某展覽館中庭氣流組織模擬分析

張強(qiáng) 崔文謙 涂岱昕

【摘 ? ?要】：考慮中庭頂部采用大面積天窗對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境產(chǎn)生較大影響，以河北省某展覽館內(nèi)中庭為例，利用Fluent軟件對(duì)中庭建立物理、數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行氣流組織模擬，分析不同斷面下冬、夏季工況的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，進(jìn)而評(píng)估設(shè)計(jì)條件下的室內(nèi)熱環(huán)境。模擬結(jié)果表明：合理分配天窗冷負(fù)荷比例、天窗設(shè)置遮陽(yáng)設(shè)施、局部設(shè)置地板輻射供暖系統(tǒng)可有效改善中庭人員活動(dòng)區(qū)域的熱舒適性。

【關(guān)鍵詞】：展覽館；中庭；溫度場(chǎng)；氣流組織;熱環(huán)境

【中圖分類號(hào)】：TU111【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C【文章編號(hào)】：1008-3197（2023）02-58-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.02.015

Simulation Analysis of Air Distribution in the Atrium of Exhibition Hall

ZHANG Qiang，CUI Wenqian，TU Daixin

（Tianjin University Research Institute of Architectural Design and Urban Planning Co. Ltd.，Tianjin 300072，China）

【Abstract】：Considering that the large-area skylight on the top of the atrium has a great impact on the indoor thermal environment， this paper takes the atrium of an exhibition hall in Hebei as an example，establishes physical and mathematical models of Fluent software and simulates the air distribution to analyze the temperature field and velocity field in winter and summer conditions under different sections of the atrium， then evaluates the indoor thermal environment under the design conditions. The simulation results show that the thermal comfort of the atrium can be effectively improved by reasonably distributing the cooling load ratio of the skylight， setting shading facilities for the skylight， and locally setting the floor radiant heating system.

【Key words】：exhibition hall; atrium; temperature field; air distribution

目前中庭廣泛應(yīng)用于商場(chǎng)、辦公樓、展覽館等公共建筑中[1～2]，往往貫穿多個(gè)樓層，與各樓層間接或直接連通。由于空間范圍大、氣流復(fù)雜及煙囪效應(yīng)和熱浮力的作用，中庭垂直方向溫度梯度變化大，出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，影響室內(nèi)的熱舒適性[3]。中庭類建筑室內(nèi)熱環(huán)境問題一直是國(guó)內(nèi)和國(guó)際設(shè)計(jì)師所關(guān)注研究的重點(diǎn)，受到“煙囪效應(yīng)”和“溫室效應(yīng)”的雙重作用，有大面積玻璃幕墻或透明屋頂?shù)闹型ナ覂?nèi)熱環(huán)境更是工程設(shè)計(jì)階段需要著重解決的難點(diǎn)。本文利用CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）模擬仿真技術(shù)對(duì)某展覽館中庭的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，希望對(duì)同類建筑的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

河北省滄州某展覽館總建筑面積為30 985 m2，地上3層、地下1層，總高度為23.95 m；為實(shí)現(xiàn)建筑效果和保證中庭的透光性，屋頂大面積采用鋼結(jié)構(gòu)與玻璃屋頂相結(jié)合的形式?？照{(diào)采用全空氣系統(tǒng)，過渡季采用全新風(fēng)運(yùn)行；中庭貫穿3層，首層設(shè)置側(cè)送溫控球形噴口，回風(fēng)口設(shè)置于與中庭連通的走廊下部，走廊均采用頂送下回的氣流組織形式；中庭地面設(shè)地板輻射供暖系統(tǒng)，保證人員熱舒適性的同時(shí)可作為展覽館閉館期間的值班供暖。見圖1。

2 模型的建立

2.1 物理模型

根據(jù)中庭空調(diào)區(qū)域的幾何尺寸[4]，在Gambit軟件中建立仿真區(qū)域模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，風(fēng)口處網(wǎng)格加密，總數(shù)量約870萬(wàn)個(gè)。首層共設(shè)置89個(gè)頂送散流器風(fēng)口和19個(gè)側(cè)送球形噴口，二層共設(shè)置76個(gè)頂送散流器風(fēng)口，三層共設(shè)置32個(gè)頂送散流器風(fēng)口。風(fēng)口射流的計(jì)算按照文獻(xiàn)[5]的方法進(jìn)行。見圖2。

2.2 數(shù)學(xué)模型

中庭內(nèi)部空氣流動(dòng)通常為自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流并存的混合對(duì)流流動(dòng)，基本為湍流流動(dòng)；同時(shí)，室內(nèi)氣流會(huì)受到太陽(yáng)輻射和室內(nèi)熱源所引起的熱羽流的影響，室內(nèi)流場(chǎng)更為復(fù)雜[6]。模擬軟件為Fluent[7]，采用RNG k-ε模型模擬仿真湍流，采用S2S輻射模型模擬輻射。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略對(duì)結(jié)果影響不大的因素，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化：

1）忽略壁面、大門、天窗的接縫和泄漏，認(rèn)為其是大平板結(jié)構(gòu)；

2）室內(nèi)氣流為常物性牛頓流體且符合Boussinesq假設(shè)，僅考慮溫度對(duì)密度的影響。

2.3 模擬邊界條件

2.3.1 夏季工況邊界條件

中庭屋頂為大面積天窗，存在較大的太陽(yáng)輻射得熱，選取13：00時(shí)的冷負(fù)荷作為邊界條件，以1層為例，具體參數(shù)見表1。

2.3.2 冬季工況邊界條件

不考慮太陽(yáng)輻射有益得熱；因此，采用溫度邊界條件，根據(jù)熱負(fù)荷計(jì)算時(shí)不同壁面的穩(wěn)態(tài)傳熱量計(jì)算確定。見表2。

