（热能工程专业论文）中庭式商业建筑室内热环境研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文主要研究中庭式商业建筑的室内热环境，对某商厦室内热环境的现场实测 数据表明，由于此类建筑中烟囱效应的存在，冬季室内垂直温差较大，影响了与中 庭相邻且连通的空调区域的热环境。研究了影响中庭式商业建筑室内热环境的主要 因素后，提出了几种改善措施，用数值模拟的方法得到了各种不同的气流组织方式 下的室内三维流场与温度场，并提出了空调冷( 热) 负荷的修正方法，计算了不同 工况下的负荷修正系数。通过对数值模拟结果和负荷修正系数的分析，得出了适合 于此类中庭式商业建筑的合理的气流组织方式。 关键词：中庭，热环境，数值模拟，负荷修正 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ei n d o o rt h e r m a le n v i r o n m e n to ft h ec o m m e r c i a lb u i l d i n g sw i t h a t r i u mi ss t u d i e d t h ei n d o o rp a r a m e t e rd a t u mm e a s u r i n go nt h es p o to fo n ec e r t a i n c o m m e r c i a lb u i l d i n gi n d i c a t et h a t ：b e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo fc h i m n e ye f f e c ti nt h i s k i n do fb u i l d i n g s ，t h e t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e a l o n g t h ev e r t i c a ld i r e c t i o ni s c o m p a r a t i v e l yl a g e rw h i c he f f e c t st h et h e r m a le n v i r o n m e n to ft h en e i g h b o r i n ga n d c o n n e c t e dd o m a i nw i t ht h ea t r i u m a f t e rr e s e a r c h i n gs o m em a i nf a c t o r sw h i c he f f e c tt h e i n d o o rt h e r m a le n v i r o n m e n to ft h ec o m m e r c i a lb u i l d i n g s 丽t ha t r i u mp u tf o r w a r ds o m e m e a s u r e st oi m p r o v ei t w i t ht h em e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt h et h r e e d i m e n s i o n a l f l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l du n d e rs e v e r a lk i n d so fd i f f e r e n ta i rm o d ea r eo b t a i n e d ， t h ea i rc o n d i t i o n i n gl o a dm o d i f i c a t i o nm e t h o di sp u tf o r w a r d ，a n dt h em o d i f i c a t i o n c o e f f i c i e n t sa l eo b t a i n e d a f t e ra n a l y z i n gt h er e s u l to ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e m o d i f i c a t i o nc o e f f i c i e n t s ，t h ea i rm o d e ss u i tt ot h i sk i n do fc o m m e r c i a lb u i l d i n g sw i t h a t r i u mi so b t a i n e d w a n gx i a n g n i n g ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f w e ib i n ga n di n s t g a oy u e f e n k e yw o r d s ：a t r i u m ，t h e r m a le n v i