含中庭建筑室内热环境特性及其测试技术研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 10.03MB 98 页 15积分

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摘要

本文以上海市建筑科学研究院建设的含中庭生态办公示范楼为研究对象，对

生态办公楼的测试内容、测点布置方法及其测试技术等进行了系统的研究，并在

实测的基础上，进行了室内中庭空间热环境特性的分析研究，以及舒适性评价指

标体系的探讨。

评估实际工程时，科学、合理的测试技术对于测试结果尤为重要。由于本生

态办公建筑其中庭空间的特殊结构及独特的室内空调环境设计，使其中庭空间夏

季空调环境的测试，以及热环境特性分析方法与评价指标，都存在一定的特殊性。

针对本生态办公建筑特点，通过夏季室内热环境实测工作总结与提炼，提出了一

整套模拟预测指导测试布点、现场测试方法、测试结果分析，以及实测与数值模

拟结果的耦合分析等测试技术体系。

测试前期利用 Airpak 软件，对办公楼进行测试前的室内热环境模拟预测，通

过CFD 模拟预测，以初步了解即将进行测试的室内热环境及流场，依据模拟结果

确定和指导现场实测方案，重点对测试布点等进行有针对性的确定，以更有效地

使测试内容反映室内热环境和简化测试程序与方案。

本次现场实测共进行了 10 个测试日 15 个工况的测定，测试内容涉及到室外

环境参数、室内水平与垂直温度分布，围护结构内壁面温度、PMV、空调系统在

线能效比等方面。尤其针对 PMV 的测试进行了深入探讨，通过过渡季和夏季的测

试过程提出一套工程廉价测试计算方法，使 PMV 测试便于工程推广。

在现场实测基础上同时进行了热环境评估体系的讨论，对生态楼室内中庭环

境的空气分布特性指标（ADPI）、过渡季自然通风状况、局部热不舒适例如吹风感、

非对称热辐射、垂直温差等指标进行了测定与评价。特别对自然通风及局部吹风

感等测定方法进行了探讨，通过对空调环境局部不舒适感测定结果分析，得出了

吹风感是形成局部不适感的重要因素。论文最后结合必要通风量的确定、自然通

风有效利用系数、通风效率对自然通风效果进行了综合评价。

关键词：中庭建筑热环境特性测试技术 CFD 模拟 PMV 指标

自然通风

ABSTRACT

The paper takes an ecological office building with atrium built by Shanghai

Research institute of Building Sciences as research object, systematically investigates the

office building measurement contents, samples positioning and measurement

technologies, also analyzes atrium space thermal environment characteristics and

thermal-comfort evaluate system.

It is very important to use measurement technologies scientifically when we

processing projects evaluation. Owing to the particularities of the atrium space and air-

conditioning design, we carries out a whole measurement system covers forecast

simulation to guide samples positioning, field measurement technologies, results

analysis, the combined-study between field measurement and numerical simulation.

Simulating thermal environment of office building atrium space with Airpak

software before field measurement, so we can get a primary overview about the indoor

thermal environment characteristics and air distributions, use the simulation results to

guide measurement plan designing, especially direct us to position samples effectively,

as a result, having measurement processing simplified and indicating the indoor thermal

environment more effectively.

Field-measurements of the office building have been carried on with almost 15

measuring-conditions. Indoor and outdoor climatic parameters, indoor temperate

distribution, PMV values, wall- temperature and air-conditioning system online EER are

chosen as parameters for field-measurements. Particularly, describes PMV measurement

in detail, work out an cheap edition testing method to make the PMV measurement

more viable in practice.

The paper also discusses thermal-comfort evaluate system. Evaluating the office

building atrium space’s thermal environment with indexes: ADPI(air diffusion

performance index), natural ventilation during the transitional season, local discomfort

such as draft, asymmetric thermal radiation, vertical air temperature difference, etc.

According to the analysis about air-conditioning environment local discomforts,

concludes that draft is a crucial element which could cause local discomfort. In the end,

a integration evaluation about natural ventilation is presented, which including air-flow

volume acquirement, natural ventilation utilize coefficient, ventilation efficiency.

III

Key Word：atrium building, thermal environment characteristics,

measurement technologies, CFD simulation, PMV index,

natural ventilation

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论...............................................................................................................1

§1.1 课题的提出及研究意义.......................................................................................1

§1.2 中庭建筑热环境概况...........................................................................................2

§1.3 热环境测试概况及 CFD 技术在暖通空调领域的应用.....................................3

§1.3.1 热环境测试概况............................................................................................3

§1.3.2 CFD 技术在暖通空调领域的应用...............................................................6

§1.4 本文主要研究内容和研究方法...........................................................................7

§1.5 中庭热环境测试体系的建立与评价指标的确定..............................................8

§1.5.1 中庭热环境测试体系....................................................................................8

§1.5.2 中庭热环境舒适性评价................................................................................9

第二章生态办公楼前期测试规划暨空调环境 CFD 模拟预测及其实例验证.......10

§2.1 生态楼建筑及空调概况.....................................................................................10

§2.1.1 生态楼建筑概况..........................................................................................10

