某展览馆中庭气流组织模拟分析

张强 崔文谦 涂岱昕

【摘    要】：考虑中庭顶部采用大面积天窗对室内热环境产生较大影响，以河北省某展览馆内中庭为例，利用Fluent软件对中庭建立物理、数学模型，进行气流组织模拟，分析不同断面下冬、夏季工况的温度场和速度场，进而评估设计条件下的室内热环境。模拟结果表明：合理分配天窗冷负荷比例、天窗设置遮阳设施、局部设置地板辐射供暖系统可有效改善中庭人员活动区域的热舒适性。

【关键词】：展览馆；中庭；温度场；气流组织;热环境

【中图分类号】：TU111【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）02-58-04

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.02.015

Simulation Analysis of Air Distribution in the Atrium of Exhibition Hall

ZHANG Qiang，CUI Wenqian，TU Daixin

（Tianjin University Research Institute of Architectural Design and Urban Planning Co. Ltd.，Tianjin 300072，China）

【Abstract】：Considering that the large-area skylight on the top of the atrium has a great impact on the indoor thermal environment， this paper takes the atrium of an exhibition hall in Hebei as an example，establishes physical and mathematical models of Fluent software and simulates the air distribution to analyze the temperature field and velocity field in winter and summer conditions under different sections of the atrium， then evaluates the indoor thermal environment under the design conditions. The simulation results show that the thermal comfort of the atrium can be effectively improved by reasonably distributing the cooling load ratio of the skylight， setting shading facilities for the skylight， and locally setting the floor radiant heating system.

【Key words】：exhibition hall; atrium; temperature field; air distribution

目前中庭廣泛应用于商场、办公楼、展览馆等公共建筑中[1～2]，往往贯穿多个楼层，与各楼层间接或直接连通。由于空间范围大、气流复杂及烟囱效应和热浮力的作用，中庭垂直方向温度梯度变化大，出现明显的分层现象，影响室内的热舒适性[3]。中庭类建筑室内热环境问题一直是国内和国际设计师所关注研究的重点，受到“烟囱效应”和“温室效应”的双重作用，有大面积玻璃幕墙或透明屋顶的中庭室内热环境更是工程设计阶段需要着重解决的难点。本文利用CFD（计算流体动力学）模拟仿真技术对某展览馆中庭的温度场和速度场进行模拟分析，希望对同类建筑的设计提供参考。

1 工程概况

河北省沧州某展览馆总建筑面积为30 985 m2，地上3层、地下1层，总高度为23.95 m；为实现建筑效果和保证中庭的透光性，屋顶大面积采用钢结构与玻璃屋顶相结合的形式。空调采用全空气系统，过渡季采用全新风运行；中庭贯穿3层，首层设置侧送温控球形喷口，回风口设置于与中庭连通的走廊下部，走廊均采用顶送下回的气流组织形式；中庭地面设地板辐射供暖系统，保证人员热舒适性的同时可作为展览馆闭馆期间的值班供暖。见图1。

2 模型的建立

2.1 物理模型

根据中庭空调区域的几何尺寸[4]，在Gambit软件中建立仿真区域模型，进行网格划分，风口处网格加密，总数量约870万个。首层共设置89个顶送散流器风口和19个侧送球形喷口，二层共设置76个顶送散流器风口，三层共设置32个顶送散流器风口。风口射流的计算按照文献[5]的方法进行。见图2。

2.2 数学模型

中庭内部空气流动通常为自然对流和强迫对流并存的混合对流流动，基本为湍流流动；同时，室内气流会受到太阳辐射和室内热源所引起的热羽流的影响，室内流场更为复杂[6]。模拟软件为Fluent[7]，采用RNG k-ε模型模拟仿真湍流，采用S2S辐射模型模拟辐射。

为简化计算，忽略对结果影响不大的因素，对计算模型进行简化：

1）忽略壁面、大门、天窗的接缝和泄漏，认为其是大平板结构；

2）室内气流为常物性牛顿流体且符合Boussinesq假设，仅考虑温度对密度的影响。

2.3 模拟边界条件

2.3.1 夏季工况边界条件

中庭屋顶为大面积天窗，存在较大的太阳辐射得热，选取13：00时的冷负荷作为边界条件，以1层为例，具体参数见表1。

2.3.2 冬季工况边界条件

不考虑太阳辐射有益得热；因此，采用温度边界条件，根据热负荷计算时不同壁面的稳态传热量计算确定。见表2。

3 模拟结果分析

在不同方向选择了若干断面，旨在分析中庭及周围连廊速度场和温度场的分布差异，进而评估设计条件下的室内热环境。Z（+Z为东南向，-Z为西北向）方向和X（+X为东北，-X为西南）方向各选取1个断面。见表3和图3。

