具有上部侧墙开口和顶部开口的大空间建筑室内热环境特性的比较 王昕 黄晨 黄武刚 杨建刚摘要： 采用CFD数值模拟和现场实测的前期研究成果，针对具有上部侧墙开口和屋顶顶部开口两种上部开口形式的大空间建筑，使用PHOENICS数值模拟软件模拟了室内采用分层空调时各不同喷口高度、上部开口面积及其高度、下部开口面积等几何结构参数，以及室内负荷、上部开口背压、上部开口进风速度等运行参数多种组合工况下的室内热环境，讨论和分析了这两种上部开口形式工况下垂直温度分布、空调区平均温度、上部开口排风温度、上部开口排风量及室内排热量的差别 关键词： 大空间建筑 室内热环境 数值模拟 上部侧墙开口 屋顶顶部开口 1 引言几乎所有大空间建筑因通风和结构的要求上部均设有开口上部开口大致有上部侧墙开口和屋顶顶部开口两种形式采用分层空调时，上部开口的形式和位置的不同对空调能耗和室内热环境特性的影响亦不尽相同，且差别较明显从全年变化的室外气温看，除了冬季上部开口排风会增加室内负荷外，夏季或多或少地可以利用上部开口处的高温排风带走室内部分负荷，过渡季节则可关闭空调系统仅靠自然通风排走室内负荷，因此研究大空间建筑分层空调时上部开口等诸因素对室内热环境特性的影响尤为重要。
本文在开发和应用数值模拟预测大空间建筑室内温度场和速度场的研究基础上[1]~[3]，选用目前比较典型的侧喷送风方式，并将具有上部侧墙开口或具有顶部开口两种不同上部开口形式的大空间建筑作为研究对象，以夏季现场实测工况为分析基础[4]，重点讨论了这两种不同上部开口形式在不同工况下分层空调时的室内热环境特性的区别其中在顶部开口的工况模拟中部分借用了侧墙开口工况的实测结果2 计算条件2.1 建筑模型 表1 夏季现场实测日工况 送风量：34.57kg/s回风量：31.31kg/s送风温度：16.5℃室外气温：36.5℃环形外走廊平均温度:32℃下开口进风温度：28℃日射量：767W/m2人体负荷：18.1kW照明负荷：45kW传热系数/W/（m2K）：屋顶：2.75 外墙：2.48内墙：2.59 楼板：2.21选用Lam-Bremhorst低雷诺数K-ε模型[5]，采用第一类边界条件边界条件以热平衡为基础，利用Gebhart吸收系数，借助现场实测数据，通过建立如下壁面i的壁温方程组求解[3]： ， ，， ，式中： ── i表面对流放热系数，W/(m2.K)； qi，ti/Ti ── 分别为i表面内侧壁温和相应的空气温度，℃/K； Si， ── i表面面积，m2； QLfU，QLfD ── 分别为室内空中平面辐射热源向上和向下辐射分量，W； Gij，GUj，GDj ── 分别为i表面、平面辐射热源上表面、平面辐射热源下表面对j表面GEBHART吸收系数。
eI ── i表面发射率； s ── 玻尔兹曼常数，W/(m2.K4)； qli ── i表面导热散热，W/m22.3 计算工况与室内热环境参数上部侧墙开口影响室内热环境的主要因素有喷口高度、上部开口面积及其高度、下部开口面积等几何结构参数，以及室内负荷、上部开口进风速度等运行参数；顶部开口影响室内热环境的主要因素有喷口高度，上部开口背压，上下开口面积等通过模拟计算对室内垂直温度分布、空调区温度、上部开口排风温度、室内通风排风量及排热量随上述因素的变化进行分析与讨论，以得出上述因素对室内热环境特性的影响及其规律上部侧墙开口与屋顶顶部开口的分析讨论分别在文献［6］和文献［7］中详述本文仅针对这两种不同上部开口形式下的室内热环境特性参数变化的不同之处进行分析和阐述表2列出了本文讨论的两种计算工况的变化参数讨论中室内垂直温度分布以比赛内场为讨论对象空调区温度为内场垂直方向上的空气平均温度，并定义不偏离平均温度1%时的区域为等温空调区，其高度为等温空调区高度室内通风排热量为室内因上下开口引起的总通风排热量，定义通风排热为正，得热为负室内通风排热量是衡量建筑在开口作用下，室内自然通风总排热的状况，它不仅反映了上部开口排热量的大小，也反映了下部开口进风带入室内热量的大小。
无论开口结构形式如何变化，建筑开口所引起的室内通风排热量越大越好，它是开口节能性的一个标志表2 上部开口形式计算工况 上部侧墙开口屋顶顶部开口变化参数参数计算工况记号参数计算工况记号喷口高度/m13/15N13/N1511/13/15/17N11/N13/N15/N17上部开口高度/m15/17/19IN15IN17/IN19————下部开口面积/m20/0.93/1.86/3.720F/1F/2F/4F0.32/0.644/1.365FXQ、FXH、FX上部开口面积/m256/28/10.45SO/PO/WO4/9/16T2-O3/T3-O4/T4-O6图2～图4中其他记号说明：ALLEXH：指上部开口均处于排风状态1Q：指室内热负荷为现场实测日测定值-5P/0P/+5P：分别指顶部开口处背压为－5/0/5Pa3 计算结果与分析3.1 垂直温度分布在上部侧墙开口的计算工况中，上部开口面积对垂直温度分布的影响相对较大开口面积越大，下部空调区温度则越低喷嘴高度对屋顶附近温度影响较大，喷嘴高度越高，屋顶附近温度越低见图2(a)、(b)在屋顶顶部开口的计算工况中，喷嘴高度对垂直温度分布的影响最大，其次是上部开口面积。
