1、太阳辐射作用下的中庭室内自然通风设计方案优化分析摘要：本文针对广州市某内设中庭外设玻璃幕墙的公共建筑，考虑到太阳辐射可以直接透过幕墙玻璃加热中庭内空气产生热压通风的特点，提出了三种自然通风开口的设计方案。继而，以 CFD 模拟技术为手段，研究太阳辐射诱导热压通风条件下的自然通风状况，对不同的开口设计方案进行比较分析，并以换气次数、风速、气流组织均匀性等参数为评价指标选取适用于本项目的最优方案。 关键词：太阳辐射；玻璃幕墙；中庭；热压通风 中图分类号：TU834.1 文献标识码：A 文章编号： 引言 广州市地处夏热冬暖地区，具有长夏无冬，温高湿重，太阳辐射强烈的气候特点。公共建筑空调制冷的能耗非
2、常突出，因此，要实现该地区的建筑节能，一个有效途径就是尽量采取自然通风。特别的，近年来在新的建筑理念的指导下，为了室内的观光和休闲等功能的需要，目前很多大型公共建筑都设有中庭。然而中庭的一大缺陷是空调负荷大，能耗也巨大，尤其对于有大面积玻璃幕墙的建筑来说，由于太阳辐射对室内的加热，又增添了额外的热负荷。而自然通风具有节能降耗、过渡季节室内热舒适性好等特点，越来越受到人们的青睐。广州市某公共建筑内部靠近外立面的区域设计有观光用途的大型中庭空间，且外立面为大型玻璃幕墙。 项目原设计为使用集中空调系统，如不进行开口设计，并考虑自然通风状况，一味使用空调设备进行空气调节，有可能造成能源的较大浪费。 本
3、文针对项目的建筑设计及功能特点，提出了在过渡季节舍弃集中空调系统而采用自然通风的思路，并提出了三种自然通风开口的设计方案。以 CFD 模拟技术为手段，研究太阳辐射诱导热压通风条件下的自然通风状况，对不同的开口设计方案进行比较分析，并以换气次数、风速、气流组织均匀性等参数为评价指标选取适用于本项目的最优方案。 1. 项目概况 该项目为广州地区公共建筑，总建筑面积 6137m2，建筑基底面积1803m2，建筑层数地上 4 层，地下 1 层，建筑总高度 23.9m。建筑外形呈喇叭形状，外侧玻璃幕墙与内侧实体墙间为一大空间的连廊；外部幕墙形状与主体结构相同，结构采用交叉网格钢结构筒体系，底部半径为23
4、.885m，顶部半径为 41.404m，总高为 23.195m。外侧玻璃幕墙与内侧实体墙间的连廊内通过玻璃幕墙顶部和底部开窗形成热压，局部自然通风的条件。如图 2.1 所示。 图 2.1 某办公建筑中庭位置和形状示意图 2. 计算模型及边界条件 2.1 计算软件 计算流体力学软件 FLUENT6.3。 2.2 物理模型 计算区域仅考虑外立面玻璃幕墙和钢筋混凝土内墙之间的展览走廊区域空间。考虑参观人数为 30 人。选取过渡季节 11 月典型工作日进行分析。 图 3-1 某办公建筑自然通风模型 3.开口优化措施建议 3.1 方案一 顶层玻璃幕墙外立面的东北、西南处各设置一个可开启面积约 3m2的三
5、角形窗口。首层东南、西北的两个大门（可开启洞口面积约 4.1m2）开启。即，上下各有两个通风口。具体开口形式和开口位置见图 4.1。 3.2 方案二 顶层玻璃幕墙外立面的东北、西南、东南和西北处各设置一个可开启面积约 3m2 的三角形窗口；首层东南、西北的两个大门出口开启，另外在西南和东北处各设置一个可开启面积为 0.6 m2 的三角形窗口。即，上下各有四个通风口。具体开口形式和开口位置见图 4.1。 3.3 方案三 顶层玻璃幕墙外立面的东北、西南、东南和西北处各设置一个可开启面积约 3m2 的三角形窗口。首层东南、西北的两个大门出口开启，另外在西南和东北处各设置两个可开启面积为 0.6 m2