r o n m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， l o a d sm o d i f i c a t i o n i 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 0 ( 即窗孔a 比窗孔b 位置低) 窗孔外的空气静压分别为只、b ，窗孔内的空气静压分别为只、b ，室内外的空 气温度和密度分别为、岛和0 、“ 1 0 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 2 建筑烟囱效应的形成 假设 0 ( 室内空气温度高于室外空气温度，这相当于冬季气候条件下的情 况) ，则有风 o ，该窗孔排风；a p p ( 即 ，) ，则蝎 o 因此，如果窗孔a 和窗孔b 同时开启，空气将从窗孔b 流出随着室内空气的向 外流动，室内静压逐渐降低，( 只一只) 由等于零变为小于零这时室外空气就由窗 孔a 流入室内，同时室内空气继续从窗孔b 流出室外，直到窗孔a 的进风量等于 窗孔b 的排风量时，室内的空气静压才保持稳定。这样就形成稳定的室内外的空气 交换。室外空气不断地由窗孔a 流入室内，在建筑物内部则呈现整体的浮升运动， 室内空气不断地从窑孔b 流出室外，在相同的时刻通过窗孔a 的进风量始终等于通 华北电力大学硕士学位论文 过窗孔b 的排风量，从而形成稳定的建筑烟囱效应。此即为建筑烟囱效应的形成过 程。 3 1 3 烟囱效应的作用原理 由于窗孔a 进风，必 o ，根据公式( 3 1 ) 可得： a p = a 晶+ ( 一巴) = a p b + 陋只i = 劝( p ，一j d 。) ( 3 2 ) 由式( 3 2 ) 可以看出，进风窗孔和排风窗孔两侧压差的绝对值之和与两窗孔的 高度差h 和室内外的空气的密度差a p = ( 几一p d 有关，我们把尸= g h ( m 一见) 称为 热压。a p = 0 的面称为中和面，在中和面上没有气流的流动可以看出，如果建筑 物室内外不存在空气的温度差或者两窗孔之间没有高度差就不会出现烟囱效应作 用下的自然通风。实际上，当建筑物的外围护结构上只有一个窗孔时。也仍然存在 烟囱效应，此时窗孔的上部排风，下部进风，相当于两个窗孔紧挨在一起的情况。 室内外空气的温度差是形成建筑中烟囱效应的动因，温差越大，烟囱效应越显著。 尽管建筑物的外围护结构上的窗孔提供了形成烟囱效应作用下的建筑物内的自然 通风必需的换气通道，但是即使建筑物的外围护结构上没有窗孔时换气通道也是存 在的在大多数情况下。由于技术上的原因，围护结构要达到完全密封是不可能的。 公式( 3 2 ) 可用于估计建筑烟囱效应的压强差大小对于低层建筑( 1 2 层) ， 取建筑高度为8 米，冬季，室内外温差取2 5 ，由该公式可求得压强差大约为9 p a ； 夏季，室内外温差一般较小，烟囱效应引起的压强差则更小，约为冬季的一半对 于高层建筑，在同样的室内外温差条件下。由于建筑高度较大，烟囱效应引起的压 强差也较大，烟囱效应则比较强。例如，选取建筑高度为5 0 米，室内外温差仍取 2 5 ( 2 ( 冬季情况) ，则压强差为5 8 p a 比较以上数据可以看出，烟囱效应对于高层 建筑的作用是比较明显的，特别是在冬季的环境条件下，烟囱效应作用下的自然通 风和压强分布对于高层建筑的热负荷的影响是很重要的1 2 7 1 当建筑高度一定时，室内外温差越大，压强差也越大例如，选取建筑高度为 5 0 米，室内外温差取2 5 ( 2 ( 冬季情况) ，则压强差为5 8p a ：如果室内外温差取8 ( 夏季情况) ，则压强差为1 5p a 可见，温差对压强差的影响比较明显，夏季时 室内外温差较小，烟囱效应的强度相应也比较小，这也是我们在夏季可以忽略烟囱 效应的主要原因 在高层建筑中，烟囱效应的作用是比较明显的烟囱效应作用下的建筑室内的 通风换气构成高层建筑的热负荷和冷负荷的一个主要部分，因而在计算单位面积的 耗能指标、评价建筑室内环境的舒适性以及考虑设备的正常运行状态时必须适当考 虑建筑烟囱效应。对于低层建筑和多层建筑，一般而言，外围护结构的气密性较差， 华北电力大学硕士学位论文 烟囱效应的作用也不能忽视【2 引 3 1 4 烟囱效应对中庭式商业建筑室内热环境的影响 根据以上分析，可以总结出烟囱效应对中庭式商业建筑室内热环境的影响主要 有以下几点： ( 1 ) 在冬季自然环境下，室内温度高于室外温度，在建筑烟囱效应作用下， 冷空气从低层部分的门和窗渗入，在室内被加热后的空气从高层部分的缝隙渗出， 从而将室内的热量带出室外，这将使室内热负荷增加。 ( 2 ) 在烟囱效应的作用下，室内热气流上升，热量通常聚集在中庭的顶部， 而底部活动区域温度偏低，形成明显的垂直温度梯度，影响室内热舒适性 ( 3 ) 在夏季，当室外气温较高时( 高于室内温度，比如夏季中午的情形) ，也 会形成烟囱效应，此时室内的空气的流动方向是向下的，烟囱效应不断将室外的热 量带入室内，使冷负荷增加；但是，在夏季的晚上，当室内空气温度高于室外空气 的温度时，烟囱效应则不断将室内的热量带出室外，降低了冷负荷 另外，建筑烟囱效应还有利于稀释室内空气中的二氧化碳和其它空气污染物的 浓度，有利于维持健康的室内空气质量 3 2 负荷变化的影响 当建筑物的冷( 热) 负荷发生变化后，如果空调机组不及时根据负荷的变化调 整送风量、送风温度，就会引起室内温度偏离设计值，造成室内热环境不舒适，因 此有必要对建筑物的冷( 热) 负荷的组成及其变化进行分析【2 。 