北京某辦公建筑豎井熱壓通風效果測試與分析*

鄭 坤 徐 偉 李安桂 宋占壽 韓武松 趙 剛 郭 然 褚俊杰 王爍焱

(1.中國建筑設計研究院有限公司,北京;2.西安建筑科技大學,西安;3.中國建筑科學研究院有限公司,北京)

0 引言

建筑熱壓通風技術是大型復雜建筑自然通風的主要手段,豎井通風是其常見方式之一[1-5],國內(nèi)外學者對此進行了廣泛的研究。克魯姆等人介紹了建筑物熱壓自然通風的原理[6]。針對不同的豎井熱壓通風系統(tǒng),研究人員提出了頂部和底部對外開口、側(cè)面對室內(nèi)開口的豎井熱壓流動的定量模型[7],上層熱壓流動驅(qū)動下層自然通風流動模型[8],豎井側(cè)面連續(xù)開縫和豎井側(cè)面連續(xù)開縫與上部同時開口的豎井中和界位置的多區(qū)域模型[9],多層建筑豎井熱壓通風的簡化數(shù)學模型[10],評估豎井煙囪效應的數(shù)學模型[11],上部機械通風下部自然通風的復合通風模型[12],煙囪內(nèi)流動模型[13-14]等。可見,建筑熱壓通風理論研究較多,缺少對實際項目豎井熱壓通風系統(tǒng)運行效果的測試與分析。

為了驗證豎井熱壓通風的效果,本文對北京某辦公建筑進行了測試。該辦公建筑總建筑面積4.1萬m2,地上面積2.2萬m2。地上共15層,地下5層(含夾層),建筑高度60 m。主要功能為辦公及其配套用房。建筑1～10層北側(cè)有階梯式裙房,裙房北側(cè)圍護結(jié)構處設有高大的斜中庭,外立面見圖1。為了加強過渡季和夏季夜間自然通風,核心筒辦公南區(qū)中部設置拔風豎井,利用室內(nèi)熱源形成的熱壓驅(qū)動室內(nèi)自然通風?？紤]中和界的位置,在3～8層設置進風百葉,屋面豎井出口四周設置排風百葉[15]。

圖1 建筑北向外立面圖

在方案設計階段,曾探討在豎井內(nèi)設置太陽能熱水換熱系統(tǒng)強化熱壓通風。經(jīng)過模擬計算,換熱器增大了豎井內(nèi)空氣流動阻力,且熱壓增量無法抵消阻力,故未設置太陽能換熱裝置。另外,為實現(xiàn)各層均勻自然通風,各層開口面積應由低層到高層逐層增大[5]。

1 豎井熱壓通風系統(tǒng)

1.1 豎井熱壓通風原理

豎井熱壓通風的驅(qū)動力來自豎井內(nèi)空氣與室外空氣的密度差[16],見式(1)。相對于豎井上只有2個開口的系統(tǒng),多層或高層建筑的多開口豎井系統(tǒng)熱壓驅(qū)動力形成的原理更加復雜。首先,中和界的位置隨豎井開口開啟數(shù)量和面積的變化而移動,進而影響各層開口處余壓,各層進風量隨之變化。其次,各層室內(nèi)熱源散熱量不同,室外空氣被加熱后進入豎井的溫度不同,造成豎井內(nèi)空氣流動情況復雜,井內(nèi)豎向空氣溫度,即熱壓驅(qū)動溫度分布不明確。

Δp=gh(ρw-ρn)

(1)

式中 Δp為熱壓,Pa;g為自由落體加速度,m/s2;h為豎井高度,m;ρw為室外空氣密度,kg/m3;ρn為豎井內(nèi)空氣密度,kg/m3。

豎井熱壓通風系統(tǒng)的空氣流動路徑是從室外進入室內(nèi),再進入豎井,在豎井內(nèi)向上流動排出,豎井熱壓通風系統(tǒng)示意圖見圖2。因此,整個路徑的阻力部件包括外窗、室內(nèi)家具、豎井開口百葉、豎井和屋面出口百葉,所有阻力均由熱壓克服。該系統(tǒng)比中庭等大空間空氣熱壓流動的阻力部件更多,其能量公式更復雜,簡化計算原理見式(2)。

