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China Heating,Ventilation and Air Conditioning
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设置地暖的高大中庭气流组织及舒适性研究

  • 作者:
  • 山东建筑大学 楚广明 荆通 孙燕
  • 发布时间:
  • 2019-07-04

山东建筑大学  楚广明 荆通 孙燕

    【摘  要】本文以某中庭为研究对象,根据空间尺寸及空调设计参数,建立分层空调设计方案下的计算模型。利用FLUENT软件,对分层空调设计方案在冬季工况下使用地暖时的气流组织和热舒适性进行数值模拟,并对模拟结果进行分析。结果表明,无论在何种送风方式下,设置地暖有利于抑制热对流,可有效减小垂直温度梯度,真正起到冬季分层空调的效果。从舒适性上来看,中间送风方式要优于双侧送风方式。

    【关键词】高大中庭,气流组织,地暖,热舒适

Abstract:This paper takes an atrium as the object of study, according to the design parameters of the space size and air conditioning, the model of stratified air conditioning is established. It used FLUENT to simulate the air flow structure and thermal comfort of the stratified air conditioning under the winter heating condition, and the results were analyzed. The results show that setting the radiant floor heating is beneficial to control the heat convection and the vertical temperature gradient can be effectively reduced. Therefore, the effect of winter stratified air conditioning can be achieved. From the view of comfort , the middle air supply is better than the two side air supply.
Keywords: Large atrium ,Space air diffusion,Radiant floor heating,Thermal comfort

0 引言

    中庭一般是综合多种功能而形成的高大空间,它经常是贯穿多个楼层,并与各楼层间接或直接相通。在中庭内,人们既可以享受到室内空间的空气品质,又能感受到中庭营造出的一种室外空间特有的开敞和自然环境。随着我国城市建设的进一步繁荣,中庭建筑不断出现,如商场、宾馆、商务办公楼以及教学楼、图书馆等。作为建筑的核心公共空间——中庭,越来越受到人们的欢迎,对于大空间空调方式的研究也越来越受到人们的关注。高层建筑的中庭高度一般达到数十米甚至上百米,其空间体积大,内外扰因素众多,冷热负荷大,气流组织复杂,致使一般空调方式下的循环风量大、耗电量大,造成能源的大量浪费。

    从保证人体舒适度和空调节能两方面考虑,高大空间一般采用“分层空调”的气流方式将空间隔断为上下两部分,仅对下部工作区进行空调,而对上部区域只采用通风方式排出滞留的热空气,从而达到节能的目的。据相关资料统计,此种空调方式和全室空调相比,大约可节省15%~40%的夏季冷量,而冬季能耗受系统形式影响较大。中庭主要通过“温室效应”和“烟囱效应”来调节室内气候环境。温室效应对中庭的影响是双面的,冬季起积极作用,夏季起消极作用;而烟囱效应则反之。对这两种效应利用得当能够有效地节约空调能耗,否则不但造成空调能耗增加,而且难以保证空调效果。

    据统计,上世纪90年代中国建筑能耗仅为全社会总能耗量的16%,而近年来中国建筑耗能量已达30%以上,其中暖通空调的能耗约占建筑能耗的50%。中庭作为大空间建筑的一种,在通风、室内微气候改善、节能等方面具有很大潜力。

1 高大中庭冬季分层空调

    1.1 高大中庭空调负荷特点

    近年来,出现了越来越多的大型公共建筑,随着建筑体积的不断增大,为确保其具有良好的使用性,此类建筑多采用封闭式高大中庭的形式。由于此类建筑空间大,会在水平和垂直方向上产生温度分布不均匀现象,一般会在空间上部、屋顶或其它局部区域形成比较严重的热量堆积。如何及时有效地排除或者减轻这些堆积热量,减小其对下部空调区的影响,实现既保证人员的热舒适性要求,又最大限度地节能,是高大中庭空调设计的一个难点。

