展厅建筑室内热环境设计参数分析及其探讨

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3.0 陈辉 2024-11-20 5 4 7.8MB 108 页 15积分
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I
摘 要
论文通过各类文献检索，对现有展厅建筑的结构功能特征、夏季空调室内设
计参数以及气流组织进行了统计，在此基础上，结合国内外现有规范，分析了室
内设计参数（室内温度、相对湿度、室内风速、最小新风量等）与环境舒适健康、
系统节能之间的关系，探讨了室内空调设计参数选取范围，同时，论文还讨论了
室外设计参数对夏季空调负荷的影响。针对世博会举办期间正值炎热夏季这一事
实，考虑人们进出展厅频繁，冷热或热冷变化剧烈的过渡环境将给人们带来心理
上的不适和生理上的伤害，论文通过理论分析 RWI 指标，探讨了展厅内外连接的
过渡区域合理的空调设计参数范围，并确定了过渡区的合理长度，以缓解这种冷
热急速变化的过渡环境带给人们的心理和生理上的不舒适感。
以上海理工大学体育馆乒乓房（大空间建筑室内热环境实验基地）为研究对
象，笔者与课题组成员一起设计和搭建了大空间建筑室内热环境实验基地，并负
责了其中的柱状送风系统的设计、施工及测定。设计时，利用分层空调负荷计算
方法，理论分析了不同分层高度情况下建筑的冷负荷。论文针对以喷口送风为代
表的上送下回、以风柱送风为代表的下送上回两种分层空调气流组织形式，进行
了室内热环境测定。测定共进行了 3天3个工况，测试内容涉及到室外环境参数、
室内水平与垂直温度分布、室内速度及相对湿度分布、围护结构内壁面温度等。
测定结果表明柱状送风形式下室内居住域温度、速度场的分布比较均匀，温度分
层面较低。测定结果还为后续数值模拟提供了一定的边界条件和程序调试依据。
论文利用 AIRPAK 数值模拟软件，模拟了测定工况下的室内热环境，获得了
与测定结果较好的吻合。在此基础上，论文模拟了夏季空调设计工况下喷口送风
与风柱送风两种空调送风形式下的室内热环境，结果证明在相同的空调送风条件
下，风柱送风能够形成更好的室内热环境，与测定结果结论一致。最后论文就风
柱送风这一气流组织，进行了一系列变工况的模拟，研究了送风参数以及回风口
高度对室内热环境的影响。
论文所做工作，将对世博展厅建筑室内热环境设计与空调设计提供一定的理
论依据与技术参考，对绿色世博的建设将有一定的指导意义。
关键词：室内空调设计参数 热环境测试 气流组织 数值模拟 舒适性
节能性
II
ABSTRACT
Through the various types of literature, the paper researched the structure and
function features, indoor air-conditioning design parameters and air distributions of
existing exhibition buildings. On this basis, the paper analyzed the relationship between
the indoor design parameters of air-conditioning in summer (room temperature, relative
humidity, indoor velocity, minimum fresh air requirement, etc.) and the healthy,
comfortable environment and energy-saving by considering the existing norms at home
and abroad to find the reasonable scope of parameters mentioned above. The paper also
discussed the influence of outdoor design parameters on the air-conditioning load in
summer. Expo will be held in the hot summer period, people will pass in and out the
exhibition building frequently and drastic changes of the temperature in the transition
thermal environment will bring psychological discomfort and physical injury. The paper
used RWI index to calculate the reasonable design parameters of the transition zone
through theoretical analysis and indicated reasonable length of the transition zone to
easing the psychological and physiological discomfort which was due to the overheating
or cooling.
The paper takes ping-pong room of University of Shanghai for science and
technology (thermal environment experimental base of large room) as research object,
the author together with the team members designed and built the experimental base of
large room, and is responsible for the design of displacement flow diffuser system, the
construction and measurement of the experimental base. Paper used theoretical methord
to calculate the air-conditioning load of the buildinand analyse the influence of hight of
stratification on the building load. Field-measurements of the experimental base have
been carried on with two stratified air-conditioning system: jet nozzles system and
displacement flow diffuser system and 3 measuring-conditions. Indoor and outdoor
climatic parameters, indoor temperate distribution, velocity and relative humidity
distribution, wall- temperature are chosen as parameters for field-measurements. The
results showed that compared with jet nozzle system, temperature and velocity
distributions of the occupant area were more uniform and the height of stratified
temperature was lower in vertical by using the displacement flow diffuser system. The
measurement results can also provide certain boundary conditions for numerical
simulation and basis for program debugging.
