山東建筑大學  楚廣明 荊通 孫燕

    【摘  要】本文以某中庭為研究對象，根據空間尺寸及空調設計參數，建立分層空調設計方案下的計算模型。利用FLUENT軟件，對分層空調設計方案在冬季工況下使用地暖時的氣流組織和熱舒適性進行數值模擬，并對模擬結果進行分析。結果表明，無論在何種送風方式下，設置地暖有利于抑制熱對流，可有效減小垂直溫度梯度，真正起到冬季分層空調的效果。從舒適性上來看，中間送風方式要優于雙側送風方式。

    【關鍵詞】高大中庭，氣流組織，地暖，熱舒適

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

    中庭一般是綜合多種功能而形成的高大空間，它經常是貫穿多個樓層，并與各樓層間接或直接相通。在中庭內，人們既可以享受到室內空間的空氣品質，又能感受到中庭營造出的一種室外空間特有的開敞和自然環境。隨著我國城市建設的進一步繁榮，中庭建筑不斷出現，如商場、賓館、商務辦公樓以及教學樓、圖書館等。作為建筑的核心公共空間——中庭，越來越受到人們的歡迎，對于大空間空調方式的研究也越來越受到人們的關注。高層建筑的中庭高度一般達到數十米甚至上百米，其空間體積大，內外擾因素眾多，冷熱負荷大，氣流組織復雜，致使一般空調方式下的循環風量大、耗電量大，造成能源的大量浪費。

    從保證人體舒適度和空調節能兩方面考慮，高大空間一般采用“分層空調”的氣流方式將空間隔斷為上下兩部分，僅對下部工作區進行空調，而對上部區域只采用通風方式排出滯留的熱空氣，從而達到節能的目的。據相關資料統計，此種空調方式和全室空調相比，大約可節省15%~40%的夏季冷量，而冬季能耗受系統形式影響較大。中庭主要通過“溫室效應”和“煙囪效應”來調節室內氣候環境。溫室效應對中庭的影響是雙面的，冬季起積極作用，夏季起消極作用；而煙囪效應則反之。對這兩種效應利用得當能夠有效地節約空調能耗，否則不但造成空調能耗增加，而且難以保證空調效果。

    據統計，上世紀90年代中國建筑能耗僅為全社會總能耗量的16%，而近年來中國建筑耗能量已達30%以上，其中暖通空調的能耗約占建筑能耗的50%。中庭作為大空間建筑的一種，在通風、室內微氣候改善、節能等方面具有很大潛力。

1 高大中庭冬季分層空調

    1.1 高大中庭空調負荷特點

    近年來，出現了越來越多的大型公共建筑，隨著建筑體積的不斷增大，為確保其具有良好的使用性，此類建筑多采用封閉式高大中庭的形式。由于此類建筑空間大，會在水平和垂直方向上產生溫度分布不均勻現象，一般會在空間上部、屋頂或其它局部區域形成比較嚴重的熱量堆積。如何及時有效地排除或者減輕這些堆積熱量，減小其對下部空調區的影響，實現既保證人員的熱舒適性要求，又最大限度地節能，是高大中庭空調設計的一個難點。

    高大空間的上部非工作區形成了大量的冷熱負荷，尤其是在冬季，由于熱空氣的浮力作用，整個空間下冷上熱，熱量大部分消耗在大空間的上部，且下部工作區的供暖效果難以保證。從節約能源、滿足人員熱舒適、降低空調系統初投資和運行費用等方面考慮，在高大空間空調設計中廣泛采用的空調方式是分層空調，即僅使高大空間下部工作區域的空調參數滿足設計要求。本文從速度場和溫度場入手，分析空調送風與地面輻射供暖相結合的高大中庭氣流組織及PPD和PMV分布，探討高大中庭冬季分層空調方式。

    分層空調一般采用中部送風，下部回風的氣流組織方式，以送風口高度處的水平面為分層面，分層面以上的空間稱為非空調區，簡稱上區；分層面以下的空間稱為空調區，簡稱下區。因此，得熱量和空調負荷必須按上、下兩區進行計算，即在非空調區計算通風排熱負荷，在空調區計算空調冷熱負荷。在分層面上，由于送風射流對上部空氣的誘導卷吸作用，非空調區會有一部分熱量被強迫轉移到空調區，成為瞬時空調負荷。另外，由于非空調區的圍護結構內表面溫度高于空調區圍護結構內表面溫度，因而在這兩區之間會產生輻射熱交換，空調區接受此輻射熱量后，由于圍護結構和地板的蓄熱作用，將有一部分釋放給室內空氣成為空調區瞬時冷負荷(其余部分隨后放出或傳入其他空間中)。因此，分層空調負荷除了要計算空調區本身得熱所形成的冷負荷外，還必須計算對流熱轉移負荷和輻射熱形成的負荷。

