176不同上开口形式下大空间建筑分层空调热转移分析全文

不同上开口形式下大空间建筑分层空调热转移分析上海理工大学王昕摘要：本课题以上海国际体操中心为研究对象，继开发和应用数值模拟软件、采用现场实测验证数值模拟结果后[1]，对上部顶部开口和上部侧墙开口的热环境特性进行了数值模拟研究[2][3]，本文以夏季实测工况为分析基础[4]，讨论了这两种不同开口形式在分层空调（侧喷送风方式）时非空调区对空调区热转移的区别。其中在顶部开口模拟中部分借用了侧墙开口工况的实测结果。关键词顶部开口上部侧墙开口大空间建筑分层空调热转移1数值模拟1．1数值模拟用建筑模型图1为上海国际体操中心鸟瞰图和室内图。图2/3为数值模拟用某体育馆简化模型。建筑柱型部分直径68m，高18m，屋顶呈扁球体，净高为8m，左右两侧为阶梯型观众席，室内采用中侧送风，由38个喷口组成环形对中喷射，其中28个短程喷口倾斜12°布置，负责观众席空调，10个长程喷口水平布置，负责场内中央的空调。回风采用以台阶均匀回风为主、侧墙回风为辅的方式。模拟主要基础参数见表1夏季游乐活动实测日工况[4]。上部开口形式分别模拟为上部侧墙开口或屋顶顶部开口。上部侧墙开口分东西南北4个开口，根据实测工况一侧进风，三侧排风。屋顶顶部开口则处理为一个大面积开口。工作区入室大门及渗透缝隙则模拟为下部开口。侧开时下部开口按实测工况仅在一侧设置了一扇门，顶开时下部开口在两侧各设置了两扇门，设置面积见表2。1．2数学模型及其边界条件大空间建筑室内大部分壁面附近空气流动处于低雷诺数区，解决这类浮湍流问题比较成熟的模型是低雷诺数K-ε模型，本文采用对其模型系数进行修正的Lam-Bremhorst模型[5]，利用PHOENICS计算软件进行模拟计算。边界条件以热平衡为基础，利用Gebhart吸收系数，借助现场实测数据，建立求解了采用第一类边界条件的壁面温度方程组。上述模型的建立和边界条件的求解见参考文献[1]－[3]。1．3模拟工况与室内热环境参数上部侧墙开口影响室内热环境的主要因素有喷口高度、上部开口面积及其高度、下部开口面积等几何结构参数，室内负荷、上部开口进风速度等运行参数；顶部开口影响室内热环境的主要因素有喷口高度，上部开口背压，上下开口面积等。通过模拟计算获得了这两种不同上部开口时的室内速度场和温度场，并针对上述影响参数对室内垂直温度分布、空调区温度、上部开口排风温度等热环境参数进行了模拟分析。结果表明，上部开口在改善大空间室内热环境方面有一定的效果，但是不同开口形式对室内温度场和速度场的影响亦不同。上部侧墙开口与屋顶顶部开口的分析讨论分别在文献［2］和文献［3］中详述。本文主要针对这两种不同上部开口形式在不同工况下分层空调（侧喷送风方式）时非空调区对空调区热转移与上述热环境参数的关系进行比较分析。表2/3列出了本文讨论的计算工况。表1夏季现场实测日工况送风量：34.57kg/s回风量：31.31kg/s送风温度：16.5℃室外气温：36.5℃环形外走廊平均温度：32℃下开口进风温度：28℃日射量：767W/m2人体负荷：18.1kW照明负荷：45kW传热系数/W/（m2K）：屋顶：2.75外墙：2.48内墙：2.59楼板：2.211图1(a)鸟瞰图图1(b)室内图2辐射热及对流热转移分析大空间建筑内，非空调区向空调区主要以辐射热和对流热的形式进行热量的转移和交换。本文对辐射热和对流热转移特性进行分析和探讨。大空间建筑采用分层空调后，上下两区因空气温度和各个内表面温度的不同产生由上而下的热转移，由此形成的空调负荷称为非空调区向空调区的热转移负荷。它由对流热转移负荷和辐射热转移负荷两部分组成。