大空間建筑室內(nèi)熱環(huán)境特性的比較（一）

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摘要： 采用CFD數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的前期研究成果，針對(duì)具有上部側(cè)墻開(kāi)口和屋頂頂部開(kāi)口兩種上部開(kāi)口形式的大空間建筑，使用PHOENICS數(shù)值模擬軟件模擬了室內(nèi)采用分層空調(diào)時(shí)各不同噴口高度、上部開(kāi)口面積及其高度、下部開(kāi)口面積等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及室內(nèi)負(fù)荷、上部開(kāi)口背壓、上部開(kāi)口進(jìn)風(fēng)速度等運(yùn)行參數(shù)多種組合工況下的室內(nèi)熱環(huán)境，討論和分析了這兩種上部開(kāi)口形式工況下垂直溫度分布、空調(diào)區(qū)平均溫度、上部開(kāi)口排風(fēng)溫度、上部開(kāi)口排風(fēng)量及室內(nèi)排熱量的差別。

　　關(guān)鍵詞： 大空間建筑;室內(nèi)熱環(huán)境;數(shù)值模擬;上部側(cè)墻開(kāi)口;屋頂頂部開(kāi)口

　　1、引言

　　幾乎所有大空間建筑因通風(fēng)和結(jié)構(gòu)的要求上部均設(shè)有開(kāi)口。上部開(kāi)口大致有上部側(cè)墻開(kāi)口和屋頂頂部開(kāi)口兩種形式。采用分層空調(diào)時(shí)，上部開(kāi)口的形式和位置的不同對(duì)空調(diào)能耗和室內(nèi)熱環(huán)境特性的影響亦不盡相同，且差別較明顯。從全年變化的室外氣溫看，除了冬季上部開(kāi)口排風(fēng)會(huì)增加室內(nèi)負(fù)荷外，夏季或多或少地可以利用上部開(kāi)口處的高溫排風(fēng)帶走室內(nèi)部分負(fù)荷，過(guò)渡季節(jié)則可關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)僅靠自然通風(fēng)排走室內(nèi)負(fù)荷，因此研究大空間建筑分層空調(diào)時(shí)上部開(kāi)口等諸因素對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境特性的影響尤為重要。

　　本文在開(kāi)發(fā)和應(yīng)用數(shù)值模擬預(yù)測(cè)大空間建筑室內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的研究基礎(chǔ)上[1]~[3]，選用目前比較典型的側(cè)噴送風(fēng)方式，并將具有上部側(cè)墻開(kāi)口或具有頂部開(kāi)口兩種不同上部開(kāi)口形式的大空間建筑作為研究對(duì)象，以夏季現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工況為分析基礎(chǔ)[4]，重點(diǎn)討論了這兩種不同上部開(kāi)口形式在不同工況下分層空調(diào)時(shí)的室內(nèi)熱環(huán)境特性的區(qū)別。其中在頂部開(kāi)口的工況模擬中部分借用了側(cè)墻開(kāi)口工況的實(shí)測(cè)結(jié)果。

　　2、計(jì)算條件

　　2.1 建筑模型

　　數(shù)值模擬用某體育館簡(jiǎn)化模型。建筑柱型部分直徑68m，高18m，屋頂呈扁球體，凈高為8m，左右兩側(cè)為階梯型觀眾席，室內(nèi)采用中側(cè)送風(fēng)，由38個(gè)噴口組成環(huán)形對(duì)中噴射，其中28個(gè)短程噴口傾斜12°布置，負(fù)責(zé)觀眾席空調(diào)，10個(gè)長(zhǎng)程噴口水平布置，負(fù)責(zé)場(chǎng)內(nèi)中央的空調(diào)?；仫L(fēng)采用以臺(tái)階均勻回風(fēng)為主、側(cè)墻回風(fēng)為輔的方式。模擬主要基礎(chǔ)參數(shù)見(jiàn)表1夏季游樂(lè)活動(dòng)實(shí)測(cè)日工況[4].上部開(kāi)口形式分別模擬為上部側(cè)墻開(kāi)口或屋頂頂部開(kāi)口。工作區(qū)入室大門及滲透縫隙則模擬為下部開(kāi)口。

　　2.2 數(shù)學(xué)模型及其邊界條件

　　夏季現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)日工況 送風(fēng)量：34.57kg/s回風(fēng)量：31.31kg/s送風(fēng)溫度：16.5℃ 室外氣溫：36.5℃環(huán)形外走廊平均溫度：32℃下開(kāi)口進(jìn)風(fēng)溫度：28℃ 日射量：767W/m2人體負(fù)荷：18.1kW照明負(fù)荷：45kW 傳熱系數(shù)/W/（m2K）：屋頂：2.75 外墻：2.48內(nèi)墻：2.59 樓板：2.21

　　2.3 計(jì)算工況與室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)

　　上部側(cè)墻開(kāi)口影響室內(nèi)熱環(huán)境的主要因素有噴口高度、上部開(kāi)口面積及其高度、下部開(kāi)口面積等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及室內(nèi)負(fù)荷、上部開(kāi)口進(jìn)風(fēng)速度等運(yùn)行參數(shù)；頂部開(kāi)口影響室內(nèi)熱環(huán)境的主要因素有噴口高度，上部開(kāi)口背壓，上下開(kāi)口面積等。通過(guò)模擬計(jì)算對(duì)室內(nèi)垂直溫度分布、空調(diào)區(qū)溫度、上部開(kāi)口排風(fēng)溫度、室內(nèi)通風(fēng)排風(fēng)量及排熱量隨上述因素的變化進(jìn)行分析與討論，以得出上述因素對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境特性的影響及其規(guī)律。上部側(cè)墻開(kāi)口與屋頂頂部開(kāi)口的分析討論分別在文獻(xiàn)［6］和文獻(xiàn)［7］中詳述。本文僅針對(duì)這兩種不同上部開(kāi)口形式下的室內(nèi)熱環(huán)境特性參數(shù)變化的不同之處進(jìn)行分析和闡述。表2列出了本文討論的兩種計(jì)算工況的變化參數(shù)。討論中室內(nèi)垂直溫度分布以比賽內(nèi)場(chǎng)為討論對(duì)象?？照{(diào)區(qū)溫度為內(nèi)場(chǎng)垂直方向上的空氣平均溫度，并定義不偏離平均溫度1%時(shí)的區(qū)域?yàn)榈葴乜照{(diào)區(qū)，其高度為等溫空調(diào)區(qū)高度。室內(nèi)通風(fēng)排熱量為室內(nèi)因上下開(kāi)口引起的總通風(fēng)排熱量，定義通風(fēng)排熱為正，得熱為負(fù)。室內(nèi)通風(fēng)排熱量是衡量建筑在開(kāi)口作用下，室內(nèi)自然通風(fēng)總排熱的狀況，它不僅反映了上部開(kāi)口排熱量的大小，也反映了下部開(kāi)口進(jìn)風(fēng)帶入室內(nèi)熱量的大小。無(wú)論開(kāi)口結(jié)構(gòu)形式如何變化，建筑開(kāi)口所引起的室內(nèi)通風(fēng)排熱量越大越好，它是開(kāi)口節(jié)能性的一個(gè)標(biāo)志。