室內(nèi)熱環(huán)境空間建筑管理論文

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摘要：采用CFD數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測的前期研究成果，針對(duì)具有上部側(cè)墻開口和屋頂頂部開口兩種上部開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、上部開口面積及其高度、下部開口面積等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及室內(nèi)負(fù)荷、上部開口背壓、上部開口進(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口形式工況下垂直溫度分布、空調(diào)區(qū)平均溫度、上部開口排風(fēng)溫度、上部開口排風(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)墻開口屋頂頂部開口

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)有開口。上部開口大致有上部側(cè)墻開口和屋頂頂部開口兩種形式。采用分層空調(diào)時(shí)，上部開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口處的高溫排風(fēng)帶走室內(nèi)部分負(fù)荷，過渡季節(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。

本文在開發(fā)和應(yīng)用數(shù)值模擬預(yù)測大空間建筑室內(nèi)溫度場和速度場的研究基礎(chǔ)上[1]~[3]，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)墻開口或具有頂部開口兩種不同上部開口形式的大空間建筑作為研究對(duì)象，以夏季現(xiàn)場實(shí)測工況為分析基礎(chǔ)[4]，重點(diǎn)討論了這兩種不同上部開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。其中在頂部開口的工況模擬中部分借用了側(cè)墻開口工況的實(shí)測結(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)長程噴口水平布置，負(fù)責(zé)場內(nèi)中央的空調(diào)。回風(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。模擬主要基礎(chǔ)參數(shù)見表1夏季游樂活動(dòng)實(shí)測日工況[4]。上部開口形式分別模擬為上部側(cè)墻開口或屋頂頂部開口。工作區(qū)入室大門及滲透縫隙則模擬為下部開口。

2.2數(shù)學(xué)模型及其邊界條件

表1夏季現(xiàn)場實(shí)測日工況送風(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-ε模型[5]，采用第一類邊界條件。邊界條件以熱平衡為基礎(chǔ)，利用Gebhart吸收系數(shù)，借助現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，通過建立如下壁面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)墻開口影響室內(nèi)熱環(huán)境的主要因素有噴口高度、上部開口面積及其高度、下部開口面積等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及室內(nèi)負(fù)荷、上部開口進(jìn)風(fēng)速度等運(yùn)行參數(shù)；頂部開口影響室內(nèi)熱環(huán)境的主要因素有噴口高度，上部開口背壓，上下開口面積等。通過模擬計(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)墻開口與屋頂頂部開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)場為討論對(duì)象。空調(diào)區(qū)溫度為內(nèi)場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)，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口排熱量的大小，也反映了下部開口進(jìn)風(fēng)帶入室內(nèi)熱量的大小。無論開口結(jié)構(gòu)形式如何變化，建筑開口所引起的室內(nèi)通風(fēng)排熱量越大越好，它是開口節(jié)能性的一個(gè)標(biāo)志。

表2上部開口形式計(jì)算工況上部側(cè)墻開口屋頂頂部開口

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

上部開口高度/m15/17/19IN15IN17/IN19————

下部開口面積/m20/0.93/1.86/3.720F/1F/2F/4F0.32/0.644/1.365FXQ、FXH、FX

上部開口面積/m256/28/10.45SO/PO/WO4/9/16T2-O3/T3-O4/T4-O6

圖2～圖4中其他記號(hào)說明：

ALLEXH：指上部開口均處于排風(fēng)狀態(tài)

1Q：指室內(nèi)熱負(fù)荷為現(xiàn)場實(shí)測日測定值

-5P/0P/+5P：分別指頂部開口處背壓為－5/0/5Pa

3計(jì)算結(jié)果與分析

3.1垂直溫度分布

在上部側(cè)墻開口的計(jì)算工況中，上部開口面積對(duì)垂直溫度分布的影響相對(duì)較大。開口面積越大，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。見圖2(a)、(b)。

在屋頂頂部開口的計(jì)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，上部開口面積較小時(shí)，非空調(diào)區(qū)溫度較高。見圖2(c)、(d)。

兩種不同上部開口形式的計(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)墻開口時(shí)，垂直溫度明顯高于頂部開口工況5～10℃左右。

3.2空調(diào)區(qū)平均溫度

在上部側(cè)墻開口的計(jì)算工況中，空調(diào)區(qū)平均溫度隨下開口面積的增加而增加，增幅不大；隨上開口面積增加，空調(diào)區(qū)平均溫度呈增加趨勢，上開口面積大于28m2，增幅已不明顯。不同噴嘴高度，溫度變化趨勢相同，高度增加，溫度亦升高。見圖3(b)、(d)。

在屋頂頂部開口的計(jì)算工況中，空調(diào)區(qū)平均溫度受噴嘴高度影響最大，其次下部開口面積。噴嘴高度在11m~15m時(shí)，高度每增加1m,等溫空調(diào)區(qū)溫度增加約為0.25℃，15m~19m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℃。而隨下部開口面積變化，溫度呈遞增趨勢。見圖3(c)、(d)。

