酒店中庭热环境系统的设计研究

陈　刚

（奥雅纳工程咨询（上海）有限公司，上海200031）

酒店中庭热环境系统的设计研究

陈刚

（奥雅纳工程咨询（上海）有限公司，上海200031）

针对酒店中庭热环境特点，从理论上分析了中庭得热的影响因素和计算方法，同时提出采用能耗模拟软件和CFD软件对中庭的热环境进行联合模拟分析，并在实际的项目中运用该方法进行研究分析，为系统设计提出合理的建议。

酒店中庭；辐射得热；联合模拟；气流组织

0　引言

中庭是一种很古老的概念，两千多年的西方就已存在上部覆有顶盖的公共中心庭院空间，而现代意义上的中庭源于工业革命之后的产生地由玻璃和钢铁覆盖得连拱廊和有顶庭院。这种形式在20世纪60年代获得很大发展，在各种类型的公共建筑中如商业、办公及酒店都出现了中庭。由于中庭大面积的采光功能增加了建筑的通透性，同时中庭区域还可以将植被、水景及其他的人文小品引入到室内空间，创造了室内自然景观，故越来越多的建筑物通过中庭的设计来改善建筑室内环境，提高建筑品味和档次。

中庭在为居住者提供良好室内环境的同时也带来了能源消耗问题，由于中庭通常拥有大面积采光天窗或幕墙，“温室效应”和“烟囱效应”使得其建筑能耗较大，故合理设置中庭区域的空调及通风系统为整个建筑节能及中庭区域舒适性至关重要。

1　酒店中庭特点

中庭根据其体型和采光面可以分为“天井型”、“宽敞型”和“温室型”［2］，高档酒店的中庭设置主要是为酒店住客提供一个观光平台，其中庭通常设计成贯穿整个客房纵向区域，形状为狭长形，拥有一个天窗或某个朝向上大面积的玻璃幕墙，中庭活动区域为酒店大堂、咖啡吧等功能区，同时里面也会引入植物和水景来改善中庭的环境，使得中庭具有采光、人为自然及住客观光多种功能。

但酒店中庭通常为“天井型”，其体型特点使得该中庭的“温室效应”和“烟囱效应”对中庭空间的热环境有较大的影响，如果中庭的空调和通风系统设置的不合适，不仅影响中庭人员区域的舒适性，同时也会耗费大量的能源，故对酒店中庭热环境及空调通风系统的设置进行研究具有较大的意义。

图1　中庭的分类

2　酒店中庭热环境研究方法

采用传统的空调负荷计算仅能计算出全室负荷的大小，而且也无法根据实际的气象参数准确的计算出太阳辐射得热的影响，故本文采用DOE能耗模拟软件对中庭的空调冷负荷进行分析研究，DOE-2是一个功能非常强大的建筑能耗模拟软件。它是在美国能源部财政支持下，由劳伦斯伯克力国立实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）模拟研究小组开发的。利用该软件为酒店中庭建模进行太阳辐射对中庭的得热进行模拟研究。

中庭的热环境主要体现在人员活动区域的舒适性要求，而人员活动区域的舒适性及中庭能耗均和空调系统的送回风方式、气流组织密切相关，故本文采用了CFD气流模拟软件，在能耗模拟软件对幕墙辐射得热的分析结果上，输入多个工况下风口位置、风量及风压的设置，模拟出人员区域温度场和风速场作为空调系统气流组织分析的依据。

3　中庭玻璃幕墙得热分析

3.1传热得热

玻璃幕墙的传热过程包括导热和对流换热两个方面，导热是由于玻璃内外表面存在温度差，玻璃本身存在导热传热过程，热量从室内传到室外或者从室外传到室内。而对流换热是由于玻璃内外表面和空气接触，通过对流换热与空气进行换热。通过单位面积玻璃传递的热量可按下式计算［3］：

