寒冷地区商业建筑中庭冬季垂直温差优化研究

刘姵君

阿特金斯顾问（深圳）有限公司

0 引言

针对北方地区具有高大中庭的商业建筑，冬季供暖时，经常有低楼层过冷、高楼层过热，导致竖向温差大，能耗水平高等问题[1]。在设计阶段中对中庭热环境进行优化的手段主要是通过数值模拟方式来分析不同措施对室内热环境及气流组织的影响，进而提出降低空调能耗的可能性。王龙阁提出了中庭类型高大空间的负荷物理特征，通过CFD 数值模拟方法来验证中送下回分层空调方式对全市空调负荷节能率的影响[2]。孙燕采用FLUENT 软件验证分层空调设计方案对空间气流组织与热舒适性的影响，同时明确了地板辐射采暖对减小中庭垂直温度梯度影响[3]。文献[4-5]通过现场调研实测的方式，反映了中庭高大空间冬季普遍出现的上热下冷现象，并提出可行的优化措施来改善中庭空间的热环境现状。本文结合近年来学者的成果及本文工程实例的研究，梳理了影响中庭垂直温差的因素，希望通过数值模拟的手段判断影响中庭垂直温差的权重参数，讨论既有建筑中庭热环境改善的技术措施。本文作为研究对象的项目是一个位于济南的地标性商业购物中心，建筑面积超过35 万m2，为地下2 层、地上7 层的商业建筑。同时由于地形南北高差较大，LG/G 层局部空间为半地下空间。本工程主要使用功能为：地下一、二层为设备机房及汽车库。LG 层、G 层为附属机房、汽车库及零售商业。地上1～5 层为大型商业，百货，餐饮，儿童业态，室内冰场及影院等。

商业中庭建筑的中庭温度梯度研究工作难点在于室外（风速、风压、温度）及室内（渗漏风、不同运行工况的风量平衡）等诸多影响参数所导致的中庭烟囱效应。室内的垂直空气温差的定义为室内环境达到热稳定状态后，垂直方向上存在的空气温差[6]。本文通过多区域网路模型CONTAM 软件与计算流体力学CFD仿真模拟软件在在计算机上虚拟的做实验，分析复杂的工程问题，观察流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度等）的分布，希望借助热压的负荷转移效应，重新规划各层送风风量、温度，尝试改善商业中庭空间垂直温差问题，同时提出可行的运行控制策略。

1 模拟工况与边界条件设定

济南南靠山地，北邻黄河，东边向海，除南侧山地外，其余方向皆为平原，各季节主导风向以东北风为主，冬季平均风速为3.8 m/s，冬季室外设计温度为-7.7 ℃。本研究根据JGJ/T 449-2018 民用绿色建筑计算标准中的室外风环境模拟边界条件设置的要求[7]，计算后得出目标建筑冬季建筑表面风压值分布如图1所示。室外环境风场作用于目标建筑立面各处的风压值将作为室内流场模拟的入口渗透边界输入参数。建筑渗漏风考量内容包含地下室车库通道入口、地下室车库扶梯厅入口、LG 至L2 层顾客主要出入口、屋顶管井及立面幕墙渗漏风。外门开启及地下室扶梯厅门的开启状况，取决于各模拟工况的设定。地下室扶梯厅热水风幕分布在B1、B2 层，且门斗区域设置送回风系统，各个入口处的风幕系统与加压系统，分布在LG、G、L1 层。自屋顶管井流失的热空气，其孔隙面积按20 cm2/m2为计算基准，孔隙将平均分布在现有模型屋顶面上。立面幕墙在规范气密性能测试条件下前后压差为10 Pa 时，漏风量为2.0 m3/(m2·h)。实际漏风量是根据室内热压和室外风压的和，进而通过多区域网络模型计算得出冷风是渗透进还是渗透出建筑空间。冬季地板辐射系统地表温度取30 ℃，走廊区域人员密度按公共走廊4 m2/人，其余走廊区域8 m2/人输入。走廊区域照明及设备负荷为10 W/m2。目前冬季工况设定餐饮店铺中的新风吹向中庭，温度为26 ℃或20 ℃。餐饮时间排油烟风量-补风量=从中庭吸入餐厅的风量，风量将根据厨房排风的情况进行调整。冬季空调送风温度按30 ℃设定。太阳辐射量根据项目能耗模型输出。

