深圳某建筑中庭夏季熱環境的數值模擬研究

任改霞 龐觀藝 方聰 胡浩文

深圳國研建筑科技有限公司

0 引言

中庭一般是綜合多種功能而形成的高大空間，它經常貫穿多個樓層，并與各樓層間接或直接相通。在中庭內，人們既可以享受到室內空間的空氣品質，又能感受到中庭營造出來的一種室外空間特有的開敞和自然環境，目前中庭廣泛被應用于商場、辦公樓等公共建筑設計中[1-2]。然而，中庭一般體量較大，煙囪效應及熱浮力作用會使其垂直方向溫度梯度變化很大，出現明顯的分層現象，使得中庭上部偏熱，下部偏冷，影響室內的熱舒適性[3]。若想達到室內的全舒適性，就會帶來巨大的能耗，中庭的空調系統由于設計不當，常常會導致巨大的能源浪費，因此，對中庭空調系統進行優化設計，找到切實可行的節能措施就顯得尤為重要。

本文對深圳某工程建筑中庭的氣流組織進行數值模擬，評價中庭的熱環境。對該中庭夏季工況，三種不同的空調送風設計方案下的氣流組織和熱環境進行數值模擬計算，對中庭垂直溫差、各層平均溫度、室內風速進行分析比較，從而確定滿足要求的空調送風方案，為工程設計提供參考。

1 數值模擬模型

1.1 物理模型

該建筑地上12 層均為商業用房，地上1 層為中庭大堂，3-12 層為走道，該中庭貫穿整個建筑，共12 層。每層凈高4.5 m，建筑北側為玻璃幕墻，設有可開啟的外窗，中庭頂部為透明玻璃屋頂，其空調的形式為多聯機。

1.2 數學模型

本次研究的數學模型采用K-ε 模型，對計算區域內的空氣流動進行如下假設：

1）假設空氣流動為不可壓縮牛頓粘性流體的穩態流動。

2）滿足Bonssinesq 假設。即認為空氣溫度變化僅引起空氣密度的變化，且除密度之外的其他參數均為常數；密度僅考慮動量方程中與體積力有關的參數，其余各項中密度也視為常數。密度可以表示為：

式中：T 為空氣溫度，K；ρ 為空氣密度；kg/m3；ρ0、T0分別為對應的密度和參考溫度。

3）由于室內人員眾多，人員散熱較大，因此將人員符合折算成熱流密度，近似設置為地面散熱，燈光負荷設置為頂面散熱。

在上述簡化的前提下，室內空氣的流動受質量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律支配，其通式為：

式中：φ-通用變量，代表u、v、w、T 等求解變量；Γ-廣義擴散系數；S-廣義源項。

1.3 模擬邊界條件

利用CFD 技術對空調房間氣流組織、熱環境模擬時，確定合理的邊界條件是保證模擬計算結果正確的一個重要環節。本次模擬選取設計工況的參數作為邊界條件，驗證該房間在最不利條件下空調工況的氣流組織設計是否滿足熱環境設計參數要求。

中庭大堂及走道計算區域的進口為速度入口，出口為壓力出口。建筑進口風速根據設計圖紙提供的設計風量計算得出，工況一首層多聯機MDV-D71T2/N1-C3（B）風速設置為1.85 m/s，送風溫度設置為19 ℃；標準層MDV-D56 下送風風速2.78 m/s，送風溫度19 ℃；回風口均設置為壓力出口。工況二工況三首層采用MDV-90 多聯機，回風口為壓力出口。根據設計院提供的逐時冷負荷計算表，選擇14:00 的冷負荷作為邊界條件，具體參數如表1 所示。

表1 室內熱環境邊界設置

1.4 數值模擬工況

本次分析模型分別以中庭大堂及走道為依據，由于項目處于夏熱冬暖地區，故選取中庭大堂及走道這個重要功能區域進行夏季空調氣流組織模擬，冬季工況不作研究。根據建筑圖紙建立幾何模型。模擬計算區域的大小以不影響氣流流動為準。本次模擬分別針對三種工況進行模擬，通過比較分析，確定滿足熱環境要求的設計方案。如表2 所示：

