具部侧墙开口顶部开口空间建筑室热环境特性拟
王昕 黄晨 黄武刚 杨建刚
摘： 采CFD数值模拟现场实测前期 研究 成果针具部侧墙开口屋顶顶部开口两种部开口形式空间建筑PHOENICS数值模拟软件模拟室采分层空调时喷口高度部开口面积高度部开口面积等结构参数室负荷部开口背压部开口进风速度等运行参数种组合工况室热环境讨 分析 两种部开口形式工况垂直温度分布空调区均温度部开口排风温度部开口排风量室排热量差异 关键词： 空间建筑 室热环境 数值模拟 部侧墙开口 屋顶顶部开口
1 引言空间建筑通风结构求部均设开口部开口致部侧墙开口屋顶顶部开口两种形式采分层空调时部开口形式位置空调耗室热环境特性 影响 相差异较明显全年变化室外气温冬季部开口排风会增加室负荷外夏季少利部开口处高温排风带走室局部负荷渡季节关闭空调系统仅 然 通风排走室负荷研究空间建筑分层空调时部开口等诸素室热环境特性影响尤重文开发 应 数值模拟预测空间建筑室温度场速度场研究根底[1]~[3]选 目前 拟典型侧喷送风方式具部侧墙开口具顶部开口两种部开口形式空间建筑作研究象夏季现场实测工况分析根底[4]重点讨两种部开口形式工况分层空调时室热环境特性区中顶部开口工况模拟中局部侧墙开口工况实测结果2 计算 条件21 建筑模型图1数值模拟某 体育 馆简化模型建筑柱型局部直径68m高18m屋顶呈扁球体净高8m左右两侧阶梯型观众席室采中侧送风38喷口组成环形中喷射中28短程喷口倾斜12°布置负责观众席空调10长程喷口水布置负责场中央空调回风采台阶均匀回风侧墙回风辅方式模拟根底参数见表1夏季游乐活动实测日工况[4]部开口形式分模拟部侧墙开口屋顶顶部开口工作区入室门渗透缝隙模拟部开口22 数学模型边界条件表1 夏季现场实测日工况 送风量：3457kgs
回风量：3131kgs
送风温度：165℃室外气温：365℃
环形外走廊均温度32℃
开口进风温度：28℃日射量：767Wm2
体负荷：181kW
明负荷：45kW传热系数W〔m2K〕：
屋顶：275 外墙：248
墙：259 楼板：221选LamBremhorst低雷诺数Kε模型[5]采第类边界条件边界条件热衡根底利Gebhart吸收系数助现场实测数通建立壁面i壁温方程组求解[3]： 式中： ── i外表流放热系数W(m2K)qitiTi ── 分i外表侧壁温相应空气温度℃KSi ── i外表面积m2QLfUQLfD ── 分室空中面辐射热源辐射分量WGijGUjGDj ── 分i外表面辐射热源外表面辐射热源外表j外表GEBHART吸收系数eI ── i外表发射率s ── 玻尔兹曼常数W(m2K4)qli ── i外表导热散热Wm223 计算工况室热环境参数部侧墙开口影响室热环境素喷口高度部开口面积高度部开口面积等结构参数室负荷部开口进风速度等运行参数顶部开口影响室热环境素喷口高度部开口背压开口面积等通模拟计算室垂直温度分布空调区温度部开口排风温度室通风排风量排热量述素变化进行分析讨出述素室热环境特性影响 规律 部侧墙开口屋顶顶部开口分析讨分 文献 ［6］文献［7］中详述文仅针两种部开口形式室热环境特性参数变化处进行分析阐述表2列出文讨两种计算工况变化参数讨中室垂直温度分布赛场讨象空调区温度场垂直方空气均温度定义偏离均温度1时区域等温空调区高度等温空调区高度室通风排热量室开口引起总通风排热量定义通风排热正热负室通风排热量衡量建筑开口作室然通风总排热状况仅反映部开口排热量反映部开口进风带入室热量开口结构形式变化建筑开口引起室通风排热量越越开口节性标志表2 部开口形式计算工况 部侧墙开口屋顶顶部开口变化参数参数计算工况记号参数计算工况记号喷口高度m1315N13N1511131517N11N13N15N17部开口高度m151719IN15IN17IN19————部开口面积m200931863720F1F2F4F03206441365FXQFXHFX部开口面积m256281045SOPOWO4916T2O3T3O4T4O6图2～图4中记号说明：ALLEXH：指部开口均处排风状态1Q：指室热负荷现场实测日测定值5P0P+5P：分指顶部开口处背压－505Pa3 计算结果分析31 垂直温度分布部侧墙开口计算工况中部开口面积垂直温度分布影响相较开口面积越部空调区温度越低喷嘴高度屋顶附温度影响较喷嘴高度越高屋顶附温度越低见图2(a)(b)屋顶顶部开口计算工况中喷嘴高度垂直温度分布影响次部开口面积喷嘴高度15m时屋顶附温度低等温空调区温度处较低水外部开口面积较时非空调区温度较高见图2(c)(d)两种部开口形式计算工况垂直温度分布规律致相部侧墙开口时垂直温度明显高顶部开口工况5～10℃左右32 