深圳某建筑中庭夏季热环境的数值模拟研究

2021-07-28任改霞庞观艺方聪胡浩文

建筑热能通风空调 2021年6期

任改霞庞观艺方聪胡浩文

深圳国研建筑科技有限公司

0 引言

中庭一般是综合多种功能而形成的高大空间，它经常贯穿多个楼层，并与各楼层间接或直接相通。在中庭内，人们既可以享受到室内空间的空气品质，又能感受到中庭营造出来的一种室外空间特有的开敞和自然环境，目前中庭广泛被应用于商场、办公楼等公共建筑设计中[1-2]。然而，中庭一般体量较大，烟囱效应及热浮力作用会使其垂直方向温度梯度变化很大，出现明显的分层现象，使得中庭上部偏热，下部偏冷，影响室内的热舒适性[3]。若想达到室内的全舒适性，就会带来巨大的能耗，中庭的空调系统由于设计不当，常常会导致巨大的能源浪费，因此，对中庭空调系统进行优化设计，找到切实可行的节能措施就显得尤为重要。

本文对深圳某工程建筑中庭的气流组织进行数值模拟，评价中庭的热环境。对该中庭夏季工况，三种不同的空调送风设计方案下的气流组织和热环境进行数值模拟计算，对中庭垂直温差、各层平均温度、室内风速进行分析比较，从而确定满足要求的空调送风方案，为工程设计提供参考。

1 数值模拟模型

1.1 物理模型

该建筑地上12 层均为商业用房，地上1 层为中庭大堂，3-12 层为走道，该中庭贯穿整个建筑，共12 层。每层净高4.5 m，建筑北侧为玻璃幕墙，设有可开启的外窗，中庭顶部为透明玻璃屋顶，其空调的形式为多联机。

1.2 数学模型

本次研究的数学模型采用K-ε 模型，对计算区域内的空气流动进行如下假设：

1）假设空气流动为不可压缩牛顿粘性流体的稳态流动。

2）满足Bonssinesq 假设。即认为空气温度变化仅引起空气密度的变化，且除密度之外的其他参数均为常数；密度仅考虑动量方程中与体积力有关的参数，其余各项中密度也视为常数。密度可以表示为：

式中：T 为空气温度，K；ρ 为空气密度；kg/m3；ρ0、T0分别为对应的密度和参考温度。

3）由于室内人员众多，人员散热较大，因此将人员符合折算成热流密度，近似设置为地面散热，灯光负荷设置为顶面散热。

在上述简化的前提下，室内空气的流动受质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律支配，其通式为：

式中：φ-通用变量，代表u、v、w、T 等求解变量；Γ-广义扩散系数；S-广义源项。

1.3 模拟边界条件

利用CFD 技术对空调房间气流组织、热环境模拟时，确定合理的边界条件是保证模拟计算结果正确的一个重要环节。本次模拟选取设计工况的参数作为边界条件，验证该房间在最不利条件下空调工况的气流组织设计是否满足热环境设计参数要求。

中庭大堂及走道计算区域的进口为速度入口，出口为压力出口。建筑进口风速根据设计图纸提供的设计风量计算得出，工况一首层多联机MDV-D71T2/N1-C3（B）风速设置为1.85 m/s，送风温度设置为19 ℃；标准层MDV-D56 下送风风速2.78 m/s，送风温度19 ℃；回风口均设置为压力出口。工况二工况三首层采用MDV-90 多联机，回风口为压力出口。根据设计院提供的逐时冷负荷计算表，选择14:00 的冷负荷作为边界条件，具体参数如表1 所示。

表1 室内热环境边界设置

1.4 数值模拟工况

本次分析模型分别以中庭大堂及走道为依据，由于项目处于夏热冬暖地区，故选取中庭大堂及走道这个重要功能区域进行夏季空调气流组织模拟，冬季工况不作研究。根据建筑图纸建立几何模型。模拟计算区域的大小以不影响气流流动为准。本次模拟分别针对三种工况进行模拟，通过比较分析，确定满足热环境要求的设计方案。如表2 所示：

表2 室内气流组织模拟工况表

计算区域具体的几何模型如图1 所示：

图1 中庭大堂及走道3 种工况的几何模型

本文对3 种不同的空调送风方案进行数值计算，表列出了3 种送风方案的模拟工况。模拟工况一：各层送风量相等。模拟工况二：首层设大功率空调，标准层自然通风。模拟工况三：首层设大功率空调，标准层窗户关闭。

2 模拟结果分析

2.1 中庭纵向温度分析

由于中庭的烟囱效应产生的热压，使得室内热空气有向上流动的趋势，造成中庭上热下冷的趋势。良好的空调设计方案应尽量削弱烟囱效应，降低上下楼层的温差。图2 为不同模拟工况下夏季中庭纵向温度分布。

图2 各工况中庭垂直断面温度分布云图

从图2 可以看出，中庭在夏季工况一时，纵向温度最大值为28 ℃，最小值为23 ℃，垂直温差为5 ℃，中庭中部区域和下部区域室内温度差异较大。工况二、三的纵向温度分布范围为23-30 ℃，23-32 ℃。工况二、三垂直温差分别为7 ℃、9 ℃，通过比较可得出：工况一可削弱烟囱效应，减少垂直温差。

2.2 各水平温度分析

计算在不同模拟工况下，各层1.5 m 处的温度，结果如图3 所示。

图3 夏季各层1.5 m 处平均温度图

由图3 可得，在夏季，采用不同的设计方案，首层和顶层距离地面1.5 m 处的温度存在较大不同，中间层距地面1.5 m 处的温度差异相对较小。在夏季，工况一各层距地面1.5 m 处的温度偏离室内设计值（26 ℃）较小，工况二，三各层距离地面1.5 m 处的室内温度偏离设计值较大，工况二顶层由于玻璃屋顶带来很大的冷负荷，导致温度过高。工况三由于外窗关闭及屋顶玻璃屋顶导致8-10 层中庭温度过高。因此从各层人员活动区域的平均温度和各层温差来看，工况一为比较好的方案。

2.3 各水平风速分析

吹风感是空调室内人员常见的不舒适感之一，造成原因是由于人员所处空间的空气风速和温度未处于人体热舒适范围内，从而给人以热不舒适感。建议的舒适标准为：空调供冷工况室内允许最大风速约为0.3 m/s。

计算各层1.5 m 处界面的风速，并认为距离地面1.5 m 处为人员热舒适感应区，由于热压的作用，首层和顶层最易出现热不舒适感。

由图4 可知，在工况一时，首层和顶层绝大部分区域风速小于0.3 m/s，处于热舒适标准范围内，仅在风口下和少量边角范围内的风速超出标准，会有吹风感。而工况二、三由于首层采用大功率多联机，首层有较多区域风速大于0.3 m/s，处于热不舒适区域。因此从各层人员活动区域的平均风速来看，工况一为比较好的方案。