摘要：采用CFD数值模拟和现场实测的前期研究成果，针对具有上部侧墙开口和屋顶顶部开口两种上部开口形式的大空间建筑，使用PHOENICS数值模拟软件模拟了室内采用分层空调时各不同喷口高度、上部开口面积及其高度、下部开口面积等几何结构参数，以及室内负荷、上部开口背压、上部开口进风速度等运行参数多种组合工况下的室内热环境，讨论和分析了这两种上部开口形式工况下垂直温度分布、空调区平均温度、上部开口排风温度、上部开口排风量及室内排热量的差别。

　　关键词：大空间建筑室内热环境数值模拟上部侧墙开口屋顶顶部开口

　　1引言

　　几乎所有大空间建筑因通风和结构的要求上部均设有开口。上部开口大致有上部侧墙开口和屋顶顶部开口两种形式。采用分层空调时，上部开口的形式和位置的不同对空调能耗和室内热环境特性的影响亦不尽相同，且差别较明显。从全年变化的室外气温看，除了冬季上部开口排风会增加室内负荷外，夏季或多或少地可以利用上部开口处的高温排风带走室内部分负荷，过渡季节则可关闭空调系统仅靠自然通风排走室内负荷，因此研究大空间建筑分层空调时上部开口等诸因素对室内热环境特性的影响尤为重要。

　　本文在开发和应用数值模拟预测大空间建筑室内温度场和速度场的研究基础上[1]~[3]，选用目前比较典型的侧喷送风方式，并将具有上部侧墙开口或具有顶部开口两种不同上部开口形式的大空间建筑作为研究对象，以夏季现场实测工况为分析基础[4]，重点讨论了这两种不同上部开口形式在不同工况下分层空调时的室内热环境特性的区别。其中在顶部开口的工况模拟中部分借用了侧墙开口工况的实测结果。

　　2计算条件

　　2.1建筑模型

　　图1为数值模拟用某体育馆简化模型。建筑柱型部分直径68m，高18m，屋顶呈扁球体，净高为8m，左右两侧为阶梯型观众席，室内采用中侧送风，由38个喷口组成环形对中喷射，其中28个短程喷口倾斜12°布置，负责观众席空调，10个长程喷口水平布置，负责场内中央的空调。回风采用以台阶均匀回风为主、侧墙回风为辅的方式。模拟主要基础参数见表1夏季游乐活动实测日工况[4]。上部开口形式分别模拟为上部侧墙开口或屋顶顶部开口。工作区入室大门及渗透缝隙则模拟为下部开口。

　　2.2数学模型及其边界条件

　　表1夏季现场实测日工况送风量：34.57kg/s

　　回风量：31.31kg/s

　　送风温度：16.5℃室外气温：36.5℃

　　环形外走廊平均温度:32℃

　　下开口进风温度：28℃日射量：767W/m2

　　人体负荷：18.1kW

　　照明负荷：45kW传热系数/W/（m2K）：

　　屋顶：2.75外墙：2.48

　　内墙：2.59楼板：2.21

　　选用Lam-Bremhorst低雷诺数K-ε模型[5]，采用第一类边界条件。边界条件以热平衡为基础，利用Gebhart吸收系数，借助现场实测数据，通过建立如下壁面i的壁温方程组求解[3]：