    高大空间的上部非工作区形成了大量的冷热负荷,尤其是在冬季,由于热空气的浮力作用,整个空间下冷上热,热量大部分消耗在大空间的上部,且下部工作区的供暖效果难以保证。从节约能源、满足人员热舒适、降低空调系统初投资和运行费用等方面考虑,在高大空间空调设计中广泛采用的空调方式是分层空调,即仅使高大空间下部工作区域的空调参数满足设计要求。本文从速度场和温度场入手,分析空调送风与地面辐射供暖相结合的高大中庭气流组织及PPD和PMV分布,探讨高大中庭冬季分层空调方式。

    分层空调一般采用中部送风,下部回风的气流组织方式,以送风口高度处的水平面为分层面,分层面以上的空间称为非空调区,简称上区;分层面以下的空间称为空调区,简称下区。因此,得热量和空调负荷必须按上、下两区进行计算,即在非空调区计算通风排热负荷,在空调区计算空调冷热负荷。在分层面上,由于送风射流对上部空气的诱导卷吸作用,非空调区会有一部分热量被强迫转移到空调区,成为瞬时空调负荷。另外,由于非空调区的围护结构内表面温度高于空调区围护结构内表面温度,因而在这两区之间会产生辐射热交换,空调区接受此辐射热量后,由于围护结构和地板的蓄热作用,将有一部分释放给室内空气成为空调区瞬时冷负荷(其余部分随后放出或传入其他空间中)。因此,分层空调负荷除了要计算空调区本身得热所形成的冷负荷外,还必须计算对流热转移负荷和辐射热形成的负荷。

    1.2 分层空调影响因素

    高大空间夏季通过送风供冷,由于冷空气下沉,比较容易满足空调区设计温度。但是冬季采用热风空调时,效果不易保证。采用送风与地面辐射供暖相结合的空调方式可弥补上述不足。冬季工况下是否设置地暖以及采用何种送风方式等对于气流组织有很大的影响,下面对各种影响因素进行分析。

    1.2.1 地面辐射供暖

    在地面辐射供暖房间,通过辐射散出的热量可以达到总散热量的50%,主要集中在人体活动区,室内温度比较稳定,且温度场分布比较均匀,无效热损失较少,具有较好的节能效果。在垂直方向,离地面50cm以上空间的室内空气温度变化很小,人体没有明显的吹风感,。同时由于以高热惰性的地板为散热装置,提高了室内环境的热稳定性,室内温度在间歇供暖时变化较小,且这种方式不占用建筑空间。在相同条件下,当建筑结构相同时地板供暖的室内环境设计温度比普通供暖系统低2~3℃。

    1.2.2 空调送风方式

    大空间分层空调最常见的气流组织形式有:单侧中送同侧下回方式;单侧中送对侧下回方式;双侧中送下回方式;双侧中送上下回方式等等。

    单侧中送下回风方式是指将送风口设置在侧墙上,位于非空调区和空调区分界处,冷风(或热风)由送风口送出,承担室内空调负荷后,再由设置在同侧下部的回风口排出。此种送风方式,室内工作区会形成较大的旋涡回流,有时会有一部分送风未经过工作区就直接从回风口排出,形成气流短路,致使室内达不到设计要求的舒适性,需要的风量较大,能耗较高。

    单侧中送对侧下回风方式,是将送风口设置在侧墙非空调区和空调区分界处,冷风(或热风)由侧墙送风口送出,气流以射流衰减曲线下落到工作区,再由设置在对面侧墙下部的回风口排出。这种送回风方式会使送风口下部墙角处形成空气滞留区,从而影响工作区的空气品质和室内要求的舒适性,常用于一般跨度较小的空间。

    双侧中送下回风方式,是在空间两侧墙中部均设送风口,冷风(或热风)由送风口送出,由设置于两侧墙下部的回风口排出。处理好的空气经喷口喷入相对静止的空间里形成射流,当射流行至所要求的射程时,其温度和速度得到充分的衰减,气流就折回,其中大部分空气是补充射流的室内循环空气,而只有相当于送入室内数量的空气才经由回风口及其他孔、缝排出。这样在送风射流作用下,整个空调区形成大的回旋循环,使下部工作区处于回流区,温度场和速度场分布均匀。而非空调区(即上部大空间)由于没有参数要求,允许存在较大的垂直温差。