式中Q—单位面积传递的热量，W/m2；

U—传热系数，W/（m2·K）；

te—室外温度，℃；

ti—室内温度，℃。

当热量通过玻璃中心部分而不考虑边缘效应，稳态条件下，玻璃的综合传热系数（U）通常按照下式进行计算：

式中α1—外表面对流换热系数，W/（m2·K）；

λ—导热系数，W/（m·K）；

d—幕墙厚度，m；

α2—内表面对流换热系数，W/（m2·K）。

当所采用的玻璃为多层时，玻璃的导热系数可按照下式进行考虑［4］：

式中λs—气体空隙的导热率；

N—气体层的数量；

M—材料层的数量；

dm—每一个材料层的厚度；

rm—每一层材料的热阻率。

3.2辐射得热

辐射得热分为两部分，直接透射到室内的太阳辐射热qt和被玻璃吸收的太阳辐射热传向室内的qa。辐射得热取决于很多因素，从太阳辐射方面考虑，辐射强度、入射角均与纬度、月份、日期及时间有关系；从幕墙方面考虑，它和玻璃的光学特性、幕墙边框性能及是否有遮阳装置有关。玻璃辐射得热量可采用下式［5］表示：

式中Qf—辐射得热量，W/m2；

Cs—玻璃的遮挡系数；

Cn—室内遮阳设置的遮阳系数。

当把太阳辐射得热用实用调和分析整理成谐波形式后，可采用下式表示：

式中Bn—n阶辐射得热因数谐波的波幅。

根据上述分析，中庭辐射得热和室外参数及围护结构的热工参数相关，在DOE软件得热模拟中需详细的输入下述参数。

图2　得热模拟参数需求

4　中庭气流组织的分析

作为高大空间的中庭区域，特别是天井型的中庭，室内气流组织一直是较难解决的课题，其气流分布不仅和送回风口的位置、风量和风温有关，而且中庭高度，形状及上部是否设置排风等因素对其影响较大，常规的空调风系统的设计理念难以满足中庭区域热舒适和节能的要求。

本文将在第三节中庭得热分析的基础上，基于N-S方程的紊流模型中的k-ε双方程模型［6］，借助应用于气流模拟方面成熟的CFD数值模拟软件对中庭的室内热环境进行计算机模拟，从而对室内热环境进行预测，以验证各种设计方案的可行性和所能达到的效果，同时还可根据模拟的结果对设计进行调整和优化，这在通常的设计过程中是无法做到的。

5　实际项目分析

该项目位于杭州，为超五星级酒店。建筑师在酒店大堂区域至客房高区设计了一个“天井型”的中庭，底部两层区域（26层及27层）为酒店入住大堂及大堂吧，是住客可能长期停留的区域，上部中庭和客房走道相邻，作为客房观光区域。中庭总高度为74m。

5.1中庭得热模拟

根据第3节的研究分析，本文将当地的气象参数和项目实际采用的围护结构热工参数输入至DOE软件进行中庭得热的模拟。该项目按照LEED绿色节能建筑金奖标准设计，外墙传热系数小于0.705W/（m2·K）；外窗及天窗采用中空低辐射玻璃（Low-E glass），玻璃传热系数小于2W/（m2·K），遮阳系数小于0.4。在本次模拟中将26及27层大堂区域与整个中庭作为模拟区域进行研究，其模型如图4所示（由于建筑本身对称，故仅取一半进行研究；同时中庭本身形状不规则，为简化模型，假设其上下形状一致）：

为了之后在CFD气流组织模拟的设置便利性，将模拟的结果折合为单位面积外墙的热负荷为39W/m2。

图3　酒店中庭示意

图4　中庭得热模拟模型示意图

5.2中庭气流组织模拟分析

26及27层大堂中间相通并与中庭直接相连，原设计中大堂空调形式是采用上送上回式的全空气系统。考虑到此次气流组织研究的关注点为舒适性和节能性，具体即为研究人员区域的温度场和送风速度分布，所采用的送回风方式对夏季供冷较为合适，故针对冬季空调的气流组织进行分析研究，具体模拟工况见表1。

按上述分析，主要选择人体活动区域（高度0.5～1.5m之间）进行模拟，相应的结果如下：

5.2.1上/侧送风系统的研究

表1　中庭气流组织模拟工况

图5　工况一/二送回风平面图

工况一：从上述分析可得冬季热风在到达人员活动区域时已有相当部分风量直接回到系统或上升至中庭高位，故两层人员活动区的温度均未达到设计温度22℃要求。

工况二：提高送风温度意味着增加能耗，从上述分析可得冬季热风在到达人员活动区域时仍有部分风量直接回到系统或上升至中庭高位，26层基本能达到要求，但27层仍有局部区域无法满足。

