陳　剛

（奧雅納工程咨詢（上海）有限公司，上海200031）

酒店中庭熱環(huán)境系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

陳剛

（奧雅納工程咨詢（上海）有限公司，上海200031）

針對(duì)酒店中庭熱環(huán)境特點(diǎn)，從理論上分析了中庭得熱的影響因素和計(jì)算方法，同時(shí)提出采用能耗模擬軟件和CFD軟件對(duì)中庭的熱環(huán)境進(jìn)行聯(lián)合模擬分析，并在實(shí)際的項(xiàng)目中運(yùn)用該方法進(jìn)行研究分析，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出合理的建議。

酒店中庭；輻射得熱；聯(lián)合模擬；氣流組織

0　引言

中庭是一種很古老的概念，兩千多年的西方就已存在上部覆有頂蓋的公共中心庭院空間，而現(xiàn)代意義上的中庭源于工業(yè)革命之后的產(chǎn)生地由玻璃和鋼鐵覆蓋得連拱廊和有頂庭院。這種形式在20世紀(jì)60年代獲得很大發(fā)展，在各種類型的公共建筑中如商業(yè)、辦公及酒店都出現(xiàn)了中庭。由于中庭大面積的采光功能增加了建筑的通透性，同時(shí)中庭區(qū)域還可以將植被、水景及其他的人文小品引入到室內(nèi)空間，創(chuàng)造了室內(nèi)自然景觀，故越來越多的建筑物通過中庭的設(shè)計(jì)來改善建筑室內(nèi)環(huán)境，提高建筑品味和檔次。

中庭在為居住者提供良好室內(nèi)環(huán)境的同時(shí)也帶來了能源消耗問題，由于中庭通常擁有大面積采光天窗或幕墻，“溫室效應(yīng)”和“煙囪效應(yīng)”使得其建筑能耗較大，故合理設(shè)置中庭區(qū)域的空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)為整個(gè)建筑節(jié)能及中庭區(qū)域舒適性至關(guān)重要。

1　酒店中庭特點(diǎn)

中庭根據(jù)其體型和采光面可以分為“天井型”、“寬敞型”和“溫室型”［2］，高檔酒店的中庭設(shè)置主要是為酒店住客提供一個(gè)觀光平臺(tái)，其中庭通常設(shè)計(jì)成貫穿整個(gè)客房縱向區(qū)域，形狀為狹長(zhǎng)形，擁有一個(gè)天窗或某個(gè)朝向上大面積的玻璃幕墻，中庭活動(dòng)區(qū)域?yàn)榫频甏筇谩⒖Х劝傻裙δ軈^(qū)，同時(shí)里面也會(huì)引入植物和水景來改善中庭的環(huán)境，使得中庭具有采光、人為自然及住客觀光多種功能。

但酒店中庭通常為“天井型”，其體型特點(diǎn)使得該中庭的“溫室效應(yīng)”和“煙囪效應(yīng)”對(duì)中庭空間的熱環(huán)境有較大的影響，如果中庭的空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置的不合適，不僅影響中庭人員區(qū)域的舒適性，同時(shí)也會(huì)耗費(fèi)大量的能源，故對(duì)酒店中庭熱環(huán)境及空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)置進(jìn)行研究具有較大的意義。

圖1　中庭的分類

2　酒店中庭熱環(huán)境研究方法

采用傳統(tǒng)的空調(diào)負(fù)荷計(jì)算僅能計(jì)算出全室負(fù)荷的大小，而且也無法根據(jù)實(shí)際的氣象參數(shù)準(zhǔn)確的計(jì)算出太陽輻射得熱的影響，故本文采用DOE能耗模擬軟件對(duì)中庭的空調(diào)冷負(fù)荷進(jìn)行分析研究，DOE-2是一個(gè)功能非常強(qiáng)大的建筑能耗模擬軟件。它是在美國能源部財(cái)政支持下，由勞倫斯伯克力國立實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory）模擬研究小組開發(fā)的。利用該軟件為酒店中庭建模進(jìn)行太陽輻射對(duì)中庭的得熱進(jìn)行模擬研究。

中庭的熱環(huán)境主要體現(xiàn)在人員活動(dòng)區(qū)域的舒適性要求，而人員活動(dòng)區(qū)域的舒適性及中庭能耗均和空調(diào)系統(tǒng)的送回風(fēng)方式、氣流組織密切相關(guān)，故本文采用了CFD氣流模擬軟件，在能耗模擬軟件對(duì)幕墻輻射得熱的分析結(jié)果上，輸入多個(gè)工況下風(fēng)口位置、風(fēng)量及風(fēng)壓的設(shè)置，模擬出人員區(qū)域溫度場(chǎng)和風(fēng)速場(chǎng)作為空調(diào)系統(tǒng)氣流組織分析的依據(jù)。

