彭冬根，程南洋，楊澤煊，徐少華

(南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330031)

中庭是當(dāng)代建筑內(nèi)部的一種常見(jiàn)建筑形式，其在改變室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)、內(nèi)部環(huán)境、氣流組織、區(qū)域連通等上均有著重要的作用。由于其建筑構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，室內(nèi)空氣流動(dòng)分布不均，會(huì)導(dǎo)致垂直溫差較大，且與中庭相連的各層室內(nèi)空間溫度、相對(duì)濕度等分布不均勻。目前對(duì)于氣流組織的研究多采用CFD軟件對(duì)建筑的溫濕度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，如蘇華東等[1]利用CFD模擬軟件，得出室內(nèi)設(shè)計(jì)中可采用的節(jié)能設(shè)計(jì)的手段和方法；孫科等[2]通過(guò)CFD模擬技術(shù)對(duì)高級(jí)辦公室、開(kāi)放辦公區(qū)和報(bào)告廳的氣流組織進(jìn)行研究分析；謝志平[3]基于CFD模型對(duì)地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)氣流組織進(jìn)行分析，并對(duì)通風(fēng)循環(huán)設(shè)計(jì)、風(fēng)道風(fēng)口設(shè)計(jì)、K值計(jì)算提出建議；李學(xué)暢等[4]利用Fluent軟件對(duì)高校宿舍通風(fēng)方式進(jìn)行模擬，并采取實(shí)測(cè)與模擬相結(jié)合的研究方法證明了數(shù)值模擬的合理性和可靠性。當(dāng)前對(duì)于中庭空調(diào)氣流組織的研究多集中于空調(diào)末端的送風(fēng)口形式上，如張歡等[5]模擬了分別使用球形噴口側(cè)送風(fēng)、條形風(fēng)口側(cè)送風(fēng)、條形風(fēng)口側(cè)送風(fēng)+地板輻射供暖時(shí)，室內(nèi)人員舒適效果的變化情況；孫國(guó)勛等[6]利用CFD模擬軟件，模擬了全空氣空調(diào)系統(tǒng)及THIC系統(tǒng)的室內(nèi)空氣品質(zhì)變化情況；謝丹[7]通過(guò)模擬得到中庭建筑空調(diào)送風(fēng)角度、送風(fēng)速度及送風(fēng)溫度對(duì)PMV、PPD的影響。針對(duì)中庭建筑的氣流組織優(yōu)化，楊夢(mèng)瑤[8]利用CFD技術(shù)對(duì)高大空間建筑的分層空調(diào)在不同工況下的氣流組織進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對(duì)這些工況下的工作區(qū)人體舒適度分別進(jìn)行了計(jì)算分析；孫陽(yáng)紅[9]分別對(duì)采用熱風(fēng)采暖高大中庭頂部周邊開(kāi)口、上部側(cè)墻開(kāi)口、頂部中間開(kāi)口及熱風(fēng)采暖與地面輻射供暖相結(jié)合的供暖方式這4種工況進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬，以改善中庭冬季供暖工況下可能遇到的一系列熱舒適性問(wèn)題。

本文針對(duì)中庭建筑夏季運(yùn)行設(shè)計(jì)條件，進(jìn)行CFD模擬計(jì)算，為更好滿足人員舒適度要求，對(duì)傳統(tǒng)中庭建筑設(shè)計(jì)送風(fēng)風(fēng)量比例、回風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整，以使得建筑各層工況更符合設(shè)計(jì)要求。

1 模擬中庭建筑物理模型

文中模擬的建筑為陜西西安地區(qū)某大學(xué)圖書館的中庭，該中庭位于圖書館的第2～第5層的內(nèi)區(qū)，第1層大廳與第2層垂直不連通，故不在建模及模擬范圍。中庭部分包括上下連通的中庭樓梯區(qū)域、環(huán)形走廊及相連的電梯廳、部分圖書藏閱區(qū)等，不同樓層的功能分區(qū)略有不同。

