北京某建筑中庭冬夏季空调环境的数值模拟分析

72FLUID MACHINERY Vol. 44,No.5,2016文章编号：1005 -0329(2016)05 -0072 -05
北京某建筑中庭冬夏季空调环境的数值模拟分析
姚旭辉，李锐，王立鑫，任臻
(北京建筑大学，北京10004)
摘要：对北京某工程建筑中庭的气流组织进行数值模拟分析。

对该中庭冬、夏两季，在3种不同空调送风方案下的 室内气流分布和热环境进行数值模拟，分析各层平均温度、中庭垂直温差，通过有效吹风温度评价室内热舒适度，确定最 优方案，为工程设计提供参考。

结果表明，均匀送风时，中庭垂直温差较大，部分楼层平均温度偏离设计值，热舒适度较 差;改变首层和顶层送风量，或各层梯度变化送风量，可降低垂直温差，使各层热舒适度达到要求。

关键词：数值模拟；中庭;暖通空调;热舒适度;气流组织
中图分类号：T H43;T U831 文献标志码：A d〇i：10.3969/j.issn.1005 -0329. 2016. 05.016
Numerical Simulation Analysis of Air-conditioned Environment in Winter and
Summer of a Building Atrium in Beijing
YAOXu-hui，LI Rui，WANG Li-xin，REN Zh e n
(B e ijin g U n ive rsity o f C iv il E ngine erin g and A rc h ite c tu re，B e ijin g100044，C h in a)
Abstract ：The a ir d is trib u tio n o f a b u ild in g a triu m in B e ijin g was sim ulated and analyzed.The in d o o r a ir d is trib u tio n and th e r­m al environm ent o f the a triu m u n der three d iffe re n t a ir supply schemes in w in te r and sum m er were s im u la te d,the average tem per­ature o f each layer and ve rtica l tem perature diffe ren ce were an alyzed，and the indo or therm al com fort degree was evaluated through effective dra ft t em perature to determ ine the best a ir sup ply scheme and provided references fo r engineering design.The
re su lt shows a l a rre v e rtica l tem perature diffe ren ce in the a triu m，deviated average tem perature fro m the design value in some floors and poor indo or therm al com fort level appeared when used the u n ifo rm a ir sup ply scheme.The v e rtica l tem perature d iffe r­ence in the a triu m decreased and the therm al com fort le ve l o f each la ye r m et the require m en o f the ground fo o r and top la y e r，or using gradient change a ir sup ply scheme at each la ye r.
K e y w o r d s：n u m erica l sim u la tio n a n a lysis；b u ild in g a triu m；H V A C；therm al com fort degree；a ir d is trib u tio n
i 前言
由于具有空间共享、视野开阔等优点，目前中 庭广泛被商场、办公楼等公共建筑设计所采纳[1]。

正由于中庭建筑的特色，使得室内负荷不 同于一般建筑[2~5]，并且中庭建筑的暖通空调设 计也成为难题，其设计必须不同于一般建筑[6]。

此外，中庭贯穿各楼层，由于热压作用致使热空气 聚集于建筑物上层，加大上下层温差，增大热不舒 适感[78]。

李娜通过对某一 25m高的中庭建筑模 拟研究得出，垂直温差可达5°C，且对顶层的影响最大[9]。

李念平等研究表明，中庭热压影响随高 度的增加而增强[10]。

张欢等通过CFD技术研究 提出中庭仅对各层回廊区域的空调冷负荷有影 响，就较远的走廊区域影响可忽略[11]。

张铁辉等 通过CFD模拟提出，通过增大顶层走廊的风机盘 管总风量，可以解决中庭顶层温度偏高的现象[12]。

部分研究表明，在室外空气条件较好的条 件下，由于烟囱效应，采用自然通风可以满足中庭 室内的热环境要求[3〜1]。

目前研究者主要对中庭热环境特征进行了研 究。

然而，建筑中庭的热舒适度受室内各参数综
收稿日期：2015 -08 -10
基金项目：供热、供燃气、通风及空调工程北京市重点实验室研究基金资助项目（NR2013K07)
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合影响，并且在室外空气污染严重或温湿度较高 等比较恶劣的条件下，采用自然通风无法满足室 内环境要求，需要采用空调系统，而不同的空调系 统方案会直接影响室内热环境和热舒适度[17~21]。

