徐茂剑，褚海峰

(桂林电子科技大学，广西 桂林 541004)

1 引言

大空间建筑均具备某些特定的服务功能，且结构与风格各异，如图书馆、教堂和大型商业场所等，大空间建筑由于结构复杂，人员流动性较大，其内部温度、湿度分布不同，因此其室内热环境难以满足人们舒适度，鉴于此类情况，对大空间建筑室内空间热环境进行模拟，掌握室内温度、湿度等分布情况，是提升室内人员舒适度和建筑节能的必要条件[1]。可持续发展是近年来全球关注的话题，在此背景下，将节约资源与环境保护作为重要发展方向，大空间建筑能耗优化成为近年来建筑领域热议的话题，如何准确地模拟大空间建筑室内热环境，为其设计节能策略是提升建筑行业水准的技术难点之一[2]，为此本文研究大空间建筑室内热环境模拟与能耗优化方法，为降低大空间建筑室内能耗提供技术支持。

2 大空间建筑室内热环境模拟与能耗优化方法

2.1 大空间建筑室内概况

大空间建筑室内设计外形、结构、面积等各不相同，但都具备空间高度较大的特点，因此室内温度受空气浮力作用表现为垂直梯度形式，为更加清晰且直观了解大空间建筑室内热环境[3]，以某城市大型商场为研究对象，从多个方面对其热环境展开模拟，为后续能耗优化提供基础数据支撑。

本文研究对象室内结构如图1所示，其室内结构棚顶表面积约4200m2，由玻璃幕墙组成，棚顶距地平面高度约为38m，室内中庭长度约为88m，宽度约为55m，中庭面积约为4840m2，建筑室内划分为3层，1、2层为商业区，3层为休闲娱乐区，各个层间以电梯回廊方式相连，一二层之间回廊垂直高度约为5.46m。

图1 大空间建筑室内图

2.1.1 大空间建筑室外参数

依据该大空间建筑所处城市气候特点，以该城市气象年参数作为影响该建筑室内温度参数，气象年参数获取途径为国家气象数据库，室外气象参数如表1所示。

表1 室外气象参数

2.1.2 建筑围护结构热工性能

大空间室内建筑冷热负荷受其外围护结构影响较大[4]，研究对象的室内棚顶天窗外侧由铝合金百叶和中空玻璃组成，内侧由纱窗和中空玻璃组成，内侧与外侧占比约为7：3，棚顶天窗的传热系数与遮阳系数详见表2所示。

表2 棚顶天窗热工性能表(W/m2·w)

2.1.3 室内热干扰与空调采暖情况

大空间建筑室内温度除了受棚顶遮阳设备和室外温度影响，室内人员流动、照明等设备干扰也是不可忽略因素，根据商业类项目建筑调用结果以及各个商铺实际使用情况进行简化和抽象总结[5]，得出室内作息时间规律，大空间建筑中庭位置和走廊位置的人员密度、人均发热量、人均散湿量分别为3.2m2/人、66W/人、0.097kg/h和22m2/人、56W/人、0.063kg/h，中庭位置照明功率密度和设备功率密度分别为25W/m2、9W/m2，而走廊是供人们行走的，不存在设备功率密度，但照明密度为11W/m相对较大。

大空间建筑室内夏季和冬季空调采暖情况完全不同，夏季利用空调送风方式在该建筑的走廊、电梯口和一层平台区域安装出风口，出风温度为17.5 ℃，出风量为188000m3/h，在与走廊、电梯口和一层平台出风口相对位置设置回风口，回风量为15800m3/h，出风量与送风量差值通过棚顶天窗排出。冬季通过地暖与空调送暖风相结合的方式，送风温度为人体适宜温度，即26 ℃，送风量与回风量和夏季相差不大[6]。

2.2 大空间建筑室内数值模型建立

依据上述大空间建筑的室外参数、建筑围护结构热工性能、室内热干扰与空调采暖情况等参数，利用计算流体力学方式建立该大空间建筑数值模型，该模型可将具备不间断特性的物理量以数值方式转换为离散变量集合，该方法在仿真技术中不可或缺，对于是否能压缩的流动物理量均适用。而大空间建筑室内气流运行方式符合质量、动量与能量守恒方式，依据守恒定理的数学表达方式表示其控制方程，其流程如下：

1)连续性方程建立

令q、v、w分别为三维坐标轴内三个方向上的速度分量，大空间建筑室内流体运行方式以欧拉法展示，根据质量守恒定理可知，该建筑室内质量受时间影响的变化率与室内气流和净流入空间的质量流量数值相等，因此大空间建筑室内连续方程表达式如下

(1)

其中

(2)

式中，x、y、z为三维坐标轴的三个方向，ϑ表示流体密度，且该数值为常数。

2)动量方程

流体在运行过程中的动量守恒用动量方程表示，由于流体微元的动量变化率与施加流体本身的所有外力数值相同[7，8]，因此，该建筑室内的流体动量方程表达式如下

(3)

式中，静压、应力张量分别由P、τij表示，室内i方向的外部体积力和重力体积力分别由F、gi表示，t表示时间，且i=1，2，…，n，j=1，2，…，n。

3)能量方程

依据热力学第一定律可知，介质在变化过程中具有能量守恒特征[9]，其表达公式如下

(4)

式中，μt表示空气动力粘性系数。

4)k-ε模型

大空间建筑室内湍流运行过程为非线性形式[10]，本文利用k-ε模型计算湍流非线性流动过程。k-ε模型由k和ε两个独立方程构成，其中，k方程代表流体湍流动能，表达式如下：

(5)

式中，σk表示湍流普朗特系数，Gk表示扰动量，其表达式如下

(6)

