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

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。关键字：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建筑模型图1为数值模拟用某体育馆简化模型。建筑柱型部分直径68m，高18m，屋顶呈扁球体，净高为8m，左右两侧为阶梯型观众席，室内采用中侧送风，由38个喷口组成环形对中喷射，其中28个短程喷口倾斜12°布置，负责观众席空调，10个长程喷口水平布置，负责场内中央的空调。回风采用以台阶均匀回风为主、侧墙回风为辅的方式。模拟主要基础参数见表1夏季游乐活动实测日工况[4]。上部开口形式分别模拟为上部侧墙开口或屋顶顶部开口。工作区入室大门及渗透缝隙则模拟为下部开口。2.2数学模型及其边界条件表1夏季现场实测日工况磁送风量誉：冰34.5窃7kg/细s绕回风量悲：柔31.3续1kg/旅s把送风温度序：历16.撑5毕℃御室外气温唤：悉36.吉5感℃咐环形外走揪廊平均温广度牙:3走2融℃跨下开口进辽风温度门：泥2色8猴℃鹅日射量讽：调767W匆/m矿2谅人体负荷挠：少18.1认k皇W怕照明负荷葱：关45kW剂传热系忠数造/W踏/扑（毒m意2闷K故）：屋顶妥：嚷2.75减会外墙补：辉2.4荷8危内墙泪：晨2.59畜宇楼板汁：奇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；抢抄叔s皮道─患─凳阿玻尔兹曼胳常数征，冲W/(m从2.兼K庭4馆)垮；廊纯痛q挣li秆牛─环─川仇i偿表面导热赔散热讯，利W/m浪2墓。恳2.3戴虹计算工况输与室内热叨环境参数教上部侧墙渴开口影响跃室内热环区境的主要慕因素有喷雁口高度、淘上部开口许面积及其磨高度、下翠部开口面戏积等几何茫结构参数协，以及室狠内负荷、捆上部开口脑进风速度融等运行参波数；顶部菌开口影响捞室内热环时境的主要努因素有喷眯口高度，限上部开口符背压，上诊下开口面粘积等。通区过模拟计单算对室内巨垂直温度钱分布、空污调区温度筛、上部开耕口排风温县度、室内诸通风排风弯量及排热魂量随上述轿因素的变耻化进行分公析与讨论朋，以得出财上述因素殊对室内热跪环境特性私的影响及少其规律。纷上部侧墙击开口与屋骆顶顶部开半口的分析选讨论分别检在文献包［虽6魄］和文献侮［志7置］中详述勉。本文仅知针对这两掌种不同上恭部开口形村式下的室浑内热环境帅特性参数唱变化的不血同之处进禽行分析和病阐述。设表卡2慎列出了本朋文讨论的调两种计算衔工况的变更化参数。红讨论中室烟内垂直温毙度分布以锅比赛内场礼为讨论对舒象。空调燃区温度为位内场垂直光方向上的佛空气平均差温度，并够定义不偏扑离平均温际度蛇1僚%保时的区域熟为等温空笛调区，其司高度为等钩温空调区景高度。室迷内通风排摸热量为室窜内因上下视开口引起舅的总通风客排热量，钓定义通风高排热为正黎，得热为徒负。室内远通风排热颤量是衡量喉建筑在开豪口作用下锅，室内自千然通风总直排热的状勉况，它不著仅反映了停上部开口林排热量的峰大小，也骆反映了下上部开口进呈风带入室姜内热量的商大小。无赵论开口结恰构形式如斩何变化，穷建筑开口敲所引起的克室内通风上排热量越真大越好，炒它是开口筋节能性的城一个标志苗。起表午2延厉上部开口筹形式计算脉工汪况榴衫上部侧墙拜开口贞屋顶顶部提开口额变化参数堤参数计算厕工况敬记号夫参数计算陈工况坑记号创喷口高课度课/m宜13/1坑5练N13/拔N15炭11/1忽3/15步/17堪N11/孔N13/堤N15/吨N17悦上部开口按高肺度蹈/m豆15/1蚊7/19戚IN15野IN17藏/IN1防9劫——端——将下部开口专面两积欢/m役2鸭0/0.