安徽某半開放演出建筑中庭采暖的優化研究

史鑫 梁珍

東華大學環境科學與工程學院

0 引言

本項目屬于開放大空間建筑，對于中庭類大空間供冷一般采用分層空調技術，且效果顯著。但對于供暖來說，熱氣流上升，空間下部不一定能達到供暖要求，應用分層空調時并不能取得很好的節能效果，因此大空間供暖方案仍然值得探討。而且對于開放式建筑的研究比較稀少，所以本文以美麗之冠國際旅游城項目作為研究對象，探究一種符合其建筑特點的供暖方案，為工程設計提供參考。

1 模型建立

1.1 項目概況

本項目位于安徽省黃山市，建筑總高度23.75 m，屋面不完全封閉，20%開敞，中間格局是有從一層貫穿至頂層通透式的大中庭。中庭內部設有舞臺、戲水池、水吧等娛樂區。

1.2 物理模型

由于本建筑中庭空間結構復雜，模擬時網格數目較多，故對物理模型進行了簡化。根據實際建筑建立的物理模型如圖1 所示。

圖1 美麗之冠國際旅游城-W1 號物理模型

本工程由中國建筑設計院委托設計，院方提供總熱負荷為3121 kW，考慮到輔助供暖設備的初投資，設計采用將2921 kW 的熱負荷由噴口送風承擔，200 kW的熱負荷由輔助供暖設備承擔，室內設計溫度為22 ℃，由此計算空調送風量1740960 m3/h，送風溫度28 ℃，圖形1 中有一條南北向貫通的通道，距地面6 m處設有球形噴口，傾角可調節。送、排風口數量、位置、規格見表1。

表1 送、回風口數量規格

1.3 模型建立條件

流動為不可壓縮牛頓粘性的穩態流動。符合Boussinesq 假設。送排風口空氣溫度、速度均勻。

1.4 單值性條件的確定

中庭外圍護結構和客房相接，定義常壁溫18 ℃，通道定義為壓力出口，溫度18 ℃，屋頂敞開部分與大氣相連定義為壓力出口，溫度0℃，供餐區是人員集中區，簡化成長方體模型，尺寸50 m（長度）×20 m（寬度）×1.7 m（高度），定義常壁溫36 ℃。戲水池簡化為長方形，定義常壁溫40 ℃。

2 三種方案的CFD 模擬

2.1 球形噴口側送風+地板輻射邊界條件設定及模擬結果分析

噴口尺寸選用Φ0.7m 的球形噴口，采用速度邊界入口條件。地板采用輻射邊界條件，表面輻射溫度按下式計算[1]：

式中：tpi為地表面平均溫度，℃；tn為室內設計溫度，℃；為單位地面面積所需散熱量，W/m2。

選取的工況如表2 所示。

表2 球形噴口側送風+地板輻射工況

圖2 和圖3 分別為Q1 工況下1.5m 高水平面上的速度和溫度分布圖。戲水池側溫度較高，這是由于戲水池水溫在40 ℃左右，由此導致溫度較其他區域略高，供餐區溫度和風速較其他區域高，這是因為供餐區為人員集中區，所以風口布置較密。經計算距地面1.5 m 高處的水平面上平均風速約為0.84 m/s，平均溫度為19.2 ℃，風速、溫度分布比較均勻，但是風速過高。模擬分析Q2 工況得出：距地面1.5 m 高處的水平面上平均風速約為1.33 m/s，平均溫度為19.6 ℃，溫、速度分布情況較工況1 大致相同，由于風口下傾，導致人員活動區有4 個明顯的風速帶，最大風速達到了2.4 m/s 左右，風速分布不均勻。