因此对于具体工程，需要研究满足中庭热环境要 求的空调气流组织设计方案。

本文对北京某工程 建筑中庭的气流组织进行数值模拟，评价中庭的 热环境。

对该中庭冬、夏两季，在不同空调送风设 计方案下的室内气流组织和热环境进行数值模拟 计算，对各层平均温度、中庭垂直温差进行分析比 较，通过室内有效吹风温度（EDT)评价室内热舒 适度，从而确定满足要求的空调送风方案，为工程 设计提供参考。

2数值模拟模型
2.1物理模型
该建筑地下为设备用房、车库等，地上5层均 为商业用房，该中庭贯穿整个建筑，共5层，其空 调面积为576m2，每层净高度3.6m，楼板厚1.9m，共27.5m。

中庭以玻璃幕墙与商业区隔开，长 36m，宽16m，从1层起贯穿整个楼层。

物理模型 如图1所示。

中庭及走廊之外为不同功能房间，其空调系统为风机盘管加独立新风系统。

中庭及 中庭之外的各房间的室内设计参数相同，忽略中 庭与其之外各房间的换热。

因此该研究对象为建 筑物的内区，即冬、夏两季均有冷负荷。

该中庭采用上送上回式全空气系统，送、回风 口采用交替布置，如图2所示。

送、回风口均布置 于每层走廊的楼板处。

送风口采用单层百叶风 口，大小为lm x0. 15m，共40个，每层8个（如图 2中S1〜S8)。

回风口为双层百叶风口，大小为lm x0. 15m，共30个，每层6个（如图2中H1〜
H6)。

S7H5S6H4S5
1H6E
8000
E S8S4
SI HI S2H2S3
[1
60004000
36000
图2风口平面布置
2.2数学模型
本次研究的数学模型采用k- s模型，简化条 件如下：
(1)中庭室内空气流速较低，视为不可压流体，且为牛顿黏性流体的稳态流动。

(2)中庭室内温度变化范围较小，空气密变化较小，认为空气流动符合B o n s s in e s q假设。

即认为空气温度变化仅引起空气密度的变化，且 除密度之外的其他参数均为常数;密度仅考虑动
量方程中与体积力有关的参数，其余各项中密度
也视为常数。

空气密度表达式为：
p=p[1-/3(T-T0)](1)
式中P—流体参考密度
/3—热膨胀系数
T—参考温度
(3) 室内空气流动为湍流状态。

(4) 室内空气在建筑围护结构上为无滑移界条件。

(5) 室内气密性良好，不考虑漏风影响。

在上述简化的前提下，室内空气的流动受质
量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律支配，其通
式为：
^((^)) + d i v(p f/c/)) = d i v(r g r a d c/)) + 5 (2)
d t
式中 +—通用变量，代表T等求解
变量
r—广义扩散系数
s—广义源项
2.3 室内设计参数
由于该中庭处于内区，可忽略中庭四周的传 热而只考虑中庭楼顶和地面的传热，此外还有
人员散热传热、灯光散热传热。

其室内设计参
数及根据负荷计算所得送风温度结果如表1
所示。

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表1
冬、夏两季室内设计参数
季节负荷(k W )送风量
(kg /s )
室内设
计温度(◦C )室内设计相对湿度（％)送风温度
(C ）
夏季
11712.6265517
冬季
75.512.6203015
注：由于该中庭为建筑内区，冬季仍需供冷，冬季送
风温度仍低于室内温度。