圖2 豎井熱壓通風系統(tǒng)示意圖

(2)

式中m為系統(tǒng)局部阻力部件數(shù)量;ζi為部件局部阻力系數(shù)(包括外窗、百葉和豎井匯流處);vi、vj為空氣流速,m/s;ρi、ρj為空氣密度,kg/m3;n為系統(tǒng)沿程阻力部件數(shù)量;λj為摩擦阻力系數(shù)(包括豎井和室內(nèi)家具等效沿程阻力);De為豎井當量直徑,m。

1.2 物理參數(shù)

受限于具體使用情況,該建筑僅可以開啟第4～6、8層的豎井東側(cè)進風百葉。豎井截面尺寸為2.80 m×2.50 m,混凝土刷白。百葉材質(zhì)為鋁,各層進風百葉角度可調(diào)節(jié),尺寸分別為1.50 m×1.20 m、1.50 m×1.20 m、1.80 m×1.20 m和1.85 m×1.40 m;豎井出屋面處側(cè)面百葉角度為固定向下傾斜45°,北面和南面百葉尺寸為3.60 m×1.30 m,西面和東面百葉尺寸為2.40 m×1.30 m。測試各層的建筑使用面積分別為:4層1 200 m2,5層1 150 m2,6層930 m2,8層720 m2。

2 測試方案

為了獲得過渡季豎井熱壓自然通風的效果和消除冬季熱壓自然通風的副作用,分別于2021年10月10—13日和2022年1月27—28日進行了過渡季和冬季典型點位的溫濕度和風速測試。使用儀器包括溫濕度自記儀若干、手持熱線風速儀1臺,儀器均經(jīng)過校正并在有效期內(nèi),測試儀器參數(shù)見表1。

表1 測試儀器參數(shù)

以4層為例,其測點布置見圖3。溫濕度自記儀設置于室外(點4W)和室內(nèi)典型位置(點4C和4D),同時考慮進風百葉豎向溫度梯度,均勻設置2個測點(點4A和4B)。溫濕度自記儀初始設置記錄時間間隔為5 min,既滿足測試值準確性要求,又滿足測試總時間的待機時長。同時使用手持熱線風速儀測試斜中庭內(nèi)豎向風速(點4f),目的是利用中庭的均壓作用減小室外風壓的影響,保證測試效果主要體現(xiàn)熱壓作用。另外,為計算進風量,測試百葉上5個均勻分布點(點4a～4e)的風速,以其平均值代表百葉進風風速,測試風速的同時記錄測試時間。

圖3 4層測點布置

3 熱壓通風豎井作用下不同季節(jié)測試與分析

3.1 過渡季溫度和進風百葉風速分布規(guī)律

筆者于2021年10月10日開始布置測試儀器,由于過渡季驅(qū)動熱壓通風的溫差較小,每次測試需待空氣流動穩(wěn)定后進行。在測試期內(nèi)共進行了10個工況的測試,各工況進風百葉開閉狀況和測試時間見表2,其中工況4～6進風百葉角度為45°,其余工況為90°。另外,由于需測試的實驗數(shù)據(jù)眾多,難以實現(xiàn)同時測試各層測點,因而采用依次測量的方法。這就導致室外溫度在各個工況下并不一致,為了排除其影響,對溫度進行量綱一處理。

表2 測試工況進風百葉開閉狀況和測試時間

(3)

式中T為量綱一溫度;tn為室內(nèi)測試溫度,℃;tw為對應時刻室外測試溫度,℃。

經(jīng)測試,各層測點溫度隨時間的變化規(guī)律具有一致性,取各層測點溫度平均值進行比較,如圖4所示。各測試工況的進風百葉平均風速如圖5所示。

圖4 過渡季各層溫度測試數(shù)據(jù)