联93/1患.86/槐3.72陪0F/1加F/2F惑/4F委0.32送/0.6惜44/1丰.365激FX货Q唱、烧FX县H誓、遵FX惠上部开口雀面动积者/m蝴2稼56/2排8/10天.45瓣SO/P是O/WO勾4/9/骂16受T2-O潮3/T3垂-O4/下T4-O芬6疾图搁2犹～她图似4忘中其他记孔号说明：热ALLE药X赏H也：指上部痛开口均处患于排风状填态府1虚Q况：指室内抗热负荷为愈现场实测却日测定值译-5P/桶0P/+恼5继P资：分别指鲁顶部开口歌处背压为密－赚5/0/伤5Pa荐3觉计算结果章与分析思3.吓1趟垂直温度微分布誓在上部侧京墙开口的蜜计算工况洋中，上部削开口面积滔对垂直温类度分布的妄影响相对忘较大。开拌口面积越健大，下部输空调区温悠度则越低掘。喷嘴高爸度对屋顶樱附近温度冶影响较大抚，喷嘴高乌度越高，请屋顶附近擦温度越低呢。见织图馅2(a白)稠、蛾(b羊)鼠。甚在屋顶顶手部开口的裂计算工况怒中，喷嘴性高度对垂衡直温度分涨布的影响眼最大，其阵次是上部储开口面积垃。喷嘴高习度馆15摄m旺时，屋顶倘附近温度祸最低，等聪温空调区井温度处于坑较低的水养平。此外锹，上部开咳口面积较震小时，非清空调区温腊度较高。帆见馆图溜2(c余)凶、切(d火)惨。以两种不同什上部开口拆形式的计葵算工况下帝，垂直温置度分布的附规律大致烫是相同的昂。但上部遍侧墙开口谁时，垂直亚温度明显韵高于顶部恢开口工涛况风5弓～自1刃0特℃极左右。芹3.2跃中空调区平马均温度搏在上部侧撕墙开口的熄计算工况纵中，空调逝区平均温批度随下开胁口面积的嚷增加而增鸦加，增幅揉不大；随腹上开口面处积增加，虎空调区平公均温度呈愧增加趋势篮，上开口浸面积大腹于滋28m奉2匙，增幅已捕不明显。盖不同喷嘴棉高度，温土度变化趋乘势相同，宋高度增加星，温度亦垫升高。见伪图池3(b泳)杂、平(d孙)节。填在屋顶顶眯部开口的甜计算工况接中，空调但区平均温细度受喷嘴车高度影响剖最大，其宵次下部开梨口面积。痒喷嘴高度舌在坊11m~悄15域m影时，高度荷每增肉加横1m,齿撑等温空调亚区温度增笼加约暑为嫂0.2菜5内℃业，叨15m~挥19梯m泽时，喷嘴疮高度每增石加衔1吸m杠，等温空吹调区温度乌增加约光为羊0.淡5松℃宿。而随下仆部开口面竟积变化，跪温度呈递营增趋势。钓见键图府3(c待)寨、峡(d制)换。甲两种不同份上部开口驶形式的计唉算工况下分，空调区拴温度总体厨上在侧墙激开口时的继温度要高凯于顶部开魂口时，两末者变化规鸦律具有相饭似之处：谈随喷嘴高漠度增加，讽等温空调焰区温度都遗升高，同违时随上部牛开口面积足增加，空像调区温度灯有增加趋涌势，但增沉幅不明显晶。随下部增开口面积锈增加，空逆调区温度熟亦有增加灾趋势。限（辱a蓬）不同喷凳嘴高度及鸭上部开高知度咽（诵b掠）不同上棒部开口面抚积读（那c卡）不同喷缓嘴高度华（利d视）不同上卫部开口面杀积咸图泼2乔鸟侧令开狸(a)(货b男)炼与顶匠开护(c)(埋d袜)欲垂直温度巾分布比较间图作3徐涨侧岗开绒(a)(絮b纸)暮与顶先开套(c)(持d球)跌空调区温霞度较/缓排风温度房比较肤3.3海卵上部开口凡排风温度晌在上部侧柜墙开口的妖计算工况论中，喷嘴处高度升高答，排风温刊度降低。轧随上部开圣口高度变牛化，排风姨温度先升喜后降，基拼本上虫在旗17不m后时处于最脚大值。而寄下开口面六积增加，呈排风温度虎降低，并价有趋于稳猴定的趋势缓。为此，晕在满足室政内新风要雁求的前提辰下，应尽挂可能减少卫下开口面鸣积，并寻还找最佳上阶开口开度裤，以降低草空调区温难度，提高骨排风温度役。见见图干3(a狗)伐、狼(b奇)隶。洁在屋顶顶圣部开口的锻计算工况驱中，在喷蚕嘴冈1阳1容～腐19巷m针计算范围阁内，喷嘴恶高描度控11饰m惊时排风温猴度较大。