該中庭區(qū)域依據(jù)夏季工況計(jì)算空調(diào)負(fù)荷，采用一次回風(fēng)的全空氣系統(tǒng)，過(guò)渡季節(jié)全新風(fēng)運(yùn)行。送風(fēng)形式有上送和側(cè)送2種，環(huán)形走廊及相連的電梯廳、圖書藏閱區(qū)等采用上送上回式，中庭樓梯區(qū)域的第2、第3層之間為側(cè)送形式，風(fēng)口為直徑300 mm的旋流風(fēng)口?？拷鼧翘蓍g和洗手間的門口分別有單層百葉回集中風(fēng)口。中庭部分的單層面積為1 728 m2，樓層凈高4.5 m，吊頂下沿高度3.3 m。上送風(fēng)口置于各層吊頂下沿處，送風(fēng)口采用300 mm×300 mm的方形散流器，第2層和第3層分別布置32個(gè)，第4～第5層分別布置30個(gè)。側(cè)送風(fēng)口置于第2～第3層之間，風(fēng)口為φ300的旋流風(fēng)口，布置6個(gè)。第2層風(fēng)口分布示意圖及實(shí)際建筑物理模型構(gòu)建效果圖如圖1所示。

2 CFD數(shù)學(xué)模型

CFD流體計(jì)算過(guò)程包含的質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程及組分守恒模型，相關(guān)模型公式見(jiàn)文獻(xiàn)[10]；模型區(qū)域內(nèi)部的流體設(shè)置為k-ε紊流模型，k方程和ε方程相關(guān)公式見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。

動(dòng)量守恒方程中的靜壓及重力項(xiàng)和流體的密度有關(guān)，而任何實(shí)際氣體的密度都會(huì)隨著溫度、流速等參數(shù)的變化而改變，本身為可壓縮流體。但考慮到室內(nèi)外環(huán)境溫度變化不大，室內(nèi)空氣整體流速不大，空氣密度變化量極其有限，故采用BOUSSINESQ模型，將密度的變化視為溫度的單值函數(shù)，為此將靜壓和密度項(xiàng)綜合表達(dá)為：

(ρ-ρ0)g=-ρ0β(t-t0)g

(1)

式中:ρ0為流體參考密度，kg·m-3；t為流體溫度，℃;t0為流體參考溫度，℃;β為體積膨脹系數(shù)，1/K。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

3.1 設(shè)計(jì)負(fù)荷計(jì)算

室內(nèi)負(fù)荷的計(jì)算需考慮維護(hù)結(jié)構(gòu)邊界條件，本文只選用該建筑的中庭部分，故其他部分暫不做考慮。中庭與其他部分連接處均看作墻體處理，墻體導(dǎo)熱系數(shù)為0.75 W·m-1·K-1，厚度為240 mm，外部對(duì)流空氣溫度為35 ℃，對(duì)流換熱系數(shù)為10 W·m-2·K-1。其他燈光、人員等均按照GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]規(guī)定進(jìn)行設(shè)置。該區(qū)域設(shè)備不多，由設(shè)備產(chǎn)生的熱濕負(fù)荷可以忽略，故在模擬設(shè)置中對(duì)該項(xiàng)不作設(shè)置。使用鴻業(yè)負(fù)荷計(jì)算軟件進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，該軟件使用的是諧波法，各層負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 第2～第5層總負(fù)荷Tab.1 Total cooling load of air conditioner on the second to fifth floors

3.2 氣流組織設(shè)計(jì)計(jì)算

建筑所在地區(qū)為陜西西安，其夏季空調(diào)工況下室外干球溫度35 ℃，濕球溫度25.8 ℃，露點(diǎn)溫度22.8 ℃，焓值82.4 kJ·kg-1，含濕量18.4 g·kg-1，相對(duì)濕度49.3%，密度1.09 kg·m-3(焓值、含濕量均以干空氣計(jì))?？照{(diào)系統(tǒng)采用一次回風(fēng)，室內(nèi)干球溫度為26 ℃，濕球溫度20.2 ℃，露點(diǎn)溫度17.6 ℃，焓值60.0 kJ·kg-1，含濕量13.3 g·kg-1，相對(duì)濕度60%，密度1.13 kg·m-3。傳統(tǒng)空調(diào)送風(fēng)量是根據(jù)各空調(diào)區(qū)的熱濕負(fù)荷及空調(diào)系統(tǒng)處理方式，由空氣處理焓濕圖計(jì)算得到。本文依據(jù)該方法分別計(jì)算中庭各層送風(fēng)量及氣流組織設(shè)計(jì)，見(jiàn)表2。