§2.1.2 空调概况......................................................................................................11

§2.2 夏季空调工况测试体系设计方案.....................................................................12

§2.2.1 测试对象与测试目的..................................................................................12

§2.2.2 测试状态及工况设计..................................................................................13

§2.2.3 测试内容和主要测试仪器情况..................................................................15

§2.3 生态楼 CFD 模型概况及边界条件设置..........................................................17

§2.3.1 模拟目的与模拟方案..................................................................................17

§2.3.2 Airpak 模拟软件简介..................................................................................18

§2.3.3 模拟用物理模型及网格划分.....................................................................19

§2.3.4 边界条件的特殊处理与物理边界..............................................................20

§2.4 预测模拟与测试方案的确定.............................................................................21

§2.4.1 预测模拟边界条件与计算模型..................................................................21

§2.4.2 室内温度场模拟结果与测点规划..............................................................21

§2.4.3 室内流场模拟结果与测试布点..................................................................23

§2.5 典型测试日验证模拟.........................................................................................25

§2.5.1 验证模拟工况及其边界条件设置..............................................................25

§2.5.2 验证模拟方案的确定..................................................................................26

§2.5.3 室内温度场模拟结果与实测对比..............................................................27

§2.5.4 室内 PMV 模拟结果与实测对比 ...............................................................29

§2.6 小结.....................................................................................................................29

第三章生态办公楼空调系统室内热环境测试体系实施及热环境特性探讨.........30

§3.1 前期测试概况与空调环境测试规划.................................................................30

§3.2 室外环境测试与分析.........................................................................................31

§3.3 中庭垂直方向温度分布测试技术及测试分析.................................................34

§3.3.1 中庭垂直方向温度测试原理及布点方式..................................................34

§3.3.2 测试结果与典型测试日分析......................................................................37

§3.4 工作区域温度测试方法与测试分析.................................................................39

§3.4.1 工作区域温度测点布置..............................................................................39

§3.4.2 不同测量仪器非等精度测量偏差分析......................................................40

§3.4.3 南北、东西向水平温度分布测试结果及分析..........................................42

§3.4.4 一层大厅工作区域热环境测试..................................................................43

§3.4.5 一层大厅水平方向温度布点简化..............................................................45

§3.5 一层空调区域围护结构内表面温度的测试.....................................................47

§3.5.1 表面温度测试对象确定..............................................................................47

§3.5.2 空调区域壁面温度测试结果及分析..........................................................47

§3.6 生态楼室内 PMV 现场廉价测试方法及测试分析 .........................................48

§3.6.1 PMV 简介及其计算公式 ............................................................................ 48

§3.6.2 PMV 简化测试计算处理方法 .................................................................... 49

§3.6.3 过渡季 PMV 测试概况 ..............................................................................51

§3.6.4 廉价测量方法与 INNOVA 测试结果比较 ................................................ 52

§3.6.5 夏季 PMV 测点布置及其测试方法验证 ...................................................55

§3.6.6 夏季 PMV 测试结果及典型测试日分析 ...................................................56

§3.7 中庭风环境测试方案确定.................................................................................59

§3.8 在线空调制冷系统能效比测试方法与测定分析.............................................60

§3.8.1 在线能效比测量方法..................................................................................60

§3.8.2 测试结果及典型测试日结果分析..............................................................61

§3.9 小结.....................................................................................................................64

§3.9.1 中庭热环境测试技术..................................................................................64

§3.9.2 中庭热环境特性分析结果..........................................................................65

第四章室内热环境舒适性评价体系及其测定.........................................................66

III

§4.1 各层公共区域空气分布特性及测试结果.........................................................67

§4.1.1 有效温度差及 ADPI 指标 ......................................................................... 67

§4.1.2 各层公共区域测试结果及分析..................................................................68

§4.2 自然通风量的测定及其评价方法.....................................................................69

§4.2.1 自然通风测试原理......................................................................................69

§4.2.2 必要通风量的确定......................................................................................71

§4.2.3 通风量评价指标..........................................................................................74

§4.3 局部风场与吹风感.............................................................................................76

§4.3.1 吹风感含义及计算公式..............................................................................76

§4.3.2 局部风场与吹风感测试及结果分析..........................................................77

§4.4 非对称热辐射及其测定.....................................................................................79

§4.4.1 非对称热辐射指标含义..............................................................................79

§4.4.2 典型测试日测试结果分析..........................................................................80

§4.5 各层公共区域垂直温差的分析........................................................................80

§4.6 小结.....................................................................................................................81

第五章结论及展望.....................................................................................................83

§5.1 结论.....................................................................................................................83

§5.1.1 CFD 模拟预测方法的讨论.........................................................................83

§5.1.2 中庭空间热环境测试技术..........................................................................83

§5.1.3 中庭空间热环境特性分析..........................................................................84

§5.1.4 中庭空间热环境舒适性评价......................................................................85

§5.2 有待继续研究的内容.........................................................................................85

附录 1：PMV 各参数测试数据及结果 ......................................................................86

参考文献.........................................................................................................................91

