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        深圳某建筑中庭夏季熱環(huán)境的數(shù)值模擬研究

        2021-07-28 03:29:28任改霞龐觀藝方聰胡浩文
        關(guān)鍵詞:氣流組織中庭溫差

        任改霞 龐觀藝 方聰 胡浩文

        深圳國研建筑科技有限公司

        0 引言

        中庭一般是綜合多種功能而形成的高大空間,它經(jīng)常貫穿多個樓層,并與各樓層間接或直接相通。在中庭內(nèi),人們既可以享受到室內(nèi)空間的空氣品質(zhì),又能感受到中庭營造出來的一種室外空間特有的開敞和自然環(huán)境,目前中庭廣泛被應(yīng)用于商場、辦公樓等公共建筑設(shè)計中[1-2]。然而,中庭一般體量較大,煙囪效應(yīng)及熱浮力作用會使其垂直方向溫度梯度變化很大,出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象,使得中庭上部偏熱,下部偏冷,影響室內(nèi)的熱舒適性[3]。若想達到室內(nèi)的全舒適性,就會帶來巨大的能耗,中庭的空調(diào)系統(tǒng)由于設(shè)計不當(dāng),常常會導(dǎo)致巨大的能源浪費,因此,對中庭空調(diào)系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計,找到切實可行的節(jié)能措施就顯得尤為重要。

        本文對深圳某工程建筑中庭的氣流組織進行數(shù)值模擬,評價中庭的熱環(huán)境。對該中庭夏季工況,三種不同的空調(diào)送風(fēng)設(shè)計方案下的氣流組織和熱環(huán)境進行數(shù)值模擬計算,對中庭垂直溫差、各層平均溫度、室內(nèi)風(fēng)速進行分析比較,從而確定滿足要求的空調(diào)送風(fēng)方案,為工程設(shè)計提供參考。

        1 數(shù)值模擬模型

        1.1 物理模型

        該建筑地上12 層均為商業(yè)用房,地上1 層為中庭大堂,3-12 層為走道,該中庭貫穿整個建筑,共12 層。每層凈高4.5 m,建筑北側(cè)為玻璃幕墻,設(shè)有可開啟的外窗,中庭頂部為透明玻璃屋頂,其空調(diào)的形式為多聯(lián)機。

        1.2 數(shù)學(xué)模型

        本次研究的數(shù)學(xué)模型采用K-ε 模型,對計算區(qū)域內(nèi)的空氣流動進行如下假設(shè):

        1)假設(shè)空氣流動為不可壓縮牛頓粘性流體的穩(wěn)態(tài)流動。

        2)滿足Bonssinesq 假設(shè)。即認(rèn)為空氣溫度變化僅引起空氣密度的變化,且除密度之外的其他參數(shù)均為常數(shù);密度僅考慮動量方程中與體積力有關(guān)的參數(shù),其余各項中密度也視為常數(shù)。密度可以表示為:

        式中:T 為空氣溫度,K;ρ 為空氣密度;kg/m3;ρ0、T0分別為對應(yīng)的密度和參考溫度。

        3)由于室內(nèi)人員眾多,人員散熱較大,因此將人員符合折算成熱流密度,近似設(shè)置為地面散熱,燈光負(fù)荷設(shè)置為頂面散熱。

        在上述簡化的前提下,室內(nèi)空氣的流動受質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律支配,其通式為:

        式中:φ-通用變量,代表u、v、w、T 等求解變量;Γ-廣義擴散系數(shù);S-廣義源項。

        1.3 模擬邊界條件

        利用CFD 技術(shù)對空調(diào)房間氣流組織、熱環(huán)境模擬時,確定合理的邊界條件是保證模擬計算結(jié)果正確的一個重要環(huán)節(jié)。本次模擬選取設(shè)計工況的參數(shù)作為邊界條件,驗證該房間在最不利條件下空調(diào)工況的氣流組織設(shè)計是否滿足熱環(huán)境設(shè)計參數(shù)要求。

        中庭大堂及走道計算區(qū)域的進口為速度入口,出口為壓力出口。建筑進口風(fēng)速根據(jù)設(shè)計圖紙?zhí)峁┑脑O(shè)計風(fēng)量計算得出,工況一首層多聯(lián)機MDV-D71T2/N1-C3(B)風(fēng)速設(shè)置為1.85 m/s,送風(fēng)溫度設(shè)置為19 ℃;標(biāo)準(zhǔn)層MDV-D56 下送風(fēng)風(fēng)速2.78 m/s,送風(fēng)溫度19 ℃;回風(fēng)口均設(shè)置為壓力出口。工況二工況三首層采用MDV-90 多聯(lián)機,回風(fēng)口為壓力出口。根據(jù)設(shè)計院提供的逐時冷負(fù)荷計算表,選擇14:00 的冷負(fù)荷作為邊界條件,具體參數(shù)如表1 所示。

        表1 室內(nèi)熱環(huán)境邊界設(shè)置

        1.4 數(shù)值模擬工況

        本次分析模型分別以中庭大堂及走道為依據(jù),由于項目處于夏熱冬暖地區(qū),故選取中庭大堂及走道這個重要功能區(qū)域進行夏季空調(diào)氣流組織模擬,冬季工況不作研究。根據(jù)建筑圖紙建立幾何模型。模擬計算區(qū)域的大小以不影響氣流流動為準(zhǔn)。本次模擬分別針對三種工況進行模擬,通過比較分析,確定滿足熱環(huán)境要求的設(shè)計方案。如表2 所示:

        表2 室內(nèi)氣流組織模擬工況表

        計算區(qū)域具體的幾何模型如圖1 所示:

        圖1 中庭大堂及走道3 種工況的幾何模型

        本文對3 種不同的空調(diào)送風(fēng)方案進行數(shù)值計算,表列出了3 種送風(fēng)方案的模擬工況。模擬工況一:各層送風(fēng)量相等。模擬工況二:首層設(shè)大功率空調(diào),標(biāo)準(zhǔn)層自然通風(fēng)。模擬工況三:首層設(shè)大功率空調(diào),標(biāo)準(zhǔn)層窗戶關(guān)閉。

        2 模擬結(jié)果分析

        2.1 中庭縱向溫度分析

        由于中庭的煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的熱壓,使得室內(nèi)熱空氣有向上流動的趨勢,造成中庭上熱下冷的趨勢。良好的空調(diào)設(shè)計方案應(yīng)盡量削弱煙囪效應(yīng),降低上下樓層的溫差。圖2 為不同模擬工況下夏季中庭縱向溫度分布。

        圖2 各工況中庭垂直斷面溫度分布云圖

        從圖2 可以看出,中庭在夏季工況一時,縱向溫度最大值為28 ℃,最小值為23 ℃,垂直溫差為5 ℃,中庭中部區(qū)域和下部區(qū)域室內(nèi)溫度差異較大。工況二、三的縱向溫度分布范圍為23-30 ℃,23-32 ℃。工況二、三垂直溫差分別為7 ℃、9 ℃,通過比較可得出:工況一可削弱煙囪效應(yīng),減少垂直溫差。

        2.2 各水平溫度分析

        計算在不同模擬工況下,各層1.5 m 處的溫度,結(jié)果如圖3 所示。

        圖3 夏季各層1.5 m 處平均溫度圖

        由圖3 可得,在夏季,采用不同的設(shè)計方案,首層和頂層距離地面1.5 m 處的溫度存在較大不同,中間層距地面1.5 m 處的溫度差異相對較小。在夏季,工況一各層距地面1.5 m 處的溫度偏離室內(nèi)設(shè)計值(26 ℃)較小,工況二,三各層距離地面1.5 m 處的室內(nèi)溫度偏離設(shè)計值較大,工況二頂層由于玻璃屋頂帶來很大的冷負(fù)荷,導(dǎo)致溫度過高。工況三由于外窗關(guān)閉及屋頂玻璃屋頂導(dǎo)致8-10 層中庭溫度過高。因此從各層人員活動區(qū)域的平均溫度和各層溫差來看,工況一為比較好的方案。

        2.3 各水平風(fēng)速分析

        吹風(fēng)感是空調(diào)室內(nèi)人員常見的不舒適感之一,造成原因是由于人員所處空間的空氣風(fēng)速和溫度未處于人體熱舒適范圍內(nèi),從而給人以熱不舒適感。建議的舒適標(biāo)準(zhǔn)為:空調(diào)供冷工況室內(nèi)允許最大風(fēng)速約為0.3 m/s。

        計算各層1.5 m 處界面的風(fēng)速,并認(rèn)為距離地面1.5 m 處為人員熱舒適感應(yīng)區(qū),由于熱壓的作用,首層和頂層最易出現(xiàn)熱不舒適感。

        由圖4 可知,在工況一時,首層和頂層絕大部分區(qū)域風(fēng)速小于0.3 m/s,處于熱舒適標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),僅在風(fēng)口下和少量邊角范圍內(nèi)的風(fēng)速超出標(biāo)準(zhǔn),會有吹風(fēng)感。而工況二、三由于首層采用大功率多聯(lián)機,首層有較多區(qū)域風(fēng)速大于0.3 m/s,處于熱不舒適區(qū)域。因此從各層人員活動區(qū)域的平均風(fēng)速來看,工況一為比較好的方案。

        圖4 夏季各層1.5m 處平均風(fēng)速圖

        3 結(jié)論

        1)由于中庭的煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的熱壓,使得室內(nèi)熱空氣有向上流動的趨勢,造成中庭上熱下冷的趨勢,良好的空調(diào)設(shè)計方案應(yīng)盡量削弱煙囪效應(yīng)。降低上下層的溫差,使中庭內(nèi)各層的溫度達到設(shè)計要求,使人員活動區(qū)域達到熱舒適要求,可以對不同的中庭空調(diào)設(shè)計效果進行分析,以確定適合的工程設(shè)計方案。

        2)當(dāng)中庭采用工況二、三時,首層采用大功率空調(diào),縱向溫差分別為7 ℃、9 ℃,首層有較多的區(qū)域會有吹風(fēng)感。

        3)當(dāng)采用工況一時,即各層均設(shè)空調(diào)方案,縱向溫差達到5 ℃,絕大部分區(qū)域處于熱舒適標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

        4)CFD 方法是指導(dǎo)空調(diào)設(shè)計,預(yù)測及優(yōu)化氣流組織等的有效方法。

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