表2 第2～第5層送風(fēng)設(shè)計(jì)Tab.2 Design of supply air from the second to fifth floors

中庭氣流組織送風(fēng)方式為上送上回式，設(shè)計(jì)總風(fēng)量為124 300 m3·h-1。送風(fēng)口有2種：一為方形散流器300 mm×300 mm，風(fēng)口分布在每層走廊頂上；另一種為φ300 mm的旋流風(fēng)口，位于第2層與第3層中間，2種送風(fēng)口在軟件中都設(shè)置為速度入口邊界?；仫L(fēng)口通用為1 500 mm×1 500 mm的百葉回風(fēng)口，設(shè)置在每層的兩側(cè)，軟件中設(shè)置為壓力出口邊界。

4 傳統(tǒng)氣流組織設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

為揭示以各層熱濕負(fù)荷計(jì)算的風(fēng)量來(lái)確定送風(fēng)氣流組織中存在的問(wèn)題，論文首先采用CFD軟件模擬傳統(tǒng)中庭建筑空調(diào)送冷風(fēng)的氣流組織。分析其溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、相對(duì)濕度場(chǎng)的分布情況，著重考慮到距離地面1.5 m處人員活動(dòng)率最高點(diǎn)的溫濕度分布。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)中庭建筑空調(diào)氣流組織存在兩方面問(wèn)題。

4.1 中庭氣流浮升問(wèn)題

從各層及中庭模擬速度場(chǎng)分布圖可看出在中庭大空間內(nèi)存在較明顯的氣流浮升問(wèn)題，如圖2所示。由速度場(chǎng)圖可以看出，中庭圍廊部分的空氣流動(dòng)速度基本都在0～0.4 m·s-1之間，只在接近送、回風(fēng)口的小范圍內(nèi)風(fēng)速增加，其作用范圍較小，平均風(fēng)速約為0.17～0.20 m·s-1之間。中庭高大空間部分風(fēng)速相對(duì)較高，集中在0.2～0.8 m·s-1，中部由于下部空氣向上浮升使得空氣流速增加。為方便觀察總體空氣流動(dòng)趨勢(shì)，導(dǎo)出Y中軸線縱切面速度場(chǎng)圖，顯示范圍設(shè)為0～1.2 m·s-1。由圖可以看出，由于第2層與第3層間有6個(gè)旋流風(fēng)口向中庭吹風(fēng)，熱空氣上浮，中庭內(nèi)自旋流風(fēng)口向上，氣流流速約為0.6 m·s-1，在第4～第5層之間達(dá)到最大約0.8 m·s-1。另外，由于頂部封閉，最頂層的空氣流動(dòng)速度較為緩慢，平均風(fēng)速約為0.1 m·s-1左右。表3為圖2中各平面平均風(fēng)速值。由此可看出中庭建筑空調(diào)按各層負(fù)荷設(shè)計(jì)風(fēng)量送風(fēng)會(huì)形成較大氣流浮升問(wèn)題，從而影響各層溫度分布。

表3 第2～第5層1.5 m處及Y中軸線縱切面平均風(fēng)速Tab.3 Average wind speed at 1.5 m from the second to the fifth floors and longitudinal section of Y central axis

4.2 頂層與下層溫差過(guò)大

從各層及中庭溫度分布可看出頂層和下層存在較大溫差，如圖3及表4所示。如圖觀察地面上1.5 m面的溫度分布可知，整個(gè)第2～第4層包括中庭在內(nèi)，溫度較為均勻地分布在(26.3～27.3) ℃之間。