觀察圖4,發(fā)現(xiàn)8層量綱一溫度在各個工況都較高,即室內(nèi)溫度相較室外更高,最高點溫度相比室外升高了54%。原因可能是8層工作人員較多、散熱量較大,或是熱壓通風量較小、降溫能力弱,從而提高了室內(nèi)溫度。圖4中,工況1、3、6、9、10整體溫度都偏低,工況2、4、5、7、8整體溫度都偏高,分析原因是前者測試時間為15:00左右,此時室外溫度較高,后者測試時間為10:00和19:00左右,此時室外溫度較低。

圖5中,進風百葉平均風速為1.1～2.5 m/s,且下層風速高于上層。百葉開度變小,4層風速增大,但5層和6層風速卻并無明顯變化,8層反而風速減小。工況7～10關閉了上層部分百葉風口,并沒有對下層百葉風速造成影響。百葉開度變化和開閉狀況并未對各層風速造成規(guī)律性影響。

3.2 冬季溫度和進風百葉風速分布規(guī)律

筆者于2022年1月27日開始進行測試,使用的儀器和測點布置同過渡季。由于測試總時間較過渡季短,溫濕度自記儀初始設置記錄時間間隔為2 min。冬季驅(qū)動熱壓通風的溫差較大,進風量大,會引起人員不舒適,但其驅(qū)動溫差的日波動較小,空氣流動易于穩(wěn)定。綜合考慮以上因素,各工況進風百葉開閉狀況和測試時間見表2。溫度值仍然選擇量綱一溫度,測試結(jié)果見圖6、7。可見,各層相同位置測點同一天的量綱一溫度較穩(wěn)定,且第二天的測試溫度高于前一天。同一天不同位置測點各層溫度變化不大,室內(nèi)溫度分布較均勻。進風百葉平均風速為3.3～4.7 m/s,下層風速高于上層,且明顯高于過渡季。

圖7 冬季進風百葉平均風速

由上述分析可知,室內(nèi)溫度是室內(nèi)熱源、室外溫度和通風量綜合作用的結(jié)果。進風百葉風速與進風量直接相關,而進風量又受室內(nèi)外溫差的影響。須在后文進一步探究找出豎井熱壓通風多因素之間的耦合及作用關系。

4 豎井百葉不同季節(jié)進風量及其影響因素分析

4.1 過渡季百葉進風量

根據(jù)進口百葉平均風速和有效面積,可以得到不同測試工況下各層豎井百葉進風量,過渡季各工況百葉進風量見圖8。

圖8 過渡季百葉進風量

從圖8可見,百葉開度均為90°時,工況9的4層進風量為16 323 m3/h,工況10的4層進風量為13 364 m3/h,工況7的4層進風量為13 159 m3/h,工況3的4層進風量為10 773 m3/h。隨著開口數(shù)增多,中和界下移,百葉處余壓減小,從而進風量減小。同一工況,各層百葉進口空氣溫度不同,驅(qū)動溫差不同,風量變化趨勢一致,均為先增大后減小,變化量不大。工況1～3中,4層熱壓最大,但其進風量略小于5、6層,表明豎井內(nèi)阻力不能忽略。調(diào)節(jié)百葉角度(由90°調(diào)節(jié)至45°),進風量減小明顯,進風百葉阻力對風量影響較大。

4.2 冬季百葉進風量

與過渡季的數(shù)據(jù)處理方法一樣,得出不同測試工況下各層豎井百葉進風量,冬季各工況百葉進風量見圖9。從圖9中可見,各層進風量較過渡季大幅增加,并呈現(xiàn)底層高上層低的趨勢,不同工況下同層的進風量相差不大。由于在同一工況中未開啟多層百葉和調(diào)節(jié)進風百葉角度,無法得出豎向各層風量的關系和百葉阻力對進風量的影響。

圖9 冬季百葉進風量

4.3 豎井內(nèi)中和界位置與驅(qū)動溫度分析

為了得到熱壓通風的驅(qū)動溫度,并且探究豎井熱壓中和界位置的變化規(guī)律,筆者對通風豎井典型測試工況(過渡季工況3、4、7～10和冬季工況1～4)做了數(shù)值模擬。

