具有上部側(cè)墻開(kāi)口和頂部開(kāi)口的大空間建筑室內(nèi)熱環(huán)境特性的比較

1、具有上部側(cè)墻開(kāi)口和頂部開(kāi)口的大空間建筑室內(nèi)熱環(huán)境特性的比較王昕 黃晨 黃武剛 楊建剛摘要： 采用CFD數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的前期 研究 成果，針對(duì)具有上部側(cè)墻開(kāi)口和屋頂頂部開(kāi)口兩種上部開(kāi)口形式的大空間建筑，使用PHOENICS數(shù)值模擬軟件模擬了室內(nèi)采用分層空調(diào)時(shí)各不同噴口高度、上部開(kāi)口面積及其高度、下部開(kāi)口面積等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及室內(nèi)負(fù)荷、上部開(kāi)口背壓、上部開(kāi)口進(jìn)風(fēng)速度等運(yùn)行參數(shù)多種組合工況下的室內(nèi)熱環(huán)境，討論和 分析 了這兩種上部開(kāi)口形式工況下垂直溫度分布、空調(diào)區(qū)平均溫度、上部開(kāi)口排風(fēng)溫度、上部開(kāi)口排風(fēng)量及室內(nèi)排熱量的差別。 關(guān)鍵詞： 大空間建筑 室內(nèi)熱環(huán)境 數(shù)值模擬 上部側(cè)墻開(kāi)口 屋頂頂部開(kāi)

2、口 1 引言幾乎所有大空間建筑因通風(fēng)和結(jié)構(gòu)的要求上部均設(shè)有開(kāi)口。上部開(kāi)口大致有上部側(cè)墻開(kāi)口和屋頂頂部開(kāi)口兩種形式。采用分層空調(diào)時(shí)，上部開(kāi)口的形式和位置的不同對(duì)空調(diào)能耗和室內(nèi)熱環(huán)境特性的 影響 亦不盡相同，且差別較明顯。從全年變化的室外氣溫看，除了冬季上部開(kāi)口排風(fēng)會(huì)增加室內(nèi)負(fù)荷外，夏季或多或少地可以利用上部開(kāi)口處的高溫排風(fēng)帶走室內(nèi)部分負(fù)荷，過(guò)渡季節(jié)則可關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)僅靠 自然 通風(fēng)排走室內(nèi)負(fù)荷，因此研究大空間建筑分層空調(diào)時(shí)上部開(kāi)口等諸因素對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境特性的影響尤為重要。本文在開(kāi)發(fā)和 應(yīng)用 數(shù)值模擬預(yù)測(cè)大空間建筑室內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的研究基礎(chǔ)上13，選用 目前 比較典型的側(cè)噴送風(fēng)方式，并將具有上部側(cè)墻

3、開(kāi)口或具有頂部開(kāi)口兩種不同上部開(kāi)口形式的大空間建筑作為研究對(duì)象，以夏季現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工況為分析基礎(chǔ)4，重點(diǎn)討論了這兩種不同上部開(kāi)口形式在不同工況下分層空調(diào)時(shí)的室內(nèi)熱環(huán)境特性的區(qū)別。其中在頂部開(kāi)口的工況模擬中部分借用了側(cè)墻開(kāi)口工況的實(shí)測(cè)結(jié)果。2 計(jì)算 條件2.1 建筑模型圖1為數(shù)值模擬用某 體育 館簡(jiǎn)化模型。建筑柱型部分直徑68m，高18m，屋頂呈扁球體，凈高為8m，左右兩側(cè)為階梯型觀眾席，室內(nèi)采用中側(cè)送風(fēng)，由38個(gè)噴口組成環(huán)形對(duì)中噴射，其中28個(gè)短程噴口傾斜12°布置，負(fù)責(zé)觀眾席空調(diào)，10個(gè)長(zhǎng)程噴口水平布置，負(fù)責(zé)場(chǎng)內(nèi)中央的空調(diào)?；仫L(fēng)采用以臺(tái)階均勻回風(fēng)為主、側(cè)墻回風(fēng)為輔的方式。模擬主

4、要基礎(chǔ)參數(shù)見(jiàn)表1夏季游樂(lè)活動(dòng)實(shí)測(cè)日工況4。上部開(kāi)口形式分別模擬為上部側(cè)墻開(kāi)口或屋頂頂部開(kāi)口。工作區(qū)入室大門(mén)及滲透縫隙則模擬為下部開(kāi)口。2.2 數(shù)學(xué)模型及其邊界條件表1 夏季現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)日工況 送風(fēng)量：34.57kg/s回風(fēng)量：31.31kg/s送風(fēng)溫度：16.5室外氣溫：36.5環(huán)形外走廊平均溫度:32下開(kāi)口進(jìn)風(fēng)溫度：28日射量：767W/m2人體負(fù)荷：18.1kW照明負(fù)荷：45kW傳熱系數(shù)/W/（m2K）：屋頂：2.75 外墻：2.48內(nèi)墻：2.59 樓板：2.21選用Lam-Bremhorst低雷諾數(shù)K-模型5，采用第一類(lèi)邊界條件。邊界條件以熱平衡為基礎(chǔ)，利用Gebhart吸收系數(shù)，借助現(xiàn)場(chǎng)實(shí)