圖2 Q1 工況1.5 m 處溫度分布（地板輻射）

圖3 Q1 工況1.5 m 處風速分布（地板輻射）

分析Q3 工況得出：人員活動區的溫、速度分布情況介于工況1 和工況2 之間，平均風速約為1.01 m/s，平均溫度為21.7 ℃，概括采用噴口送風+地板輻射在送風速度為10 m/s 時，人員活動區的溫度分布較為均勻，風速分布情況Q1 比Q2、Q3 效果要好，Q3 比Q2效果好。平均風速隨著噴口角度的增加呈現先增大后減小趨勢，其原因是由于當噴口角度為30°時氣流送往下部的分速度增加，因此人員活動區的風速會略有提升，但是當噴口下傾角為45°時，由于角度傾斜過大，加劇了與墻體的摩擦，摩擦削弱了氣流的流速，因此送到下部的氣流速度會相應的減少。

2.2 噴口送風+燃氣輻射邊界條件設定及模擬的結果分析

輻射采暖是以電磁波的方式傳遞熱量，可提高圍護結構內表面溫度，室內水平方向空氣溫度分布均勻，垂直方向空氣溫度梯度小，能源浪費相對較少。輻射采暖的計算熱負荷一般是對流采暖計算熱負荷的80%～85%[2]，或者比對流采暖室內設計溫度低2～3 ℃[3]。燃氣紅外線輻射采暖系統主要由紅外線輻射、尾氣排放，燃氣供應，電氣控制和燃氣泄漏報警系統組成。

本工程選取標準正壓U 型燃氣紅外采暖設備型號ZD20，每隔10 m 布置一臺共10 臺，安裝高度6 m，輻射管表面定義恒壁溫200 ℃。送風參數不變。安裝位置圖如圖4 所示，同樣也是根據噴口角度分為Q1、Q2、Q3 三種工況。

圖4 燃氣輻射管安裝位置圖

圖5 Q1 工況1.5 m 處風速分布（U 型燃氣輻射）

圖6 Q1 工況1.5 m 處溫度分布（U 型燃氣輻射）

從圖5、圖6 可以看出：采用燃氣輻射輔助供暖的溫度、速度場沒有地暖均勻，經計算風口平送時距地面1.5 m 高處的水平面上平均溫度約21.4 ℃，平均速度0.91 m/s，傾角30°時，平均溫度21 ℃，平均速度1.29 m/s，傾角45°時，平均溫度21.3 ℃，平均速度1 m/s，平均風速變化趨勢和采用地板輻射一致，都是先增大后減小。

2.3 噴口送風+瓦楞板踢腳線散熱器邊界條件設定及模擬結果分析

鑄鐵散熱器是我國使用時間最長的一種供暖裝置,因不符合節能環保要求，逐步被其他新型散熱器所取代[4]，地板輻射因其舒適度高、節能以及可以利用低品位能源的優點得以在北方地區大范圍推廣，是公認的比較理想的供暖方式[5]。采用散熱器供暖會影響房間的美觀。而采用地板輻射采暖會降低層高，瓦楞板踢腳線散熱器外形與踢腳線一樣，如圖7 所示，長度1 m，厚度只有3 cm，高度1.2 m 左右，中間的瓦楞板形扁管是供暖的水流道，回水管隱藏在扁管下部的支架中，做到了完全隱藏式的設計。本身既是踢腳線，同時又是散熱器，做到了供暖和裝飾的高度結合。

圖7 瓦楞板踢腳線散熱器

瓦楞板踢腳線散熱器沿中庭一周，布置在墻面踢腳線位置，根據下式可計算出散熱器的散熱量[6]：

式中：G 為散熱器中的循環水量，kg/h；tg為熱媒的進口溫度，℃；th為熱媒的出口溫度，℃。

圖8 Q1 工況1.5 m 處溫度分布（瓦楞板散熱器）

圖9 Q1 工況1.5 m 處風速分布（瓦楞板散熱器）

根據規范可知，散熱器集中供暖系統的供回水宜按75 ℃/50 ℃連續供暖進行設計，且供水溫度不宜大于85 ℃，并且供回水的溫差不宜小于20 ℃。設定散熱器表面的溫度為54 ℃，定壁溫邊界條件。

