中庭式建筑夏季溫度場的CFD模擬

摘要：為了研究解決中庭熱舒適性差這一問題，以沈陽地區(qū)某高校圖書館中庭夏季工況為研究對象，運用CFD技術，采用Airpak軟件建立物理數(shù)學模型。通過模擬發(fā)現(xiàn)，中庭的各層溫度的特點是沿高度方向，高度越高，溫度越高。一層的1.5米處平均溫度為20.8℃，六層的1.5米處平均溫度可達到31.9℃，垂直溫差達到約11℃。用CFD軟件來模擬中庭的溫度分布，能準確、直觀地觀察其效果，有助于改進采暖設計方案。

關鍵詞：中庭；夏季工況；CFD

中圖分類號TU111.2+2文獻標志碼A

隨著經(jīng)濟發(fā)展，人們多關注公共建筑的外在結構，中庭式建筑成為了多數(shù)建筑師的選擇，中庭式建筑[1～2]的特點是有大型的外窗玻璃采光頂，陽光通過采光頂進入中庭，使得采光很好，因此減少了于人工照明等帶來的能耗。但是，中庭建筑的局限性卻是不容忽視的，尤其是夏季，陽光照射在采光頂上，使得頂層溫度過高，加重了冷負荷。因此，研究中庭建筑的氣流組織尤為重要。

1 中庭的建筑概況

該圖書館中庭總建筑面積6076.8平方米，占地面積1012.8平方米。建筑中庭的尺寸為63.3m×16m×23.95m，一層層高3.9米，二至六層層高3.8米。南北方向為內墻，東西方向采用中空的玻璃幕墻，屋頂采用塑鋼骨架中空玻璃的采光頂。南北兩方向均有閱覽室及辦公室，中間格局是有從一層貫穿至頂層的通透式的大中庭。

2 中庭的CFD模擬

2.1 中庭物理模型的建立

以沈陽地區(qū)某高校圖書館中庭為研究對象，建筑中庭的基本尺寸為63.3m×16m×23.95m。由于中庭各層內部結構復雜，存在多套外加桌椅和沙發(fā)且位置無法固定，使得模型網(wǎng)格數(shù)目之大。因此，將模型稍作簡化，如圖1所示。

每層有16個分散排布的規(guī)格為400mm×300mm的單層百葉送風口，見圖中黃顏色部分。且每層南、北內墻各設有4個規(guī)格為400mm×300mm的單層百葉風口，共8個，見綠色矩形部分。

1）邊界條件的設置。

入口邊界條件：中庭每層送風方式均采用頂送風方式，經(jīng)實際測試可知送風口出風速度為v= 2m/s，溫度為23℃。

出口邊界條件： 回風口溫度取內區(qū)周圍環(huán)境溫度，壓力取大氣壓力。

壁面邊界條件： 由于該圖書館的中庭處于建筑內區(qū)，南北向的墻壁均屬于內墻，因此忽略南北兩方向的墻體傳熱，只考慮東西向玻璃幕墻和玻璃采光頂?shù)膫鳠幔繉娱g樓板均視為絕熱面。

2）網(wǎng)格的劃分。

為了使模擬計算的結果更加準確，在劃分網(wǎng)格時對物理模型的送風口、回風口及外門等比其他區(qū)域更加細致些。

2.2 數(shù)學模型的選取

室內的氣流組織屬于低速湍流、不可壓縮流體，本文采用標準的k方程湍流模型建立數(shù)學模型，假設條件如下：

（1）室內氣流為常物性牛頓流體，符合Boussinesq假設；

（2）不考慮建筑中庭內部各表面的輻射換熱影響；

（3）白天圖書館中庭的自然采光效果好，節(jié)能燈是不開啟的，忽略節(jié)能燈的影響。

控制方程簡化為：

連續(xù)性方程：ρt+divρU=0（1）

動量方程：ρTt+divρUui=divμ+μigradμi-pxi-ρrefgδi3βt（2）

能量方程：ρTt+divρUT=divμpr+μtσTgradT+qcp（3）

式中：vi—流速矢量在3個坐標上的分量，分別是v，μ，，i=1，2，3分別代表三維直角坐標系的3個方向；

β—體積膨脹系數(shù)；

μi—紊流粘性系數(shù)；

μ—層流粘性系數(shù)。

2.3 CFD模擬結果分析

圖2中可以直觀反映出垂直方向上的溫度梯度。一層1.5米處的平均溫度為20.8℃，二層1.5米處的平均溫度為22.1℃，三層1.5米處的平均溫度為25.8℃，四層1.5米處的平均溫度為26.6℃，五層1.5米處的平均溫度可達到28.6℃，六層1.5米處的平均溫度為31.9℃，垂直溫差達到11℃左右。垂直溫差造成密度差，在高程差作用下，造成建筑物內外熱壓差。

盡管夏季頂層密封沒有天窗等設施的開啟，但由于室內外空氣密度差和高差的存在，仍然會有局部小循環(huán)的風量存在，進行著熱壓下的自然通風，這將會給中庭內的冷負荷帶來負擔，給人員帶來不舒適感，進而增大空調消耗。

3 結語

通過中庭溫度場模擬發(fā)現(xiàn)，中庭的各層溫度的特點是沿高度方向，高度越高，溫度越高。一層至六層的垂直溫差達到11℃左右。由于陽光照射在采光頂，若不設置遮陽系統(tǒng)，會使得頂層附近溫度非常高，因此必須設置遮陽措施保證六層平均溫度符合《公共建筑節(jié)能設計標準》中規(guī)定的公共建筑空調設計計算溫度。

基于CFD方法，對中庭建立物理數(shù)學模型，得出了中庭溫度場分布情況。研究結果表明，用CFD軟件來模擬公共建筑中庭的溫度分布，是一條方便而有效的途徑。有助于改進、優(yōu)化采暖設計方案。

參考文獻：

[1]任艷莉.高大空間氣流組織的數(shù)值模擬與實驗研究[D].天津：天津大學，2012.

[2]王龍閣.不同高大空間建筑氣流組織設計優(yōu)化研究[D].重慶：重慶大學，2015.

作者簡介：王琳（1992），女，遼寧撫順人，研究生在讀，研究方向：供熱、燃氣通風及空調工程。