3 2 1 负荷的组成 在某一时刻为维持室内空气温度，需向房间供应的冷量称为冷负荷，需向房间 供应的热量称为热负荷 建筑物的冷负荷主要由围护结构冷负荷、室内人员冷负荷、照明冷负荷、设备 冷负荷和新风冷负荷等组成。 建筑物的热负荷主要由围护结构热负荷、新风热负荷和物料热负荷等组成，而 室内人员、照明和设备的散热量是建筑物的热源。 3 2 2 负荷变化的影响 在建筑物的冷( 热) 负荷中，对于一个既定建筑，围护结构冷( 热) 负荷和新 风冷( 热) 负荷在设计工况下是不变的；在运行工况下，其值变化也相对较小。 华北电力大学硕士学位论文 而室内人员、照明和设备散发的热量，在不同的运行时间，不同的气候条件下， 却有很大的差别虽然根据建筑的使用功能，在设计时已经选用了合适的负荷值， 但是随着使用功能、散热设备和人数的变化，这些值会有很大变化。比如本文研究 的商业类建筑，室内人员在不同的时间有较大差异，购物旺季( 如节假日等) 顾客 流量明显增多，会超出设计时选用的平均值还有照明设备，因为不同区域所售商 品不同，需要不同的照明装饰效果，电器区因电器的长时间开放也会造成额外的负 荷这些因素在设计时是无法预料的，属于运行过程中的负荷变化，因此本文对这 些因素不做讨论，关于这些方面的负荷变化可以在运行时根据客流量、使用功能及 时调节各区域空调送风量或送风温度来实现控制室内参数恒定的目的。 3 3 气流组织方式的影响 不同的气流组织方式对中庭式商业建筑的室内熟环境影响也很大，因为本文研 究的商厦内是开放型中庭，中庭与周围各层的购物区域连通，在连通区问内有气流 的交换，造成中庭与功能区的热环境相互影响不同的中庭可以采用不同的气流组 织方式，如在中庭顶部设置通风口，排除聚集在中庭顶部的热量；在建筑的大门安 装空气幕、挡风帘等阻挡室外空气的入侵；对中庭本身进行空调送风，控制中庭内 的温度等，具体每种方式对空调区域有何影响，本文将在第四章用数值模拟的方法 加以讨论。 3 4 其他因素的影响 除了上述几种影响中庭式商业建筑室内热环境的主要因素外，还有一些因素也 会影响室内热环境。 ( 1 ) 送风管道的阻力平衡 如果管道的阻力不平衡，会造成距离空调机房较远的风口送风量过小。而离机 房较近的风口送风量过大，引起沿管道方向室内温度分布不均。解决的方法一是在 设计过程中应尽量做好阻力平衡，二是在试运行时调节管道中的阀门，尽量使各风 口的风速、风量均匀一致f 3 们 ( 2 ) 建筑密封性 这里的建筑密封性不是指建筑结构本身的密封性，而是指建筑在运行使用时， 由于窗户关闭不严，大门经常开启等人为因素造成的密封性不好，造成室内外气流 的交换较多，室内环境受室外环境参数的影响较大，这样不利于保持室内的空调环 境。因此在空调季节，在满足室内空气质量的前提下。应尽量保持门窗的密闭。 华北电力大学硕士学位论文 3 5 本章小结 本章主要讨论了影响中庭式商业建筑室内热环境的因素，包括建筑结构本身所 含有的烟囱效应、室内负荷变化、气流组织方式、管道阻力平衡和建筑密封性等。 其中，烟囱效应和气流组织方式是影响这类建筑室内热环境的主要因素，本章主要 分析了烟囱效应的形成和作用原理，讨论了烟囱效应对中庭式商业建筑室内热环境 的影响，气流组织方式的影响将在第四章中加以讨论，其他几种影响因素可以在运 行前或运行中实施调节控制 华北电力大学硕士学位论文 第四章中庭式商业建筑室内热环境数值模拟 4 1 数值模拟方法 4 1 1 湍流方程的选择 根据雷诺数的不同，流动状态分为层流和湍流两种流动状态，据大量实验表明， 空调大空间的气流基本上都处于湍流状态，因而本文采用湍流模型对空调房间进行 数值模拟。直接数值模拟方法是直接用瞬时的n a v i e r s t o k e s 方程对湍流进行计算， 无需对湍流流动作任何简化或近似，理论上可以得到相对准确的计算结果，然而这 是目前计算机容量及速度尚难以解决的【3 1 1 ；另一种方法是大涡模拟，用瞬时的 n a v i e r - s t o k e s 方程直接模拟湍流中的大尺度涡，但对计算机内存及c p u 速度的要 求仍比较高，目前也不能直接用于工程的现实模拟；普遍适用的仍然是由r e y n o l d s 时均方程出发的模拟方法，这就是甚前常说的。湍流模型” 湍流模型中常见的有零方程模型、一方程模型和两方程模型，而零方程模型和 一方程模型由于其局限性，尚未得到广泛的应用，目前在工程湍流计算中，k 一占两 方程模型应用最广，本文采用的是标准k s 两方程模型 标准的k 一占两方程湍流模型，可表示为如下的通式： 昙伽，+ 毒帆力= 毒( r ，卺) + 墨 c 4 一d 式中：妒为通用因变量，0 为输运系数，s ，为源项尹、r 、墨具体含义见表4 - 1 表4 - 1 控制方程组 通用因变量输运系数源项 方程 口 r e 连续 loo x w 动量 搿 p i 一素+ 否卜瓦j + 万卜石j + 瓦卜面jo c o ) 、卜动量 d p 。 