中庭式建筑夏季溫度場(chǎng)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(duì)象，運(yùn)用CFD技術(shù)，采用Airpak軟件建立物理數(shù)學(xué)模型。通過模擬發(fā)現(xiàn)，中庭的各層溫度的特點(diǎn)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(dá)到31.9℃，垂直溫差達(dá)到約11℃。用CFD軟件來模擬中庭的溫度分布，能準(zhǔn)確、直觀地觀察其效果，有助于改進(jìn)采暖設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：中庭；夏季工況；CFD

中圖分類號(hào)TU111.2+2文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們多關(guān)注公共建筑的外在結(jié)構(gòu)，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(diǎn)是有大型的外窗玻璃采光頂，陽光通過采光頂進(jìn)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(fù)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?yàn)閮?nèi)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(duì)象，建筑中庭的基本尺寸為63.3m×16m×23.95m。由于中庭各層內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)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(jiǎn)化，如圖1所示。

每層有16個(gè)分散排布的規(guī)格為400mm×300mm的單層百葉送風(fēng)口，見圖中黃顏色部分。且每層南、北內(nèi)墻各設(shè)有4個(gè)規(guī)格為400mm×300mm的單層百葉風(fēng)口，共8個(gè)，見綠色矩形部分。

1）邊界條件的設(shè)置。

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

出口邊界條件： 回風(fēng)口溫度取內(nèi)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(nèi)區(qū)，南北向的墻壁均屬于內(nèi)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(jì)算的結(jié)果更加準(zhǔn)確，在劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)物理模型的送風(fēng)口、回風(fēng)口及外門等比其他區(qū)域更加細(xì)致些。

2.2 數(shù)學(xué)模型的選取

室內(nèi)的氣流組織屬于低速湍流、不可壓縮流體，本文采用標(biāo)準(zhǔn)的k方程湍流模型建立數(shù)學(xué)模型，假設(shè)條件如下：

（1）室內(nèi)氣流為常物性牛頓流體，符合Boussinesq假設(shè)；

（2）不考慮建筑中庭內(nèi)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(jiǎn)化為：

連續(xù)性方程：ρt+divρU=0（1）

動(dòng)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(gè)坐標(biāo)上的分量，分別是v，μ，，i=1，2，3分別代表三維直角坐標(biāo)系的3個(gè)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(jié)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(dá)到28.6℃，六層1.5米處的平均溫度為31.9℃，垂直溫差達(dá)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(nèi)外熱壓差。

盡管夏季頂層密封沒有天窗等設(shè)施的開啟，但由于室內(nèi)外空氣密度差和高差的存在，仍然會(huì)有局部小循環(huán)的風(fēng)量存在，進(jìn)行著熱壓下的自然通風(fēng)，這將會(huì)給中庭內(nèi)的冷負(fù)荷帶來負(fù)擔(dān)，給人員帶來不舒適感，進(jìn)而增大空調(diào)消耗。

3 結(jié)語

通過中庭溫度場(chǎng)模擬發(fā)現(xiàn)，中庭的各層溫度的特點(diǎn)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(dá)到11℃左右。由于陽光照射在采光頂，若不設(shè)置遮陽系統(tǒng)，會(huì)使得頂層附近溫度非常高，因此必須設(shè)置遮陽措施保證六層平均溫度符合《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的公共建筑空調(diào)設(shè)計(jì)計(jì)算溫度。

基于CFD方法，對(duì)中庭建立物理數(shù)學(xué)模型，得出了中庭溫度場(chǎng)分布情況。研究結(jié)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(jìn)、優(yōu)化采暖設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)：

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

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

作者簡(jiǎn)介：王琳（1992），女，遼寧撫順人，研究生在讀，研究方向：供熱、燃?xì)馔L(fēng)及空調(diào)工程。