III
The paper used numerical simulation software AIRPAK to simulate the indoor
thermal environment of the experiment conditions, and the results have a good
agreement with the measurement data. On this basis, the paper simulated indoor thermal
environment of two different air-conditioning systems in summer design condition: and
displacement flow diffuser system. The results showed that displacement flow diffuser
system can form a better indoor thermal environment in the same conditions. Finally,
the paper conducted a series of simulation to study the influence of outlet air parameters
and height of vent on the indoor thermal environment created by the displacement flow
diffuser system.
The results of paper will provide a theoretical basis and a technical reference on the
indoor thermal environment and air-conditioning design of the Expo exhibition building.
It also has certain significance on the construction of Green Expo.
Key Word ：indoor design parameter of air-conditioning, thermal
environment measurement, air distribution, numberical
simulation, thermal confort, energy-saving
I
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ....................................................... 3
§1.1 课题来源及意义.......................................................................................................2
§1.2 国内外研究动态.......................................................................................................3
§1.2.1 室内热环境设计研究....................................................................................3
§1.2.2 室内舒适性空调空气计算参数研究............................................................4
§1.2.3 热环境舒适性预测及评价研究....................................................................5
§1.2.4 CFD 在热舒适方面的应用 ...........................................................................7
§1.3 本课题研究内容.......................................................................................................8
第二章 展厅建筑室内热环境参数选取调查及分析 ......................... 9
§2.1 展厅建筑室内热环境参数标准...............................................................................9
§2.2 调查对象.................................................................................................................11
§2.3 展厅建筑结构形式与功能.....................................................................................12
§2.3.1 展厅建筑功能与结构..................................................................................12
§2.3.2 展厅建筑结构特征......................................................................................12
§2.4 展厅建筑室内空调设计参数的选取及其分析.....................................................13
§2.4.1 室内外温、湿度的选取及其分析..............................................................13
§2.4.2 人均新风量的选取及其分析......................................................................14
§2.5 展厅建筑室内气流组织现状.................................................................................14
§2.6 本章小结.................................................................................................................15
第三章 展厅建筑室内热环境设计参数与舒适性及能耗的关联 .............. 16
§3.1 热环境评价指标.....................................................................................................16
§3.2 热环境评价指标概况.............................................................................................16
§3.1.2 舒适性评价指标分析..................................................................................17
§3.2 室内设计参数与舒适性关联的研究.....................................................................20
§3.3 室内设计参数与健康性关联的研究.....................................................................23
§3.3.1 室内空气污染物的主要来源及其对人体的危害......................................24