图1 冬季建筑表面风压值分布

本研究针对目标建筑可能发生的运营情况汇总了9 种模拟工况，具体汇总如下：

工况01：非餐饮时间，纯热压+风压不补风，餐饮补风量没有84%，B2、B1、B1M 车库扶梯未开门，屋顶外门全开，管井顶部设置未封堵洞口（1.1 m2），出入口外门全开，餐饮新风的温度为26 ℃，高低楼层均30 ℃送风。

工况02：非餐饮时间，纯热压+风压不补风，餐饮补风量没有84%，B2、B1、B1M 车库扶梯未开门，屋顶外门关闭，管井顶部设置未封堵洞口（1.1 m2），出入口外门关闭，餐饮新风的温度为26 ℃，高低楼层均30 ℃送风。

工况03：非餐饮时间，纯热压+风压不补风，餐饮补风量没有84%，B2、B1、B1M 车库扶梯开一扇门，屋顶外门全开，管井顶部设置未封堵洞口（10.98 m2），出入口外门全开，餐饮新风温度为20 ℃，高低楼层均30 ℃送风。

工况04：非餐饮时间，纯热压+风压不补风，餐饮补风量没有84%，B2、B1、B1M 车库扶梯未开门，屋顶外门关闭，管井顶部设置未封堵洞口（10.98 m2），出入口外门关闭，餐饮新风温度为20 ℃，高低楼层均30 ℃送风。

工况1：餐饮时间，最不利情况，餐饮补风量达到84%，B2、B1、B1M 车库扶梯开一扇门，屋顶外门全开，管井顶部设置未封堵洞口（10.98 m2），出入口外门全开，餐饮新风温度为20 ℃，高低楼层均30 ℃送风。

工况2：餐饮时间，接近实际情况，餐饮补风量达到84%，B2、B1、B1M 车库扶梯开一扇门，屋顶外门半开，管井顶部设置未封堵洞口（10.98 m2），出入口外门半开，餐饮新风温度为20 ℃，高低楼层均30 ℃送风。

工况3：餐饮时间，空调优化工况，餐饮补风量达到84%，B2、B1、B1M 车库扶梯开一扇门，屋顶外门半开，管井顶部设置未封堵洞口（10.98 m2），出入口外门半开，餐饮新风温度为20 ℃，L4-L5 层AHU 及PAU全部关闭。L2-L3 层PAU 关闭，AHU20%新风，送风温度30 ℃。LG-1F 低楼层商铺PAU 新风全开，公共区AHU 新风20%，送风温度35 ℃。

工况4：餐饮时间，空调优化工况，餐饮补风量达到84%，B2、B1、B1M 车库扶梯开一扇门，屋顶外门半开，管井顶部设置未封堵洞口（10.98 m2），出入口外门半开，餐饮新风温度为20 ℃，L2～L5 层AHU 及PAU全开，AHU 新风20%，L4-L5 送风温度20℃，L2-L3 送风温度30 ℃。LG～1F 层AHU 及PAU 全开，AHU 新风50%，送风温度30 ℃。门斗区域风机送30 ℃新风（室外风抽入加热至30 ℃，送入门斗）。

工况5：餐饮时间，空调优化工况，餐饮补风量达到84%，B2、B1、B1M 车库扶梯开一扇门，屋顶外门关闭，管井顶部设置未封堵洞口（10.98 m2），出入口外门半开，餐饮新风温度为20 ℃，L2～L5 层AHU 及PAU全开，AHU 新风20%，L4-L5 送风温度20 ℃，L2-L3 送风温度30 ℃。LG～1F 层AHU 及PAU 全开，AHU 新风50%，送风温度30 ℃。门斗区域风机送30 ℃新风（室外风抽入加热至30 ℃，送入门斗）。