一考+ 丢( 以考) + 专( 以考 + 烈o ( 以万o o ) z - 一动量 m 棒t 一瓦a pt 夏8 ( 以西o 。) + 茜( 以鲁) + 鲁( 以鲁) 能量 t 哆l | p 。斗l l 。t o tq c ， 紊流动能 七 l l 。f okg - p 口 紊流动能耗散 s p t 口t 占( c l g g 胆) ，七 华北电力大学硕士学位论文 表4 - 1 中：为动力粘度，p 为密度 表4 2 为x 一占湍流模型中的系数，其中c 。为粘性系数比热容 表4 - 2k 一占湍流模型中的系数 ic ic 2 吒 o tc 。听i l1 4 41 9 21 01 3 30 0 9o 弦1 0l 4 1 2 微分方程的离散 建立了室内空气流动的数学物理模型之后，就可以对相关方程进行离散，从而 将不易解的偏微分方程组转化为易解的代数方程组。 目前，在数值计算方法中存在三种离散方法：有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c e m e t h o d ) 、有限容积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ) 和有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 。 有限差分法根据t a y l o r 展开得到，从数学上分析误差较为方便，但是物理意义 不明显；有限容积法刚好相反，它是通过将计算域划分为离散的控制体，再在控制 体上对各个守恒控制微分方程进行积分而得到离散的代数方程组，因此该方法物理 意义明显，但是难以分析其误差；有限元法则可对不规则形状的计算域进行离散， 在局部是用连续的函数表达所求的物理量场本文采用有限容积法进行离散求解， 节点位于子域的中心( 3 2 1 。 4 1 3 边界条件 对于一个实际的物理问题，必须有所谓的定解条件才能封闭方程组，给出问题 的解。对于一个一般性的非稳态问题，定解条件包括边界条件和初始条件【3 3 1 ，由于 本文主要对稳态问题进行研究，因此不对初始条件进行讨论本文将要涉及到的边 界条件主要有： ( 1 ) 固定壁面边界条件 固定壁面主要是室内的墙壁、天花板、地板等，其边界条件有如下几类： 1 ) 给出变量的值本文中的这类边界条件为：给定壁面的温度，非滑动壁面 的速度分量为零等； 2 ) 给出沿某方向的导数值譬如已知壁面的热流量，对绝热壁面则掣：0 ， o no r 本文中对给定壁面热流或绝热壁面采用此种处理方法； 3 ) 给出娑和妒的关系式如通过对流换热系数以及周围流体温度而限定壁面 o n 的换热量等，本文中对给定壁面温度和对流换热系数的换熟边界条件采用这种处理 华北电力大学硕士学位论文 方法 ( 2 ) 自由边界风口入流和出流边界条件 风口入流边界条件给出的是送风口入口处的速度、温度甚至湍流动能和湍流动 能耗散率等参数。而出流边界条件，则根据出口单向流动假设，给出出口断面平均 流速，依据出口速度修正方法修正得到其分布，实践证明这种处理方法对于空调通 风室内空气流动的数值模拟是足够准确的 4 2 室内热环境数值模拟 4 。2 1 夏季工况 4 2 1 1 热环境控制方式 在夏季，中庭可以采用以下方式来控制热环境： ( 1 ) 在局部区域采用独立式点控供冷。 ( 2 ) 在建筑的顶部，夏季会积聚过多的热量，影响上部周围环境舒适，可采 用自动控制的天窗自然通风或设置机械通风消除余热，还可以在上部几层靠中庭的 办公室墙面上设风机盘管机组1 3 7 1 4 2 1 2 模拟工况及结果 ( 1 ) 建筑的模型 该建筑实际高2 2 5 m 、长5 8 m 、宽4 5 m ，中庭贯穿l 5 层，长1 4 m 、宽1 3 m 考虑到离中庭较远，靠近外墙的区域受中庭热环境的影响较小，受中庭热环境影响 较大的主要是中庭周围l o r e 以内的区域，结合空调区域中风口的布置情况及计算机 的容量、计算时问等因素，取该模型高2 2 5 m 、长3 0 m 、宽2 8 7 m ，平面计算区域 见图4 一l 中的虚线区，y 方向为建筑的高度方向，以下所有工况的计算区域与此相 同。 i 七 z 图4 - i 计算区域平面图 1 8 华北电力大学硕士学位论文 所建立的商厦计算模型如图4 2 所示，以下所有改进工况的计算模型均以此模 型为基础建立 图4 2 商厦模型图 针对上述模型，本文在笛卡尔直角坐标系下划分计算网格，采用的是四面体网 格，网格总数为3 8 万。