整體上看，室內(nèi)溫度分布較為對(duì)稱，左邊和右邊由于遠(yuǎn)離回風(fēng)口，所以附近溫度較低。但是第5層的溫度明顯偏高，平均溫度27.3 ℃，且分布并不是很均勻，相較與下層溫度高出(0.5～1.0) ℃，原因和下層氣流浮升導(dǎo)致大量高溫回風(fēng)上涌有關(guān)。另外從相對(duì)濕度分布圖可知，越往頂層相對(duì)濕度越低，但整體變化不大，且平均相對(duì)濕度基本滿足設(shè)計(jì)要求見(jiàn)表4。

表4 各層1.5 m處平均溫度及相對(duì)濕度Tab.4 Average temperature and relative humidity at 1.5 m each layer

5 改進(jìn)的設(shè)計(jì)方案及其效果

根據(jù)上述分析可知中庭建筑空調(diào)氣流組織所存在突出問(wèn)題是頂層溫度明顯偏離空調(diào)設(shè)計(jì)工況，平均溫度超過(guò)設(shè)計(jì)溫度1.3 ℃，考慮到它是由中庭浮升氣流造成，故本文提出以下改進(jìn)措施。

1) 措施一：針對(duì)整個(gè)中庭采用集中送冷風(fēng)，加大下層回風(fēng)口面積。為減輕下層氣流浮升，需加大第2層及第3層回風(fēng)量，具體措施為將第2層和第3層回風(fēng)口面積增大50%。經(jīng)模擬分析，這種設(shè)置能有效減輕下層氣流上浮，改善第5層溫度分布。

2) 措施二：針對(duì)中庭采用分層送冷風(fēng)，重新調(diào)整各層輸送冷風(fēng)量比例。將第2層和第3層部分風(fēng)量調(diào)整至第4層和第5層，具體措施為將第2層和第3層風(fēng)量的10%、20%、30%、40%加到第4層和第5層。下面就2種改進(jìn)方案的實(shí)施效果進(jìn)行分析。

5.1 加大下層回風(fēng)口面積的改進(jìn)效果

依據(jù)改進(jìn)措施一，將第2層和第3層回風(fēng)口面積增大50%，以增大下層回風(fēng)量，取各層地面1.5 m處為觀察面，觀察各層速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的改進(jìn)效果。

5.1.1 中庭氣流浮升情況對(duì)比

圖4為加大下層回風(fēng)口面積前后中庭及周邊樓層的速度分布變化，經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出改變前后各層1.5 m處平均風(fēng)速見(jiàn)表5。

表5 第2～第5層1.5 m處平均風(fēng)速對(duì)比Tab.5 Comparison of average wind speed at 1.5 m from the second to the fifth floors

可見(jiàn)改進(jìn)后各層空氣平均流速都有所降低，但并不明顯。鑒于此改進(jìn)措施主要是為了解決由于下層氣流浮升問(wèn)題，因此它對(duì)中庭氣流浮升情況改進(jìn)會(huì)更為明顯，從圖4可以看出，中庭部分浮升氣流不論在作用區(qū)域還是在流動(dòng)速度上都明顯衰減。改進(jìn)后中庭平均空氣流速明顯降低，氣流流速約為0.5 m·s-1，最大流速在第4層，約為0.66 m·s-1；相較于改進(jìn)前平均風(fēng)速下降約0.1 m·s-1，最大風(fēng)速下降0.14 m·s-1。說(shuō)明加大下層回風(fēng)口面積50%確能有效降低中庭浮升氣流。