    1.2 分層空調影響因素

    高大空間夏季通過送風供冷，由于冷空氣下沉，比較容易滿足空調區設計溫度。但是冬季采用熱風空調時，效果不易保證。采用送風與地面輻射供暖相結合的空調方式可彌補上述不足。冬季工況下是否設置地暖以及采用何種送風方式等對于氣流組織有很大的影響，下面對各種影響因素進行分析。

    1.2.1 地面輻射供暖

    在地面輻射供暖房間，通過輻射散出的熱量可以達到總散熱量的50%，主要集中在人體活動區，室內溫度比較穩定，且溫度場分布比較均勻，無效熱損失較少，具有較好的節能效果。在垂直方向，離地面50cm以上空間的室內空氣溫度變化很小，人體沒有明顯的吹風感，。同時由于以高熱惰性的地板為散熱裝置，提高了室內環境的熱穩定性，室內溫度在間歇供暖時變化較小，且這種方式不占用建筑空間。在相同條件下，當建筑結構相同時地板供暖的室內環境設計溫度比普通供暖系統低2～3℃。

    1.2.2 空調送風方式

    大空間分層空調最常見的氣流組織形式有：單側中送同側下回方式；單側中送對側下回方式；雙側中送下回方式；雙側中送上下回方式等等。

    單側中送下回風方式是指將送風口設置在側墻上，位于非空調區和空調區分界處，冷風（或熱風）由送風口送出，承擔室內空調負荷后，再由設置在同側下部的回風口排出。此種送風方式，室內工作區會形成較大的旋渦回流，有時會有一部分送風未經過工作區就直接從回風口排出，形成氣流短路，致使室內達不到設計要求的舒適性，需要的風量較大，能耗較高。

    單側中送對側下回風方式，是將送風口設置在側墻非空調區和空調區分界處，冷風（或熱風）由側墻送風口送出，氣流以射流衰減曲線下落到工作區，再由設置在對面側墻下部的回風口排出。這種送回風方式會使送風口下部墻角處形成空氣滯留區，從而影響工作區的空氣品質和室內要求的舒適性，常用于一般跨度較小的空間。

    雙側中送下回風方式，是在空間兩側墻中部均設送風口，冷風（或熱風）由送風口送出，由設置于兩側墻下部的回風口排出。處理好的空氣經噴口噴入相對靜止的空間里形成射流，當射流行至所要求的射程時，其溫度和速度得到充分的衰減，氣流就折回，其中大部分空氣是補充射流的室內循環空氣，而只有相當于送入室內數量的空氣才經由回風口及其他孔、縫排出。這樣在送風射流作用下，整個空調區形成大的回旋循環，使下部工作區處于回流區，溫度場和速度場分布均勻。而非空調區（即上部大空間）由于沒有參數要求，允許存在較大的垂直溫差。

    雙側中送上下回方式，在高大空間空調設計中應用得較多。對于高大空間來說，送風量往往很大，大空間上下部溫差也比較大，因此將大空間分為上下兩部分區別對待是合理的。一般把下部視為空調區，上部視為非空調區。這種中部送風，上下部排風會形成兩個氣流區，保證下部工作區達到空調設計要求，而上部氣流區負擔排走非空調區的多余熱量。側送風方式中，以噴口側送最為常見。大空間建筑中因為跨度較大，風口往往離人員活動區較遠，因此采用噴口側送方式能夠充分利用這一特點。噴口送風射流長、流量大，人員活動區一般處于溫度均勻的回流區。這種送風方式也存在著一些不足，比如，送風溫差大、射流長，有可能造成冷風下降或熱風上浮的現象。結合本文研究對象，采用中部送風，下部回風的送風方式，必要時設屋頂排風。

     1.2.3 空調送風角度

    對于夏季工況，由于冷射流的下沉，送風角度等因素對室內空氣分布特性的影響不是很大，只要送風高度合理，水平側送風方式一般能實現分層空調的要求。但是對于冬季工況，由于熱射流的上浮，若送風角度不合理，送風射流大部分會飄移到非工作區。隨著送風角度的增大（往下），送風熱射流能到達工作區，熱射流飄移至非空調區的熱量減少，空調區平均溫度升高。但是如果送風角度太大，壁面附近的速度增大，就會造成送風射流與墻壁對流加強，一部分送風射流直接進入人員活動區，中庭中部的很大區域熱射流不能到達，人員活動區會出現局部過熱或局部過冷現象。

2 模型建立及邊界條件設定

    本文的研究對象為某酒店的中庭，通過數值模擬方法對該中庭冬季工況分層空調的氣流組織和熱舒適性進行研究。

    2.1 簡化模型

    中庭建筑尺寸為36m×21m×18m（高），四面為客房的內墻，屋頂為玻璃。

    2.2 邊界條件

    2.2.1 壁面邊界

    大空間室內圍護結構表面的實際換熱過程非常復雜，一般都是導熱、對流、輻射同時存在的，要完全真實地模擬實際傳熱過程是非常困難的。因此需要對建筑物內的實際傳熱情況做一定程度的簡化。大空間建筑垂直方向有明顯的溫度梯度，可采用一室二溫、一室三溫或一室多溫的解析方法。固體壁面在垂直方向也有溫度梯度，本文將固體內壁面在高度方向，以送風口高度為界，分別設置空調區和非空調區壁面溫度，以近似模擬實際情況。