4.3.1計算模型

通過計算,豎井內(nèi)氣流運動的雷諾數(shù)在7 664～5.25×105之間,因此豎井內(nèi)氣流運動可認為是湍流,假定內(nèi)部空氣運動穩(wěn)定且不可壓縮,對應湍流模型選擇K-ε模型[17]。同時考慮豎井內(nèi)空氣溫度變化對浮升力的影響符合Boussinesq假設。本研究以豎井通風穩(wěn)態(tài)過程為主,綜合考慮精確度和收斂速度,選擇SIMPLEC算法。收斂準則設置為湍流項殘差值小于10-4,能量項殘差值小于10-6。

4.3.2網(wǎng)格獨立性驗證

網(wǎng)格數(shù)對模擬計算結(jié)果的準確性有直接影響。為驗證本模型的數(shù)值模擬結(jié)果與模型網(wǎng)格數(shù)無關,采用不同的網(wǎng)格劃分方式,對3種不同網(wǎng)格數(shù)的模型(網(wǎng)格數(shù)分別為1 222 350、2 444 700 和3 873 240)進行CFD計算及結(jié)果對比分析。不同網(wǎng)格數(shù)的速度和溫度分布結(jié)果如圖10所示,可以看出,不同網(wǎng)格數(shù)的速度和溫度偏差較小,速度和溫度的平均偏差分別為0.70%、0.29%。綜合考慮模擬計算效率及成本,本文選取網(wǎng)格數(shù)為2 444 700 的模型進行模擬計算。

圖10 網(wǎng)格獨立性檢驗

4.3.3邊界條件設置

考慮到本研究為豎井內(nèi)部熱壓作用下的氣流運動,豎井開啟的樓層進風口定義為速度入口(velocity-inlet),數(shù)值來源于實測數(shù)據(jù);豎井出口定義為壓力出口(pressure-outlet)。豎井出口和進口建模中均考慮了實際尺寸和百葉遮擋。豎井在建筑內(nèi)區(qū),不考慮豎井墻體對豎井內(nèi)空氣的傳熱影響,因此墻壁設置為光滑絕熱墻體(wall)。

4.3.4模擬結(jié)果

限于篇幅,僅呈現(xiàn)過渡季工況4和冬季工況1的模擬結(jié)果云圖(見圖11和圖12)。

圖11 過渡季工況4模擬結(jié)果云圖

圖12 冬季工況1模擬結(jié)果云圖

模擬結(jié)果顯示,過渡季工況3、4、7～10和冬季工況1～4的中和界高度分別為48.6、56.2、49.1、52.5、59.5、56.9、56.5、53.7、54.3、57.0 m。中和界位置隨著百葉開啟層數(shù)增多、百葉開啟面積增大、進風量增大而下移。過渡季中和界位置越高,下部可以開啟百葉進行自然通風的層數(shù)越多,但各層應按需控制百葉開啟角度,使中和界位置上移而增加通風層數(shù)。冬季豎井熱壓通風會帶來額外的冷風滲透負荷,導致建筑外區(qū)人員不舒適,應避免開啟進風百葉。冬季豎井中和界位置較高,但壓力梯度和過渡季相比并無較大增加。因此,采用氣密性好的進風百葉,冬季關閉就可以阻斷自然通風。在超高層建筑或嚴寒地區(qū)的高層建筑中,熱壓梯度增大較多,可以在豎井百葉外增加阻力部件,例如設置帶氣密性較好內(nèi)門的小隔間,冬季關閉內(nèi)門克服豎井熱壓作用。

由圖11可見,過渡季各層進入豎井的空氣溫度和速度不同,造成豎井內(nèi)空氣流動情況復雜,各層熱壓驅(qū)動溫度和進風溫度不完全一致。一般可以百葉中心高度豎井橫截面的平均溫度代表驅(qū)動溫度,4～6、8層分別為23.2、22.7、22.4、22.9 ℃,并未呈現(xiàn)文獻[18]中給出的溫度梯度規(guī)律。究其原因,可能因為豎井內(nèi)空間局限,空氣流動未充分混合,造成同層溫度不均勻,豎向無分層。