6、 的三角形窗口。即，在方案二的基础上加大底层进风口面积。具体开口形式和开口位置见图4.1。 4. 结果分析 4.1 方案一 根据模拟结果可知，对建筑外立面进行开口优化设计后，整个建筑室内的空气流动特点是：建筑西南侧受太阳辐射较强烈，该区域的热压作用驱动气流向上运动较为明显，导致底层进入 2 个门洞口的空气都先往这一区域然后再向上流动。 从速度场模拟结果可知，行人高度 1.5 米处水平风速大多在0.20.5m/s 之间，且由于开口布置为对称结构，流场气流组织较为均匀，通风效果较好。东南和西北侧的大门入口处风速较大在 0.50.9 米/s 之间，其进风量约为 25884m3/h，按人员载荷 30
7、人计算，平均 862 m3/h.p，参照公共建筑节能设计标准中对商场 20m3/h.p 的要求，本方案的单位人员新风量远超要求。 从速度和温度模拟结果可知，整个建筑室内的西南侧速度较大，结合温度的模拟结果可知，建筑底层西南侧受下午太阳辐射较为强烈，这一区域温度相比其他区域温度较高，且受到屋顶对阳光的遮挡效果较弱，这样导致该区域的热压相比其他区域较大，因而浮力作用较大，从而导致密度较小的热空气向上剧烈运动，风速较大。 另外，从温度场模拟结果可看出，行人高度 1.5 米处温度大多在1924 度之间，除室内西南侧温度较高位，其他区域温度分布均匀，人员人舒适性也较好。 4.2 方案二 根据模拟结果可知
8、，对建筑外立面进行开口优化设计后，整个建筑室内的空气流动特点和方案一相似。 从速度场模拟结果可知，行人高度 1.5 米处水平风速大多在0.30.6m/s 之间，且由于开口布置为对称结构，流场气流组织较为均匀，通风效果较好。东南和西北侧的大门入口处风速较大在 0.71.1 米/s 之间，其进风量为 30600m3/h，按人员载荷 30 人计算，平均 1020 m3/h.p，参照公共建筑节能设计标准中对商场 20m3/h.p 的要求，本方案的单位人员新风量远超要求。 从速度和温度模拟结果可知，整个建筑室内的西南侧速度较大，结合温度的模拟结果可知，建筑底层西南侧受下午太阳辐射较为强烈，这一区域温度相
9、比其他区域温度较高，且受到屋顶对阳光的遮挡效果较弱，这样导致该区域的热压相比其他区域较大，因而浮力作用较大，从而导致密度较小的热空气向上剧烈运动，风速较大。 另外，从温度场模拟结果可看出，行人高度 1.5 米处温度大多在2024 度之间，除室内西南侧温度较高位，其他区域温度分布均匀，人员人舒适性也较 4.3 方案三 根据方案三的模拟结果可知，对建筑外立面进行开口进一步扩大后，整个建筑室内的空气流动特点也和方案一相似。 但是，行人高度 1.5 米处水平风速大多在 0.30.7m/s 之间，且由于开口布置为对称结构，流场气流组织较为均匀，通风效果较好。东南和西北侧的大门入口处风速较大在 0.70.
10、9 米/s 之间，其进风量为36299m3/h，按人员载荷 30 人计算，平均 1209 m3/h.p，参照公共建筑节能设计标准中对商场 20m3/h.p 的要求，本方案的单位人员新风量远超要求。 从该方案流场和温度场的模拟结果可知，其形态和方案二也相似。 另外，从温度场模拟结果可看出，行人高度 1.5 米处温度大多在2024 度之间，除室内西南侧温度较高位，其他区域温度分布均匀，人员人舒适性也较好。 5.结论及优化建议措施 从模拟结果可知，考虑太阳辐射下的热压通风后，三个方案的通风量都是满足人员需求的，说明透过玻璃幕墙的太阳辐射的热压通风作用是明显的。 但是，从 1.5 米高度的室内气流组织的均匀性来比较，方案二较好。因此，本文建议采取方案二，即，在底层增加两个较小开口，在顶层增加四个较小开口的自然通风优化方案。 此时，行人高度 1.5 米处水平风速大多在 0.30.6m/s 之间，且由于开口布置为对称结构，流场气流组织较为均匀，通风效果较好。东南和西北侧的大门入口处风速较大在 0.71.1 米/s 之间，其进风量约为30600m3/h，按人员载荷 30 人计算，平均 1020 m3/h.p，参照公共建筑节能设计标准中对商场 20m3/h.p 的要求，本方案的单位人员新风量远超要求。 该方案不但有利于节约能源而且可以获得良好的热舒适性。