采用控制容积法离散偏微分方程组，节点位于子域的中心， 网格划分如图4 3 所示 图4 3 商厦模型的网格划分 ( 2 ) 模拟结果 对该商厦目前采用的气流组织方式进行了数值模拟，模拟结果如图4 - 4 所示 由于中庭的结构是东西及南北对称，送风口及回风口的位置是东西对称，因此取x 华北电力大学硕士学位论文 = 1 5 m 和z 一- - - 1 3 1 m 为分析截面 ( a ) z = 1 3 1 m 温度场 ( ”x = 1 5 m 温度场 图4 - 4 夏季工况下现有空调方式的模拟结果 从图4 - 4 可以看出，模拟结果和第二章中夏季的测试结果是吻合的，中庭及其 周围连通的空调区域的温度基本都在2 5 2 9 c 之间此商厦的夏季室内设计温度为 2 7 c ，对于舒适性空调而言，温度值可以在2 范围内浮动，因此其室内热环境是 华北电力大学硕士学位论文 基本符合设计要求的从图中还可以看出中庭在高度方向上的温度差在1 5 以 内，对室内舒适度的影响不是很大，因此烟囱效应对夏季气候条件下室内热环境的 影响很小，可以忽略。 4 2 2 冬季工况 由于中庭的烟囱效应在冬季比较明显，室内空气温度分布的垂直梯度大，对室 内热环境的影响也比较大，因此在中庭中可设计多种热环境控制方式，以保证其热 舒适性 4 2 2 1 热环境控制方式 在冬季可采用以下几种方式改善中庭式商业建筑室内热环境： ( 1 ) 在中庭顶部设置通风口 由于烟囱效应的影响使得热气流上升，在建筑的顶部聚集了过多的热量，影响 上部周围工作区的舒适性，因此可采用自动控制的天窗自然通风或设置机械通风消 除余热本文开设了两种通风口形式，一种是在正对中庭的屋顶上开设通风口，一 种是在中庭区域最上方高出四周工作区的四面侧墙上开设通风口。 ( 2 ) 在大门处安装空气幕 空气幕是安装在建筑物的大门上方，白上而下形成风帘，防止室外空气从大门 进入室内的采暖通风设备冬季，由于热空气上浮，空气幕吹出的热风风速自上而 下逐渐减弱，距地面较近的热风被室外冷空气推进室内，形成暖流而被利用，既不 损耗能源，又补充了部分新风。空气幕适用于商场、医院、车间等对室内洁净度有 一定要求或大门经常开启的场所 1 ) 空气幕的送风形式 空气幕的送风形式，一般常用的有上送式、侧送式和下送式三种，其形式和使 用特点见表4 - 3 2 ) 空气幕的选用原则 a 热空气幕的送风温度对于公共建筑和生产厂房的外门，其空气幕的送风温 度 5 0 ；对高大的外门，送风温度 7 0 b 空气幕的出口风速对于民用及商业建筑，其出口风速可采用4 g m s ；对 于工业建筑，出口风速可采用8 2 4 m s ，不宜大于2 5 m s 根据上述空气幕的送风形式及选用原则，结合该建筑本身的建筑特点，确定在 该建筑中采用上送式热空气幕，空气幕送风温度4 5 ( 2 ，比较空气幕出口风速分别为 4 m s 和9 m s 的两种工况。 2 l 华北电力大学硕士学位论文 表4 - 3 空气幕送风形式及使用特点 送风形式示意图使用特点 左图为没有回风口的上送式空气 ，r 幕。大门上方为吹风口，下方为 h 。 i 回风口。回风经设在地面下的空 气处理设备过滤、加热等处理后， f 循环使用。为了人受吹风的舒适 上送式 感，送风速度控制在4 9 m s 范 围之内。 通常不设回风口，让射流与地面 接触后自由向室外扩散，这种大 门空气幕称为简易空气幕。 左图的单侧空气幕，适用于宽度 1 小于4 m 的门洞和车辆通过门洞 1 时间较短的工业厂房。工业建筑 ： 的门洞高度较高时常常采用此种 ：4 1 - 形式 缺点是；1 ) 占用一定的建筑面积。 苗巾i l l l三 2 ) 为了不阻挡气流，侧送式空气 幕的大门严禁向内开启。 侧送式 3 ) 挡风效率不及下送式空气幕。 i1 厂 7 左图的双侧空气幕，适用于门洞 宽度大于4 m 的工业建筑。其卫 生条件较下送式为好。缺点与单 侧空气幕相同 双侧 i 左图的下送式空气幕，安装于地 下下送式其射流最强区贴近地 面，冬季抵挡冷风从门洞下部侵 入的效果最好，且不受大门开启 下送式 l方向的影响由于送风口在地面 口 + ii i 下，易被脏物堵塞；下面送风易 i 一 扬起衣裙，不受欢迎，故目前已 较少使用。 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 在大门上安装双层挡风帘 在冬季，公共场所中的大门上通常安装挡风帘，挡风帘对大门的冷风入侵有一 定的阻挡作用。该建筑安装有塑料单层挡风帘，本文在其外面增加布料材质的棉帘， 即安装双层挡风帘。 ( 4 ) 水平送风形成的横向空气幕隔绝上下部气流 为了保证中庭上部的热舒适性，也可以采用水平送风形成的横向空气幕隔绝上 下部气流，即在中庭下部对称两侧设水平送风风口，双向对喷的射流送风在中庭的 中部搭接后构成一道水平风幕，阻止下部的热气流上升 在本文的某商厦的中庭内，东西两边是供顾客上下的自动扶梯，无法安装送风 口，因此把送风口安装在南北两边，对称布置为了比较效果，模拟了风口的高度 为3 8 m 时，风口出口风速分别为1 0 m s 和3 m s ；风口的高度为8 3 m 时，风口出口 风速分别为l o m s 和3 m s ，共四种工况 4 2 2 2 模拟工况及结果 ( 1 ) 商厦现有空调方式 图4 - 5 为商厦现有空调方式的模拟结果 从图4 - 5 ( a ) 、( b ) 中可以看出，模拟结果和第二章中冬季的测试结果是吻合的， 在中庭的垂直方向上存在着明显的温度梯度中庭下部靠近外门的区域温度较低， 沿中庭的垂直方向自下而上温度逐步升高，说明由于中庭的特殊形状和结构，中庭 内存在烟囱效应室内外环境的温度差、中庭内的灯箱产生的热流以及中庭与周围 空调区域之间气流的交换是形成烟囱效应的主要原因。 