5、測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)建立如下壁面i的壁溫方程組求解3：， ， ，式中： i表面對(duì)流放熱系數(shù)，W/(m2.K)；qi，ti/Ti 分別為i表面內(nèi)側(cè)壁溫和相應(yīng)的空氣溫度，/K；Si， i表面面積，m2；QLfU，QLfD 分別為室內(nèi)空中平面輻射熱源向上和向下輻射分量，W；Gij，GUj，GDj 分別為i表面、平面輻射熱源上表面、平面輻射熱源下表面對(duì)j表面GEBHART吸收系數(shù)。eI i表面發(fā)射率；s 玻爾茲曼常數(shù)，W/(m2.K4)；qli i表面導(dǎo)熱散熱，W/m2。2.3 計(jì)算工況與室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)上部側(cè)墻開(kāi)口影響室內(nèi)熱環(huán)境的主要因素有噴口高度、上部開(kāi)口面積及其高度、下部開(kāi)口面積等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及室內(nèi)負(fù)

6、荷、上部開(kāi)口進(jìn)風(fēng)速度等運(yùn)行參數(shù)；頂部開(kāi)口影響室內(nèi)熱環(huán)境的主要因素有噴口高度，上部開(kāi)口背壓，上下開(kāi)口面積等。通過(guò)模擬計(jì)算對(duì)室內(nèi)垂直溫度分布、空調(diào)區(qū)溫度、上部開(kāi)口排風(fēng)溫度、室內(nèi)通風(fēng)排風(fēng)量及排熱量隨上述因素的變化進(jìn)行分析與討論，以得出上述因素對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境特性的影響及其 規(guī)律 。上部側(cè)墻開(kāi)口與屋頂頂部開(kāi)口的分析討論分別在 文獻(xiàn) 6和文獻(xiàn)7中詳述。本文僅針對(duì)這兩種不同上部開(kāi)口形式下的室內(nèi)熱環(huán)境特性參數(shù)變化的不同之處進(jìn)行分析和闡述。表2列出了本文討論的兩種計(jì)算工況的變化參數(shù)。討論中室內(nèi)垂直溫度分布以比賽內(nèi)場(chǎng)為討論對(duì)象?？照{(diào)區(qū)溫度為內(nèi)場(chǎng)垂直方向上的空氣平均溫度，并定義不偏離平均溫度1%時(shí)的區(qū)域?yàn)榈葴乜照{(diào)區(qū)，

7、其高度為等溫空調(diào)區(qū)高度。室內(nèi)通風(fēng)排熱量為室內(nèi)因上下開(kāi)口引起的總通風(fēng)排熱量，定義通風(fēng)排熱為正，得熱為負(fù)。室內(nèi)通風(fēng)排熱量是衡量建筑在開(kāi)口作用下，室內(nèi)自然通風(fēng)總排熱的狀況，它不僅反映了上部開(kāi)口排熱量的大小，也反映了下部開(kāi)口進(jìn)風(fēng)帶入室內(nèi)熱量的大小。無(wú)論開(kāi)口結(jié)構(gòu)形式如何變化，建筑開(kāi)口所引起的室內(nèi)通風(fēng)排熱量越大越好，它是開(kāi)口節(jié)能性的一個(gè)標(biāo)志。表2 上部開(kāi)口形式計(jì)算工況 上部側(cè)墻開(kāi)口屋頂頂部開(kāi)口變化參數(shù)參數(shù)計(jì)算工況記號(hào)參數(shù)計(jì)算工況記號(hào)噴口高度/m13/15N13/N1511/13/15/17N11/N13/N15/N17上部開(kāi)口高度/m15/17/19IN15IN17/IN19下部開(kāi)口面積/m20/0.93

8、/1.86/3.720F/1F/2F/4F0.32/0.644/1.365FXQ、FXH、FX上部開(kāi)口面積/m256/28/10.45SO/PO/WO4/9/16T2-O3/T3-O4/T4-O6圖2圖4中其他記號(hào)說(shuō)明：ALLEXH：指上部開(kāi)口均處于排風(fēng)狀態(tài)1Q：指室內(nèi)熱負(fù)荷為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)日測(cè)定值-5P/0P/+5P：分別指頂部開(kāi)口處背壓為5/0/5Pa3 計(jì)算結(jié)果與分析3.1 垂直溫度分布在上部側(cè)墻開(kāi)口的計(jì)算工況中，上部開(kāi)口面積對(duì)垂直溫度分布的影響相對(duì)較大。開(kāi)口面積越大，下部空調(diào)區(qū)溫度則越低。噴嘴高度對(duì)屋頂附近溫度影響較大，噴嘴高度越高，屋頂附近溫度越低。見(jiàn)圖2(a)、(b)。在屋頂頂部開(kāi)口的計(jì)