5.2.2下送风系统的研究

图6　工况一26层人员区温度分布图

图7　工况一27层人员区温度分布图

图8　工况一26/27层人员区气流矢量图

图9　工况一中庭区气流矢量图

5.2.1节中对上送上回的气流组织进行了模拟分析，其结果未能完全满足该要求，从人体舒适性方面考虑，冬季热风采用地板送风时人员活动区域的舒适性的效果会更佳。故下述工况将采用该种气流组织方式进行分析（送风温度24.5℃）。

对于26层大堂区域而言，考虑在空调机房内将送风管道通过立管接至25F高位，在25层吊顶内沿幕墙附近布置地板送风口为26层送风，具体如图14所示。

工况三：与工况一相比，热气流逸至中庭区的量明显要求较少，在相同的送风温度情况下，人员区的平均温度要高1度左右，27层的效果优于26层，这是由于26层部分热气流通过27层进行回风。

图10　工况二26层人员区温度分布图

图11　工况二27层人员区温度分布图

图12　工况二26/27层人员区气流矢量图

图13　工况二中庭人员区气流矢量图

故通过上述分析，可知该项目夏季和冬季的内区可采用上送风或侧送风的方式，同时可在幕墙周边辅助设置地板送风。

图14　工况三26层地板送风平面图

图15　工况三27层地板送风平面

图16　工况三26层人员区温度分布图

图17　工况三27层人员区温度分布图

图18　工况三26/27层人员区气流矢量图

图19　工况三中庭人员区气流矢量图

6　结语

中庭的热环境系统设计可采用能耗模拟软件和CFD模拟软件进行联合模拟分析，根据具体项目情况提供研究分析作为设计的参考。

（1）中庭得热分析不能仅采用常规的负荷计算软件进行稳态的计算，一定要基于当地实际的气象参数，包括太阳辐射照度及太阳高度角等参数进行模拟分析；

（2）当中庭上方未开启排风装置时，地板送风方式逸入中庭部分的热气流量较少，但差别并不显著；

（3）地板送风与上送风方式比较，人员区域最终平均温度高一摄氏度左右；

（4）冬季送风可通过提高送风温度来提高人员区温度分布。

［1］理查·萨克森.中庭建筑开发与设计［M］.戴复东、吴庐生译.1版.北京：中国建筑工业出版社，1990.

［2］卫丹.温室型中庭建筑室内热环境研究与能耗分析［D］.上海：同济大学，2003.

［3］赵荣义，范存养，薛殿华，等.空气调节［M］.3版.北京：中国建筑工业出版社，1994.

［4］金星，等.不同朝向玻璃窗太阳辐射得热系数模拟与实验研究［J］.太阳能学报，2009，（12）：1666～1671.

［5］陆耀庆，等.实用供热空调设计手册［M］.2版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［6］Mulvany，Nicholas J.，et al.Steady-State Evaluation of Two-Equation RANS（Reynolds-Averaged Navier-Stokes）Turbulence Models for High-Reynolds Number Hydrodynamic Flow Simulations.No.DSTO-TR-1564.DEFENCE SCIENCE AND TECHNOLOGY ORGANISATION VICTORIA（AUSTRALIA）PLATFORM SCIENCES LAB，2004.

Design Research on Thermal Environment of Hotel Atrium

CHEN Gang
（Arup Consultant Company Shanghai，Shanghai 200031，China）

This paper is devoted to theoretical research on the influence factors and calculation method for the heat gain of atrium.In addition，CFD simulation analysis combined with energy consumption simulation has been applied on a real project，which provided reasonable and feasible solutions for the air-conditioning system design of the project.

hotel atrium；radiation heat gain；integrated simulation；air distribution

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.04.020

TU83

B

2095-3429（2015）04-0074-06

2015-06-18

修回日期：2015-07-29

陈刚（1973-），男，工学学士，工程师。