表2 室內氣流組織模擬工況表

計算區域具體的幾何模型如圖1 所示：

圖1 中庭大堂及走道3 種工況的幾何模型

本文對3 種不同的空調送風方案進行數值計算，表列出了3 種送風方案的模擬工況。模擬工況一：各層送風量相等。模擬工況二：首層設大功率空調，標準層自然通風。模擬工況三：首層設大功率空調，標準層窗戶關閉。

2 模擬結果分析

2.1 中庭縱向溫度分析

由于中庭的煙囪效應產生的熱壓，使得室內熱空氣有向上流動的趨勢，造成中庭上熱下冷的趨勢。良好的空調設計方案應盡量削弱煙囪效應，降低上下樓層的溫差。圖2 為不同模擬工況下夏季中庭縱向溫度分布。

圖2 各工況中庭垂直斷面溫度分布云圖

從圖2 可以看出，中庭在夏季工況一時，縱向溫度最大值為28 ℃，最小值為23 ℃，垂直溫差為5 ℃，中庭中部區域和下部區域室內溫度差異較大。工況二、三的縱向溫度分布范圍為23-30 ℃，23-32 ℃。工況二、三垂直溫差分別為7 ℃、9 ℃，通過比較可得出：工況一可削弱煙囪效應，減少垂直溫差。

2.2 各水平溫度分析

計算在不同模擬工況下，各層1.5 m 處的溫度，結果如圖3 所示。

圖3 夏季各層1.5 m 處平均溫度圖

由圖3 可得，在夏季，采用不同的設計方案，首層和頂層距離地面1.5 m 處的溫度存在較大不同，中間層距地面1.5 m 處的溫度差異相對較小。在夏季，工況一各層距地面1.5 m 處的溫度偏離室內設計值（26 ℃）較小，工況二，三各層距離地面1.5 m 處的室內溫度偏離設計值較大，工況二頂層由于玻璃屋頂帶來很大的冷負荷，導致溫度過高。工況三由于外窗關閉及屋頂玻璃屋頂導致8-10 層中庭溫度過高。因此從各層人員活動區域的平均溫度和各層溫差來看，工況一為比較好的方案。

2.3 各水平風速分析

吹風感是空調室內人員常見的不舒適感之一，造成原因是由于人員所處空間的空氣風速和溫度未處于人體熱舒適范圍內，從而給人以熱不舒適感。建議的舒適標準為：空調供冷工況室內允許最大風速約為0.3 m/s。

計算各層1.5 m 處界面的風速，并認為距離地面1.5 m 處為人員熱舒適感應區，由于熱壓的作用，首層和頂層最易出現熱不舒適感。

由圖4 可知，在工況一時，首層和頂層絕大部分區域風速小于0.3 m/s，處于熱舒適標準范圍內，僅在風口下和少量邊角范圍內的風速超出標準，會有吹風感。而工況二、三由于首層采用大功率多聯機，首層有較多區域風速大于0.3 m/s，處于熱不舒適區域。因此從各層人員活動區域的平均風速來看，工況一為比較好的方案。

圖4 夏季各層1.5m 處平均風速圖

3 結論

1）由于中庭的煙囪效應產生的熱壓，使得室內熱空氣有向上流動的趨勢，造成中庭上熱下冷的趨勢，良好的空調設計方案應盡量削弱煙囪效應。降低上下層的溫差，使中庭內各層的溫度達到設計要求，使人員活動區域達到熱舒適要求，可以對不同的中庭空調設計效果進行分析，以確定適合的工程設計方案。

2）當中庭采用工況二、三時，首層采用大功率空調，縱向溫差分別為7 ℃、9 ℃，首層有較多的區域會有吹風感。

3）當采用工況一時，即各層均設空調方案，縱向溫差達到5 ℃，絕大部分區域處于熱舒適標準范圍內。

4）CFD 方法是指導空調設計，預測及優化氣流組織等的有效方法。