安徽某半开放演出建筑中庭采暖的优化研究

史鑫 梁珍

东华大学环境科学与工程学院

0 引言

本项目属于开放大空间建筑，对于中庭类大空间供冷一般采用分层空调技术，且效果显著。但对于供暖来说，热气流上升，空间下部不一定能达到供暖要求，应用分层空调时并不能取得很好的节能效果，因此大空间供暖方案仍然值得探讨。而且对于开放式建筑的研究比较稀少，所以本文以美丽之冠国际旅游城项目作为研究对象，探究一种符合其建筑特点的供暖方案，为工程设计提供参考。

1 模型建立

1.1 项目概况

本项目位于安徽省黄山市，建筑总高度23.75 m，屋面不完全封闭，20%开敞，中间格局是有从一层贯穿至顶层通透式的大中庭。中庭内部设有舞台、戏水池、水吧等娱乐区。

1.2 物理模型

由于本建筑中庭空间结构复杂，模拟时网格数目较多，故对物理模型进行了简化。根据实际建筑建立的物理模型如图1 所示。

图1 美丽之冠国际旅游城-W1 号物理模型

本工程由中国建筑设计院委托设计，院方提供总热负荷为3121 kW，考虑到辅助供暖设备的初投资，设计采用将2921 kW 的热负荷由喷口送风承担，200 kW的热负荷由辅助供暖设备承担，室内设计温度为22 ℃，由此计算空调送风量1740960 m3/h，送风温度28 ℃，图形1 中有一条南北向贯通的通道，距地面6 m处设有球形喷口，倾角可调节。送、排风口数量、位置、规格见表1。

表1 送、回风口数量规格

1.3 模型建立条件

流动为不可压缩牛顿粘性的稳态流动。符合Boussinesq 假设。送排风口空气温度、速度均匀。

1.4 单值性条件的确定

中庭外围护结构和客房相接，定义常壁温18 ℃，通道定义为压力出口，温度18 ℃，屋顶敞开部分与大气相连定义为压力出口，温度0℃，供餐区是人员集中区，简化成长方体模型，尺寸50 m（长度）×20 m（宽度）×1.7 m（高度），定义常壁温36 ℃。戏水池简化为长方形，定义常壁温40 ℃。

2 三种方案的CFD 模拟

2.1 球形喷口侧送风+地板辐射边界条件设定及模拟结果分析

喷口尺寸选用Φ0.7m 的球形喷口，采用速度边界入口条件。地板采用辐射边界条件，表面辐射温度按下式计算[1]：

式中：tpi为地表面平均温度，℃；tn为室内设计温度，℃；为单位地面面积所需散热量，W/m2。

选取的工况如表2 所示。

表2 球形喷口侧送风+地板辐射工况

图2 和图3 分别为Q1 工况下1.5m 高水平面上的速度和温度分布图。戏水池侧温度较高，这是由于戏水池水温在40 ℃左右，由此导致温度较其他区域略高，供餐区温度和风速较其他区域高，这是因为供餐区为人员集中区，所以风口布置较密。经计算距地面1.5 m 高处的水平面上平均风速约为0.84 m/s，平均温度为19.2 ℃，风速、温度分布比较均匀，但是风速过高。模拟分析Q2 工况得出：距地面1.5 m 高处的水平面上平均风速约为1.33 m/s，平均温度为19.6 ℃，温、速度分布情况较工况1 大致相同，由于风口下倾，导致人员活动区有4 个明显的风速带，最大风速达到了2.4 m/s 左右，风速分布不均匀。

图2 Q1 工况1.5 m 处温度分布（地板辐射）

图3 Q1 工况1.5 m 处风速分布（地板辐射）

分析Q3 工况得出：人员活动区的温、速度分布情况介于工况1 和工况2 之间，平均风速约为1.01 m/s，平均温度为21.7 ℃，概括采用喷口送风+地板辐射在送风速度为10 m/s 时，人员活动区的温度分布较为均匀，风速分布情况Q1 比Q2、Q3 效果要好，Q3 比Q2效果好。平均风速随着喷口角度的增加呈现先增大后减小趋势，其原因是由于当喷口角度为30°时气流送往下部的分速度增加，因此人员活动区的风速会略有提升，但是当喷口下倾角为45°时，由于角度倾斜过大，加剧了与墙体的摩擦，摩擦削弱了气流的流速，因此送到下部的气流速度会相应的减少。

2.2 喷口送风+燃气辐射边界条件设定及模拟的结果分析

辐射采暖是以电磁波的方式传递热量，可提高围护结构内表面温度，室内水平方向空气温度分布均匀，垂直方向空气温度梯度小，能源浪费相对较少。辐射采暖的计算热负荷一般是对流采暖计算热负荷的80%～85%[2]，或者比对流采暖室内设计温度低2～3 ℃[3]。燃气红外线辐射采暖系统主要由红外线辐射、尾气排放，燃气供应，电气控制和燃气泄漏报警系统组成。

本工程选取标准正压U 型燃气红外采暖设备型号ZD20，每隔10 m 布置一台共10 台，安装高度6 m，辐射管表面定义恒壁温200 ℃。送风参数不变。安装位置图如图4 所示，同样也是根据喷口角度分为Q1、Q2、Q3 三种工况。