　　式中：──i表面对流放热系数，W/(m2.K)；

　　qi，ti/Ti──分别为i表面内侧壁温和相应的空气温度，℃/K；

　　Si，──i表面面积，m2；

　　QLfU，QLfD──分别为室内空中平面辐射热源向上和向下辐射分量，W；

　　Gij，GUj，GDj──分别为i表面、平面辐射热源上表面、平面辐射热源下表面对j表面GEBHART吸收系数。

　　eI──i表面发射率；

　　s──玻尔兹曼常数，W/(m2.K4)；

　　qli──i表面导热散热，W/m2。

　　2.3计算工况与室内热环境参数

　　上部侧墙开口影响室内热环境的主要因素有喷口高度、上部开口面积及其高度、下部开口面积等几何结构参数，以及室内负荷、上部开口进风速度等运行参数；顶部开口影响室内热环境的主要因素有喷口高度，上部开口背压，上下开口面积等。通过模拟计算对室内垂直温度分布、空调区温度、上部开口排风温度、室内通风排风量及排热量随上述因素的变化进行分析与讨论，以得出上述因素对室内热环境特性的影响及其规律。上部侧墙开口与屋顶顶部开口的分析讨论分别在文献［6］和文献［7］中详述。本文仅针对这两种不同上部开口形式下的室内热环境特性参数变化的不同之处进行分析和阐述。表2列出了本文讨论的两种计算工况的变化参数。讨论中室内垂直温度分布以比赛内场为讨论对象。空调区温度为内场垂直方向上的空气平均温度，并定义不偏离平均温度1%时的区域为等温空调区，其高度为等温空调区高度。室内通风排热量为室内因上下开口引起的总通风排热量，定义通风排热为正，得热为负。室内通风排热量是衡量建筑在开口作用下，室内自然通风总排热的状况，它不仅反映了上部开口排热量的大小，也反映了下部开口进风带入室内热量的大小。无论开口结构形式如何变化，建筑开口所引起的室内通风排热量越大越好，它是开口节能性的一个标志。

　　表2上部开口形式计算工况上部侧墙开口屋顶顶部开口

　　变化参数参数计算工况记号参数计算工况记号

　　喷口高度/m13/15N13/N1511/13/15/17N11/N13/N15/N17

　　上部开口高度/m15/17/19IN15IN17/IN19————

　　下部开口面积/m20/0.93/1.86/3.720F/1F/2F/4F0.32/0.644/1.365FXQ、FXH、FX

　　上部开口面积/m256/28/10.45SO/PO/WO4/9/16T2-O3/T3-O4/T4-O6

　　图2～图4中其他记号说明：

　　ALLEXH：指上部开口均处于排风状态

　　1Q：指室内热负荷为现场实测日测定值

　　-5P/0P/+5P：分别指顶部开口处背压为－5/0/5Pa

　　3计算结果与分析

　　3.1垂直温度分布

　　在上部侧墙开口的计算工况中，上部开口面积对垂直温度分布的影响相对较大。开口面积越大，下部空调区温度则越低。喷嘴高度对屋顶附近温度影响较大，喷嘴高度越高，屋顶附近温度越低。见图2(a)、(b)。

　　在屋顶顶部开口的计算工况中，喷嘴高度对垂直温度分布的影响最大，其次是上部开口面积。喷嘴高度15m时，屋顶附近温度最低，等温空调区温度处于较低的水平。此外，上部开口面积较小时，非空调区温度较高。见图2(c)、(d)。

　　两种不同上部开口形式的计算工况下，垂直温度分布的规律大致是相同的。但上部侧墙开口时，垂直温度明显高于顶部开口工况5～10℃左右。

　　3.2空调区平均温度

　　在上部侧墙开口的计算工况中，空调区平均温度随下开口面积的增加而增加，增幅不大；随上开口面积增加，空调区平均温度呈增加趋势，上开口面积大于28m2，增幅已不明显。不同喷嘴高度，温度变化趋势相同，高度增加，温度亦升高。见图3(b)、(d)。

　　在屋顶顶部开口的计算工况中，空调区平均温度受喷嘴高度影响最大，其次下部开口面积。喷嘴高度在11m~15m时，高度每增加1m,等温空调区温度增加约为0.25℃，15m~19m时，喷嘴高度每增加1m，等温空调区温度增加约为0.5℃。而随下部开口面积变化，温度呈递增趋势。见图3(c)、(d)。

　　两种不同上部开口形式的计算工况下，空调区温度总体上在侧墙开口时的温度要高于顶部开口时，两者变化规律具有相似之处：随喷嘴高度增加，等温空调区温度都升高，同时随上部开口面积增加，空调区温度有增加趋势，但增幅不明显。随下部开口面积增加，空调区温度亦有增加趋势。

　　（a）不同喷嘴高度及上部开高度（b）不同上部开口面积（c）不同喷嘴高度（d）不同上部开口面积

　　图2侧开(a)(b)与顶开(c)(d)垂直温度分布比较

　　图3侧开(a)(b)与顶开(c)(d)空调区温度/排风温度比较

　　3.3上部开口排风温度

　　在上部侧墙开口的计算工况中，喷嘴高度升高，排风温度降低。随上部开口高度变化，排风温度先升后降，基本上在17m时处于最大值。而下开口面积增加，排风温度降低，并有趋于稳定的趋势。为此，在满足室内新风要求的前提下，应尽可能减少下开口面积，并寻找最佳上开口开度，以降低空调区温度，提高排风温度。见图3(a)、(b)。