3.1 夏季工况

夏季中庭室内设计温度26 ℃，相对湿度60%[8]。

1～3层空调送风量分别为60 000、30 000、60 000 m3/h，首层散流器和球形喷口送风温度为16.5 ℃，二层散流器和双层百叶风口送风温度为17.7 ℃，三层散流器送风温度为18 ℃。分析各断面温度场可得，中庭及周围连廊局部温度较高。首层连廊局部达到30 ℃，二层连廊局部达到32 ℃，中庭人员活动区局部达到28 ℃。见图4。

模拟结果表明，原设计方案在夏季工况下局部温度过高，可能的原因是：

1）考虑大面积天窗及“烟囱效应”导致的气流浮升问题，在进行各层空调机组选型计算时，将顶部天窗冷负荷按照50%、20%、30%的比例分配到三层至首层，三层连廊面积最小，分配的天窗冷负荷过大，模拟结果表明该比例对于本工程并不适合；

2）天窗冷负荷过大，建模时，按最不利工况考虑，天窗按无遮阳设施设置，导致模拟结果局部过热。

针对温度场出现局部温度过高的问题，改进措施如下：

1）调整天窗冷负荷在各层的分配比例，三层至首层分配比例调整为30%、30%、40%；

2）天窗设内遮阳设施，内遮阳系数取0.6。

设计方案调整后，1～3层空调送风量分别为60 000、40 000、45 000 m3/h；首层散流器和球形喷口送风温度为15.8 ℃，二层散流器和双层百叶风口送风温度为16.8 ℃，三层散流器送风温度为16.7 ℃。

改进工况后，之前局部温度过高的位置明显改善，各层室内温度基本满足夏季室内设计温度26 ℃；但二层连廊局部温度仍过高，可通过调整该处送风口风量和送风口间距进一步改善。见图5。

分析各断面速度场可得，气流流动较为均匀，人体活动范围内风速均能保持在0.5 m/s，没有强烈的吹风感，模拟结果表明速度场满足设计要求。见图6。

3.2 冬季工况

冬季室内设计温度18 ℃，相对湿度40%[8]。

各层送风量选取夏季改进工况后的送风量，首层散流器和球型喷口送风温度为19.2 ℃，二层散流器和双层百叶风口送风温度为19.3 ℃，三层散流器送风温度为21.9 ℃，首层及二层局部设置地板辐射供暖系统。

由于“烟囱效应”产生的热压，中庭上热下冷的问题较为突出，模拟结果表明：局部设置地板辐射供暖系统可有效改善中庭人员活动区域的热舒适性。通过各断面温度场可得，模拟区域整体温度普遍高于设计温度18 ℃，二层连廊局部温度达到21.5 ℃，其主要原因为全空气系统与地板采暖系统同时开启时，所提供的热量大于实际需求的热量。见图7。

为缓解二层连廊局部温度过高的问题，可适当加宽该区域地暖间距，冬季运行阶段可通过减小空调机组送风量或关小水路调节阀，满足室内热舒适度的同时实现节能运行。

4 结论

1）中庭屋顶采用大面积玻璃天窗时，夏季工况下天窗的冷负荷对各层的热环境影响较大，模拟结果表明：合理的分配天窗冷负荷比例、天窗设置遮阳设施，可以有效提高中庭室内热舒适度。

2）冬季工况模拟结果表明，局部設置地板辐射供暖系统可有效改善中庭人员活动区域的热舒适性。应用CFD模拟仿真技术，优化地暖区域及盘管间距的同时，也可为运行控制策略提供数据参考。

参考文献：

[1]任改霞，庞观艺，方    聪，等.深圳某建筑中庭夏季热环境的数值模拟研究[J].建筑热能通风空调，2021，40（6）：68-70+63.

[2]姚旭辉，李    锐，王立鑫，等.北京某建筑中庭冬夏季空调环境的数值模拟分析[J].流体机械，2016，44（5）：72-76+50.

[3]林    川，田先锋，房志勇.中庭建筑设计及其热舒适度控制[J].工业建筑，2004，（7）：28-29+32.

[4]章熙民，任泽霈，梅飞鸣.传热学[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，2001.

[5]陆耀庆.实用供暖空调设计手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社.2008.

[6]潘冬梅，徐象国，王怡琳，等.高大空间气流组织模拟——文献综述[J].暖通空调，2018，48（1）：131-138.

[7]于    勇.FLUENT入门与进阶教程[M].北京：北京理工大学出版社，2008.

[8]JGJ 218—2010，展览建筑设计规范[S].