5.1.2 頂層溫度場(chǎng)對(duì)比

圖5為加大下層回風(fēng)口面積對(duì)第5層溫度場(chǎng)影響，由圖可見(jiàn)第5層的平均溫度值降低，更加趨近于設(shè)計(jì)溫度，溫度分布更加合理，右上側(cè)及右下側(cè)的高溫區(qū)明顯減少。其他各層1.5 m高度平均溫度改進(jìn)前后變化經(jīng)過(guò)計(jì)算見(jiàn)表6。表中顯示第2、第3層溫度略微上升，第4、第5層溫度下降，各層溫度更趨近設(shè)計(jì)溫度，說(shuō)明提高下層回風(fēng)口面積對(duì)各層溫度分布改進(jìn)效果較好。

表6 第2～第5層1.5 m處平均溫度對(duì)比Tab.6 Comparison of average temperature at 1.5 m from the second to the fifth floors

5.2 重新調(diào)整各層風(fēng)量比例的改進(jìn)效果

依據(jù)改進(jìn)措施二，將第2層和第3層風(fēng)量的10%、20%、30%、40%加到第4層和第5層，同時(shí)為滿足送風(fēng)風(fēng)速要求，對(duì)送風(fēng)口大小進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，同樣取樓層地面1.5 m處為觀察面，觀察各層速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的改進(jìn)效果。

5.2.1 頂層溫度場(chǎng)對(duì)比

鑒于改進(jìn)措施的主要目的是為了解決第5層的氣流組織分布問(wèn)題，故先對(duì)4種調(diào)整風(fēng)量比例對(duì)第5層溫度分布影響進(jìn)行分析，如圖6所示?？芍?，風(fēng)量調(diào)整后第5層溫度都明顯降低，但調(diào)整30%及40%風(fēng)量會(huì)導(dǎo)致第5層走廊區(qū)域溫度明顯偏低，調(diào)整30%風(fēng)量會(huì)導(dǎo)致走廊區(qū)域溫度比設(shè)計(jì)溫度低約1 ℃；調(diào)整40%風(fēng)量會(huì)導(dǎo)致走廊區(qū)域溫度比設(shè)計(jì)溫度低約2 ℃，不符合設(shè)計(jì)要求，故后論文只建議調(diào)整風(fēng)量比取10%及20%。圖中0%為調(diào)整前的溫度分布，對(duì)比10%和20%調(diào)整和調(diào)整前各層平均溫度見(jiàn)表7。顯示調(diào)整后除第2層溫度上升0.3 ℃，第3、第4、第5層溫度都有所降低，整體平均溫度也下降了0.5 ℃。另外，在20%風(fēng)量調(diào)整時(shí)第5層走廊區(qū)域溫度明顯降低，平均溫度在25.9 ℃左右，滿足設(shè)計(jì)要求，改進(jìn)后已基本消除下部氣流浮升造成的影響。

表7 第2～第5層3次1.5 m處平均溫對(duì)比表Tab.7 Comparison of average temperature at 1.5 m from the second to the fifth floors

5.2.2 中庭氣流浮升情況對(duì)比

圖7為改進(jìn)前后的速度場(chǎng)對(duì)比，改進(jìn)后各層空氣平均流速都有所降低，特別是中庭部分已基本無(wú)氣流浮升，主要為第5層與中庭之間有氣流流動(dòng)，流速也較低，最大為0.6 m·s-1左右。另外經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出改進(jìn)前后各層 1.5 m處平均風(fēng)速見(jiàn)表8，顯示各層平均風(fēng)速均有所降低。

表8 第2～第5層1.5 m處平均風(fēng)速對(duì)比Tab.8 Comparison of average wind speed at 1.5 m from the second to the fifth floor

6 結(jié)論

1) 增大下層回風(fēng)面積雖然也能抑制下層氣流浮升，但會(huì)導(dǎo)致下層溫度明顯上升。

2) 調(diào)整各層風(fēng)量比例對(duì)于減輕下層氣流浮升效果更加明顯，并且對(duì)下層溫度影響較小但風(fēng)量調(diào)整比例不應(yīng)超過(guò)20%。

2種改進(jìn)措施對(duì)中庭頂層室內(nèi)工況改善有較為明顯的效果，使得頂層平均溫度下降并且溫度分布均勻，消除了高溫區(qū)域，更符合人體的舒適性要求。