2.4 数值模拟工况
原有空调设计未考虑中庭的烟囱效应，认为 各层所需冷负荷相同，总风量由各风口平均负担。

经理论分析可知，由于中庭产生的热压会使室内 热空气聚集中庭上层，而使得中庭上部区域冷负 荷大于中庭下部区域。

本文对3种不同的空调送 风方案进行数值计算，通过比较分析，确定满足热 环境要求的设计方案。

表2中列出了 3种送风方案的模拟工况。

模 拟工况一:各层送风量相等。

模拟工况二:减少1 层送风量，增大顶层送风量，中间层保持不变。

模 拟工况三：层送风量减少50%，5层送风量增加
50%，层送风量减少25%，4层送风量增加 25%，层送风量不变。

各层具体送风量如表2 所示。

通过数值模拟，比较不同空调设计方案下 中庭室内气流组织分布情况，找出合理方案。

表2
不同模拟工况各层的送风量
k g/s
模拟工况送风量1层2层3层4层
5层工况一
2.52 2.52 2.52 2.52 2 .52工况二 1.52 2.52 2 .52 2.52
3.52工况三
1.26 1.89
2 .52
3.15 3.78
3模拟结果分析
3.1中庭级向温度分析
由于中庭的烟囱效应产生的热压，使得室内 热空气有向上流动的趋势，造成中庭上热下冷的 趋势。

良好的空调设计方案应尽量削弱烟囱效 应，降低上下楼层的温差。

图3为不同模拟工况 下，夏季中庭纵向温度分布;图4为不同模拟工况 下，冬季中庭纵向温度分布。

24.462 25.686
(b )工况二
图3夏季各方案中庭纵向温度分布
(b )工况二
图4冬季各方案中庭纵向温度分布
从图3中可以看出，中庭在夏季工况一时，纵 向温度最大值为28. 72°C ，最小值为23. 11°C ，垂 直温差为5. 61°C ，中庭上部区域和下部区域室内 温度差异较大，烟囱效应明显。

工况二、工况三的
纵向温度分布范围分别为：26. 91〜23. 85°C 、
26. 98 〜23.91〇C ，垂直温差分别为 3. 06,3. 07〇C ， 烟囱效应有所减弱。

从图4中可以看出，中庭在 冬季工况一时，垂直温差有3. 06C 。

工况二、工 况三垂直温差分别为2. 09，1. 99°C ，可削弱烟筒 效应，减小垂直温差。

从图3和图4
中可以看出，
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冬季中庭的烟囱效应比夏季时有所减弱。

3.2各水平温度分析
计算在不同模拟工况下，各层1. 5m 处的平 均温度，结果如图5和6所示。

由图5可得，在夏季，采用不同的设计方案， 首层和顶层距离地面1.5m 处的温度存在较大不 同，中间层距地面1.5m 处的温度差异相对较小。

T(°C )
1.7000
-1.1400
-0.58000 -0.20000
0.54000
1.1000
(a)夏季1层1.5m 处
从图6中可以看出与图5中类似的结果，即在冬 季，采用不同的设计方案，首层和顶层距离地面
1.5m 处的温度存在较大不同，中间层距地面 1.5m 处的温度差异相对较小。

在冬、夏两季，方 案一(模拟工况一）各层距地面1.5m 处的室内温 度偏离设计值较大，方案三（模拟工况三），各层 距地面1.5m 处的室内温度偏离设计值较小，夏 季室内温度设计值26°C ，夏季最大偏离值仅有 0. 26°C ，冬季室内设计值20°C ，最大偏离值仅有 0.28C 。

因此，从各层人员活动区域的平均温度 和各层温差来看，方案三为比较好的方案。

3.3 有效吹风温度分析
吹风感是空调室内人员常见的不舒适感之 一，造成原因是由于人员所处空间的空气风速和 温度未处于人体热舒适范围内，从而给人以热不 舒适感。

目前常用有效吹风温度E D T 来判断室 内的是否会有吹风感，建议的舒适标准为:有效吹 风温度处于-1.7〜1. 1C 时，室内某点风速^ < 0. 35m /s [19,20]。