华北电力大学硕士学位论文 ( b ) x = 1 5 m 温度场 ， ( c ) x = 1 5 m 速度场 图4 5 冬季工况下现有空调方式的模拟结果 烟囱效应的存在会使中庭和与之相连通的空调区域之间产生气流运动，尤其对 于顶层和底层，从图中也可以看出明显的中庭对空调区域的影响，5 层的温度超出 了设计值较多，局部达到了2 4 4 1 2 ，一层的冷风从外门渗透是使中庭下部温度较低 的主要原因，因此冬季应尽量减小围护结构的冷风渗透量，尤其减少从底层外门进 一 一 一 华北电力大学硕士学位论文 入的冷风量 由图4 _ 5 ( c ) 可知，中庭内气流速度的方向表现为从中庭靠近外门的入口进入而 向上的运动轨迹，边界部分速度较大，既体现了中庭内气流的运动特性，也体现了 中庭和与之连通的空调区域气流的相互作用 ( 2 ) 在中庭顶部设置通风口 图4 - 6 为中庭屋顶设通风口的模拟结果通风口的位置设在中庭屋顶的中心， 风口尺寸5 0 0 m m x 5 0 0 m 。 ( a ) 模型图 华北电力大学硕士学位论文 1 m - 一 ( c ) x - - 1 5 m 温度场 ( d ) x = 1 5 m 速度场 图4 - 6 中庭屋顶设通风口的模拟结果 图4 - 7 为在中庭屋顶下的侧墙上设通风1 ：3 的模拟结果。南北两侧分别设4 个通 风d ，均匀布置：东西两侧分别设3 个通风口，均匀布置；风口尺寸都是1 5 0 m m x 1 5 0 r a m 一 一 兰j ! 皇查盔堂堡主堂垡丝奎 v 上。 ( a ) 模型图 ( b ) z = 1 3 i m 温度场 华北电力大学硕士学位论文 u m 了 m = 一 ( c ) x - - 1 5 m 温度场 ( d ) x = 1 5 m 速度场 图4 - 7 中庭屋顶下侧墙上设通风口的模拟结果 从图4 - 6 、图4 - 7 两种工况的速度场可以看出，由于上部通风口的存在，都使 得气流的上升速度增大，在一定程度上增强了烟囱效应，使得大f - j 的冷风渗透量增 多，扩大了下部的低温区域；但是从温度场的显示来看，上部的高温区域减小了， 而且高温区域的温度也下降了这说明在中庭的顶部设置通风口是有利于排除上部 2 8 一 一 一 华北电力大学硕士学位论文 余热的，但是加强了烟囱效应，扩大了低温区域，因此在中庭顶部是否设置通风口， 应该综合考虑各方面的因素，具体工程具体分析。 单纯从排除上部余热的角度来看，比较图4 - 6 、图4 - 7 中的温度场图还可以看 出，通风口设在侧墙上的工况，顶层的温度降低了2 左右，而且中庭区域内的垂 直温差由原来的6 c 降低到了4 ；通风1 ：3 设在屋顶上的工况，顶层的温度并没有 明显的降低，中庭内的温度差仍然维持在原来的大小，说明通风口设在侧墙上比设 在屋顶上效果要好因此如果在中庭的上部开设通风口时，应该把位置放在四面侧 墙上。 ( 3 ) 在大门处安装空气幕 图4 8 为在大门处安装空气幕，空气幕出口风速4 r a s 时的模拟结果 当空气幕出口风速为4 m s 时，从图4 - 8 的温度场图中可以看出中庭周围连通区 域的温度基本降低到了2 2 c 以下，只有局部温度在2 4 ( 2 左右，而中庭的温度梯度 明显减小，在3 以内；从速度场气流显示来看，空气幕阻挡了大部分冷空气的入 侵，对于减轻烟囱效应有明显的作用。 ( a ) z = 1 3 1 m 温度场 华北电力大学硕士学位论文 m ( ”x = 1 5 m 温度场 ( c ) x = 1 5 m 速度场 图4 - 8 大门空气幕出口风速4 m s 时的模拟结果 y 喜 一 华北电力大学硕士学位论文 图4 - 9 为在大门处安装空气幕，空气幕出口风速9 r n s 时的模拟结果。 ( a ) z = 1 3 i m 温度场 ( b ) x = 1 5 m 温度场 3 l 华北电力大学硕士学位论文 “b l 三三三三二二三盈 ( c ) x = 1 5 m 速度场 图4 - 9 大门空气幕出口风速9 m s 时的模拟结果 当空气幕出口风速为9 m s 时，从图4 - 9 的温度场图中可以看出空气幕阻挡冷空 气入侵的效果更加明显，中庭的温度趋于一致，在1 9 左右，中庭周围连通区域的 温度在2 0 1 2 左右，局部区域达到2 2 ( 3 ，这时的室内环境是舒适的，效果比空气幕 风速4 m s 时更好 ( 4 ) 大门安装双层挡风帘 图4 - 1 0 为商厦大门安装双层挡风帘后的模拟结果 ( a ) 模型图 3 2 一 一 一一 ( b ) z = 1 3 1 m 温度场 ( c ) x = 1 5 m 温度场 3 3 华北电力大学硕士学位论文 ( d ) x = 1 5 m 速度场 图4 一l o 大门安装双层挡风帘时的模拟结果 从图4 一l o 的速度场图中可以看出大门安装了双层挡风帘后，大门处的冷风入 侵量明显减少了；从温度场图中可以看出大门入口处的低温区域减少了很多，而且 温度上升到了1 8 c 左右，中庭内的温度梯度也有所减小，但是在四层、五层的高温 区域依然存在。