§3.3.2 控制室内空气污染的主要手段..................................................................26
§3.3.3 新风量的选取与健康性关系研究..............................................................28
§3.4 室内设计参数与节能性关系的研究.....................................................................31
II
§3.4.1 夏季空调冷负荷构成分析..........................................................................31
§3.4.2 室内外设计温、湿度与围护结构负荷关系研究......................................32
§3.4.4 室内外设计温、湿度与新风负荷关联分析..............................................33
§3.5 过渡环境中室内热环境参数的研究.....................................................................37
§3.5.1 过渡环境中人体热舒适的研究..................................................................37
§3.5.2 理论建模及分析..........................................................................................37
§3.5.3 过渡区域室内空气参数的设置..................................................................39
§3.6 本章小结.................................................................................................................42
第四章 分层空调形式下热环境的设计、测试与研究 ...................... 44
§4.1 大空间实验基地概况介绍.....................................................................................44
§4.2 大空间实验基地空调系统设计.............................................................................44
§4.2.1 设计参数选取..............................................................................................44
§4.2.2 夏季空调负荷计算......................................................................................45
§4.2.3 夏季空调系统设计......................................................................................47
§4.3 体育馆乒乓房热环境测试方案设计.....................................................................48
§4.3.1 测试对象与测试目的..................................................................................48
§4.3.2 测试状态及工况设计..................................................................................49
§4.3.3 测试内容和主要测试仪器情况..................................................................50
§4.3.4 测点布置方案..............................................................................................51
§4.4 展厅热环境参数的测定结果及分析.....................................................................53
§4.4.1 关于测试结果的图例的说明......................................................................54
§4.4.2 水平温度分布测试结果及分析..................................................................54
§4.4.3 垂直方向温度分布测试结果及分析..........................................................57
§4.4.4 水平速度分布测试结果及分析..................................................................59
§4.4.5 相对湿度分布测试结果及分析..................................................................60
§4.5 展厅气流组织发烟实验.........................................................................................60
§4.5.1 风柱送风气流组织的实验结果..................................................................61
§4.5.2 分层空调气流组织的实验结果..................................................................62
§4.6 本章小结.................................................................................................................63
第五章 基于大空间建筑室内热环境实验基地的热环境研究 ................ 64
§5.1 研究方法.................................................................................................................64
§5.1.1 Airpak 软件简介.........................................................................................64
§5.1.2 研究技术路线..............................................................................................65
III
§5.2 CASE1 模型模拟计算结果及分析 ....................................................................... 66
§5.2.1 模拟用物理模型及网格划分......................................................................66
