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China Heating,Ventilation and Air Conditioning
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展覽溫室氣流組織數值模擬研究

  • 作者:
  • 中國暖通空調網
  • 發布時間:
  • 2021-02-26

北京市建筑設計研究院有限公司 張爽  陳玖玖

       【摘   要】本文結合實際工程設計,對有特殊溫度要求的植物館展覽溫室的室內氣流組織進行數值模擬分析,預測溫室內溫度和速度分布,校核及優化設計。通過分析得出,展覽類溫室在過渡季及夏季采用以自然通風為主的通風方案可行,既經濟節能又能營造貼近植物的原生長環境;在設計時,應考慮較不利的氣象條件,并采取相應的空調措施;展覽溫室還需要適度考慮參觀人員的舒適性,可采用局部空調的方式。

       【關鍵詞】展覽類溫室;數值模擬;自然通風

Abstract: This paper combined with actual project design, numerical simulation analysis of indoor airflow is carried out to verify and optimize indoor ventilation performance of an exhibition greenhouse with special temperature requirement, predicating indoor temperature and velocity distribution. Based on the analysis, the results indicate that it is feasible to use natural ventilation as the main ventilation scheme in the exhibition greenhouse during summer and transition season. Natural ventilation is economic, energy-efficient and close to the original growth environment of the plant. In the design process of exhibition greenhouse, unfavorable meteorological condition should be considered. If the use of natural ventilation can’t meet the temperature requirement. The appropriate air conditioning should be added in the design. Besides, exhibition greenhouse also needs to consider the comfort of visitors moderately, partial air-conditioning is a solution.

Key word: exhibition greenhouse; numerical simulation; natural ventilation

1 項目概況

       2019年世界園藝博覽會將在北京延慶媯河南岸舉辦,本項目為植物館,是世園會五大展館之一。植物館總建筑面積約10000平方米,高24米,建筑東南西北四個立面均采用了鋁制根須狀的維護結構體系,表面肌理象征著根系,使建筑整體呈現出升起的地平的意向。溫室頂部采用ETFE膜體系,整體形狀呈橢圓。植物館共三層,南側為一層通高的植物溫室,面積約3000平方米,北側一層為展廳,北側二層為多功能報告廳和VIP廳,北側三層為出過渡空間,建筑東側為灰空間,滿足大量人流排隊及休息的使用需求,屋頂層設有咖啡廳與紀念品商店。


圖1-1 項目平面圖和效果圖

2 分析內容

       本植物館溫室內主要展出熱帶植物,包括紅樹林、熱帶雨林、蕨類、棕櫚、多漿植物、食蟲植物、苔蘚等。溫室內植物的生長與室內環境如溫度、濕度、日照等密切相關[1-2]。作為熱帶植物溫室,溫度是本項目設計中需要著重考慮的因素,經植物專家依據植物生態要求確認本項目在展覽期間溫室室溫不應高于35℃。同時,本項目為展覽類溫室建筑,因此不僅需為植物創造適宜的生存空間,同時還要兼顧展覽參觀的屬性,在人員活動區域保證一定的舒適性。

       為建造一個既經濟節能又能使植物健康生長的溫室空間,設計考慮充分利用自然、模擬自然,營造貼近植物原生長環境的氣候條件。由于世園會展覽期為4月~9月,是延慶地區的過渡季和夏季,因此溫室內擬采用以自然通風為主的混合通風方案[3],具體方案為:在建筑立面和屋頂ETFE膜上設通風開啟扇,作為自然通風的進、出風口,同時在屋面布置若干臺風機進行輔助的機械排風。本文的目的即是緊密結合設計,采用計算流體力學(CFD:Computational Fluid Dynamics)的方法,對溫室內的氣流組織進行分析,以期在不同設計階段校核及優化通風空調設計,包括:

       1)方案階段:評估上述自然通風為主的方案可行性;

       2)深化設計階段:配合設計,調整方案并對設計進行優化。

       由于本植物館溫室主要在博覽會展覽期間使用,展會結束后建筑將進行改造利用,因此本文主要針對夏季工況進行模擬分析,研究展會期間不利條件下溫室內的室內環境。

3 模擬計算

       3.1 模擬工具

       計算軟件選用ANSYS-CFX12.1,使用ICEM CFD進行網格劃分。

       3.2 氣象數據

       本工程位于北京市延慶,模擬計算的室外氣象參數采用北京市地方標準《民用建筑供暖通風與空氣調節用氣象參數》(征求意見稿)[4]*,如下表所示:

表3-1 室外氣象參數

       *說明:《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB50736-2012中收錄的室外氣象參數統計年限為1971~2000年,考慮到近年來由于氣溫逐漸升高,室外空氣氣象參數也隨之升高,為了更貼近項目實際,經與業主及當地氣象部門溝通,本次計算選用的數據為北京市地標《民用建筑供暖通風與空氣調節用氣象參數》(征求意見稿)中收錄的1985~2014年統計的延慶地區室外氣象參數。

       3.3 圍護結構計算參數

表3-2 溫室各部分圍護結構傳熱系數

       3.4 模型建立

       根據設計圖紙進行合理簡化并建模,計算模型如圖3-1所示,采用非結構化四面體網格進行網格劃分,并對通風口等局部進行細化加密。模擬計算中選用穩態理想氣體,標準k-ε湍流模型。


物理模型                                                                 網格劃分
圖3-1計算模型

       3.5 邊界條件

       結合設計的不同階段,本文共進行了4個工況的模擬分析,輸入邊界條件如下表所示:

表3-3 各工況輸入邊界條件

4 結果分析

       4.1 方案階段:驗證通風方案可行性(工況一)


圖4-1 工況一模擬結果(溫度標尺為301K~306K)

       工況一的模擬結果如圖4-1所示,結果顯示在夏季通風室外計算溫度27.8℃情況下,室外空氣由各立面底部開啟進入溫室,由屋頂ETFE膜開啟扇和立面高處開啟扇排出。溫室內平均溫度為29.6℃,最高溫度為32.7℃。溫室內氣流混合充分,溫度分布較均勻,未出現溫度超標區域。溫度相對較高區域主要集中在人行活動高度靠近溫室北側不利于通風處,這是由于北立面受建筑條件限制無法設計更大面積開啟,在此區域形成了渦流區,溫度相對較高??傮w而言整個溫室溫度均在35℃以下,未出現溫度超標區域,滿足熱帶植物生長的設計溫度要求,由此可見,植物館溫室采用以自然通風為主的混合通風的方案可行。

       4.2 深化設計階段:設計調整及校核(工況二)

       如前所述,植物館溫室設計除滿足植物生長溫度要求外,還需滿足日照要求。溫室內陽生植物生長需要8小時10000lux的日照環境,通過日照計算,方案階段的設計不能滿足日照要求,建筑專業提出通過擴大屋頂ETFE膜以改善日照環境,但由此將引起太陽輻射增大;此外,隨著設計的深入,展陳提出溫室內的參觀人數將增加,以上兩者均導致溫室內得熱大幅增大。對此,通風設計相應進行了如下調整:1)在擴大的ETFE膜上增加通風開啟扇;2)加大建筑各立面有效開啟面積;3)調整屋頂蘑菇風機的位置并增加數量。


圖4-2 工況二模擬結果(溫度標尺為301K~306K)

       針對此設計調整,進行了工況二的模擬計算,結果如圖4-2所示,可見在夏季通風室外計算溫度27.8℃工況下,調整后的方案室內平均溫度為29.5℃,最高溫度為34.8℃。最高溫度出現在連通北側展廳的二層坡道入口處。從圖4-2的典型高度橫截面溫度分布圖可看出調整后方案(工況二)的平均溫度與工況一相比線型和趨勢相似,未出現較大變化,但調整后工況二的最高溫度在12.5m左右較原方案最高溫度相比溫度突然增大,這是因為二層連通北側展廳的門在深化后從常開模式改為當有人參觀時開啟的自動門。

       因此在夏季通風工況下,深化調整后的通風方案仍然滿足溫度低于35℃的設計要求,方案可行。

       4.3 高溫氣象條件下分析(工況三)


圖4-3 工況三模擬結果(溫度標尺為301K~308K)

       上述兩個工況均考慮的是室外溫度為夏季通風計算溫度的典型工況,為了保障在不利氣候條件下設計滿足植物生長需求,本文對室外溫度為夏季空調計算溫度的情況進行了模擬(工況三),其計算結果如圖4-3所示。模擬結果顯示,在室外高溫氣象條件下,溫室內平均溫度為33.3℃,最高溫度為39.6℃。此工況下的室內平均溫度和最高溫度與通風計算工況(工況二)相比均升高3℃以上,且室內出現了多處超過35℃的區域。

       由結果可見,在室外溫度較高時,現有通風方案不能滿足溫室內植物生長和人員舒適需求,需采取措施進行優化。

       4.4 優化設計及分析(工況四)

       根據工況三的計算結果,擬在高溫區域及人員集中活動區加設局部空調,以期由此來改善室內特別是高溫區域的溫度,同時也為參觀者營造比較相對舒適的環境。結合溫室內植物布置及展陳設計,分別在一層和二層人行坡道布置送風口,空調送風溫度為16℃。

表4-1 風口設計參數

       優化設計后的工況四模擬結果如圖4-4所示。溫室內平均溫度為32.6℃,最高溫度為35℃。加設局部空調后室內的平均溫度和最高溫度均有大幅度下降,溫度范圍主要集中在32℃~34℃,人行高度處靠近北立面位置因為渦流的存在溫度仍然偏高,但未超限值溫度。經統計,溫室內溫度超過34℃的區域約占溫室總體積的0.93%,未出現大面積超過35℃的區域。因此在夏季高溫氣候下,采用自然通風為主、局部采用空調的方式能夠滿足植物館的室內環境要求。


圖4-4 工況四模擬結果(溫度標尺為301K~308K)

5 結論

       對植物館溫室這類有特殊溫度要求的建筑,在設計的不同階段,使用數值模擬的方法是輔助、校核及優化設計的有效手段。對展覽類溫室建筑而言,根據當地氣象條件,在過渡季及夏季采用以自然通風為主的通風方案,既經濟節能又能營造貼近植物的原生長環境,是可行的;在設計時,除了考慮典型的室外氣象條件,還應考慮較不利的氣象條件,并對采取相應的空調措施;此外,展覽溫室還需要適度考慮參觀人員的舒適性,可采用局部空調的方式。

參考文獻

       [1] 北京植物園展覽溫室設計組. 展覽溫室人工環境設計[J]. 建筑創作, 2000, (2): 30-33
       [2] 張宇. 面向21世紀的展覽溫室[J]. 建筑學報, 2000, (4):34-38
       [3] 李明亮.北京藥用植物園本草生態溫室節能設計[J].設計與研究,2017, (3):102-103
       [4] 北京市地標《民用建筑供暖通風與空氣調節用氣象參數》(征求意見稿)

       備注:本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會論文集。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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