说明大门安装双层挡风帘后对阻挡底层的冷风入侵效果比较明显， 但是对于上部的高温改善效果不是很好 ( 5 ) 在中庭内设置水平对吹风口 图4 - 1 1 为对吹风口高度3 8 m ，风速1 0 n t i s 时的模拟结果 ( a ) 模型图 3 4 t t a y l 一 华北电力大学硕士学位论文 ( b ) z = 1 3 i m 温度场 ( c ) x = 1 5 m 温度场 华北电力大学硕士学位论文 洲y 删一 ( d ) x - - 1 5 m 速度场 图4 - 1 1 对吹风口高度3 8 m ，风速l o m s 时的模拟结果 图4 一1 2 为对吹风口高度3 8 m ，风速3 m s 时的模拟结果 ( a ) z = 1 3 1 m 温度场 一 一 兰! ! 皇垄奎堂堡主兰垡堡塞 。删 f 窖4 盘h * ( b ) x - - 1 5 m 温度场 ( c ) x = 1 5 m 速度场 图4 一1 2 对吹风1 ：3 高度3 8 m ，风速3 m s 时的模拟结果 坐韭皇垄盔堂堡主堂垡丝塞 一 图4 - 1 3 为对吹风口高度8 3 m ，风速l o m s 时的模拟结果 v k 。 ( a ) 模型图 ( b ) z = 1 3 i m 温度场 3 8 j ( c ) x = 1 5 m 温度场 ( d ) x = 1 5 m 速度场 图4 - 1 3 对吹风口高度8 3 m ，风速1 0 m s 时的模拟结果 图4 1 4 为对吹风口高度8 , 3 m ，风速3 m s 时的模拟结果 ( a ) z = 1 3 1 m 温度场 ( b ) x = 1 5 m 温度场 4 0 华北电力大学硕士学位论文 ( c ) x = 1 5 m 速度场 图4 1 4 对吹风口高度8 3 m ，风速3 r a s 时的模拟结果 从图4 一l l 中可以看出，除了大门入口处因冷风入侵温度稍低以外，中庭内的温 度基本在1 9 2 l 之间，温度梯度明显减小，中庭顶部大面积的高温区域也消散 了，只有5 层的局部区域温度达到2 3 左右，而这点可以通过减少5 层空调的送风 量或降低送风温度来调节。 从图4 1 2 中可以看出，3 m s 的风口速度也可以达到阻止热气流上升的目的， 但是其阻挡热气流上升效果没有风1 2 1 出1 2 1 速度为1 0 m s 时好从图4 - 1 2 ( b ) 中可以看 出，中庭的中间部位依然有一股热气流从水平送风形成的风幕中上升，这说明3 m s 的风速偏小，两边对吹的气流不能在中庭的中间搭接上，因此造成部分热气流从风 幕的空隙中泄漏。 从图4 1 3 中可以看出，它的效果与风口高度为3 8 m ，风口的出口速度为l o m s 时的效果基本相同，但是因为风口的高度提高了，在图4 - 1 3 ( e ) 的温度场中可以看到， 因大门冷风入侵造成的低温区域的面积比风口高度为3 8 m 时增大了 从图4 一1 4 中可以看出，风口高度为8 3 m 时，3 m s 的出口风速也不能在中庭的 中间搭接上，依然有部分热气流从水平风幕的空隙中泄漏，而且因大门冷风入侵造 成的低温区域的面积也比较大，一直延伸到了二层楼的高度。 从以上对图4 1 1 图4 一1 4 的比较分析，可以看出，水平送风口高度不宜过高， 风口高度太高，低层的低温区域偏大；出口风速不宣过小，出口风速太小，则对吹 气流不能在中庭中部搭接，造成热气流泄漏综合分析后可以看出风口高度为3 8 m ， 华北电力大学硕士学位论文 风口的出口速度为 o m s 对水平风幕的效果较好。 4 3 本章小结 本章主要对中庭式商业建筑室内热环境进行了数值模拟首先介绍了数值模拟 方法，然后分别对夏季工况和冬季工况的热环境控制方式、某商厦现在采用的空调 方式的数值模拟结果进行了分析通过分析得出，此商厦夏季工况下基本能满足舒 适性要求，因此不需要采用任何改进措施；冬季工况下，此建筑中的烟囱效应比较 明显，对周围空调区域的影响也很大，出现了顶层过热、底层过冷的现象针对冬 季工况下的问题，提出了几种改进的措施，并用数值模拟的方法对其效果进行了分 析，主要结论如下： ( 1 ) 选用标准k 一占两方程湍流模型对商厦现有空调运行方式下的温度场和流 场进行了数值模拟，并对数值模拟结果和实测数据进行了比较，结果表明数值模拟 结果和实测数据是吻合的，说明所采用的数值模拟方法是正确的，数值模拟结果是 可靠的。 ( 2 ) 在顶层设置排风口，排风口的位置设在中庭屋顶下的四面侧墙上比设在 中庭屋顶上效果好。但是这两种工况都会增强烟囱效应。造成能量的浪费，因此冬 季最好不开启排风口，夏季可以考虑开启，排出上层积聚的热量。 ( 3 ) 在商厦大门处设置空气幕，空气幕出口风速为9 m s 时，阻断冷空气的效 果明显，上层温度也降低到了舒适温度范围内，中庭内的温度趋于一致，比空气幕 风速为4 m s 的效果好 ( 4 ) 在商厦大门上安装双层挡风帘后，大门处的冷风入侵量明显减少了，大 门入口处的低温区域减少了很多，而且温度也有所上升，中庭内的温度梯度减小； 但是在四层，五层的高温区域依然存在，改善效果不是很好 ( 5 ) 在中庭内设置水平对吹风口，风口设置高度不宣过高，风口高度太高， 低层的低温区域偏大# 出口风速不宜过小，出口风速太小，则对吹气流不能在中庭 中部搭接，造成热气流泄漏。