空调区均温度部侧墙开口计算工况中空调区均温度开口面积增加增加增幅开口面积增加空调区均温度呈增加趋势开口面积28m2增幅已明显喷嘴高度温度变化趋势相高度增加温度升高见图3(b)(d)屋顶顶部开口计算工况中空调区均温度受喷嘴高度影响次部开口面积喷嘴高度11m~15m时高度增加1m 等温空调区温度增加约025℃15m~19m时喷嘴高度增加1m等温空调区温度增加约05℃部开口面积变化温度呈递增趋势见图3(c)(d)两种部开口形式 计算 工况空调区温度总体侧墙开口时温度高顶部开口时两者变化 规律 具相似处：喷嘴高度增加等温空调区温度升高时部开口面积增加空调区温度增加趋势增幅明显部开口面积增加空调区温度增加趋势〔a〕喷嘴高度部开高度〔b〕部开口面积〔c〕喷嘴高度〔d〕部开口面积图2 侧开(a)(b)顶开(c)(d)垂直温度分布拟图3 侧开(a)(b)顶开(c)(d)空调区温度排风温度拟33 部开口排风温度部侧墙开口计算工况中喷嘴高度升高排风温度降低部开口高度变化排风温度先升降根17m时处值开口面积增加排风温度降低趋稳定趋势满足室新风求前提应减少开口面积寻找正确开口开度降低空调区温度提高排风温度见图3(a)(b)屋顶顶部开口计算工况中喷嘴11～19m计算范围喷嘴高度11m时排风温度较部开口面积喷嘴高度变化变化规律关联进步 研究 排风温度开口面积变化趋势拟显著开口面积增加排风温度先呈降趋势面积增加温度趋稳定见图3(c)(d)两种部开口形式计算工况侧开排风温度受喷嘴高度 影响 较显著开口面积变化规律较致：开口面积增加先降趋稳定 34 部开口排风量部侧墙开口计算工况中部开口面积排风量影响部开口面积增加排风量线性递增计算说明喷嘴高度排风量影响见图4(a)(b) 屋顶顶部开口计算工况中排风量部开口面积增加呈线性递增喷嘴高度影响见图4(c)(d)两种部开口形式计算工况排风量喷嘴高度开口面积变化规律极相似：均开口面积增加呈线性递增趋势喷嘴高度变化影响
图4 侧开(a)(b)顶开(c)(d)排风量排热量拟35 室排热量部侧墙开口计算工况中喷嘴高度部开口高差排风温度室排热量影响较高差2m时开口高度提高1m排风温度增加5℃排热量增加60～70kW部开口面积增加部开口面积较情况排热量降趋势显著部开口面积较情况开口面积增加排热量稳定趋势见图4(a)(b)屋顶顶部开口计算工况中排热量变化规律根排风温度相似：开口面积变化规律部开口面积增加排热量根呈降趋势见图4(c)(d)两种部开口形式计算工况排热量喷嘴高度变化侧墙开口变化规律显著顶部开口明显开口面积变化规律相似：开口面积增加根呈降趋势 4 结两种部开口形式计算工况条件：1) 垂直温度分布致相部侧墙开口时垂直温度高顶部开口时2) 空调区温度喷嘴高度开口面积增加均呈升趋势部侧墙开口时明显高顶部开口时3) 侧墙开口排风温度喷嘴高度影响较显著两者开口面积变化规律趋势较致量相 4) 排风量开口面积喷嘴高度变化规律极相似前者两种开口形式呈线性递增者影响明显 5) 两者排热量变化规律排风温度根相似参考 文献 1黄晨李美玲等．采第类边界条件数值模拟具开口空间建筑速度场温度场．制冷学报200292：2024．2Chen Huang Meiling Li Tao Zuo．CFD Analysis of Airflow and Temperature Fields in a Large Space with Openings．4th International Conference on IAVECBChangsha200110269276．3黄晨李美玲．空间建筑室外表温度流耦合换热计算．海理工学学报200123〔4〕：322326．4黄晨李美玲邹志军肖学勤．空间建筑室热环境现场实测耗 分析 ．暖通空调200030(6)：5255．5CKGLam KBremhorstA modified form of the ke model for predicting wall turbulence．ASME J Fluids Eng 1981103：456460．6Chen Huang Xin Wang Jiangang Yang Wugang Huang ．Study of thermal environment characteristics of large space with stratificated air conditioning and openings．2003 International Conference on Energy and the Environment
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王昕 黄晨 黄武刚 杨建刚