疯上部开口烫面积不同追，随喷嘴拿高度变化欲的变化规华律不同，拥其内在关磨联还有待锁于进一步背的研究。惊而排风温桶度随下开弯口面积的烛变化趋势拖比较显著恰，随下开闷口面积增撞加，排风岁温度先呈锅下降趋势省，而后随疮面积的增捆加，温度棵趋于稳定扰。见峡图搁3(c剖)吓、丙(d图)缎。伶两种不同弹上部开口户形式的计瓶算工况下露，侧开排模风温度受辛喷嘴高度校的影响较婶为显著，造而随下开押口面积的后变化其规彻律较为一煤致，即：犯随下开口誉面积的增御加先降后浸趋于稳定鉴。结夜3.4遇踩上部开口恩排风量辛在上部侧金墙开口的转计算工况萌中，下部竞开口面积红对排风量宝影响最大宝，随下部殖开口面积补的增加，隔排风量线丈性递增；想计算表明惠，喷嘴高熊度对排风印量的影响特不大。见医图之4(a泽)揪、肠(b丘)绿。击拜在屋顶顶帆部开口的侦计算工况妙中，排风窑量随下部科开口面积拿增加呈线亿性递增。毕而喷嘴高祸度对其影伯响不大。龙见哨图鼻4(c摆)杀、别(d裳)贝。甘两种不同绳上部开口怎形式的计鹿算工况下糟，排风量啄随喷嘴高宗度和下开侧口面积变宿化的规律烈极为相似室。即：均汤随下开口尝面积增加研呈线性递远增趋势，唐而随喷嘴达高度的变臣化影响不杰大。满图刚4仅勤侧宣开含(a)(满b窄)裳与顶仰开汪(c)(晚d听)蚊排风崇量卧/会排热量比祸较采3.5野仍室内排热这量决在上部侧冒墙开口的布计算工况炮中，喷嘴宣高度与上愈部开口的岭高差对排毫风温度及今其室内排济热量影响团较大，高僻差味为放2仿m叛时，开口缴高度每提激高雷1丛m杆，排风温冷度增加妹近使5罗℃偿，排热量扶则增愤加愧6请0怠～湿70k哪W梢。而下部置开口面积役增加，在纱上部开口冲面积较小鬼的情况下狐，排热量派下降趋势衫显著；上嚼部开口面顶积较大的京情况下，附随下开口穿面积增加住，排热量隆有稳定趋座势。见张图盒4(a舍)胆、咽(b允)粗。夫在屋顶顶控部开口的疤计算工况丧中，排热品量变化规半律基本与椅排风温度农相似。即疯：随上开施口面积不挎同，变化池规律不同敏。而随下韵部开口面开积增加排蜜热量基本腔呈下降趋文势。见裳图践4(c病)行、诱(d专)惠。择两种不同资上部开口扫形式的计夫算工况下洪，排热量垄随喷嘴高盯度变化，脖侧墙开口态变化规律傲显著，顶拍部开口不本明显；随指下开口面冬积变化规醋律相似，君即：随下湿开口面积亦增加，基拐本呈下降哄趋势它。倚4结论松两种不同井上部开口垂形式的在蝇计算工况袄条件下：挪1菊)乡垂直温度早分布大致蓄相同，但盾上部侧墙挤开口时的雪垂直温度侍高于顶部完开口时；蒸2计)隔空调区温匙度随喷嘴她高度和下和开口面积兽增加均呈倒上升趋势谱，但上部船侧墙开口必时明显高拳于顶部开凑口时；蠢3净)晋侧墙开口千排风温度便随喷嘴高乒度影响较醉为显著，既两者随下绕开口面积怀变化的规舍律趋势较骆为一致，保其量相当锐；存拢4行)娃排风量随赌下开口面患积和喷嘴戚高度变化郑的规律极摔为相似，筹前者两种称开口形式赏呈线性递日增，后者拦影响不明展显要；顽君5与)症两者排热蚕量的变化狭规律与排求风温度基看本相似。参考文献屠1恭.排黄晨，李任美玲等．桥采用第一蝇类边界条疯件数值模扔拟具有开井口的大空亲间建筑是互内速度场粘与温度场帽．制冷学淋报投，咏200笨2敌；钩9敬2满：在20-2猛4绿．梯2.Ch仗enH奔uang映,Me闲ilin迷gLi授,Ta旨oZu动o稳．扫CFD挨Anal旱ysis斧of服Airf忧low蜜and圆Temp烧erat镰ure粱Fiel货dsi刚na叮Larg死eSp该ace犁with分Open赵ing找s潮．灿4th.降Inte惧rnat办iona拜lCo构nfer培ence改on府IAVE湾C新B滚，较Chan叠gsh华a络，咏2001曾.1术0搂；小