2 各工况渗漏风量结果分析

本研究以美国 NIST（National Institute of Standards and Technology）所发展的多区域网路模型CONTAM 作为分析工具，得出个别空间的室内外压差值，当高楼层室内外压差为正压差时，室内热空气会从缝隙、孔洞渗漏出。低楼层室内外压差为负压差时，冬季室外冷空气会从围护结构缝隙、商场进出口侵入室内。本研究除了考虑室外风环境对各个出入口处形成的风压外，建筑的风量渗透还需考虑建筑内部通风空调系统的风平衡。本研究设定非餐饮时间，餐饮店铺中的新风吹向中庭，计算模型设定由空调系统原因进入中庭的新风量为商铺和步行走廊的新风。餐饮时间排油烟风量-补风量=从中庭吸入餐厅的风量，风量将根据厨房排风的情况进行调整。

在非餐饮时段，工况0-3/4 模拟屋顶管井缝隙实际施工水平，管井热风外泄风量在20～26 万m3/h 之间。工况0-1/3 模拟屋顶对外门、通道、商铺门敞开，热风外泄量约为24 万m3/h。工况0-2/4 模拟所有顾客出入口全部关闭，冷风侵入量非常少，说明加强出入口气密性十分重要。屋顶管井缝隙大，不仅导致顶部热空气散失多，还加剧低楼层冷风渗透进入室内空间。纯热压工况下，如出入口门全开，冬季中庭冷风侵入量在60 万m3/h 上下。幕墙渗漏风总体上是热空气向室外泄出，出入口关闭时，烟囱效应弱，故工况0-2/4 幕墙热风渗漏较小，但基本都在10 万m3/h 左右。详细的非餐饮时段渗透风量模拟数据汇总如表1，其冷风侵入及热风散失量分项数据如图2 所示。

图2 冷风侵入及热风散失量分析（非餐饮时段）

表1 出入口及管井渗透风量汇总（非餐饮时段）

在餐饮时段，工况1、2～4、5 模拟屋顶对外门、通道、商铺门敞开/半开/关闭工况，热风外泄量有较大差别。工况4、5 模拟了暖通改善措施后的效果，可以看出冷风的侵入量有明显减少。工况1 由于屋顶门全开，故热风散失量大。工况2 与4 差别在于一个是接近实际工况，一个是有暖通措施的改善工况，两者比较，冷风总侵入量减少了近5 万m3/h，但由于工况4 增大了中庭新风量，故屋顶热风散失也略大。工况3 为其中一种暖通措施的改善工况，但模拟结果反而是冷风侵入更多。工况5 条件与工况4 接近，区别在于屋顶门全关和半开，可以发现屋顶门全关时，可减轻低区出入口的冷风侵入，此结果表明屋顶外门气密性管理的重要性。其中，工况4、5 付出的代价是需多加热室外新风6万m3/h 送至中庭低楼层。详细的餐饮时段渗透风量模拟数据汇总如表2，其冷风侵入及热风散失量分项数据如图3 所示。

表2 出入口及管井渗透风量汇总（餐饮时段）

图3 冷风侵入及热风散失量分析（餐饮时段）

3 不同工况温度场及垂直温差模拟结果

中庭垂直温差主要受出入口冷风侵入，建筑气密性以及不同的暖通改善措施影响。出入口门全开，对于温度场的影响很大。在工况4 与工况2 比较下，LG层的温度场分布相差不大，但越高楼层工况4 的楼层平均温度明显低于工况2，高楼层热舒适度可有效提升。各模拟工况的温度场分布如图4 及图5 所示，本项目各楼层的中庭平均温度及中庭垂直温差统计汇总如表3。