兩種不同上部開口形式的計(jì)算工況下，空調(diào)區(qū)溫度總體上在側(cè)墻開口時(shí)的溫度要高于頂部開口時(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)隨上部開口面積增加，空調(diào)區(qū)溫度有增加趨勢，但增幅不明顯。隨下部開口面積增加，空調(diào)區(qū)溫度亦有增加趨勢。

（a）不同噴嘴高度及上部開高度（b）不同上部開口面積（c）不同噴嘴高度（d）不同上部開口面積

圖2側(cè)開(a)(b)與頂開(c)(d)垂直溫度分布比較

圖3側(cè)開(a)(b)與頂開(c)(d)空調(diào)區(qū)溫度/排風(fēng)溫度比較

3.3上部開口排風(fēng)溫度

在上部側(cè)墻開口的計(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。而下開口面積增加，排風(fēng)溫度降低，并有趨于穩(wěn)定的趨勢。為此，在滿足室內(nèi)新風(fēng)要求的前提下，應(yīng)盡可能減少下開口面積，并尋找最佳上開口開度，以降低空調(diào)區(qū)溫度，提高排風(fēng)溫度。見圖3(a)、(b)。

在屋頂頂部開口的計(jì)算工況中，在噴嘴11～19m計(jì)算范圍內(nèi)，噴嘴高度11m時(shí)排風(fēng)溫度較大。上部開口面積不同，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)溫度隨下開口面積的變化趨勢比較顯著，隨下開口面積增加，排風(fēng)溫度先呈下降趨勢，而后隨面積的增加，溫度趨于穩(wěn)定。見圖3(c)、(d)。

兩種不同上部開口形式的計(jì)算工況下，側(cè)開排風(fēng)溫度受噴嘴高度的影響較為顯著，而隨下開口面積的變化其規(guī)律較為一致，即：隨下開口面積的增加先降后趨于穩(wěn)定。

3.4上部開口排風(fēng)量

在上部側(cè)墻開口的計(jì)算工況中，下部開口面積對(duì)排風(fēng)量影響最大，隨下部開口面積的增加，排風(fēng)量線性遞增；計(jì)算表明，噴嘴高度對(duì)排風(fēng)量的影響不大。見圖4(a)、(b)。

在屋頂頂部開口的計(jì)算工況中，排風(fēng)量隨下部開口面積增加呈線性遞增。而噴嘴高度對(duì)其影響不大。見圖4(c)、(d)。

兩種不同上部開口形式的計(jì)算工況下，排風(fēng)量隨噴嘴高度和下開口面積變化的規(guī)律極為相似。即：均隨下開口面積增加呈線性遞增趨勢，而隨噴嘴高度的變化影響不大。

圖4側(cè)開(a)(b)與頂開(c)(d)排風(fēng)量/排熱量比較

3.5室內(nèi)排熱量

在上部側(cè)墻開口的計(jì)算工況中，噴嘴高度與上部開口的高差對(duì)排風(fēng)溫度及其室內(nèi)排熱量影響較大，高差為2m時(shí)，開口高度每提高1m，排風(fēng)溫度增加近5℃，排熱量則增加60～70kW。而下部開口面積增加，在上部開口面積較小的情況下，排熱量下降趨勢顯著；上部開口面積較大的情況下，隨下開口面積增加，排熱量有穩(wěn)定趨勢。見圖4(a)、(b)。

在屋頂頂部開口的計(jì)算工況中，排熱量變化規(guī)律基本與排風(fēng)溫度相似。即：隨上開口面積不同，變化規(guī)律不同。而隨下部開口面積增加排熱量基本呈下降趨勢。見圖4(c)、(d)。

兩種不同上部開口形式的計(jì)算工況下，排熱量隨噴嘴高度變化，側(cè)墻開口變化規(guī)律顯著，頂部開口不明顯；隨下開口面積變化規(guī)律相似，即：隨下開口面積增加，基本呈下降趨勢。

4結(jié)論

兩種不同上部開口形式的在計(jì)算工況條件下：

1)垂直溫度分布大致相同，但上部側(cè)墻開口時(shí)的垂直溫度高于頂部開口時(shí)；

2)空調(diào)區(qū)溫度隨噴嘴高度和下開口面積增加均呈上升趨勢，但上部側(cè)墻開口時(shí)明顯高于頂部開口時(shí)；

3)側(cè)墻開口排風(fēng)溫度隨噴嘴高度影響較為顯著，兩者隨下開口面積變化的規(guī)律趨勢較為一致，其量相當(dāng)；

4)排風(fēng)量隨下開口面積和噴嘴高度變化的規(guī)律極為相似，前者兩種開口形式呈線性遞增，后者影響不明顯；

5)兩者排熱量的變化規(guī)律與排風(fēng)溫度基本相似。

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