中国华电大厦节能设计中中庭热环境数值计算介绍.docVIP

中国华电大厦节能设计中的中庭热环境数值计算介绍 　　摘要：数值计算是基于计算流体动力学(CFD)原理，选择合适的空气湍流数学模型，再结合一定的数值算法和图形显示技术，就能够将室内气流流动的结果以形象，直观的形式显示出来。在本工程的应用中，采用数值方法计算其高大中庭的热环境，获得了多个设计工况的数据信息，大大提高了设计精度，节省了计算周期和成本。 　　关键词：数值计算　高大中庭　热环境设计精度 　　 　　 　　 　　 　　中国华电大厦建筑面积为170000m2，总高度为59.7m．地上办公部分1 5层，酒店部分16层，地下4层，局部地下1层有夹层，地下一层为职工餐厅及管理用房，地下2层，3层为车库和机房，地下4层为人防车库。在建筑内部的4层办公、酒店之间有一个面积为3103m2，总高45m贯穿4层至屋面的其享大厅，屋面为玻璃屋面，夏季的太阳辐射很强。在共享大厅的周围有很多朝向共享大厅的房间，所以共享大厅的热环境直接影响到这些房间的室内环境，影响室内的舒适度。同时，45m的高大空间内如何保证空调效果也需要通过数据进行数据计算、进行验证。于是北京市建筑设计研究院第八设计所与研究所进行合作，对中国华电大厦中庭热环境进行数值计算。 　　所谓“数值计算”，就是在计算机上做试验。它是基于计算流体动力学(CFD)原理，选择合适的空气湍流数学模型，再结合一定的数值算法和图形显示技术，就能够将室内气流流动的结果以形象、直观的形式显示出来。比之于传统的模型试验方法，数值计算方法周期较短、价格低廉、数据信息丰富、并且可以很方便地模拟各种不同情况。 　　从国内外的应用现状来看，数值计算在国外发达国家应用较成熟，在国内，此项研究也有开展，并且其研究水平也并不低，但是此类研究多在高等院校和专业科研院所进行，因而与实际工程应用有不小的差距，真正用于工程设计之中的数值计算的实例少之又少。其中有多方面的原因，但其主要原因是由于科学研究与工程应用的目标差异所造成的。在计算中．精度的提高，数据信息量的增加，势必会造成计算时间和数据处理工作量的增加。单纯追求高精度的思想是不能完全适应实际工程设计的计算需求和进度要求的。工程应用往往需要计算在不失一定工程精度的基础上．尽量做到简便、快速。因而如何在计算精度与计算速度之间寻找一个能够让实际工程设计所满意的平衡点，是将我国数值计算技术的先进研究成果转化为实际工程设计的强有力的工具、并实现大范围推广应用的关键所在。 　　北京市建筑设计研究院的科研人员和工程设计师就在国内工程设计行业内率先开展了数值计算CFD技术的应用性探索，用于模拟室内、外的建筑风环境和热环境，并在多项大型工程设计中进行了工程应用尝试，积累了一定的经验。此后，在控制合适的工程精度、建立方便的设计接口、以及数据处理的方式等方面，均进行了一定的探索性研究工作，在全国工程设计单位中，处于较为领先的水平。在中国华电大厦工程的应用中，采用数值方法计算其高大中庭的热环境，获得了多个设计工况的数据信息，并做到了与工程设计进度同步进行，相对于传统的试验或估算方法，大大提高了设计精度，节省了计算周期和成本。 　　同时，工程师参与到建筑方案设计中．并为建筑师提供手段、技术，给予建筑师从定性到定量的详细分析，帮助建筑师达到设计结构的优化、节约能源等目的。利用现代化高科技手段对建筑室内外环境的温度、气流、光照等方面进行综合精确的模拟计算，为建筑设计提供准确坚实的基础，并且影响到建筑设计的工作方式与流程。 　　从发达国家的经验来看，建筑设计的技术含量日益提高，建筑师所承担的专业整合工作越来越重要。现代建筑的表现力更多地通过结构型式、新型的建筑材料工艺及其所提供的表现力等新技术手段表现出来。现代建筑提供更加舒适健康的室内环境空间，更加节约能源，近年来有许多新进展。 　　中庭的计算物理模型见附图(图1)。对于高大建筑的中庭而言，若同时完全满足节能与人体热舒适需求，是比较困难的。由于中庭空间很大，因而在水平和垂直方向上，室内产生的热量分布非常不均匀，一般会在屋顶或其它局部区域形成比较严重的热量堆积。这部分热量若不及时排除，则会通过辐射和对流的方式影响到地面活动的人，使人的热舒适度降低。但是，如果将这些产生的热量随时排出室外，则势必会增大排风所需的通风量，从而将空调区域较低温度的空气带入高空的非空调区域，使空调范围扩大，增加了能源消耗。 　　因此，如何寻求一个最佳的方案，使在保证人员热舒适的前提下，最大限度地实现节能，是中国华电大厦中庭设计的一个重点，也是本次中庭模拟计算的主要目的。 　　本次数值模拟考察了中庭多种通风情况下的室内热环境状况，为建筑及设备专业的设计工作提供了数据依据和设计参考。 　　以下是中国华电大厦中庭的模拟计算结果。 　　图2为不同排风量