计算各层1. 5m 处截面的有效吹风温度，并 认为距离地面1.5m 处为人员热舒适感应区。

由 于热压的作用，1层和5层最易出现热不舒适感， 因此本文将1层和5层的有效吹风温度分布图作 为主要分析对象，图7,所示为有效吹风温度分
布。

在图7和图8中，建筑外围轮廓线内，白色区 域即为未处于舒适标准范围内的区域，会有明显 吹风感，该区域人员有热不舒适感。

23圓
(c)冬季1层1.5m 处
(d )冬季5层1.5m 处
图7工况一时冬夏两季1层、5层人员活动区E D T 分
布
(a)夏季1层1.5m 处
(c )冬季1层1.5m 处 （d )冬季5层1.5m 处
图8工况三时冬夏两季1层、5层人员活动区E D T 分布
由图7可知，在工况一时，冬、夏两季的首层 和顶层，有较多区域的有效吹风温度未处于舒适 标准范围内，人员热舒适满意率较低。

而在同样 负荷条件下，采用方案三（工况三）会使室内绝大 部分区域处于舒适标准范围内，室内的热舒适感
大大提高，如图8所示。

经计算，其他各层采用方 案三后，室内绝大部分有效吹风温度均在舒适标 准范围内。

仅在风口下和少量边角范围内的有效 吹风温度超出标准，会有吹风感。

温差可缩小到3°C 左右，冬季缩小到2°C 左右，可 以使各层温度满足设计要求，同时可以使人员活 动的绝大部分区域达到舒适的热环境。

(4)当采用改变首层和顶层送风量，或采用 各层梯度变化送风量，可以降低中庭垂直温差。

对于本文研究的建筑中庭而言，采用各层梯度变 化送风量为比较合适的方案。

采用此方案，冬夏 季中庭各层温度达到设计要求，各层人员活动的 绝大部分区域达到热舒适要求。

4结论
(1) 由于中庭的烟囱效应产生的热压，使得
室内热空气有向上流动的趋势，造成中庭上热
下冷的趋势。

良好的空调设计方案应尽量削弱 烟囱效应，降低上下楼层的温差，使中庭内各层 的温度达到设计要求，使人员活动区域达到热 舒适要求。

通过数值模拟计算，可以对不同的
中庭空调设计效果进行比较分析，以确定适合
的工程设计方案。

(2) 当中庭建筑采用各层均勻送风的空调设
计方案时，中庭垂直温差较大，形成较大的垂直温
差，造成各层温度偏离设计温度，室内热舒适度较
差。

在本文数值模拟中，夏季中庭的垂直温差可 达5. 61C ，冬季垂直温差可达3.06C 。

(3) 当根据实际情况，适当调整各层的送风 量，即使在总风量不变的前提下，也可减小热压造 成的影响。

在本文数值模拟中，夏季中庭的垂直
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页）
化过程中都不断变大，而切向力的变化幅度不断 的变缓。

（3)轴向力、切向力、法向力的最大值也 在不断的变大。

6结语
通过以上分析在基本参数中，基圆半径对气 体力的影响最大;排气角的变化对切向力的影响 较大，对法向力的影响最小;当排气量和压缩比保 持一定时，为了得到较小的气体力，需要把圈数增 大，增大基圆半径，即增大排气角，增大涡旋齿终 止角。

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作者简介:高艳（1979 -)女，硕士,副教授，主要从事涡旋压
缩机方面研究，通讯地址:132022吉林市龙潭区承德街45号吉林
化工学院机电工程学院。

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作者简介:姚旭辉（1990 -)男，在读硕士研究生，主要从事
通风空调制冷技术与节能技术方向研究，通讯地址:1〇〇〇44北京
市西城区展览馆路1号北京建筑大学，E-mail:yh394035256@S­na. c o m 。