3 模擬結(jié)果分析

在不同方向選擇了若干斷面，旨在分析中庭及周圍連廊速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布差異，進(jìn)而評(píng)估設(shè)計(jì)條件下的室內(nèi)熱環(huán)境。Z（+Z為東南向，-Z為西北向）方向和X（+X為東北，-X為西南）方向各選取1個(gè)斷面。見表3和圖3。

3.1 夏季工況

夏季中庭室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度26 ℃，相對(duì)濕度60%[8]。

1～3層空調(diào)送風(fēng)量分別為60 000、30 000、60 000 m3/h，首層散流器和球形噴口送風(fēng)溫度為16.5 ℃，二層散流器和雙層百葉風(fēng)口送風(fēng)溫度為17.7 ℃，三層散流器送風(fēng)溫度為18 ℃。分析各斷面溫度場(chǎng)可得，中庭及周圍連廊局部溫度較高。首層連廊局部達(dá)到30 ℃，二層連廊局部達(dá)到32 ℃，中庭人員活動(dòng)區(qū)局部達(dá)到28 ℃。見圖4。

模擬結(jié)果表明，原設(shè)計(jì)方案在夏季工況下局部溫度過高，可能的原因是：

1）考慮大面積天窗及“煙囪效應(yīng)”導(dǎo)致的氣流浮升問題，在進(jìn)行各層空調(diào)機(jī)組選型計(jì)算時(shí)，將頂部天窗冷負(fù)荷按照50%、20%、30%的比例分配到三層至首層，三層連廊面積最小，分配的天窗冷負(fù)荷過大，模擬結(jié)果表明該比例對(duì)于本工程并不適合；

2）天窗冷負(fù)荷過大，建模時(shí)，按最不利工況考慮，天窗按無遮陽(yáng)設(shè)施設(shè)置，導(dǎo)致模擬結(jié)果局部過熱。

針對(duì)溫度場(chǎng)出現(xiàn)局部溫度過高的問題，改進(jìn)措施如下：

1）調(diào)整天窗冷負(fù)荷在各層的分配比例，三層至首層分配比例調(diào)整為30%、30%、40%；

2）天窗設(shè)內(nèi)遮陽(yáng)設(shè)施，內(nèi)遮陽(yáng)系數(shù)取0.6。

設(shè)計(jì)方案調(diào)整后，1～3層空調(diào)送風(fēng)量分別為60 000、40 000、45 000 m3/h；首層散流器和球形噴口送風(fēng)溫度為15.8 ℃，二層散流器和雙層百葉風(fēng)口送風(fēng)溫度為16.8 ℃，三層散流器送風(fēng)溫度為16.7 ℃。

改進(jìn)工況后，之前局部溫度過高的位置明顯改善，各層室內(nèi)溫度基本滿足夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度26 ℃；但二層連廊局部溫度仍過高，可通過調(diào)整該處送風(fēng)口風(fēng)量和送風(fēng)口間距進(jìn)一步改善。見圖5。

分析各斷面速度場(chǎng)可得，氣流流動(dòng)較為均勻，人體活動(dòng)范圍內(nèi)風(fēng)速均能保持在0.5 m/s，沒有強(qiáng)烈的吹風(fēng)感，模擬結(jié)果表明速度場(chǎng)滿足設(shè)計(jì)要求。見圖6。

3.2 冬季工況

冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度18 ℃，相對(duì)濕度40%[8]。

各層送風(fēng)量選取夏季改進(jìn)工況后的送風(fēng)量，首層散流器和球型噴口送風(fēng)溫度為19.2 ℃，二層散流器和雙層百葉風(fēng)口送風(fēng)溫度為19.3 ℃，三層散流器送風(fēng)溫度為21.9 ℃，首層及二層局部設(shè)置地板輻射供暖系統(tǒng)。

由于“煙囪效應(yīng)”產(chǎn)生的熱壓，中庭上熱下冷的問題較為突出，模擬結(jié)果表明：局部設(shè)置地板輻射供暖系統(tǒng)可有效改善中庭人員活動(dòng)區(qū)域的熱舒適性。通過各斷面溫度場(chǎng)可得，模擬區(qū)域整體溫度普遍高于設(shè)計(jì)溫度18 ℃，二層連廊局部溫度達(dá)到21.5 ℃，其主要原因?yàn)槿諝庀到y(tǒng)與地板采暖系統(tǒng)同時(shí)開啟時(shí)，所提供的熱量大于實(shí)際需求的熱量。見圖7。

為緩解二層連廊局部溫度過高的問題，可適當(dāng)加寬該區(qū)域地暖間距，冬季運(yùn)行階段可通過減小空調(diào)機(jī)組送風(fēng)量或關(guān)小水路調(diào)節(jié)閥，滿足室內(nèi)熱舒適度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

4 結(jié)論

1）中庭屋頂采用大面積玻璃天窗時(shí)，夏季工況下天窗的冷負(fù)荷對(duì)各層的熱環(huán)境影響較大，模擬結(jié)果表明：合理的分配天窗冷負(fù)荷比例、天窗設(shè)置遮陽(yáng)設(shè)施，可以有效提高中庭室內(nèi)熱舒適度。

2）冬季工況模擬結(jié)果表明，局部設(shè)置地板輻射供暖系統(tǒng)可有效改善中庭人員活動(dòng)區(qū)域的熱舒適性。應(yīng)用CFD模擬仿真技術(shù)，優(yōu)化地暖區(qū)域及盤管間距的同時(shí)，也可為運(yùn)行控制策略提供數(shù)據(jù)參考。

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