫空調區溫度增加約為0.5℃。而隨下部開口面積變化，溫度呈遞增趨勢。見圖3(c)、(d)。

兩種不同上部開口形式的計算工況下，空調區溫度總體上在側墻開口時的溫度要高于頂部開口時，兩者變化規律具有相似之處：隨噴嘴高度增加，等溫空調區溫度都升高，同時隨上部開口面積增加，空調區溫度有增加趨勢，但增幅不明顯。隨下部開口面積增加，空調區溫度亦有增加趨勢。

（a）不同噴嘴高度及上部開高度（b）不同上部開口面積（c）不同噴嘴高度（d）不同上部開口面積

圖2側開(a)(b)與頂開(c)(d)垂直溫度分布比較

圖3側開(a)(b)與頂開(c)(d)空調區溫度/排風溫度比較

3.3上部開口排風溫度

在上部側墻開口的計算工況中，噴嘴高度升高，排風溫度降低。隨上部開口高度變化，排風溫度先升后降，基本上在17m時處于最大值。而下開口面積增加，排風溫度降低，并有趨于穩定的趨勢。為此，在滿足室內新風要求的前提下，應盡可能減少下開口面積，并尋找最佳上開口開度，以降低空調區溫度，提高排風溫度。見圖3(a)、(b)。

在屋頂頂部開口的計算工況中，在噴嘴11～19m計算范圍內，噴嘴高度11m時排風溫度較大。上部開口面積不同，隨噴嘴高度變化的變化規律不同，其內在關聯還有待于進一步的研究。而排風溫度隨下開口面積的變化趨勢比較顯著，隨下開口面積增加，排風溫度先呈下降趨勢，而后隨面積的增加，溫度趨于穩定。見圖3(c)、(d)。

兩種不同上部開口形式的計算工況下，側開排風溫度受噴嘴高度的影響較為顯著，而隨下開口面積的變化其規律較為一致，即：隨下開口面積的增加先降后趨于穩定。

3.4上部開口排風量

在上部側墻開口的計算工況中，下部開口面積對排風量影響最大，隨下部開口面積的增加，排風量線性遞增；計算表明，噴嘴高度對排風量的影響不大。見圖4(a)、(b)。

在屋頂頂部開口的計算工況中，排風量隨下部開口面積增加呈線性遞增。而噴嘴高度對其影響不大。見圖4(c)、(d)。

兩種不同上部開口形式的計算工況下，排風量隨噴嘴高度和下開口面積變化的規律極為相似。即：均隨下開口面積增加呈線性遞增趨勢，而隨噴嘴高度的變化影響不大。

圖4側開(a)(b)與頂開(c)(d)排風量/排熱量比較

3.5室內排熱量

在上部側墻開口的計算工況中，噴嘴高度與上部開口的高差對排風溫度及其室內排熱量影響較大，高差為2m時，開口高度每提高1m，排風溫度增加近5℃，排熱量則增加60～70kW。而下部開口面積增加，在上部開口面積較小的情況下，排熱量下降趨勢顯著；上部開口面積較大的情況下，隨下開口面積增加，排熱量有穩定趨勢。見圖4(a)、(b)。

在屋頂頂部開口的計算工況中，排熱量變化規律基本與排風溫度相似。即：隨上開口面積不同，變化規律不同。而隨下部開口面積增加排熱量基本呈下降趨勢。見圖4(c)、(d)。

兩種不同上部開口形式的計算工況下，排熱量隨噴嘴高度變化，側墻開口變化規律顯著，頂部開口不明顯；隨下開口面積變化規律相似，即：隨下開口面積增加，基本呈下降趨勢。

4結論

兩種不同上部開口形式的在計算工況條件下：

1)垂直溫度分布大致相同，但上部側墻開口時的垂直溫度高于頂部開口時；

2)空調區溫度隨噴嘴高度和下開口面積增加均呈上升趨勢，但上部側墻開口時明顯高于頂部開口時；

3)側墻開口排風溫度隨噴嘴高度影響較為顯著，兩者隨下開口面積變化的規律趨勢較為一致，其量相當；

4)排風量隨下開口面積和噴嘴高度變化的規律極為相似，前者兩種開口形式呈線性遞增，后者影響不明顯；

5)兩者排熱量的變化規律與排風溫度基本相似。

參考文獻

1.黃晨，李美玲等．采用第一類邊界條件數值模擬具有開口的大空間建筑是內速度場與溫度場．制冷學報，2002；92：20-24．

2.ChenHuang,MeilingLi,TaoZuo．CFDAnalysisofAirflowandTemperatureFieldsinaLargeSpacewithOpenings．4th.InternationalConferenceonIAVECB，Changsha，2001.10；269-276．

3.黃晨，李美玲．大空間建筑室內表面溫度對流耦合換熱計算．上海理工大學學報，2001；23（4）：322-326．

4.黃晨，李美玲，鄒志軍，肖學勤．大空間建筑室內熱環境現場實測及能耗分析．暖通空調，2000；30(6)：52-55．

5.C.K.G.Lam,K.Bremhorst，Amodifiedformofthek-emodelforpredictingwallturbulence．ASMEJ.FluidsEng.,1981；103：456-460．

6.ChenHuang,XinWang,JiangangYang,WugangHuang．Studyofthermalenvironmentcharacteristicsoflargespacewithstratificatedairconditioningandopenings．2003InternationalConferenceonEnergyandtheEnvironment.