中庭式建筑夏季温度场的CFD模拟

摘要：为了研究解决中庭热舒适性差这一问题，以沈阳地区某高校图书馆中庭夏季工况为研究对象，运用CFD技术，采用Airpak软件建立物理数学模型。通过模拟发现，中庭的各层温度的特点是沿高度方向，高度越高，温度越高。一层的1.5米处平均温度为20.8℃，六层的1.5米處平均温度可达到31.9℃，垂直温差达到约11℃。用CFD软件来模拟中庭的温度分布，能准确、直观地观察其效果，有助于改进采暖设计方案。

关键词：中庭；夏季工况；CFD

中图分类号TU111.2+2文献标志码A

随着经济发展，人们多关注公共建筑的外在结构，中庭式建筑成为了多数建筑师的选择，中庭式建筑[1～2]的特点是有大型的外窗玻璃采光顶，阳光通过采光顶进入中庭，使得采光很好，因此减少了于人工照明等带来的能耗。但是，中庭建筑的局限性却是不容忽视的，尤其是夏季，阳光照射在采光顶上，使得顶层温度过高，加重了冷负荷。因此，研究中庭建筑的气流组织尤为重要。

1 中庭的建筑概况

该图书馆中庭总建筑面积6076.8平方米，占地面积1012.8平方米。建筑中庭的尺寸为63.3m×16m×23.95m，一层层高3.9米，二至六层层高3.8米。南北方向为内墙，东西方向采用中空的玻璃幕墙，屋顶采用塑钢骨架中空玻璃的采光顶。南北两方向均有阅览室及办公室，中间格局是有从一层贯穿至顶层的通透式的大中庭。

2 中庭的CFD模拟

2.1 中庭物理模型的建立

以沈阳地区某高校图书馆中庭为研究对象，建筑中庭的基本尺寸为63.3m×16m×23.95m。由于中庭各层内部结构复杂，存在多套外加桌椅和沙发且位置无法固定，使得模型网格数目之大。因此，将模型稍作简化，如图1所示。

每层有16个分散排布的规格为400mm×300mm的单层百叶送风口，见图中黄颜色部分。且每层南、北内墙各设有4个规格为400mm×300mm的单层百叶风口，共8个，见绿色矩形部分。

1）边界条件的设置。

入口边界条件：中庭每层送风方式均采用顶送风方式，经实际测试可知送风口出风速度为v= 2m/s，温度为23℃。

出口边界条件： 回风口温度取内区周围环境温度，压力取大气压力。

壁面边界条件： 由于该图书馆的中庭处于建筑内区，南北向的墙壁均属于内墙，因此忽略南北两方向的墙体传热，只考虑东西向玻璃幕墙和玻璃采光顶的传热，每层间楼板均视为绝热面。

2）网格的划分。

为了使模拟计算的结果更加准确，在划分网格时对物理模型的送风口、回风口及外门等比其他区域更加细致些。

2.2 数学模型的选取

室内的气流组织属于低速湍流、不可压缩流体，本文采用标准的k方程湍流模型建立数学模型，假设条件如下：

（1）室内气流为常物性牛顿流体，符合Boussinesq假设；

（2）不考虑建筑中庭内部各表面的辐射换热影响；

（3）白天图书馆中庭的自然采光效果好，节能灯是不开启的，忽略节能灯的影响。

控制方程简化为：

连续性方程：ρt+divρU=0（1）

动量方程：ρTt+divρUui=divμ+μigradμi-pxi-ρrefgδi3βt（2）

能量方程：ρTt+divρUT=divμpr+μtσTgradT+qcp（3）

式中：vi—流速矢量在3个坐标上的分量，分别是v，μ，，i=1，2，3分别代表三维直角坐标系的3个方向；

β—体积膨胀系数；

μi—紊流粘性系数；

μ—层流粘性系数。

2.3 CFD模拟结果分析

图2中可以直观反映出垂直方向上的温度梯度。一层1.5米处的平均温度为20.8℃，二层1.5米处的平均温度为22.1℃，三层1.5米处的平均温度为25.8℃，四层1.5米处的平均温度为26.6℃，五层1.5米处的平均温度可达到28.6℃，六层1.5米处的平均温度为31.9℃，垂直温差达到11℃左右。垂直温差造成密度差，在高程差作用下，造成建筑物内外热压差。

尽管夏季顶层密封没有天窗等设施的开启，但由于室内外空气密度差和高差的存在，仍然会有局部小循环的风量存在，进行着热压下的自然通风，这将会给中庭内的冷负荷带来负担，给人员带来不舒适感，进而增大空调消耗。

3 结语

通过中庭温度场模拟发现，中庭的各层温度的特点是沿高度方向，高度越高，温度越高。一层至六层的垂直温差达到11℃左右。由于阳光照射在采光顶，若不设置遮阳系统，会使得顶层附近温度非常高，因此必须设置遮阳措施保证六层平均温度符合《公共建筑节能设计标准》中规定的公共建筑空调设计计算温度。

基于CFD方法，对中庭建立物理数学模型，得出了中庭温度场分布情况。研究结果表明，用CFD软件来模拟公共建筑中庭的温度分布，是一条方便而有效的途径。有助于改进、优化采暖设计方案。

参考文献：

[1]任艳莉.高大空间气流组织的数值模拟与实验研究[D].天津：天津大学，2012.

[2]王龙阁.不同高大空间建筑气流组织设计优化研究[D].重庆：重庆大学，2015.

作者简介：王琳（1992），女，辽宁抚顺人，研究生在读，研究方向：供热、燃气通风及空调工程。