综合分析后得出风口高度为3 8 m ，风口的出口速度为 o m s 时水平风幕的效果较好 上述各种方式之间的效果比较见第五章 华北电力大学硕士学位论文 第五章负荷修正 根据4 2 1 节的分析可知，夏季不需要对各区域的空调负荷进行修正，因此本 章主要针对冬季工况进行分析修正一 5 1 修正方法 本文的修正方法是，采用测量时的室内、外空调设计参数，根据现有运行工况 的实测温度和各种不同空调工况下的模拟温度，计算出实际空调热负荷与设计热负 荷的差值( 即各层多余或者需要补充的热量) ，此差值与设计热负荷的比值即为各 层设计热负荷的修正系数，详细推导过程如下 在维持室内温度为设计温度的条件下，空调房间的热负荷应该与其向周围环境 散发的热量相等【1 。当室内温度超过设计值时，可通过假想房间散至周围环境的热 量增多来算得实际温度升高后的热负荷 设计工况下，空调房间向环境的散热量q 可用下式来计算： q = 册( 一0 ) = 级 ( 5 - 1 ) 式中q 。未考虑烟囱效应等因素的影响下的空调房间的设计热负荷，k w ； c 空气的比热容，c = 1 o l l d k g k ； 空调房间的设计温度值，； f ，冬季空调室外计算温度，； m 空调房间的空气当量流量，k s 。 即：m ：旦 ( 5 2 ) c u 。一t ，) 计算区域的实际热负荷为： 鲈毗= 警署 ( 5 - 3 ) 式中实测和各种工况下数值模拟得到的室内温度值， 则负荷修正系数f 为： 善= 警x 1 0 0 ( 5 - 4 ) 修正后的空调房间的设计熟负荷为： q = 级( 1 + 0 ( 5 5 ) 华北电力大学硕士学位论文 负荷修正系数f 可正可负，如果孝为负值，说明应对空调负荷进行减小的修正； 反之亦然各层的负荷修正可以在设计时采用公式( 5 - 2 ) ( 5 - 5 ) 对所计算的设计 负荷进行修正；如在设计时没有进行修正，也可以在运行时通过改变空调机组送风 温度或送风量来实现。 5 2 负荷修正系数 根据第四章的模拟结果可以得到各层在不同通风空调方式下的模拟温度值，利 用上节的公式( 5 - 2 ) ( 5 - 4 ) 可以计算出各种工况下各楼层的负荷修正系数。 该商厦每层计算区域的冬季设计热负荷级= 9 0 3 k w ，室内设计温度为t n = 2 0 【2 ， 保定地区冬季空调室外计算温度k = - i i 。需要指出的是，此建筑的冬季室内设计 温度是2 0 ，但是对于舒适性空调来说，室内温度在2 内波动是允许的，因此 这里对温度处于1 8 2 2 的楼层不进行负荷修正，各种工况下的负荷修正系数见表 5 1 表5 - 1 各种工况下的负荷修正系数 层二层三层四层五层 一层 至五 数值数值 负荷 数值 负荷 数值 负荷 数值 负荷 层总 模拟 负荷 模拟模拟模拟模拟 工况 修正 修正 修正修正 温度 修正 负荷 温度 温度 系数 温度 系数 温度 系数 系数修正 值 系数 值值值值 ( )( )( )( )( )系数 ( )( )( )( )( ) ( ) 现有空调方式 1 5 91 32 0 2 o 2 3- 1 02 3 61 22 4 4- 1 4 - 2 3 通风口在屋顶上 1 5 41 51 8 6o2 0 102 1 9o2 2 9- 96 通风口在屋顶下 1 5 71 41 8 301 9 202 1 602 2 7- 86 的侧墙上 大门空气幕风速 1 7 682 0 302 1 6o2 1 7o2 2 1- 71 4 m s 大门空气幕风速 1 8 1o2 0 802 1 902 1 6o2 1 7oo 9 m s 安装双层挡风帘 1 7 872 0 8o2 2 3- 72 2 892 3 2一l o一1 9 风口高度3 8 m ， 1 5 81 41 9 5o2 0 902 2 5 - 82 3 8- 1 2- 6 风速l o m s 风口高度3 8 m ， 1 5 8 1 4 2 0 1o2 1 8o2 2 7 - 92 4 2- 1 49 风速3 h l s 风口高度8 3 m ， 1 5 91 3 1 8 6o 2 0 4 02 2 6 - 8 2 3 5一l l- 6 风速l o m s 风口高度8 3 m ， 1 5 81 4 1 8 102 0 302 2 7 - 92 4 1一1 3- 8 风速3 m s 华北电力大学硕士学位论文 对于大门冷风渗透引起的低层过冷问题，从表5 - 1 中的负荷修正系数值可以看 出，在顶部设置通风口的方法加强了烟囱效应，使得冷风渗透增多，扩大了层的 低温区域，因此一层的负荷修正系数增大了；在大门上安装空气幕的方法效果最好， 当空气幕风速为9 m s 时，可以不对一层的空调负荷进行修正，当空气幕风速为4 m s 时，一层负荷修正系数由原有空调方式下的1 3 降到了8 ；在大门上安装双层挡 风帘的方法也可以阻挡一部分冷风的入侵，一层负荷修正系数由原有空调方式下的 1 3 降到了7 ；在中庭内采用水平对吹风口的空调方式对底层的冷风渗透没有什么 明显的作用，一层负荷修正系数基本上与原来持平 对于顶层的过热问题，从表5 - 1 中的负荷修正系数值可以看出，在顶部设