    双侧中送上下回方式,在高大空间空调设计中应用得较多。对于高大空间来说,送风量往往很大,大空间上下部温差也比较大,因此将大空间分为上下两部分区别对待是合理的。一般把下部视为空调区,上部视为非空调区。这种中部送风,上下部排风会形成两个气流区,保证下部工作区达到空调设计要求,而上部气流区负担排走非空调区的多余热量。侧送风方式中,以喷口侧送最为常见。大空间建筑中因为跨度较大,风口往往离人员活动区较远,因此采用喷口侧送方式能够充分利用这一特点。喷口送风射流长、流量大,人员活动区一般处于温度均匀的回流区。这种送风方式也存在着一些不足,比如,送风温差大、射流长,有可能造成冷风下降或热风上浮的现象。结合本文研究对象,采用中部送风,下部回风的送风方式,必要时设屋顶排风。

     1.2.3 空调送风角度

    对于夏季工况,由于冷射流的下沉,送风角度等因素对室内空气分布特性的影响不是很大,只要送风高度合理,水平侧送风方式一般能实现分层空调的要求。但是对于冬季工况,由于热射流的上浮,若送风角度不合理,送风射流大部分会飘移到非工作区。随着送风角度的增大(往下),送风热射流能到达工作区,热射流飘移至非空调区的热量减少,空调区平均温度升高。但是如果送风角度太大,壁面附近的速度增大,就会造成送风射流与墙壁对流加强,一部分送风射流直接进入人员活动区,中庭中部的很大区域热射流不能到达,人员活动区会出现局部过热或局部过冷现象。

2 模型建立及边界条件设定

    本文的研究对象为某酒店的中庭,通过数值模拟方法对该中庭冬季工况分层空调的气流组织和热舒适性进行研究。

    2.1 简化模型

    中庭建筑尺寸为36m×21m×18m(高),四面为客房的内墙,屋顶为玻璃。

    2.2 边界条件

    2.2.1 壁面边界

    大空间室内围护结构表面的实际换热过程非常复杂,一般都是导热、对流、辐射同时存在的,要完全真实地模拟实际传热过程是非常困难的。因此需要对建筑物内的实际传热情况做一定程度的简化。大空间建筑垂直方向有明显的温度梯度,可采用一室二温、一室三温或一室多温的解析方法。固体壁面在垂直方向也有温度梯度,本文将固体内壁面在高度方向,以送风口高度为界,分别设置空调区和非空调区壁面温度,以近似模拟实际情况。

    中庭四周墙壁为内墙,庭顶为玻璃幕。庭顶外表面同时受到太阳辐射和室外空气温度的综合热作用,为方便计算,采用综合温度计算,按照当地冬季工况计算各围护结构的传热。内墙、地面负荷按常壁温设定,其壁温为环境温度,玻璃顶按常热流边界设定。具体数值为:内墙和地面温度为20℃,顶板热流密度为-25W/m2。当采用地面辐射供暖加分层空调复合形式供暖时,地面辐射供暖采用壁面边界条件中的辐射热边界条件,其璧面温度为26℃。近壁区采用壁面函数法考虑边界条件。

    2.2.2 进、出口边界

    送风口设定为进口型边界,设定射流入口处紊流动能量k=0.08,紊流能量耗散ε=0.21。回风口设定为出口边界。

3 气流组织模拟结果分析

    高大中庭采用地面辐射供暖与送风相结合的复合空调方式,不仅解决了冬季工作区域温度较低的问题,同时又避免了单独的辐射供暖容易造成室内空气湿度和新风量无法满足室内要求的问题。至于地面辐射供暖与空调送风联合使用时的负荷分配,本文采用由地面辐射供暖承担建筑围护结构的热负荷,由空调送风系统承担室内湿负荷和新风量的要求。针对此种复合空调方式下的工况1和工况2进行模拟,送风参数见表1。