　　在屋顶顶部开口的计算工况中，在喷嘴11～19m计算范围内，喷嘴高度11m时排风温度较大。上部开口面积不同，随喷嘴高度变化的变化规律不同，其内在关联还有待于进一步的研究。而排风温度随下开口面积的变化趋势比较显著，随下开口面积增加，排风温度先呈下降趋势，而后随面积的增加，温度趋于稳定。见图3(c)、(d)。

　　两种不同上部开口形式的计算工况下，侧开排风温度受喷嘴高度的影响较为显著，而随下开口面积的变化其规律较为一致，即：随下开口面积的增加先降后趋于稳定。

　　3.4上部开口排风量

　　在上部侧墙开口的计算工况中，下部开口面积对排风量影响最大，随下部开口面积的增加，排风量线性递增；计算表明，喷嘴高度对排风量的影响不大。见图4(a)、(b)。

　　在屋顶顶部开口的计算工况中，排风量随下部开口面积增加呈线性递增。而喷嘴高度对其影响不大。见图4(c)、(d)。

　　两种不同上部开口形式的计算工况下，排风量随喷嘴高度和下开口面积变化的规律极为相似。即：均随下开口面积增加呈线性递增趋势，而随喷嘴高度的变化影响不大。

　　图4侧开(a)(b)与顶开(c)(d)排风量/排热量比较

　　3.5室内排热量

　　在上部侧墙开口的计算工况中，喷嘴高度与上部开口的高差对排风温度及其室内排热量影响较大，高差为2m时，开口高度每提高1m，排风温度增加近5℃，排热量则增加60～70kW。而下部开口面积增加，在上部开口面积较小的情况下，排热量下降趋势显著；上部开口面积较大的情况下，随下开口面积增加，排热量有稳定趋势。见图4(a)、(b)。

　　在屋顶顶部开口的计算工况中，排热量变化规律基本与排风温度相似。即：随上开口面积不同，变化规律不同。而随下部开口面积增加排热量基本呈下降趋势。见图4(c)、(d)。

　　两种不同上部开口形式的计算工况下，排热量随喷嘴高度变化，侧墙开口变化规律显著，顶部开口不明显；随下开口面积变化规律相似，即：随下开口面积增加，基本呈下降趋势。

　　4结论

　　两种不同上部开口形式的在计算工况条件下：

　　1)垂直温度分布大致相同，但上部侧墙开口时的垂直温度高于顶部开口时；

　　2)空调区温度随喷嘴高度和下开口面积增加均呈上升趋势，但上部侧墙开口时明显高于顶部开口时；

　　3)侧墙开口排风温度随喷嘴高度影响较为显著，两者随下开口面积变化的规律趋势较为一致，其量相当；

　　4)排风量随下开口面积和喷嘴高度变化的规律极为相似，前者两种开口形式呈线性递增，后者影响不明显；

　　5)两者排热量的变化规律与排风温度基本相似。

　　参考文献

　　1.黄晨，李美玲等．采用第一类边界条件数值模拟具有开口的大空间建筑是内速度场与温度场．制冷学报，2002；92：20-24．

　　2.ChenHuang,MeilingLi,TaoZuo．CFDAnalysisofAirflowandTemperatureFieldsinaLargeSpacewithOpenings．4th.InternationalConferenceonIAVECB，Changsha，2001.10；269-276．

　　3.黄晨，李美玲．大空间建筑室内表面温度对流耦合换热计算．上海理工大学学报，2001；23（4）：322-326．

　　4.黄晨，李美玲，邹志军，肖学勤．大空间建筑室内热环境现场实测及能耗分析．暖通空调，2000；30(6)：52-55．

　　5.C.K.G.Lam,K.Bremhorst，Amodifiedformofthek-emodelforpredictingwallturbulence．ASMEJ.FluidsEng.,1981；103：456-460．

　　6.ChenHuang,XinWang,JiangangYang,WugangHuang．Studyofthermalenvironmentcharacteristicsoflargespacewithstratificatedairconditioningandopenings．2003InternationalConferenceonEnergyandtheEnvironment.