3　中庭玻璃幕墻得熱分析

3.1傳熱得熱

玻璃幕墻的傳熱過程包括導(dǎo)熱和對(duì)流換熱兩個(gè)方面，導(dǎo)熱是由于玻璃內(nèi)外表面存在溫度差，玻璃本身存在導(dǎo)熱傳熱過程，熱量從室內(nèi)傳到室外或者從室外傳到室內(nèi)。而對(duì)流換熱是由于玻璃內(nèi)外表面和空氣接觸，通過對(duì)流換熱與空氣進(jìn)行換熱。通過單位面積玻璃傳遞的熱量可按下式計(jì)算［3］：

式中Q—單位面積傳遞的熱量，W/m2；

U—傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

te—室外溫度，℃；

ti—室內(nèi)溫度，℃。

當(dāng)熱量通過玻璃中心部分而不考慮邊緣效應(yīng)，穩(wěn)態(tài)條件下，玻璃的綜合傳熱系數(shù)（U）通常按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式中α1—外表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

λ—導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

d—幕墻厚度，m；

α2—內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）。

當(dāng)所采用的玻璃為多層時(shí)，玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)可按照下式進(jìn)行考慮［4］：

式中λs—?dú)怏w空隙的導(dǎo)熱率；

N—?dú)怏w層的數(shù)量；

M—材料層的數(shù)量；

dm—每一個(gè)材料層的厚度；

rm—每一層材料的熱阻率。

3.2輻射得熱

輻射得熱分為兩部分，直接透射到室內(nèi)的太陽輻射熱qt和被玻璃吸收的太陽輻射熱傳向室內(nèi)的qa。輻射得熱取決于很多因素，從太陽輻射方面考慮，輻射強(qiáng)度、入射角均與緯度、月份、日期及時(shí)間有關(guān)系；從幕墻方面考慮，它和玻璃的光學(xué)特性、幕墻邊框性能及是否有遮陽裝置有關(guān)。玻璃輻射得熱量可采用下式［5］表示：

式中Qf—輻射得熱量，W/m2；

Cs—玻璃的遮擋系數(shù)；

Cn—室內(nèi)遮陽設(shè)置的遮陽系數(shù)。

當(dāng)把太陽輻射得熱用實(shí)用調(diào)和分析整理成諧波形式后，可采用下式表示：

式中Bn—n階輻射得熱因數(shù)諧波的波幅。

根據(jù)上述分析，中庭輻射得熱和室外參數(shù)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)相關(guān)，在DOE軟件得熱模擬中需詳細(xì)的輸入下述參數(shù)。

圖2　得熱模擬參數(shù)需求

4　中庭氣流組織的分析

作為高大空間的中庭區(qū)域，特別是天井型的中庭，室內(nèi)氣流組織一直是較難解決的課題，其氣流分布不僅和送回風(fēng)口的位置、風(fēng)量和風(fēng)溫有關(guān)，而且中庭高度，形狀及上部是否設(shè)置排風(fēng)等因素對(duì)其影響較大，常規(guī)的空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念難以滿足中庭區(qū)域熱舒適和節(jié)能的要求。

本文將在第三節(jié)中庭得熱分析的基礎(chǔ)上，基于N-S方程的紊流模型中的k-ε雙方程模型［6］，借助應(yīng)用于氣流模擬方面成熟的CFD數(shù)值模擬軟件對(duì)中庭的室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，從而對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行預(yù)測(cè)，以驗(yàn)證各種設(shè)計(jì)方案的可行性和所能達(dá)到的效果，同時(shí)還可根據(jù)模擬的結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，這在通常的設(shè)計(jì)過程中是無法做到的。

5　實(shí)際項(xiàng)目分析

該項(xiàng)目位于杭州，為超五星級(jí)酒店。建筑師在酒店大堂區(qū)域至客房高區(qū)設(shè)計(jì)了一個(gè)“天井型”的中庭，底部?jī)蓪訁^(qū)域（26層及27層）為酒店入住大堂及大堂吧，是住客可能長(zhǎng)期停留的區(qū)域，上部中庭和客房走道相鄰，作為客房觀光區(qū)域。中庭總高度為74m。

5.1中庭得熱模擬

根據(jù)第3節(jié)的研究分析，本文將當(dāng)?shù)氐臍庀髤?shù)和項(xiàng)目實(shí)際采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)輸入至DOE軟件進(jìn)行中庭得熱的模擬。該項(xiàng)目按照LEED綠色節(jié)能建筑金獎(jiǎng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，外墻傳熱系數(shù)小于0.705W/（m2·K）；外窗及天窗采用中空低輻射玻璃（Low-E glass），玻璃傳熱系數(shù)小于2W/（m2·K），遮陽系數(shù)小于0.4。在本次模擬中將26及27層大堂區(qū)域與整個(gè)中庭作為模擬區(qū)域進(jìn)行研究，其模型如圖4所示（由于建筑本身對(duì)稱，故僅取一半進(jìn)行研究；同時(shí)中庭本身形狀不規(guī)則，為簡(jiǎn)化模型，假設(shè)其上下形狀一致）：