9、算工況中，噴嘴高度對(duì)垂直溫度分布的影響最大，其次是上部開(kāi)口面積。噴嘴高度15m時(shí)，屋頂附近溫度最低，等溫空調(diào)區(qū)溫度處于較低的水平。此外，上部開(kāi)口面積較小時(shí)，非空調(diào)區(qū)溫度較高。見(jiàn)圖2(c)、(d)。兩種不同上部開(kāi)口形式的計(jì)算工況下，垂直溫度分布的規(guī)律大致是相同的。但上部側(cè)墻開(kāi)口時(shí)，垂直溫度明顯高于頂部開(kāi)口工況510左右。3.2 空調(diào)區(qū)平均溫度在上部側(cè)墻開(kāi)口的計(jì)算工況中，空調(diào)區(qū)平均溫度隨下開(kāi)口面積的增加而增加，增幅不大；隨上開(kāi)口面積增加，空調(diào)區(qū)平均溫度呈增加趨勢(shì)，上開(kāi)口面積大于28m2，增幅已不明顯。不同噴嘴高度，溫度變化趨勢(shì)相同，高度增加，溫度亦升高。見(jiàn)圖3(b)、(d)。在屋頂頂部開(kāi)口的計(jì)算工

10、況中，空調(diào)區(qū)平均溫度受?chē)娮旄叨扔绊懽畲?，其次下部開(kāi)口面積。噴嘴高度在11m15m時(shí)，高度每增加1m, 等溫空調(diào)區(qū)溫度增加約為0.25，15m19m時(shí)，噴嘴高度每增加1m，等溫空調(diào)區(qū)溫度增加約為0.5。而隨下部開(kāi)口面積變化，溫度呈遞增趨勢(shì)。見(jiàn)圖3(c)、(d)。兩種不同上部開(kāi)口形式的 計(jì)算 工況下，空調(diào)區(qū)溫度總體上在側(cè)墻開(kāi)口時(shí)的溫度要高于頂部開(kāi)口時(shí)，兩者變化 規(guī)律 具有相似之處：隨噴嘴高度增加，等溫空調(diào)區(qū)溫度都升高，同時(shí)隨上部開(kāi)口面積增加，空調(diào)區(qū)溫度有增加趨勢(shì)，但增幅不明顯。隨下部開(kāi)口面積增加，空調(diào)區(qū)溫度亦有增加趨勢(shì)。（a）不同噴嘴高度及上部開(kāi)高度（b）不同上部開(kāi)口面積（c）不同噴嘴高度（d）不

11、同上部開(kāi)口面積圖2 側(cè)開(kāi)(a)(b)與頂開(kāi)(c)(d)垂直溫度分布比較圖3 側(cè)開(kāi)(a)(b)與頂開(kāi)(c)(d)空調(diào)區(qū)溫度/排風(fēng)溫度比較3.3 上部開(kāi)口排風(fēng)溫度在上部側(cè)墻開(kāi)口的計(jì)算工況中，噴嘴高度升高，排風(fēng)溫度降低。隨上部開(kāi)口高度變化，排風(fēng)溫度先升后降，基本上在17m時(shí)處于最大值。而下開(kāi)口面積增加，排風(fēng)溫度降低，并有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。為此，在滿(mǎn)足室內(nèi)新風(fēng)要求的前提下，應(yīng)盡可能減少下開(kāi)口面積，并尋找最佳上開(kāi)口開(kāi)度，以降低空調(diào)區(qū)溫度，提高排風(fēng)溫度。見(jiàn)圖3(a)、(b)。在屋頂頂部開(kāi)口的計(jì)算工況中，在噴嘴1119m計(jì)算范圍內(nèi)，噴嘴高度11m時(shí)排風(fēng)溫度較大。上部開(kāi)口面積不同，隨噴嘴高度變化的變化規(guī)律不同，其內(nèi)在關(guān)聯(lián)還有待于進(jìn)一步的 研究 。而排風(fēng)溫度隨下開(kāi)口面積的變化趨勢(shì)比較顯著，隨下開(kāi)口面積增加，排風(fēng)溫度先呈下降趨勢(shì)，而后隨面積的增加，溫度趨于穩(wěn)定。見(jiàn)圖3(c)、(d)。兩種不同上部開(kāi)口形式的計(jì)算工況下，側(cè)開(kāi)排風(fēng)溫度受?chē)娮旄叨鹊?影響 較為顯著，而隨下開(kāi)口面積的變化其規(guī)律較為一致，即：隨下開(kāi)口面積的增加先降后趨于穩(wěn)定。 3.4 上部開(kāi)口排風(fēng)量在上部側(cè)墻開(kāi)口的計(jì)算工況中，下部開(kāi)口面積對(duì)排風(fēng)量