对流热转移负荷是由于送风射流的卷吸作用使非空调区部分热量转移到空调区，当即全部成为空调区冷负荷。非空调区经辐射方式传给空调区的热量，被空调区各个面接受后，只是其中以对流方式再放出的部分才转变为空调负荷，即辐射热转移负荷。辐射热转移量主要取决于各围护结构内表面温度、表面材料黑度以及几何形状和相对位置即角系数。产生对流热转移最本质的原因是送风射流的卷吸作用，这种作用的大小主要取决于表征送风射流特性的阿基米德准数Ar和送风口型式。因此对于分层空调负荷计算，除了要计算通常空调区本身得热所形成的冷负荷外，还应该计算对流和辐射热转移负荷。图4分别给出了顶部开口时辐射热、对流热及非空调区热转移量占空调区总冷负荷的比例随不同喷嘴高度、下开口面积和上开口面积变化的规律。图4(a)是顶部开口T3O4/FXH/0P工况下热转移比例随喷嘴高度增加的变化规律。可以看出喷嘴高度的变化对辐射热转移比例影响很小，但对流热转移随高度的增加呈线性递增，非空调区热转移量亦随之线性递增。即顶部开口时当空调区和非空调区分界层高度增加时，非空调区热转移量增加。因喷嘴高度升高，即分界层高度上升，上部卷吸量增大，滞留区减少，若视整个空间的空气总量不变，对流热转移量增多，空调冷负荷也随之增多。图4(b)，(c)分别是顶部开口T3O4/0P/N15工况和FXH/0P/N15工况下热转移比例随上下开口面积增加的变化规律。上下开口面积的变化对非空调区的影响并不明显，即辐射热转移量、对流热转移量和非空调区热转移量随开口面积的增加，变化相对不明显。综上可以看出：喷嘴高度是影响对流热转移比例和总的热转移比例的主要因素之一。2顶部开口时辐射热对流热随喷嘴高度的变化00.050.10.150.20.250.3101214161820喷嘴高度/m比例辐射热比例对流热比例热转移比例顶部开口时辐射热对流热随下开口面积的变化00.050.10.150.20.250.300.511.5下开口面积/m2比例辐射热比例对流热比例热转移比例(a)(b)顶部开口辐射热对流热比例随开口面积的变化00.050.10.150.20.250.305101520面积/m2比例辐射热比例对流热比例热转移比例(c)图4顶部开口辐射热对流热比例分布热转移计算值与拟合曲线00.050.10.150.20.250.3101214161820喷嘴高度/m比例计算值拟合曲线对流热计算值与拟合曲线00.050.10.150.20.250.3101214161820喷嘴高度/m比例计算值拟合曲线图5计算值与拟合曲线本章节针对顶部开口时喷嘴高度对热作用，进行了曲线拟合并得到了表达=0.021x–0.13相关系数：0.997，剩余标准差：0.0y=0.023x–0.21相关系数：0.998，剩余标准差：0.0比例；转移总量和对流热的影响喷嘴高度与热转移总量比例和对流热比例关系的拟合式。计算结果如图5所示。喷嘴高度与热转移总量比例拟合式：y06。喷嘴高度与对流热比例拟合式：05。式中：y——热转移量或对流转移热x——喷嘴高度，m。3侧墙开口时辐射热对流热比例随下开口面积的变化00.050.10.150.20.250.301234侧墙开口时辐射热对流热比例随风速的变化00.050.10.150.20.250.30123风速m/s比例4辐射热比例对流热比例热转移比例辐射热比例对流热比例热转移比例下开口面积/m2比例侧墙开口时辐射热对流热随上开口面积的变化00.050.10.150.20.250.30102030405060上开口面积/m2比例辐射热比例对流热比例热转移比例侧墙开口辐射热对流热比例随开口高度的变化00.050.10.150.20.250.31113151719上开口高度/m比例辐射热比例对流热比例热转移比例(a)(b)(c)(d)图6侧墙开口辐射热对流热比例分布图6分别给出了侧墙开口时辐射热、对流热及非空调区热转移量占空调区总冷负荷的比例，随不同下开口面积、室外风速、上开口面积变化的规律。