在上述方程的基础上，依据专家经验得出ε流体扩散方程，其表达式如下

(7)

式中，C2ε表示受平均梯度影响形成的湍流动能形成项，μt表示湍流粘性系数，其表达公式如下

(8)

利用上述模型获取大空间建筑室内相关数值，为其热环境模拟提供理论参数。

2.3 室内热环境模拟

依据上个小节提供的大空间建筑室内理论参数，利用计算流体力学软件即CFD软件从多角度对研究对象室内热环境展开模拟。

冬季水平送风温度分布与风速分布情况如图2所示。

图2 冬季水平送风温度分布情况

由图2(a)可知，该建筑室内温度曲线随着时间的增加呈现先上升随后温度保持一段时间而后稍微下降趋势，其原因在于水平送风无法使风形成上下回流，风在室内形成逆时针旋转走向，将出风口处的风压向地面的同时稍远位置的风形成上升趋势，因此当室内温度达到人体适宜温度后，温度会稍微降低。而从图2(b)可知，采暖设备送风之初风速较大，随后呈现下降趋势，是由于室内温度达到设定温度后，采暖设备均以均速方式送风以保持温度为稳定状态。

绘制该大空间建筑室内中部风速矢量图，如图3所示。

图3 建筑室内中部风速矢量图

从上图可知，出风口位置风走向为自下往上，在中部位置两组风汇集形成滞点，当风形成滞点后，该位置处风速最小，上升的风到达室内棚顶后，一部分通过棚顶天窗排出，一部分向下形成回流，流向出风口，风回流区域为人员流动性较大的区域。

夏季该建筑室内水平送风时温度分布情况，如图4所示。

图4 夏季水平送风时室内温度分布情况

由上图可知，夏季时，室内送风口位置温度较中部区域温度稍低，其温度始终在24 ℃至26 ℃之间，而室内中部区域位于两个送风口之间，受送风测流影响，中部区域热像聚集，因此室内中部区域温度要高于送风口位置。

2.4 能耗优化方法

依据上述室内热环境模拟结果，设计该大空间建筑室内能耗优化方法，该方法分别从夏季和冬季两个方向入手，详情如下。

2.4.1 夏季能耗优化方法

通过上个小节对该建筑室内夏季温度分布模拟数据可知，该建筑夏季温度较满足室内温度需求，但其中部区域部分时间段温度超过30 ℃，表明室内空调送风口设置合理度稍差，会造成气流分布不够均匀。针对这一状况，可将送风方式变更为喷口双侧送风和底板送风相结合的方式，而室内的中央空调送风量在原有基础上增加2000m3/h，详细配置如图5所示。

图5 建筑室内能耗改进方案模型图

2.4.2 冬季能耗优化方法

从该建筑室内冬季温度、风速与风速矢量图来看，其冬季室内温度基本达到人体适宜温度需求，但由于其热量分布在送风口两组风汇聚区域，导致空调长期运作，能耗巨大，因此可利用热辐射方式与地板送风相结合的方式对其进行改进，为避免热辐射温度过高，使人们产生热感，设置热辐射温度在27～30 ℃之间，进行热辐射过程中，送风喷口可适当关闭1～2组，送风量在原有的基础上增加3000m3/h，排风口与夏季能耗优化方法相同。

3 实验分析

为验证本文方法的应用效果，利用CFD软件从多角度对比能耗优化前后数值，分析本文方法能效优化性能。

3.1 夏季空调系统节能与能耗分析

本文针对空调系统的冷热源和风机进行节能和能耗分析，结果如表3所示。

表3 夏季空调系统节能与能耗一览表

分析表3可知，在空调系统能耗方面，优化后的能耗明显低于优化前，在空调系统节能方面，单从总制冷量来看，较比优化前降低了36.5kW，而节能率提升了12.7个百分点，综合而言，使用本文方法优化后的建筑室内能耗降低明显，优化能力较好。

3.2 冬季能耗分析

大空间建筑冬季采暖费用支出在其能耗类目中占比较大，因此对比相同周期内使用本文方法优化前后的该建筑采暖费用，分析本文方法在冬季的应用效果，结果如图6所示。

图6 冬季采暖费用统计图

分析图6可知，该建筑室内取暖费用12月至来年2月之间取暖费用较高，该时间段为集中不间断供暖时间，而使用本文方法优化前后的取暖费用对比较明显，尤其是在11月与来年3月这两个时间段内，优化后与优化前最大取暖费用差值为10000元左右，其原因在于热辐射与空调送风方式相结合的供暖方式中，热辐射费用较低，且热辐射温度较空调而言稍高，而空调供暖方式可依据室外温度自由调节，二者相结合从根源上保证了室内温度平衡性，并降低了能源消耗。

3.3 气流组织特性分析

通过模拟软件统计人员流动区域的气流特性，从送风温度系数、速度系数以及人体热反应量化数值等方面对比该建筑室内能耗优化前后效果，结果如表4所示。

表4 不同季节优化前后气流组织特性

分析表4可知，不管是冬季还是夏季优化后的建筑室内温度系数和速度系数等均有所下降，尤其是人体热反应量化数值下降幅度较大，可见优化后的建筑室内温度更符合人体舒适度需求，由此可见本文方法在有效降低大空间建筑室内能耗的同时也提升了室内人员舒适度。

4 结论

本文通过对大空间建筑室内热环境模拟并依据模拟结果设计大空间建筑室内能耗优化方法，从夏季和冬季两个不同环境展开实验，实验结果表明：夏季时，风机能耗、主机能耗和单位面积能耗降低率均有不同幅度降低，总制冷量较比优化前降低了36.5kW，节能率提升了12.7个百分点；冬季取暖费用较优化前降低接近10000元左右，能耗优化效果好等。