表3 不同工况下中庭权重温度与垂直温差统计

图4 不同工况下楼层温度场平面分布情况

图5 不同工况下楼层温度场剖面分布情况

4 不同商场温度梯度实测调研结果

本文调研工作始于2016 年1 月份对山东省内几个商业项目进行冬季工况舒适度调查，并于同年8 月份针对研究目标采用数值模拟分析的方式分析不同运行工况下的室内温度分布与热舒适性情况，进而从出入口管理、屋顶建筑气密性加强、空调设备的运行等方面，提出优化研究目标热环境温度舒适性的建议。研究目标已于2019 年10 月建成开业，在其第一个冬季运行期间（2020 年1 月）开展了冬季舒适性与节能调研。山东地区不同商业项目各楼层公共区域平均温度的调研结果汇总如表4 所示。

表4 实地调研楼层温度分布与垂直温差统计

针对研究对象的现场调研发现，商场主入口通道门的形式与管理对减少室外冷风侵入至关重要，寒冷地区的冬季，外门频繁开启造成室外冷空气大量进入室内，为有效提升局部热舒适度，可能导致供暖能耗增加，因此现行公共建筑节能设计规范亦要求寒冷地区建筑面向冬季主导风向的外门应设置门斗或双层外门，其他外门宜设置门斗或应采取其他减少冷风渗透的措施[8]。同时笔者建议门扇采用不定位式地弹簧，定期检查门自闭器是否损坏和回复力度，并通过粘贴绒条改善门缝隙面积，全面加强连接公共区域的通道门开关管理。在屋顶区域相对室外正压、为防止热风泄露而造成更大的底层冷风侵入，需确保屋顶井道及穿出墙体的线槽全面封堵。无动力消防补风风道建议加装单向风阀，或采用动力消防补风方式，降低大量的热空气从屋顶层的补风管道逸散至室外的风险。在围护结构封堵方面，建议定期巡检后勤通道，及时排查可能的冷风灌入点并采取密封措施，同时教育租户（尤其是餐饮租户）关闭连接后勤通道门（厨房门）的重要性。

通过全楼风平衡统计分析，由于厨房机械排风与机械新风量不匹配，使得商场大部分的新风只能通过无组织通风渗入，建议厨房的补风与排油烟风机联动运行，并定时检验空调自控系统中对餐饮店铺排油烟风机和补风机的监视功能，帮助物业营运人员监督各餐饮店铺采取应对措施，避免加剧中庭的热压效应。在空调末端方面，需定期清洗空气处理机组滤网，确保送风量满足设计要求。定期检查空调送风温度传感器显示温度是否与送风设定值保持一致。如发现吊顶送风口送风温度过低时，需进一步检查核实是否风管未与精装风口密接。

5 结语与展望

通过各种不同数值模拟测试工况与实际调研结果分析后得出，影响中庭垂直温差的主要影响因素为高/低区出入口冷风侵入管控、建筑围护结构气密性、暖通空调系统控制措施及厨房排补风系统联动。提升建筑整体气密性能够明显改善中庭垂直温差并减少冷风侵入。出入口门对冷风的侵入有很大影响，建议商场主要出入口采用大型旋转门或设置多层外门结合不定位地弹簧门设计。此外，门斗热送风在外门开启的情况下，对整体中庭的垂直温差改善不明显。加大空调机组的新风量可减弱室内外负压，进而减少低楼层的冷风侵入。在加大空调机组新风量的前提下，降低高楼层送风温度控制，对减小垂直温差、改善高楼层舒适性、减少能耗有所帮助。针对本研究目标最为有效的暖通控制措施为LG～1F 层AHU 及PAU 全部开启，AHU新风50%，送风温度35 ℃。L2～L5 层AHU 及PAU 全部开启，AHU 新风20%。L4-L5 送风温度20 ℃，L2-L3 送风温度30 ℃。总体而言，通过暖通控制措施可以改善中庭垂直温差，但相较于建筑整体围护结构气密性以及出入口冷风侵入控制2 个措施的改善效果有限。对于具有高大中庭的商场建筑，减少其由于热压效应造成的大量无组织通风，是供暖系统优化的核心。通过建立建筑整体的热压通风数值模型，可以在项目设计阶段预测室内热环境与舒适度，明确各种优化措施的可行性与有效性。