    中庭四周墻壁為內墻，庭頂為玻璃幕。庭頂外表面同時受到太陽輻射和室外空氣溫度的綜合熱作用，為方便計算，采用綜合溫度計算，按照當地冬季工況計算各圍護結構的傳熱。內墻、地面負荷按常壁溫設定，其壁溫為環境溫度，玻璃頂按常熱流邊界設定。具體數值為：內墻和地面溫度為20℃，頂板熱流密度為-25W/m²。當采用地面輻射供暖加分層空調復合形式供暖時，地面輻射供暖采用壁面邊界條件中的輻射熱邊界條件，其璧面溫度為26℃。近壁區采用壁面函數法考慮邊界條件。

    2.2.2 進、出口邊界

    送風口設定為進口型邊界,設定射流入口處紊流動能量k＝0.08，紊流能量耗散ε＝0.21。回風口設定為出口邊界。

3 氣流組織模擬結果分析

    高大中庭采用地面輻射供暖與送風相結合的復合空調方式，不僅解決了冬季工作區域溫度較低的問題，同時又避免了單獨的輻射供暖容易造成室內空氣濕度和新風量無法滿足室內要求的問題。至于地面輻射供暖與空調送風聯合使用時的負荷分配，本文采用由地面輻射供暖承擔建筑圍護結構的熱負荷，由空調送風系統承擔室內濕負荷和新風量的要求。針對此種復合空調方式下的工況1和工況2進行模擬，送風參數見表1。

表1 工況1和工況2對應的送風參數

    3.1 溫度場、速度場分析

    從模擬結果的速度場分布可以看出：工況1和工況2情況下，在垂直高度2m以下的人活動區域，空氣流動速度保持在0.2m/s以下，風速滿足冬季設計要求，人無吹風感。對于工況1，送風氣流自風口吹出后，衰減明顯，在靠近中庭地面的中間區域，熱氣流上升的同時并不斷卷入周圍新送空氣，在中間區域形成旋渦。對于工況2，在送風口的出流軌跡上，送風末端出現上翹，形成旋渦，在中庭中部亦形成上浮的熱氣流，但是相比于工況1，工況2熱流中心高度稍高。

    3.2 典型位置垂直溫度分布

    對于工況1和工況2，典型位置垂直溫度分布曲線見圖1和圖2。

    從模擬結果的垂直溫度分布圖可以看出：兩種工況下，空調區內的平均溫度均高于設計溫度20℃。對于工況1，典型位置垂直溫度分布見圖1，人活動區平均溫度在21.8℃左右，比單獨的冬季空調供暖溫度要高。對于工況2，典型位置垂直溫度分布見圖2，工作區平均溫度也在21℃，并且人活動區溫度分布均勻。在地面輻射供暖引入后，地面附近的溫度普遍比冬季單純的空調供暖溫度要高，并且垂直方向溫度梯度也變小了。同時，由于送風溫度比冬季空調的送風溫度低，所以也就削弱了中庭的“煙囪效應”。

    3.3 典型位置垂直高度PPD分布

    從模擬結果的PPD分布看出：工況1情況下，人活動區PPD分布呈現中間小兩邊大的分布，中間PPD指標在10%左右，靠近兩邊區域PPD值達到21%，見圖3；工況2情況下，空調區大部分PPD值在11%到18%之間，個別區域達到24%，但是都不超過Ⅱ級舒適度PPD的規定(≤27%），見圖4。

    從模擬結果的PMV分布看出：工況1情況下，工作區的PMV值保持在+0.44～+0.75之間，見圖5，并且與PPD分布相適應，中間小兩邊大，這跟溫度場，速度場分布有關；工況2情況下，工作區的PMV值大部分保持在+0.55～+0.85之間，見圖6，人感覺稍暖，滿足人的舒適性要求。設置地面輻射供暖后，提高了地面附近的溫度，減小了垂直方向上的溫度梯度，室內的舒適度也提高了。

    從圖3～6可以看出，兩種工況下的PPD值都是隨高度先減小后增加，說明人體不滿意率在空調區小，在非空調區大，但是轉折的高度不同，工況2的轉折高度要高于工況1。由兩者典型位置的PMV擬合曲線看出，整個空間的垂直溫度梯度變化不大，空調區能滿足人舒適性要求。

4 結論

    運用FLUENT軟件對高大空間分層空調的氣流組織進行數值模擬，研究和分析了冬季空調工況下，采用地暖與送風相結合的空調方式時整個空間的氣流組織。通過速度場、溫度場、PPD及PMV分布圖的分析對比看出，采用地面輻射供暖后，兩種送風方式下的中庭垂直溫度梯度均較小，工作區平均溫度較高，能滿足設計要求。從舒適性上來看，中間送風方式優于雙側送風方式。

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    備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。
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