某展覽館中庭氣流組織模擬分析

張強 崔文謙 涂岱昕

【摘 ? ?要】：考慮中庭頂部采用大面積天窗對室內熱環(huán)境產生較大影響，以河北省某展覽館內中庭為例，利用Fluent軟件對中庭建立物理、數學模型，進行氣流組織模擬，分析不同斷面下冬、夏季工況的溫度場和速度場，進而評估設計條件下的室內熱環(huán)境。模擬結果表明：合理分配天窗冷負荷比例、天窗設置遮陽設施、局部設置地板輻射供暖系統可有效改善中庭人員活動區(qū)域的熱舒適性。

【關鍵詞】：展覽館；中庭；溫度場；氣流組織;熱環(huán)境

【中圖分類號】：TU111【文獻標志碼】：C【文章編號】：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

目前中庭廣泛應用于商場、辦公樓、展覽館等公共建筑中[1～2]，往往貫穿多個樓層，與各樓層間接或直接連通。由于空間范圍大、氣流復雜及煙囪效應和熱浮力的作用，中庭垂直方向溫度梯度變化大，出現明顯的分層現象，影響室內的熱舒適性[3]。中庭類建筑室內熱環(huán)境問題一直是國內和國際設計師所關注研究的重點，受到“煙囪效應”和“溫室效應”的雙重作用，有大面積玻璃幕墻或透明屋頂的中庭室內熱環(huán)境更是工程設計階段需要著重解決的難點。本文利用CFD（計算流體動力學）模擬仿真技術對某展覽館中庭的溫度場和速度場進行模擬分析，希望對同類建筑的設計提供參考。

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；為實現建筑效果和保證中庭的透光性，屋頂大面積采用鋼結構與玻璃屋頂相結合的形式。空調采用全空氣系統，過渡季采用全新風運行；中庭貫穿3層，首層設置側送溫控球形噴口，回風口設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；中庭地面設地板輻射供暖系統，保證人員熱舒適性的同時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

根據中庭空調區(qū)域的幾何尺寸[4]，在Gambit軟件中建立仿真區(qū)域模型，進行網格劃分，風口處網格加密，總數量約870萬個。首層共設置89個頂送散流器風口和19個側送球形噴口，二層共設置76個頂送散流器風口，三層共設置32個頂送散流器風口。風口射流的計算按照文獻[5]的方法進行。見圖2。

2.2 數學模型

中庭內部空氣流動通常為自然對流和強迫對流并存的混合對流流動，基本為湍流流動；同時，室內氣流會受到太陽輻射和室內熱源所引起的熱羽流的影響，室內流場更為復雜[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。

為簡化計算，忽略對結果影響不大的因素，對計算模型進行簡化：

1）忽略壁面、大門、天窗的接縫和泄漏，認為其是大平板結構；

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

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，存在較大的太陽輻射得熱，選取13：00時的冷負荷作為邊界條件，以1層為例，具體參數見表1。

2.3.2 冬季工況邊界條件

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

3 模擬結果分析

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和溫度場的分布差異，進而評估設計條件下的室內熱環(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個斷面。見表3和圖3。

3.1 夏季工況

夏季中庭室內設計溫度26 ℃，相對濕度60%[8]。

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

模擬結果表明，原設計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”導致的氣流浮升問題，在進行各層空調機組選型計算時，將頂部天窗冷負荷按照50%、20%、30%的比例分配到三層至首層，三層連廊面積最小，分配的天窗冷負荷過大，模擬結果表明該比例對于本工程并不適合；

2）天窗冷負荷過大，建模時，按最不利工況考慮，天窗按無遮陽設施設置，導致模擬結果局部過熱。

針對溫度場出現局部溫度過高的問題，改進措施如下：

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

2）天窗設內遮陽設施，內遮陽系數取0.6。

設計方案調整后，1～3層空調送風量分別為60 000、40 000、45 000 m3/h；首層散流器和球形噴口送風溫度為15.8 ℃，二層散流器和雙層百葉風口送風溫度為16.8 ℃，三層散流器送風溫度為16.7 ℃。

改進工況后，之前局部溫度過高的位置明顯改善，各層室內溫度基本滿足夏季室內設計溫度26 ℃；但二層連廊局部溫度仍過高，可通過調整該處送風口風量和送風口間距進一步改善。見圖5。

分析各斷面速度場可得，氣流流動較為均勻，人體活動范圍內風速均能保持在0.5 m/s，沒有強烈的吹風感，模擬結果表明速度場滿足設計要求。見圖6。

3.2 冬季工況

冬季室內設計溫度18 ℃，相對濕度40%[8]。

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

由于“煙囪效應”產生的熱壓，中庭上熱下冷的問題較為突出，模擬結果表明：局部設置地板輻射供暖系統可有效改善中庭人員活動區(qū)域的熱舒適性。通過各斷面溫度場可得，模擬區(qū)域整體溫度普遍高于設計溫度18 ℃，二層連廊局部溫度達到21.5 ℃，其主要原因為全空氣系統與地板采暖系統同時開啟時，所提供的熱量大于實際需求的熱量。見圖7。

為緩解二層連廊局部溫度過高的問題，可適當加寬該區(qū)域地暖間距，冬季運行階段可通過減小空調機組送風量或關小水路調節(jié)閥，滿足室內熱舒適度的同時實現節(jié)能運行。

4 結論

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

2）冬季工況模擬結果表明，局部設置地板輻射供暖系統可有效改善中庭人員活動區(qū)域的熱舒適性。應用CFD模擬仿真技術，優(yōu)化地暖區(qū)域及盤管間距的同時，也可為運行控制策略提供數據參考。

參考文獻：

[1]任改霞，龐觀藝，方 ? ?聰，等.深圳某建筑中庭夏季熱環(huán)境的數值模擬研究[J].建筑熱能通風空調，2021，40（6）：68-70+63.

[2]姚旭輝，李 ? ?銳，王立鑫，等.北京某建筑中庭冬夏季空調環(huán)境的數值模擬分析[J].流體機械，2016，44（5）：72-76+50.

[3]林 ? ?川，田先鋒，房志勇.中庭建筑設計及其熱舒適度控制[J].工業(yè)建筑，2004，（7）：28-29+32.

[4]章熙民，任澤霈，梅飛鳴.傳熱學[M].4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[5]陸耀慶.實用供暖空調設計手冊[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社.2008.

[6]潘冬梅，徐象國，王怡琳，等.高大空間氣流組織模擬——文獻綜述[J].暖通空調，2018，48（1）：131-138.

[7]于 ? ?勇.FLUENT入門與進階教程[M].北京：北京理工大學出版社，2008.

[8]JGJ 218—2010，展覽建筑設計規(guī)范[S].