表1 工况1和工况2对应的送风参数

    3.1 温度场、速度场分析

    从模拟结果的速度场分布可以看出:工况1和工况2情况下,在垂直高度2m以下的人活动区域,空气流动速度保持在0.2m/s以下,风速满足冬季设计要求,人无吹风感。对于工况1,送风气流自风口吹出后,衰减明显,在靠近中庭地面的中间区域,热气流上升的同时并不断卷入周围新送空气,在中间区域形成旋涡。对于工况2,在送风口的出流轨迹上,送风末端出现上翘,形成旋涡,在中庭中部亦形成上浮的热气流,但是相比于工况1,工况2热流中心高度稍高。

    3.2 典型位置垂直温度分布

    对于工况1和工况2,典型位置垂直温度分布曲线见图1和图2。


    从模拟结果的垂直温度分布图可以看出:两种工况下,空调区内的平均温度均高于设计温度20℃。对于工况1,典型位置垂直温度分布见图1,人活动区平均温度在21.8℃左右,比单独的冬季空调供暖温度要高。对于工况2,典型位置垂直温度分布见图2,工作区平均温度也在21℃,并且人活动区温度分布均匀。在地面辐射供暖引入后,地面附近的温度普遍比冬季单纯的空调供暖温度要高,并且垂直方向温度梯度也变小了。同时,由于送风温度比冬季空调的送风温度低,所以也就削弱了中庭的“烟囱效应”。

    3.3 典型位置垂直高度PPD分布

    从模拟结果的PPD分布看出:工况1情况下,人活动区PPD分布呈现中间小两边大的分布,中间PPD指标在10%左右,靠近两边区域PPD值达到21%,见图3;工况2情况下,空调区大部分PPD值在11%到18%之间,个别区域达到24%,但是都不超过Ⅱ级舒适度PPD的规定(≤27%),见图4。

    从模拟结果的PMV分布看出:工况1情况下,工作区的PMV值保持在+0.44~+0.75之间,见图5,并且与PPD分布相适应,中间小两边大,这跟温度场,速度场分布有关;工况2情况下,工作区的PMV值大部分保持在+0.55~+0.85之间,见图6,人感觉稍暖,满足人的舒适性要求。设置地面辐射供暖后,提高了地面附近的温度,减小了垂直方向上的温度梯度,室内的舒适度也提高了。




    从图3~6可以看出,两种工况下的PPD值都是随高度先减小后增加,说明人体不满意率在空调区小,在非空调区大,但是转折的高度不同,工况2的转折高度要高于工况1。由两者典型位置的PMV拟合曲线看出,整个空间的垂直温度梯度变化不大,空调区能满足人舒适性要求。

4 结论

    运用FLUENT软件对高大空间分层空调的气流组织进行数值模拟,研究和分析了冬季空调工况下,采用地暖与送风相结合的空调方式时整个空间的气流组织。通过速度场、温度场、PPD及PMV分布图的分析对比看出,采用地面辐射供暖后,两种送风方式下的中庭垂直温度梯度均较小,工作区平均温度较高,能满足设计要求。从舒适性上来看,中间送风方式优于双侧送风方式。

参考文献:

    [1] 范存养. 大空间建筑空调设计及工程实录[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2001, 9
    [2] 曙江,付祥钊,庞煌.中庭建筑分类及其火灾防治措施[J].重庆建筑大学学报,2001,23(2)
    [3] 李传成,章昭昭,季群峰.结合CFD的EnergyPlus大空间温度分层能耗模拟[J].建筑科学,2012,06.
    [4] 黄晨,李美玲.大空间建筑室内垂直温度分布的研究[J].暖通空调.1999,29(5)
    [5] Kkoisiake,FFrydenlund.simplified models for air stratification and thermal comfort in atria.ASHRAE Trans,1995,101(2):1287-1297
    [6] 吕雪涛,丁昀,杨庆,路楷. 室内地面辐射供暖与散热器供暖流场的数值模拟[J]. 建筑节能,2015,01:6-9.

    备注:本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期(第21届暖通空调制冷学术年会文集)。
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