摘： 采CFD数值模拟现场实测前期 研究 成果针具部侧墙开口屋顶顶部开口两种部开口形式空间建筑PHOENICS数值模拟软件模拟室采分层空调时喷口高度部开口面积高度部开口面积等结构参数室负荷部开口背压部开口进风速度等运行参数种组合工况室热环境讨 分析 两种部开口形式工况垂直温度分布空调区均温度部开口排风温度部开口排风量室排热量差异 关键词： 空间建筑 室热环境 数值模拟 部侧墙开口 屋顶顶部开口
1 引言空间建筑通风结构求部均设开口部开口致部侧墙开口屋顶顶部开口两种形式采分层空调时部开口形式位置空调耗室热环境特性 影响 相差异较明显全年变化室外气温冬季部开口排风会增加室负荷外夏季少利部开口处高温排风带走室局部负荷渡季节关闭空调系统仅 然 通风排走室负荷研究空间建筑分层空调时部开口等诸素室热环境特性影响尤重文开发 应 数值模拟预测空间建筑室温度场速度场研究根底[1]~[3]选 目前 拟典型侧喷送风方式具部侧墙开口具顶部开口两种部开口形式空间建筑作研究象夏季现场实测工况分析根底[4]重点讨两种部开口形式工况分层空调时室热环境特性区中顶部开口工况模拟中局部侧墙开口工况实测结果2 计算 条件21 建筑模型图1数值模拟某 体育 馆简化模型建筑柱型局部直径68m高18m屋顶呈扁球体净高8m左右两侧阶梯型观众席室采中侧送风38喷口组成环形中喷射中28短程喷口倾斜12°布置负责观众席空调10长程喷口水布置负责场中央空调回风采台阶均匀回风侧墙回风辅方式模拟根底参数见表1夏季游乐活动实测日工况[4]部开口形式分模拟部侧墙开口屋顶顶部开口工作区入室门渗透缝隙模拟部开口22 数学模型边界条件表1 夏季现场实测日工况 送风量：3457kgs
回风量：3131kgs
送风温度：165℃室外气温：365℃
环形外走廊均温度32℃
开口进风温度：28℃日射量：767Wm2
体负荷：181kW
明负荷：45kW传热系数W〔m2K〕：
屋顶：275 外墙：248
墙：259 楼板：221选LamBremhorst低雷诺数Kε模型[5]采第类边界条件边界条件热衡根底利Gebhart吸收系数助现场实测数通建立壁面i壁温方程组求解[3]： 式中： ── i外表流放热系数W(m2K)qitiTi ── 分i外表侧壁温相应空气温度℃KSi ── i外表面积m2QLfUQLfD ── 分室空中面辐射热源辐射分量WGijGUjGDj ── 分i外表面辐射热源外表面辐射热源外表j外表GEBHART吸收系数eI ── i外表发射率s ── 玻尔兹曼常数W(m2K4)qli ── i外表导热散热Wm223 计算工况室热环境参数部侧墙开口影响室热环境素喷口高度部开口面积高度部开口面积等结构参数室负荷部开口进风速度等运行参数顶部开口影响室热环境素喷口高度部开口背压开口面积等通模拟计算室垂直温度分布空调区温度部开口排风温度室通风排风量排热量述素变化进行分析讨出述素室热环境特性影响 规律 部侧墙开口屋顶顶部开口分析讨分 文献 ［6］文献［7］中详述文仅针两种部开口形式室热环境特性参数变化处进行分析阐述表2列出文讨两种计算工况变化参数讨中室垂直温度分布赛场讨象空调区温度场垂直方空气均温度定义偏离均温度1时区域等温空调区高度等温空调区高度室通风排热量室开口引起总通风排热量定义通风排热正热负室通风排热量衡量建筑开口作室然通风总排热状况仅反映部开口排热量反映部开口进风带入室热量开口结构形式变化建筑开口引起室通风排热量越越开口节性标志表2 部开口形式计算工况 部侧墙开口屋顶顶部开口变化参数参数计算工况记号参数计算工况记号喷口高度m1315N13N1511131517N11N13N15N17部开口高度m151719IN15IN17IN19————部开口面积m200931863720F1F2F4F03206441365FXQFXHFX部开口面积m256281045SOPOWO4916T2O3T3O4T4O6图2～图4中记号说明：ALLEXH：指部开口均处排风状态1Q：指室热负荷现场实测日测定值5P0P+5P：分指顶部开口处背压－505Pa3 计算结果分析31 垂直温度分布部侧墙开口计算工况中部开口面积垂直温度分布影响相较开口面积越部空调区温度越低喷嘴高度屋顶附温度影响较喷嘴高度越高屋顶附温度越低见图2(a)(b)屋顶顶部开口计算工况中喷嘴高度垂直温度分布影响次部开口面积喷嘴高度15m时屋顶附温度低等温空调区温度处较低水外部开口面积较时非空调区温度较高见图2(c)(d)两种部开口形式计算工况垂直温度分布规律致相部侧墙开口时垂直温度明显高顶部开口工况5～10℃左右32 