喷嘴高度15m时，屋顶附近温度最低，等温空调区温度处于较低的水平此外，上部开口面积较小时，非空调区温度较高见图2(c)、(d)两种不同上部开口形式的计算工况下，垂直温度分布的规律大致是相同的但上部侧墙开口时，垂直温度明显高于顶部开口工况5～10℃左右3.2 空调区平均温度在上部侧墙开口的计算工况中，空调区平均温度随下开口面积的增加而增加，增幅不大；随上开口面积增加，空调区平均温度呈增加趋势，上开口面积大于28m2，增幅已不明显不同喷嘴高度，温度变化趋势相同，高度增加，温度亦升高见图3(b)、(d)在屋顶顶部开口的计算工况中，空调区平均温度受喷嘴高度影响最大，其次下部开口面积喷嘴高度在11m~15m时，高度每增加1m， 等温空调区温度增加约为0.25℃，15m~19m时，喷嘴高度每增加1m，等温空调区温度增加约为0.5℃而随下部开口面积变化，温度呈递增趋势见图3(c)、(d) （a）不同喷嘴高度及上部开高度（b）不同上部开口面积（c）不同喷嘴高度（d）不同上部开口面积图2 侧开(a)(b)与顶开(c)(d)垂直温度分布比较图3 侧开(a)(b)与顶开(c)(d)空调区温度/排风温度比较3.3 上部开口排风温度在上部侧墙开口的计算工况中，喷嘴高度升高，排风温度降低。
随上部开口高度变化，排风温度先升后降，基本上在17m时处于最大值而下开口面积增加，排风温度降低，并有趋于稳定的趋势为此，在满足室内新风要求的前提下，应尽可能减少下开口面积，并寻找最佳上开口开度，以降低空调区温度，提高排风温度见图3(a)、(b)在屋顶顶部开口的计算工况中，在喷嘴11～19m计算范围内，喷嘴高度11m时排风温度较大上部开口面积不同，随喷嘴高度变化的变化规律不同，其内在关联还有待于进一步的研究而排风温度随下开口面积的变化趋势比较显著，随下开口面积增加，排风温度先呈下降趋势，而后随面积的增加，温度趋于稳定见图3(c)、(d)两种不同上部开口形式的计算工况下，侧开排风温度受喷嘴高度的影响较为显著，而随下开口面积的变化其规律较为一致，即：随下开口面积的增加先降后趋于稳定 3.4 上部开口排风量在上部侧墙开口的计算工况中，下部开口面积对排风量影响最大，随下部开口面积的增加，排风量线性递增；计算表明，喷嘴高度对排风量的影响不大见图4(a)、(b) 在屋顶顶部开口的计算工况中，排风量随下部开口面积增加呈线性递增而喷嘴高度对其影响不大见图4(c)、(d)两种不同上部开口形式的计算工况下，排风量随喷嘴高度和下开口面积变化的规律极为相似。
即：均随下开口面积增加呈线性递增趋势，而随喷嘴高度的变化影响不大3.5 室内排热量在上部侧墙开口的计算工况中，喷嘴高度与上部开口的高差对排风温度及其室内排热量影响较大，高差为2m时，开口高度每提高1m，排风温度增加近5℃，排热量则增加60～70kW而下部开口面积增加，在上部开口面积较小的情况下，排热量下降趋势显著；上部开口面积较大的情况下，随下开口面积增加，排热量有稳定趋势见图4(a)、(b)在屋顶顶部开口的计算工况中，排热量变化规律基本与排风温度相似即：随上开口面积不同，变化规律不同而随下部开口面积增加排热量基本呈下降趋势见图4(c)、(d)两种不同上部开口形式的计算工况下，排热量随喷嘴高度变化，侧墙开口变化规律显著，顶部开口不明显；随下开口面积变化规律相似，即：随下开口面积增加，基本呈下降趋势 4 结论1) 垂直温度分布大致相同，但上部侧墙开口时的垂直温度高于顶部开口时；2) 空调区温度随喷嘴高度和下开口面积增加均呈上升趋势，但上部侧墙开口时明显高于顶部开口时；3) 侧墙开口排风温度随喷嘴高度影响较为显著，两者随下开口面积变化的规律趋势较为一致，其量相当； 4) 排风量随下开口面积和喷嘴高度变化的规律极为相似，前者两种开口形式呈线性递增，后者影响不明显； 5) 两者排热量的变化规律与排风温度基本相似。
参考文献1.黄晨，李美玲等．采用第一类边界条件数值模拟具有开口的大空间建筑是内速度场与温度场．制冷学报，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.黄晨，李美玲．大空间建筑室内表面温度对流耦合换热计算．上海理工大学学报，2001；23（4）：322-326．4.黄晨，李美玲，邹志军，肖学勤．大空间建筑室内热环境现场实测及能耗分析．暖通空调，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. 10。