§5.2.2 边界条件的确定..........................................................................................67
§5.2.3 验证模拟方案的确定..................................................................................68
§5.2.4 数值模拟热环境结果及分析......................................................................69
§5.3 CASE2 模型模拟计算结果及分析 ....................................................................... 70
§5.3.1 模拟用物理模型及网格划分......................................................................70
§5.3.1 边界条件的确定..........................................................................................71
§5.3.3 验证模拟方案的确定..................................................................................74
§5.3.4 数值模拟热环境结果与分析......................................................................75
§5.4 标准夏季设计工况下室内热环境的模拟.............................................................76
§5.4.1 柱状送风工况下的模拟方案......................................................................76
§5.4.2 柱状送风条件下模拟结果分析..................................................................77
§5.4.3 喷口送风工况下模拟方案..........................................................................80
§5.4.4 喷口送风工况下模拟结果分析..................................................................80
§5.5 基于夏季标准工况数值模拟结果的变工况模拟.................................................83
§5.5.1 送风参数对室内热环境的影响..................................................................84
§5.5.2 回风高度对室内热环境的影响..................................................................89
§5.6 本章小结.................................................................................................................95
第六章 结论及展望 .................................................. 95
§6.1 结论.........................................................................................................................96
§6.1.1 展厅建筑室内热环境参数选取调查..........................................................96
§6.1.2 室内空调设计参数的研究.........................................................................96
§6.1.3 室内热环境设计及实测分析.....................................................................97
§6.1.4 CFD 模拟室内热环境的研究探讨 .............................................................98
§6.2 有待继续研究的内容.............................................................................................98
参考文献.........................................................................................................................99
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果...........................................104
致 谢 ........................................................................................................................105
第一章 绪 论
世博展厅建筑室内热环境设计参数分析及其探讨
2
§1.1 课题来源及意义
为迎接 2010 年世博会的举行，大量展厅建筑将拔地而起。能否拥有一个舒适、
健康的展厅室内环境是世博会举办成功与否的关键因素之一。然而，舒适健康的
热环境可能是以消耗大量能源为代价的。为此，如何选取合理空调室内热环境设
计参数，选择合理的气流组织，使其兼顾舒适、健康与节能将成为世博会建筑环
境工程师们需要解决的当务之急。
据不完全统计[1]，全国目前有展览场馆约 140 多座，可用于展览的总面积近
100 多万 m2。目前我国展厅建筑的夏季空调设计采用的标准为《采暖通风与空气
调节设计规范》（GB50019-2003）和《公共建筑节能设计标准》（GB50189－2005）。
这两部规范推荐的参数通常是范围值而非定值。2006 年12 月27 日，由上海世博
会事务协调局、上海市建筑业管理办公室、上海世博土地控股有限公司共同提出
了《世博园区绿色建筑应用技术导则》，强调了舒适性与健康性对展厅建筑的重要
性。而在以提倡节能的今天，如何重新审视规范，如何从这些标准中寻求不同设
计参数的最佳组合，使其能够在创造一个舒适的参观环境的同时能够达到节能的
效果，是一个值得探讨的话题。
世博会举行时正是炎热的夏季，由于人们进出展厅频繁，经常处于从冷到热
或从热到冷的温度急速变化的过渡环境中。对于人的生理要求而言，这种过渡热
环境与在稳态环境中的舒适性要求是不同的，目前有 RWI 和HDR[2]可以评价这种
不稳定过渡环境的评价参数。但适合我国国情，特别是适合展厅建筑的研究却很
少。
本课题将针对目前国内外已建成的展厅建筑的空调设计参数及气流组织进行
调查统计，并且结合国内外现行设计标准，对照大空间室内热环境影响因素，分
析室内设计参数在不同范围内的舒适性、健康性及节能性，以期提供符合世博园
区规划要求的展览建筑室内温度、湿度、气流速度、人均新风量、热舒适度等空
调设计参数。在此基础上，本文设想将展厅进出口的一部分空间设置为过渡区域
过渡区域的温度设定可以略高于室内的空调区域温度，以缓解过热或者过冷带给
人们的不舒适。
针对不同的大空间建筑可能存在的气流组织，本文将通过实验及数值模拟手