空调区均温度部侧墙开口计算工况中空调区均温度开口面积增加增加增幅开口面积增加空调区均温度呈增加趋势开口面积28m2增幅已明显喷嘴高度温度变化趋势相高度增加温度升高见图3(b)(d)屋顶顶部开口计算工况中空调区均温度受喷嘴高度影响次部开口面积喷嘴高度11m~15m时高度增加1m 等温空调区温度增加约025℃15m~19m时喷嘴高度增加1m等温空调区温度增加约05℃部开口面积变化温度呈递增趋势见图3(c)(d)两种部开口形式 计算 工况空调区温度总体侧墙开口时温度高顶部开口时两者变化 规律 具相似处：喷嘴高度增加等温空调区温度升高时部开口面积增加空调区温度增加趋势增幅明显部开口面积增加空调区温度增加趋势〔a〕喷嘴高度部开高度〔b〕部开口面积〔c〕喷嘴高度〔d〕部开口面积图2 侧开(a)(b)顶开(c)(d)垂直温度分布拟图3 侧开(a)(b)顶开(c)(d)空调区温度排风温度拟33 部开口排风温度部侧墙开口计算工况中喷嘴高度升高排风温度降低部开口高度变化排风温度先升降根17m时处值开口面积增加排风温度降低趋稳定趋势满足室新风求前提应减少开口面积寻找正确开口开度降低空调区温度提高排风温度见图3(a)(b)屋顶顶部开口计算工况中喷嘴11～19m计算范围喷嘴高度11m时排风温度较部开口面积喷嘴高度变化变化规律关联进步 研究 排风温度开口面积变化趋势拟显著开口面积增加排风温度先呈降趋势面积增加温度趋稳定见图3(c)(d)两种部开口形式计算工况侧开排风温度受喷嘴高度 影响 较显著开口面积变化规律较致：开口面积增加先降趋稳定 34 部开口排风量部侧墙开口计算工况中部开口面积排风量影响部开口面积增加排风量线性递增计算说明喷嘴高度排风量影响见图4(a)(b) 屋顶顶部开口计算工况中排风量部开口面积增加呈线性递增喷嘴高度影响见图4(c)(d)两种部开口形式计算工况排风量喷嘴高度开口面积变化规律极相似：均开口面积增加呈线性递增趋势喷嘴高度变化影响
图4 侧开(a)(b)顶开(c)(d)排风量排热量拟35 室排热量部侧墙开口计算工况中喷嘴高度部开口高差排风温度室排热量影响较高差2m时开口高度提高1m排风温度增加5℃排热量增加60～70kW部开口面积增加部开口面积较情况排热量降趋势显著部开口面积较情况开口面积增加排热量稳定趋势见图4(a)(b)屋顶顶部开口计算工况中排热量变化规律根排风温度相似：开口面积变化规律部开口面积增加排热量根呈降趋势见图4(c)(d)两种部开口形式计算工况排热量喷嘴高度变化侧墙开口变化规律显著顶部开口明显开口面积变化规律相似：开口面积增加根呈降趋势 4 结两种部开口形式计算工况条件：1) 垂直温度分布致相部侧墙开口时垂直温度高顶部开口时2) 空调区温度喷嘴高度开口面积增加均呈升趋势部侧墙开口时明显高顶部开口时3) 侧墙开口排风温度喷嘴高度影响较显著两者开口面积变化规律趋势较致量相 4) 排风量开口面积喷嘴高度变化规律极相似前者两种开口形式呈线性递增者影响明显 5) 两者排热量变化规律排风温度根相似参考 文献 1黄晨李美玲等．采第类边界条件数值模拟具开口空间建筑速度场温度场．制冷学报200292：2024．2Chen Huang Meiling Li Tao Zuo．CFD Analysis of Airflow and Temperature Fields in a Large Space with Openings．4th International Conference on IAVECBChangsha200110269276．3黄晨李美玲．空间建筑室外表温度流耦合换热计算．海理工学学报200123〔4〕：322326．4黄晨李美玲邹志军肖学勤．空间建筑室热环境现场实测耗 分析 ．暖通空调200030(6)：5255．5CKGLam KBremhorstA modified form of the ke model for predicting wall turbulence．ASME J Fluids Eng 1981103：456460．6Chen Huang Xin Wang Jiangang Yang Wugang Huang ．Study of thermal environment characteristics of large space with stratificated air conditioning and openings．2003 International Conference on Energy and the Environment
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