图4 燃气辐射管安装位置图

图5 Q1 工况1.5 m 处风速分布（U 型燃气辐射）

图6 Q1 工况1.5 m 处温度分布（U 型燃气辐射）

从图5、图6 可以看出：采用燃气辐射辅助供暖的温度、速度场没有地暖均匀，经计算风口平送时距地面1.5 m 高处的水平面上平均温度约21.4 ℃，平均速度0.91 m/s，倾角30°时，平均温度21 ℃，平均速度1.29 m/s，倾角45°时，平均温度21.3 ℃，平均速度1 m/s，平均风速变化趋势和采用地板辐射一致，都是先增大后减小。

2.3 喷口送风+瓦楞板踢脚线散热器边界条件设定及模拟结果分析

铸铁散热器是我国使用时间最长的一种供暖装置,因不符合节能环保要求，逐步被其他新型散热器所取代[4]，地板辐射因其舒适度高、节能以及可以利用低品位能源的优点得以在北方地区大范围推广，是公认的比较理想的供暖方式[5]。采用散热器供暖会影响房间的美观。而采用地板辐射采暖会降低层高，瓦楞板踢脚线散热器外形与踢脚线一样，如图7 所示，长度1 m，厚度只有3 cm，高度1.2 m 左右，中间的瓦楞板形扁管是供暖的水流道，回水管隐藏在扁管下部的支架中，做到了完全隐藏式的设计。本身既是踢脚线，同时又是散热器，做到了供暖和装饰的高度结合。

图7 瓦楞板踢脚线散热器

瓦楞板踢脚线散热器沿中庭一周，布置在墙面踢脚线位置，根据下式可计算出散热器的散热量[6]：

式中：G 为散热器中的循环水量，kg/h；tg为热媒的进口温度，℃；th为热媒的出口温度，℃。

图8 Q1 工况1.5 m 处温度分布（瓦楞板散热器）

图9 Q1 工况1.5 m 处风速分布（瓦楞板散热器）

根据规范可知，散热器集中供暖系统的供回水宜按75 ℃/50 ℃连续供暖进行设计，且供水温度不宜大于85 ℃，并且供回水的温差不宜小于20 ℃。设定散热器表面的温度为54 ℃，定壁温边界条件。

从图8、图9 可以看出采用散热片辅助供暖的效果同样没有地暖均匀，但是和燃气辐射相比，在送风角度为0°即Q1 工况下时，图8 要比图5 更协调，高温区积聚现象明显少很多，所以散热器的供暖性能要强于燃气辐射。经计算风口平送时距地面1.5 m 高处的水平面上平均温度约19.2 ℃，平均速度0.84 m/s，倾角30°时，平均温度19.6 ℃，平均速度1.33 m/s，倾角45°时，平均温度21.7 ℃，平均速度1 m/s，平均风速变化趋势仍然符合先增大后减小的规律。

3 热舒适性分析及优化设计

3.1 优化方案

1）地面辐射辅助采暖方式依赖其覆盖面广、布置均匀等特点，供暖效果优于燃气辐射和散热片。

2）在此三种供暖方案下，人员活动区的平均温度都满足规范，但是局部热量积聚现象较普遍，风口平送时的温度场比倾斜送风时更加均匀。

3）人员活动区的平均风速远高于冬季供暖人员活动区的风速设计标准。

鉴于以上特点，需要对风口布置以及风速进行调整。根据《实用供热空调设计手册》对于喷口送风风速的规定，喷口送风的最小风速不能低于4 m/s，考虑到以上模拟结果平均风速在1 m/s 左右，GB50736 的规定界限为0.1～0.3 m/s，所以在保证送风量不变的情况下，风速减小到4 m/s，风口直径相应扩大到1 m。另外考虑到整个中庭的热负荷主要来自上部敞开空间，将喷口安装高度提高到中庭中央位置，同时采用插排布置方式，插排间距2 m，这种插排方案能够将热气流充分混合，对提高温度场的均匀性有很好的效果，进行重新模拟计算。由之前的模拟分析可知，采用地暖辅助供暖的效果要优于踢脚线散热器和燃气辐射，优化方案只针对采用地暖在送风角度为0°时进行模拟分析，并通过热舒适性指标PMV-PPD 验证优化方案的合理性。

3.2 模拟结果及分析

从图10、11 可以看出，将送风速度速度调整为4 m/s，喷口高度适当提高之后，人员活动区的平均风速、温度云图非常均匀，经计算平均风速值为0.3 m/s，平均温度22 ℃已经达到规范标准，PMV 指标为-0.06，所对应的的PPD 值为5.1%，也就是说人群中只有5.1%的个体在此种送风方式下感到不舒适，符合人体的热舒适性标准。

图10 距地面1.5 m 处风速分布

图11 距地面1.5 m 处温度分布

图12 Y=1 m，Y=4 m 平面温度云图

图13 Y=7 m，Y=10 m 平面温度云图

图14 Y=16 m，Y=19 m 平面温度云图

图12～14 是垂直方向温度分布剖面图，将喷口高度提升之后，喷口上部区域仍然有冷空气大面积积聚状况，上部为非人员活动区，这也符合设计节能的特性，喷口平面下部空间冷空气明显减少许多，说明喷口送出来的热空气对冷气流起到一定阻隔作用，类似于空气幕的效果，给中庭下部空间营造一个较为稳定的热环境。

4 总结

本文利用CFD 技术分别对喷口送风+地暖，喷口送风+燃气辐射，喷口送风+散热片3 种方案9 种工况的气流组织进行了模拟研究，经过优化设计，最终确定本项目采用喷口送风+地暖方式，送风角度选择0°，喷口插排布置。为半敞开式建筑供暖系统的选择提供了设计依据。同时，国内对于踢脚线散热器以及燃气辐射复合喷口送风供暖的研究比较少，所以本研究也为新型复合供暖方式提供了设计经验。