為了之后在CFD氣流組織模擬的設(shè)置便利性，將模擬的結(jié)果折合為單位面積外墻的熱負(fù)荷為39W/m2。

圖3　酒店中庭示意

圖4　中庭得熱模擬模型示意圖

5.2中庭氣流組織模擬分析

26及27層大堂中間相通并與中庭直接相連，原設(shè)計(jì)中大堂空調(diào)形式是采用上送上回式的全空氣系統(tǒng)?？紤]到此次氣流組織研究的關(guān)注點(diǎn)為舒適性和節(jié)能性，具體即為研究人員區(qū)域的溫度場(chǎng)和送風(fēng)速度分布，所采用的送回風(fēng)方式對(duì)夏季供冷較為合適，故針對(duì)冬季空調(diào)的氣流組織進(jìn)行分析研究，具體模擬工況見表1。

按上述分析，主要選擇人體活動(dòng)區(qū)域（高度0.5～1.5m之間）進(jìn)行模擬，相應(yīng)的結(jié)果如下：

5.2.1上/側(cè)送風(fēng)系統(tǒng)的研究

表1　中庭氣流組織模擬工況

圖5　工況一/二送回風(fēng)平面圖

工況一：從上述分析可得冬季熱風(fēng)在到達(dá)人員活動(dòng)區(qū)域時(shí)已有相當(dāng)部分風(fēng)量直接回到系統(tǒng)或上升至中庭高位，故兩層人員活動(dòng)區(qū)的溫度均未達(dá)到設(shè)計(jì)溫度22℃要求。

工況二：提高送風(fēng)溫度意味著增加能耗，從上述分析可得冬季熱風(fēng)在到達(dá)人員活動(dòng)區(qū)域時(shí)仍有部分風(fēng)量直接回到系統(tǒng)或上升至中庭高位，26層基本能達(dá)到要求，但27層仍有局部區(qū)域無法滿足。

5.2.2下送風(fēng)系統(tǒng)的研究

圖6　工況一26層人員區(qū)溫度分布圖

圖7　工況一27層人員區(qū)溫度分布圖

圖8　工況一26/27層人員區(qū)氣流矢量圖

圖9　工況一中庭區(qū)氣流矢量圖

5.2.1節(jié)中對(duì)上送上回的氣流組織進(jìn)行了模擬分析，其結(jié)果未能完全滿足該要求，從人體舒適性方面考慮，冬季熱風(fēng)采用地板送風(fēng)時(shí)人員活動(dòng)區(qū)域的舒適性的效果會(huì)更佳。故下述工況將采用該種氣流組織方式進(jìn)行分析（送風(fēng)溫度24.5℃）。

對(duì)于26層大堂區(qū)域而言，考慮在空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)將送風(fēng)管道通過立管接至25F高位，在25層吊頂內(nèi)沿幕墻附近布置地板送風(fēng)口為26層送風(fēng)，具體如圖14所示。

工況三：與工況一相比，熱氣流逸至中庭區(qū)的量明顯要求較少，在相同的送風(fēng)溫度情況下，人員區(qū)的平均溫度要高1度左右，27層的效果優(yōu)于26層，這是由于26層部分熱氣流通過27層進(jìn)行回風(fēng)。

圖10　工況二26層人員區(qū)溫度分布圖

圖11　工況二27層人員區(qū)溫度分布圖

圖12　工況二26/27層人員區(qū)氣流矢量圖

圖13　工況二中庭人員區(qū)氣流矢量圖

故通過上述分析，可知該項(xiàng)目夏季和冬季的內(nèi)區(qū)可采用上送風(fēng)或側(cè)送風(fēng)的方式，同時(shí)可在幕墻周邊輔助設(shè)置地板送風(fēng)。

圖14　工況三26層地板送風(fēng)平面圖

圖15　工況三27層地板送風(fēng)平面

圖16　工況三26層人員區(qū)溫度分布圖

圖17　工況三27層人員區(qū)溫度分布圖

圖18　工況三26/27層人員區(qū)氣流矢量圖

圖19　工況三中庭人員區(qū)氣流矢量圖

6　結(jié)語

中庭的熱環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)可采用能耗模擬軟件和CFD模擬軟件進(jìn)行聯(lián)合模擬分析，根據(jù)具體項(xiàng)目情況提供研究分析作為設(shè)計(jì)的參考。

（1）中庭得熱分析不能僅采用常規(guī)的負(fù)荷計(jì)算軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)的計(jì)算，一定要基于當(dāng)?shù)貙?shí)際的氣象參數(shù)，包括太陽輻射照度及太陽高度角等參數(shù)進(jìn)行模擬分析；

（2）當(dāng)中庭上方未開啟排風(fēng)裝置時(shí)，地板送風(fēng)方式逸入中庭部分的熱氣流量較少，但差別并不顯著；

（3）地板送風(fēng)與上送風(fēng)方式比較，人員區(qū)域最終平均溫度高一攝氏度左右；

（4）冬季送風(fēng)可通過提高送風(fēng)溫度來提高人員區(qū)溫度分布。

［1］理查·薩克森.中庭建筑開發(fā)與設(shè)計(jì)［M］.戴復(fù)東、吳廬生譯.1版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1990.

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［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

陳剛（1973-），男，工學(xué)學(xué)士，工程師。