摘要： 采用CFD數值模擬和現場(chǎng)實(shí)測的前期研究成果，針對具有上部側墻開(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數值模擬軟件模擬了室內采用分層空調時(shí)各不同噴口高度、上部開(kāi)口面積及其高度、下部開(kāi)口面積等幾何結構參數，以及室內負荷、上部開(kāi)口背壓、上部開(kāi)口進(jìn)風(fēng)速度等運行參數多種組合工況下的室內熱環(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、空調區平均溫度、上部開(kāi)口排風(fēng)溫度、上部開(kāi)口排風(fēng)量及室內排熱量的差別。

　　關(guān)鍵詞： 大空間建筑 室內熱環(huán)境 數值模擬 上部側墻開(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)和結構的要求上部均設有開(kāi)口。上部開(kāi)口大致有上部側墻開(kāi)口和屋頂頂部開(kāi)口兩種形式。采用分層空調時(shí)，上部開(kāi)口的形式和位置的不同對空調能耗和室內熱環(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 )增加室內負荷外，夏季或多或少地可以利用上部開(kāi)口處的高溫排風(fēng)帶走室內部分負荷，過(guò)渡季節則可關(guān)閉空調系統僅靠自然通風(fēng)排走室內負荷，因此研究大空間建筑分層空調時(shí)上部開(kāi)口等諸因素對室內熱環(huán)境特性的影響尤為重要。

　　本文在開(kāi)發(fā)和應用數值模擬預測大空間建筑室內溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的研究基礎上[1]~[3]，選用目前比較典型的側噴送風(fēng)方式，并將具有上部側墻開(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象，以夏季現場(chǎng)實(shí)測工況為分析基礎[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時(shí)的室內熱環(huán)境特性的區別。其中在頂部開(kāi)口的工況模擬中部分借用了側墻開(kāi)口工況的實(shí)測結果。

　　2、計算條件

　　2.1 建筑模型

　　數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，左右兩側為階梯型觀(guān)眾席，室內采用中側送風(fēng)，由38個(gè)噴口組成環(huán)形對中噴射，其中28個(gè)短程噴口傾斜12°布置，負責觀(guān)眾席空調，10個(gè)長(cháng)程噴口水平布置，負責場(chǎng)內中央的空調�；仫L(fēng)采用以臺階均勻回風(fēng)為主、側墻回風(fēng)為輔的方式。模擬主要基礎參數見(jiàn)表1夏季游樂(lè )活動(dòng)實(shí)測日工況[4].上部開(kāi)口形式分別模擬為上部側墻開(kāi)口或屋頂頂部開(kāi)口。工作區入室大門(mén)及滲透縫隙則模擬為下部開(kāi)口。

　　2.2 數學(xué)模型及其邊界條件

　　夏季現場(chǎng)實(shí)測日工況 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人體負荷：18.1kW照明負荷：45kW 傳熱系數/W/（m²K）：屋頂：2.75 外墻：2.48內墻：2.59 樓板：2.21

　　2.3 計算工況與室內熱環(huán)境參數

　　上部側墻開(kāi)口影響室內熱環(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)口面積等幾何結構參數，以及室內負荷、上部開(kāi)口進(jìn)風(fēng)速度等運行參數；頂部開(kāi)口影響室內熱環(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)模擬計算對室內垂直溫度分布、空調區溫度、上部開(kāi)口排風(fēng)溫度、室內通風(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，以得出上述因素對室內熱環(huán)境特性的影響及其規律。上部側墻開(kāi)口與屋頂頂部開(kāi)口的分析討論分別在文獻［6］和文獻［7］中詳述。本文僅針對這兩種不同上部開(kāi)口形式下的室內熱環(huán)境特性參數變化的不同之處進(jìn)行分析和闡述。表2列出了本文討論的兩種計算工況的變化參數。討論中室內垂直溫度分布以比賽內場(chǎng)為討論對象�？照{區溫度為內場(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)的區域為等溫空調區，其高度為等溫空調區高度。室內通風(fēng)排熱量為室內因上下開(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。室內通風(fēng)排熱量是衡量建筑在開(kāi)口作用下，室內自然通風(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)帶入室內熱量的大小。無(wú)論開(kāi)口結構形式如何變化，建筑開(kāi)口所引起的室內通風(fēng)排熱量越大越好，它是開(kāi)口節能性的一個(gè)標志。

　　３、結論兩種不同上部開(kāi)口形式的在計算工況條件下：

　　1） 垂直溫度分布大致相同，但上部側墻開(kāi)口時(shí)的垂直溫度高于頂部開(kāi)口時(shí)；

　　2） 空調區溫度隨噴嘴高度和下開(kāi)口面積增加均呈上升趨勢，但上部側墻開(kāi)口時(shí)明顯高于頂部開(kāi)口時(shí)；

　　3） 側墻開(kāi)口排風(fēng)溫度隨噴嘴高度影響較為顯著(zhù)，兩者隨下開(kāi)口面積變化的規律趨勢較為一致，其量相當；

　　4） 排風(fēng)量隨下開(kāi)口面積和噴嘴高度變化的規律極為相似，前者兩種開(kāi)口形式呈線(xiàn)性遞增，后者影響不明顯；

　　5） 兩者排熱量的變化規律與排風(fēng)溫度基本相似。

　　參考文獻

　　1.黃晨，李美玲等。采用第一類(lèi)邊界條件數值模擬具有開(kāi)口的大空間建筑是內速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)。制冷學(xué)報，2002；92：20-24.

　　2.Chen Huang， Meiling Li， Tao Zuo.CFD Analysis of Airflow and Temperature Fields in a Large Space with Openings.4th. International Conference on IAVECB，Changsha，2001.10；269-276.

　　3.黃晨，李美玲。大空間建筑室內表面溫度對流耦合換熱計算。上海理工大學(xué)學(xué)報，2001；23（4）：322-326.

　　4.黃晨，李美玲，鄒志軍，肖學(xué)勤。大空間建筑室內熱環(huán)境現場(chǎng)實(shí)測及能耗分析。暖通空調，2000；30（6）：52-55.

　　5.C.K.G.Lam， K.Bremhorst，A modified form of the k-e model for predicting wall turbulence.ASME J. Fluids Eng.， 1981；103：456-460.

　　6.Chen Huang， Xin Wang， Jiangang Yang， Wugang Huang .Study of thermal environment characteristics of large space with stratificated air conditioning and openings.2003 International Conference on Energy and the Environment.