如图6所示，改变上下开口面积、上开口高度和风速，对热转移比例的影响均有限。当上开口高度增加时，辐射热和对流热的变化主要发生在开口高度17m以上，辐射热占总负荷的比例下降，对流热占总负荷的比例上升，总的热转移改变有限。喷嘴高度升高，顶部排热量减少，上部辐射热转移随之减少。同时由于喷嘴高度升高，非空调区气流扰动增加，上部对流热转移随之增加。3结论本文利用数值模拟计算结果和现场实测数据分析了大空间建筑非空调区对空调区的热转移问题。结果表明，顶部开口时喷嘴高度是影响非空调区对空调区对流热转移的主要因素之一。顶部开口形式下，喷嘴高度对负荷的影响较其它因素更加显著。喷嘴高度增加，负荷接近线性递增。上部侧墙开口形式下，上开口高度是影响负荷的主要因素之一。开口高度增高，负荷明显减少。4参考文献1．黄晨，李美玲等．采用第一类边界条件数值模拟具有开口的大空间建筑是内速度场与温度场．制冷学报，2002；Vol.23(2)：20-24．2．黄晨，王昕，黄武刚，杨建刚．具有上部侧墙开口的大空间建筑室内热环境特性研究．暖通空调，2004；Vol.34(4)：1-4．3．Huangchen，Wangxin，Yangjiangang，Huangwugang，Limeiling．StudyofThermalEnvironmentCharacteristicsofLargeSpacewithStratifiedAirConditioningandOpenings2003ICEE4．黄晨，李美玲，邹志军，肖学勤．大空间建筑室内热环境现场实测及能耗分析．暖通空调，2000；Vol.30(6)：52-55．5．.K.G.Lam,K.Bremhorst，Amodifiedformofthek-emodelforpredictingwallturbulence．ASMEJ.FluidsEng.,1981；Vol.103：456-460．4①④②③表2顶部开口模拟计算工况顶部开口参数各参数工况记号喷口高度/m11,13,15,17,19N11,N13,N15,N17,N19顶部开口面积/m24,9,16T2O3,T3O4,T4O6下部开口面积/m20.322,0.644,1.365FXQ,FXH,FX顶部开口背压/Pa-10,-5,-2.5,0,2.5,5,10-10P,-5P,-3P,0P,3P,5P,10P表3侧墙开口模拟计算工况上部侧墙开口参数参数计算工况记号喷口高度/m13,15N13,N15上部开口高度/m15,17,19IN15,IN17,IN19下部开口面积/m20,0.93,1.86,3.720F,1F,2F,4F上部开口面积/m256,10.45SO,WO上开口进风风速/m/s0,0.863,1.5,2.25,3ALLEXH,UPIN08,UPIN15,UPIN23,UPIN30室内发热量/kW63.1,157.75,315.5,6311Q,2.5Q,5Q,10Q图2顶部开口结构布置⑤⑥⑦观众席XYZ1上部开口（排风）2短程喷口φ5502×10只3短程喷口φ5502×4只4长程喷口φ5502×5只5座椅回风（对称布置）6活动座椅后墙回风（对称布置）7下部开口（4×F）①③②④①XYZ⑤⑥⑦观众席⑧5长程喷口φ5502×5只6座椅回风（对称布置）7活动座椅后墙回风（对称布置）8下部开口（4×F）1上部开口（排风）2上部开口（进风）3短程喷口φ5502×10只4短程喷口φ5502×4只图3侧墙开口结构布置5