段，探讨在分层空调形式下，上送下回以及下送上回两种送风模式下的室内热环
境。同时进行变工况模拟，以期选择适合于大空间展厅建筑气流组织及送风参数，
为大空间展厅建筑空调设计提供理论依据，为大空间建筑的室内热环境评价标准
的改进提供参考，以完善我国大空间建筑室内热环境空调设计的研究。
第一章 绪论
3
这些研究将对我国大空间建筑的发展具有一定的指导意义，其应用性研究将
对我国大空间展厅建筑室内热环境设计与空调性能、建筑能耗的评估提供一定的
科学理论基础和指导，可以解决目前大空间建筑设计时急需解决的一些问题，具
有实际指导意义。
§1.2 国内外研究动态
§1.2.1 室内热环境设计研究
热环境问题一直是建筑科学领域中最为关注的问题之一。热环境不仅对人体
舒适性有一定影响，也会对室内空气品质主观接受性产生影响[3]。不适当的热环境
还可能会引起人群不适综合症状，在夏季各种不适感的发生率和发生危险性更高，
其中以神经，精神类不适感的发生率较高[4]。所以在社会高度发达的今天，随着人
们对生活品质要求的不断提高，热环境的合理设计的重要性日益突显。热环境的
设计探讨一般从下面两个角度来进行：
（1）从节能角度出发。利用被动式构造设计手段来实现建筑热环境的节能设计
[5]，比如：改善建筑的体形和布局、建筑平面设计、围护结构及材料设计。
或者利用主动式生态技术实现节能目标[6,7]，例如有效利用自然通风排热、
合理使用太阳能、采用分层空调等节能型气流组织等。
（2）从热舒适的角度出发。以人的生理与心理为基础，研究影响人体热舒适的
主要环境参数（温度、风速、相对湿度、平均辐射温度），并以此为标准，
通过不同的技术手段，例如改善气流组织，利用辐射等改善和提高室内热
环境。
但是目前将节能性与舒适性综合考虑，改善室内热环境的比较少。一般的研
究仅仅局限于得到节能的途径或者获得令人舒适的环境参数，但是这个结果可能
是以牺牲另一方面为代价的。如果可以将室内设计温度、风速、相对湿度以及新
风量这些环境参数对人体舒适性的影响与这些变量对建筑能耗的影响联系起来，
建立联合研究模型，从而寻求热环境设计中节能与舒适的平衡，将会是一个很好
的解决途径。
目前对热环境的空调设计参数的研究方法灵活多变，其中比较常见的运用方
法的包括：
（1）理论建模。这个方法有一定的适用范围，有时会依赖一些经验参数，结果
的可靠性相对较差，不能应用到比较复杂的情况。而且常常由于理论结果
世博展厅建筑室内热环境设计参数分析及其探讨
4
的过于复杂，不能在实际工程中得到很好的利用。
（2）实验研究及问卷调查。在条件允许的情况下，实验研究是比较推荐的一种
研究方法，实验的结果具有很好的可靠性和完备性。但是这个方法成本比
较高，周期也很长，常受到气候等的影响。
（3）数值模拟技术。CFD 技术发展至今已经非常成熟，在暖通行业也取得了不
错的成绩。数值模拟的结果比较可靠，并且可以详尽了解模拟对象的各种
特性，也可以与理论或者实验相验证 ，对进一步进行研究起到了指导作用。
CFD 技术也可以预测实际工程的结果，协助优化设计方案。
§1.2.2 室内舒适性空调空气计算参数研究
室内空气计算参数是空调设计的基本依据，室内空气计算参数的确定除了与
人体舒适感和室内空气品质有关外，也与空调系统的经济性密切相关。
我国现行的室内空气计算参数一般由设计规范的国家标准或部颁标准，以及
其它国家标准加以规定。最近 10 年，随着一些新技术,如低温送风系统、辐射供冷
供热系统、置换通风系统等的推出，人体舒适感和室内空气品质研究的深入，以
及节能的需要，传统的室内空气计算参数正逐步发生变化,这种变化已引起了国内
的注意。
建国以来，国家现行暖通空调设计标准经历了一系列变革。从《采暖通风与
空气调节设计规范》GBJ19-87 到《采暖通风与空气调节设计规范》
（GB50019-2003），以及《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2005），体现了暖
通空调技术的进步，也表明了国家对暖通空调设计的重视程度。规范中对展厅类
建筑的空调设计参数并没有作详细规定，有些参数给定的也只是一个范围。这些
指标是一种建议性的参考指标，目的是在设计阶段要求设计者不要盲目提高或者
降低室内温度、湿度和新风量的指标值。否则,会使供暖空调系统的冷热源设备装
机容量、管路、风机水泵，末端的选型偏大,初投资增高,运行费、能耗增加[8]。这
些越来越表明国内已经意识到室内空调设计参数的重要性，室内设计参数选取的
合理与否对人居环境舒适性、节能性以及经济性的作用举足轻重。
我国目前有很多人员正在研究设计参数对人体舒适性以及节能性的研究。华
东交通大学的李建强就公共建筑舒适性空调温度进行了探讨，指出了人们在公共
建筑的热舒适受人体衣着薄厚及室内外温差的影响，阐述降低公共建筑的室内空
调参数标准和改变空调温度的设定值是一种可行、有效的建筑节能举措[9]。哈尔滨
工业大学的赵加宁分析了空调室内空气计算参数对办公室建筑的热舒适性和建筑
第一章 绪论
5
能耗的影响，模拟计算结果表明，在满足室内热舒适性的基础上，在一定的温度
和湿度的范围内，可通过提高室内温度和相对湿度的途径来减少空调系统能耗[10]。
但是华东建筑设计研究院的李萌提出提高室内相对湿度并不一定可以减少建筑能
耗，要针对不同建筑的特点分情况讨论[11]。中国建筑科学研究院深圳分院的罗红
指出了会展建筑中人员密度对建筑所需新风量以及人员负荷都有着较大的影响，
人员密度的选取有着十分重要的节能意义[12]。而中国国际工程咨询设计总院的孙
小宁也提出高层建筑空调设计的参数选取、数据计算及方案确定，与一般建筑有
明显差异，人员密度的选取不一定需要为定值[13]。集美大学的李莉认为对于传统
的以控制室内空气参数为目的的空调系统，其节能空间非常有限；对舒适性空调，
应以人为作用主体，而不是空气，必须灵活应用影响人体热舒适不同因素的多种
组合[14]。
新风量对空调系统的能耗影响很大，随着新风量的增加，能耗也随之增加，
具有关资料统计[15,16]，一般大空间建筑的新风负荷占全部空调负荷的 20 至40％，
在南方地区还要高一点。我国《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003 规
定，民用建筑人员所需最小新风量应该满足国家现行有关卫生标准，即《图书馆、
博物馆、美术馆和展览馆卫生标准值》(GB9669－1996)，并根据人员的活动和工
作性质以及在室内停留的时间等因素确定，即 CO2的浓度应该不大于 0.15%。对
于一般办公室建筑，设计守则推荐为 30m3/(h·p)。ANSI/ASHRAE Standard 55-2004
已经提出新风量的计算不仅仅要考虑室内人员的二氧化碳发生量，也需要考虑建
筑物本身需要的通风量。国内目前也有很多学者就新风量与健康、节能之间的关
系进行了探讨[17~19]。但是很少有人从机理上，或者针对展厅建筑将新风量与健康、
节能三者综合考虑，目前的研究还仅仅是针对某一特定建筑或者设备而言，适用
性不够强。
无论国外还是国内，有关室内空气计算参数的研究重点主要集中在人体舒适
感和室内空气品质方面，但一般都是建立在办公室或者是某个稳态空调情况下的
研究，针对展厅这样一个功能特殊的建筑，研究其的合理的室内计算参数还比较
少。而综合考虑舒适、健康和节能的室内热环境参数研究更为少见。
§1.2.3 热环境舒适性预测及评价研究
建筑物核心目标之一是为人们提供一个舒适、健康的室内生活与工作热环境。
对热环境的评价可分为三类不同的标准[20]：
（1）生存标准：由于人的体温影响体内化学反应速度,尤其是酶系统最佳工作状
摘要：

I摘要论文通过各类文献检索，对现有展厅建筑的结构功能特征、夏季空调室内设计参数以及气流组织进行了统计，在此基础上，结合国内外现有规范，分析了室内设计参数（室内温度、相对湿度、室内风速、最小新风量等）与环境舒适健康、系统节能之间的关系，探讨了室内空调设计参数选取范围，同时，论文还讨论了室外设计参数对夏季空调负荷的影响。针对世博会举办期间正值炎热夏季这一事实，考虑人们进出展厅频繁，冷热或热冷变化剧烈的过渡环境将给人们带来心理上的不适和生理上的伤害，论文通过理论分析RWI指标，探讨了展厅内外连接的过渡区域合理的空调设计参数范围，并确定了过渡区的合理长度，以缓解这种冷热急速变化的过渡环境带给人们的心理...

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