　　环境空间建筑形象论文

　　摘要：在中南林业科技大学电子楼的设计方案中，笔者从基地环境，总体布局，功能安排，形象塑造等方面，对该建筑的空间，建筑形象以及与周围环境的关系要素进行了探索。

　　关键词：基地环境;功能安排;交流空间;建筑形象

　　根据中南林业科技大学总体发展规划要求，在中南林业科技大学长沙校区院内东北角兴建一栋电子楼，主要使用功能为满足电子与信息工程学院教学、科研、实验的需要，学生人数按4000人考虑，拟建总建筑面积约22000m2，建筑层数为14层，建筑高度不超过50m。

　　1　基地环境

　　建筑基地位于长沙市韶山南路498号中南林业科技大学长沙校区内东北角，基地形状为一矩型用地，场地内基本平坦，场地西面为学校现有一条道路，场地标高较此道路高0.9m，场地北面及东面地势较高，为一片自然丘陵绿地，风景优美，场地南面为篮球场，建筑西南向为学校中心广场。

　　2　总平面规划设计

　　根据基地现状条件，结合建筑使用功能要求，妥善处理道路交通流线等进行合理的总体布置，建筑布局呈主楼和辅楼相结合的形式，主楼十四层，靠基地北侧呈南北向布置，辅楼四-六层，布置在基地南侧。建筑主人口朝向西面学校道路，为了避免建筑对道路的压迫感，将建筑西南角设计成四层，并围合成一个室外院落广场空间，在入口处架空两层，使空间相互渗透。

　　在主楼北侧单独设置一个教师入口，与学生入口分开，以方便教师进出，并在旁边设置了一些临时停车位。建筑四周设置有消防环道，在基地东侧设有地下车库出入口。

　　3　建筑设计

　　3.1　平面设计

　　3.1.1　功能分区明确，平面安排各得其所

　　设计者综合研究了设计任务书中的功能要求和基地形状特征，在大的功能分区上分成实验及课堂设计用房部分及多媒体教室和办公、科研用房两大部分，这两大部分的使用主体分别是学生和老师，考虑到多媒体教室学生人数较多且较为集中，将其单独设置在辅楼部分，与主楼分开，这样可使其交通流线相对独立，也可避免对主楼部分的干扰。

　　实验及课堂设计用房数量较多，且需要占用大部分面积，将其设于主楼五层以上，为了方便教师，将办公与科研用房集中布置于三-五层，实习基地用房面积较大，且设备多，将其设于主楼一、二层，与教师用房联系紧密，便于教师指导。

　　3.1.2　注重营造多层次的公共交流空间

　　作为一种现代大学的设计理念，在科研实验建筑的设计中，我们针对学生和老师为主体的公众交流空间倾入了较多的关注，这就需要在大楼内提供一些非正式的交流空间，人们愿意在此休息和交流，在主辅楼的结合部，我们营造了一系列三层或两层的中庭空间，并层层退台，上面形成屋顶花园，构成一种多层次的公众交流空间，同时也美化和活跃了院内的空间环境，师生们在此交流有利于激发各种思想的火花和设计灵感。

　　主入口处架空两层的高大柱廊，在丰富立面空间效果的同时，又形成了一个人流进入院内广场的过渡空间，显得高大气派。

　　3.2　建筑造型设计

　　3.2.1　建筑体型塑造

　　建筑造型设计利用建筑本身体型形成一种明确形体组合关系，体块组合呈现出一种平面生成上的逻辑性，象征着科技的理性。强调建筑的体块感，显得粗犷、大气。

　　考虑到与西南向学校中心广场的关系，建筑西南角采用折线型转角处理与之呼应，辅楼采用构架形成一种由西向东层层升高的退台形式，极富动感，与东向丘陵坡地的山势相顺应，上面采用层层屋顶绿化使建筑与学校优美的自然环境融为一体。

　　3.2.2　建筑风格

　　建筑立面设计以简约主义为风格，以一种厚重的手法来表达它的文化品味和风格的稳定性，以体现高校建筑朴实、文化气息强的特点，以自然纯净为主，线条明快大方，有鲜明的时代感。

　　3.2.3　建筑立面

　　大楼建筑立面设计不采用夸张的形体变化，而以外表精美细致的变化手法来表达建筑丰富持久又具有深度的文化建筑的气质形象，立面开窗以简洁为主，通过窗户的疏密变化形成一种独特的韵律感，并折射出信息时代数字科技的意向。夜色来临，整个建筑内灯火通明透亮，宛如镂空一般，令人浮想联翩，这也是建筑自身艺术性的一种表达。

　　在建筑色彩上外墙以浅灰色为主，局部采用白色构架，以校园中建筑色彩相协调，使其能更好地融于环境之中。