5 過渡季豎井熱壓自然通風效果分析

在方案階段,根據(jù)所采取的豎井方案的模擬計算結(jié)果,3～8層的自然通風換氣次數(shù)為6.2～7.4 h-1,室內(nèi)溫度為25.2～26.5 ℃,可以同時滿足過渡季自然通風的新風量和熱舒適要求[5]。按本文設定的設計工況(參數(shù)見表3),由式(4)[19]計算得出消除室內(nèi)余熱所需室外空氣溫度與人均新風量的關系,并擬合出關系式,見圖13。以設計最小人均新風量30 m3/h為例,消除余熱所需室外最高溫度為9.3 ℃。隨著人均新風量的增加,消除室內(nèi)余熱所需的室外空氣溫度趨于穩(wěn)定,約為23 ℃。換言之,當室外空氣溫度上升到23 ℃以上時,增大風量已經(jīng)不能消除室內(nèi)余熱。

表3 過渡季設計工況參數(shù)

圖13 設計工況消除室內(nèi)余熱所需室外溫度與人均新風量的關系

(4)

式中G為消除室內(nèi)余熱所需新風量,m3/h;Q為室內(nèi)余熱,kW;c為空氣比熱容,kJ/(kg·℃),c=1.0 kJ/(kg·℃);tp為排風溫度,℃,采用百葉進風平均溫度。

在設計人數(shù)和各工況實測風量下,為消除室內(nèi)余熱,可以按上述擬合關系式計算出需要的室外溫度,再判斷測試時的室外溫度是否滿足需求。以4層為例,其熱壓通風效果如表4所示。進風百葉角度為45°時均不能滿足需求;進風百葉角度為90°時,室外溫度在18 ℃以下均滿足需求。

表4 過渡季豎井熱壓通風效果

筆者為了研究測試工況可消除室內(nèi)余熱時對應的室內(nèi)人數(shù),將此人數(shù)表述為“計算在室人數(shù)”,結(jié)果如圖14所示。由圖14可知,各工況計算在室人數(shù)均小于設計人數(shù),若按設計人數(shù)進行各層人員配置,幾乎都無法消除室內(nèi)余熱。實際使用時,在室人數(shù)一般小于設計人數(shù)。所以在豎井熱壓通風系統(tǒng)實際運行時,不應以滿足設計工況所需的室外溫度作為開啟進風百葉的依據(jù),而應該監(jiān)測實際在室人數(shù),測算出可以排除余熱的室外溫度作為百葉開啟的條件,此時的通風量還應大于人員最小衛(wèi)生新風需求。這樣的運行策略才能最大限度地發(fā)揮豎井熱壓自然通風的節(jié)能潛力。

圖14 各工況計算在室人數(shù)

6 結(jié)論

1) 豎井熱壓通風系統(tǒng)熱壓驅(qū)動力形成原因復雜,阻力部件多。在過渡季和冬季測試了進風溫度和風速,結(jié)果顯示,室內(nèi)溫度是室內(nèi)熱源、室外溫度和通風量綜合作用的結(jié)果。

2) 對過渡季和冬季豎井百葉進風量進行分析得出,豎井熱壓通風系統(tǒng)中影響進風量的因素較多,主要有驅(qū)動溫差和系統(tǒng)阻力。其中,冬季和過渡季的驅(qū)動溫差變化引起進風量變化較大,進風百葉阻力占系統(tǒng)總阻力權重較大,豎井內(nèi)阻力不能忽略。

3) 分析了影響豎井內(nèi)中和界位置的因素,提出了過渡季優(yōu)化利用熱壓通風降溫和冬季消除熱壓通風副作用的方法。

4) 模擬結(jié)果顯示,豎井內(nèi)熱壓驅(qū)動溫度同層不均勻,豎向無分層。豎井內(nèi)熱壓驅(qū)動溫度分布規(guī)律仍待進一步研究。

5) 過渡季室外溫度變化較大,滿足室內(nèi)熱舒適的計算在室人數(shù)隨之變化。本文提出了隨實際在室人數(shù)變化的動態(tài)調(diào)整百葉策略,最大限度地發(fā)揮該系統(tǒng)的節(jié)能潛力。