基于cfd的中庭式建筑冬季供暖研究

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1、基于CFD的中庭式建筑冬季供暖研究于瑾王琳赫娜张九红韩超沈阳建筑大学市政与环境工程学院沈阳建筑大学后勤服务集团沈阳建筑大学建筑与规划学院沈阳建筑大学土木工程学院目的对公井建筑中庭冬季供暖空调系统导致的室内温度不均现状进行改造，以满足人体舒适性，提高经济性.方法对沈阳地区某高校图书馆中庭冬季釆用传统空调供暖的气流组织分布情况进行研宄，对实测结果与CFD模拟结果进行对比，分析是否符合《公共建筑节能设计标准》，提出采用太阳墙技术并分析其可行性.结果通过对图书馆中庭进行温度场模拟发现，中庭的垂直温差达到5°C左右，当前中庭内温度并不能达到设计温度.采用太阳墙新风系统+传统空调采暖耦合作用能很好地解决中

2、庭内平均温度偏低的问题，且可以保证室内新风量的供给.结论从中庭实测数据及CH）模拟出发，使用太阳墙改造措施，有助于改进和优化采暖设计方案.关键词：中庭;冬季供暖;CED;太阳墙;为室外空气密度；P：为室内空气密度.由于本次模拟以室外温度-10°C为例，-l(rc吋空气密度为1.44kg/m，因此P0=1.44kg/m,

3、Aj—层的平均温度为8°C，空气密度为1.245kg/m,PO=1.245kg/m,外门重心与顶层之间的高程差为22.95m，则中庭内外热压差为尽管冬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，仍然会有局部小循环的风量存在，压力会达到41.299Pa,以此进行

4、热压K的自然通风，将会给中庭内的热负荷带来负担，给人员带来不舒适感，进而增大空调消耗.同时，根据《公共建筑节能设计标准》(GB-50189—2015)中规定，图书馆大厅的空调釆暖设计计算温度为18°C.而从实测和模拟中也得出中庭各层现有的冬季空调送风参数并不能满足室内供暖舒适度要求，必须进行供暖方案的改造.姚旭辉［13］等研究发现，当建筑屮庭采用各层均匀送风的空调采暖方案时，中庭的垂直温差较大，形成较大的垂直温差，造成各层温度偏离设计温度，室内热舒适度较差.因此，将通过调整各层空调送风参数，结合太阳墙新风系统,进行中庭建筑冬季供暖改造方案的模拟分析.3中庭式建筑节能优化设计太阳能技术与常规能源

5、相比，具有节能环保的特点［14-17］,对于这种阁书馆既有建筑来说可以就地开发利用，避免引用过多的设备，造成资金浪费.因此，笔者研宄釆用“太阳墙”替代传统釆暖空调系统，利用太阳能技术对图书馆中庭的供暖空调系统进行改造.太阳墙新风系统主要原理是在冬季，內天室外空气通过小孔进入空腔，在流通中获得太阳墙板吸收的太阳辐射热，受热压作用上升，通过送风口送入建筑物的送风系统，然后由管道分配输送到中庭各层空间.笔者通过cro模拟计算，对图书馆中庭釆用“太阳墙”技术釆暖的可行性进行分析，以确定此工程方案是否合理.由于到达地面的太阳辐射强度受地区、气候和昼夜变化等因素影响，因此太阳能受天气影响较大.沈阳地区冬季

6、供暖期1月份的总时数为744h,日照时数为306h,约占2/5.因此，可将太阳墙黑色板材的集热器敷设于中庭建筑的南外墙立面，太阳墙板材可以充分吸收太阳辐射热以加热新风，在运行中只需要耗费风机运行的电能.传统的空调采暖作为辅助方式，以达到节能环保的目的.由式(5)可以得出同一出口速度下，出口温度受室外太阳辐射强度和室外空气温度共同影响，当出U速度较小时，太阳辐射为主导因素；当出U速度较大时，室外空气温度起主导作用.选取面积力6m的太阳墙板，风口尺寸力0.4mXO.1m,通过对太阳墙板物理模型的选取及计算得出，太阳墙吸收总热流密度为1494.07W.为达到室内平均温度为18°C,湿度为30%，按冬

7、季送风状态变化过程XM，确定室外平均温度为-10°C,湿度为68%,从而得到新风需要处理的送风温度匕为24.l'C，得出理论风速为0.84m/s.根据太阳墙送风门面积及太阳墙面积可计算1月份每平方米可以提供满足条件的新风量为21.6m/h.根据文献[18]显示，每平方米太阳墙可以处理的满足送风状态的新风量在18^80m/h时，该系统具有可行性.保持该图书馆中庭冬季空调系统各送风U送风温度24.1°C不变，利用建立的CFD模型，进行在太阳墙新风系统的辅助作用下的中庭室内温度分布的模拟分析，得到屮庭各层1.5m处平均温度如图7(矩形填充)所示.可见，基于太阳墙新风系统+传统空调采暖系统耦合作用改造

8、方案，各层中庭室内平均温度均达到18°C以上，可满足人员舒适性的要求.4结语通过对屮庭进行现场实测及cro模拟均发现，屮庭各层温度不均且达不到设计标准规定的供暖设计温度，利用太阳墙新风系统对冬季空调供暖方案进行改造，并通过对温度场的模拟表明，中庭各层可满足室内平均温度18°C的基本要求.因此，太阳墙技术对中庭冬季供暖效果改善有所帮助，为今后研宄人员研宄公共建筑屮庭冬季供暖的节能改造提供了参考依据.