從圖8、圖9 可以看出采用散熱片輔助供暖的效果同樣沒有地暖均勻，但是和燃氣輻射相比，在送風角度為0°即Q1 工況下時，圖8 要比圖5 更協調，高溫區積聚現象明顯少很多，所以散熱器的供暖性能要強于燃氣輻射。經計算風口平送時距地面1.5 m 高處的水平面上平均溫度約19.2 ℃，平均速度0.84 m/s，傾角30°時，平均溫度19.6 ℃，平均速度1.33 m/s，傾角45°時，平均溫度21.7 ℃，平均速度1 m/s，平均風速變化趨勢仍然符合先增大后減小的規律。

3 熱舒適性分析及優化設計

3.1 優化方案

1）地面輻射輔助采暖方式依賴其覆蓋面廣、布置均勻等特點，供暖效果優于燃氣輻射和散熱片。

2）在此三種供暖方案下，人員活動區的平均溫度都滿足規范，但是局部熱量積聚現象較普遍，風口平送時的溫度場比傾斜送風時更加均勻。

3）人員活動區的平均風速遠高于冬季供暖人員活動區的風速設計標準。

鑒于以上特點，需要對風口布置以及風速進行調整。根據《實用供熱空調設計手冊》對于噴口送風風速的規定，噴口送風的最小風速不能低于4 m/s，考慮到以上模擬結果平均風速在1 m/s 左右，GB50736 的規定界限為0.1～0.3 m/s，所以在保證送風量不變的情況下，風速減小到4 m/s，風口直徑相應擴大到1 m。另外考慮到整個中庭的熱負荷主要來自上部敞開空間，將噴口安裝高度提高到中庭中央位置，同時采用插排布置方式，插排間距2 m，這種插排方案能夠將熱氣流充分混合，對提高溫度場的均勻性有很好的效果，進行重新模擬計算。由之前的模擬分析可知，采用地暖輔助供暖的效果要優于踢腳線散熱器和燃氣輻射，優化方案只針對采用地暖在送風角度為0°時進行模擬分析，并通過熱舒適性指標PMV-PPD 驗證優化方案的合理性。

3.2 模擬結果及分析

從圖10、11 可以看出，將送風速度速度調整為4 m/s，噴口高度適當提高之后，人員活動區的平均風速、溫度云圖非常均勻，經計算平均風速值為0.3 m/s，平均溫度22 ℃已經達到規范標準，PMV 指標為-0.06，所對應的的PPD 值為5.1%，也就是說人群中只有5.1%的個體在此種送風方式下感到不舒適，符合人體的熱舒適性標準。

圖10 距地面1.5 m 處風速分布

圖11 距地面1.5 m 處溫度分布

圖12 Y=1 m，Y=4 m 平面溫度云圖

圖13 Y=7 m，Y=10 m 平面溫度云圖

圖14 Y=16 m，Y=19 m 平面溫度云圖

圖12～14 是垂直方向溫度分布剖面圖，將噴口高度提升之后，噴口上部區域仍然有冷空氣大面積積聚狀況，上部為非人員活動區，這也符合設計節能的特性，噴口平面下部空間冷空氣明顯減少許多，說明噴口送出來的熱空氣對冷氣流起到一定阻隔作用，類似于空氣幕的效果，給中庭下部空間營造一個較為穩定的熱環境。

4 總結

本文利用CFD 技術分別對噴口送風+地暖，噴口送風+燃氣輻射，噴口送風+散熱片3 種方案9 種工況的氣流組織進行了模擬研究，經過優化設計，最終確定本項目采用噴口送風+地暖方式，送風角度選擇0°，噴口插排布置。為半敞開式建筑供暖系統的選擇提供了設計依據。同時，國內對于踢腳線散熱器以及燃氣輻射復合噴口送風供暖的研究比較少，所以本研究也為新型復合供暖方式提供了設計經驗。