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................94

致谢 ..........................................................................................................................96

第一章绪论

§1.1 课题的提出及研究意义

随着建筑形式多样化的发展，中庭建筑在当代城市各类建筑中得到广泛推广。

采用空调、通风系统的中庭建筑也越来越普遍[1]。随着人们对室内环境舒适、健康

的要求不断提高，对能耗问题的关注以及可持续发展的需求，研究如何形成中庭

建筑合理的气流组织，合适的空调送风形式等设计方案，最大限度地降低空调能

耗，同时满足室内热舒适性的要求，具有十分重要的理论意义和实际价值。

20 世纪 80 年代以来，对大空间建筑室内热环境及其空调能耗的研究在全世界

范围内得到了广泛的开展。起初，建筑环境工程师的研究集中于气流方面，主要

是室内空气流动分布对人体热舒适感和健康、房间空调通风效率以及建筑物空调

能耗的影响[2]。以后，人们在大空间建筑空调负荷、气流组织、开口形式等方面，

以及大空间建筑特有的分层空调、局部空调方式等设计方面进行了不断深入的探

讨[3~6]。近年来，随着国内经济的高速发展，能源问题凸现，如何建立节约型社会

逐渐被政府和社会各界所关注。

04 年11 月，经国务院同意，国家发展改革委发布了我国第一个《节能中长期

专项规划》。随着人口增加、工业化和城镇化进程的加快，使能源需求量大幅度上

升，经济发展面临的能源环境问题将更加突出。解决能源约束问题，必须坚持节

约优先，建设节能型社会。根据我国目前的节能潜力和未来能源需求的特点，规

划提出“十一五”期间组织实施十项节能重点工程，其中包括了建筑节能工程以

及节能监测和技术服务体系建设工程。目前，建筑设计、施工、设备研发等方面

存在巨大节能潜力，而在已建或在建建筑后期系统监测调试环节中同样存在广大

节能空间，且已经引起业内人士和市场的广泛关注。

在暖通空调领域中，就已建建筑而言，如何达到既满足热舒适性要求又能降

低建筑能耗、合理有效地利用能源，已成为行业的研究热点[7]。关于中庭建筑室内

热环境现场实测及能耗分析的研究亦随之逐渐展开。然而，就现场测试方法、测

试技术，以及测试评估方法等的研究并不多见。

本课题以上海建科院带中庭的生态办公楼（后面简称生态办公楼或生态楼）

作为研究对象，通过夏季室内热环境实测工作总结与提炼，提出了一整套反映中

庭建筑室内热环境特性的测试内容、测试方法、测试技术，评价指标体系。并将

CFD 模拟预测技术应用于现场实测方案确定。论文针对一层大厅空调对中庭建筑

含中庭建筑室内热环境特性及其测试技术研究

室内公共空间热环境的影响进行了较为全面的现场测定，为中庭建筑热环境设计

提供依据，为中庭建筑的室内热环境测试体系的建立提供参考，为进一步研究中

庭建筑室内热环境提供实验基础。

§1.2 中庭建筑热环境概况

中庭（Atrium，[拉丁语]，罗马时代的中心庭园，一般指教堂门前带顶的回

廊，《牛津大词典》释义）的概念最早起源于古罗马的中心庭园。

现代意义的中庭诞生于上世纪 60 年代。约翰·波特曼在传统“中庭”的基础上，

于1967 年首次在亚特兰大市的海特·摄政旅馆设计了现代中庭，赋予中庭新的内

涵，给中庭建筑一个新的面貌，引起很大的轰动。从此带来中庭建筑的快速发展[8]。

图1.1 建筑中庭的形式

中庭建筑按其几何形式可分为：单向中庭、双向中庭、三向中庭、四向中庭、

条形中庭、联接中庭、基座中庭、多向中庭、多层垂直中庭（见图 1.1）。若将其

中一种或多种形式加以组合就可形成多种其它的布局[1, 9]。论文研究的生态办公楼

中庭可以近似看作由基座中庭和四向中庭组合成的小型生态中庭。

建筑中庭往往是集休闲娱乐、渲染气氛及人流集散为一体的共享空间。中庭

第一章绪论

的使用性质要求能自然采光，明朗通透，造型充满生机和活力[10]。然而从热工设计

角度出发，中庭又是室内外的过渡空间，热环境比较脆弱，易受室外环境干扰[11]。

因此，建筑设计与能源消耗产生了矛盾。

中庭作为大空间建筑的一种形式，有其特殊的热环境特征[7]：

1) 中庭建筑结构上通常都有大型玻璃外窗或玻璃屋顶。若中庭不设置空调系

统，日照辐射很容易造成室温过热，同样地，在缺乏充足日照的前提下，

通过玻璃的散热，亦会造成室温迅速降低；若中庭大空间内设置空调设施，

冷热负荷势必会很大。

2) 大空间中庭建筑的垂直温度分布梯度大。热量通常常年滞留在中庭顶部，

而底部活动区域温度会偏低，尤其在冬季期间。

3) 中庭建筑有大量渗透负荷难以避免，故常采用辐射供暖。20 米左右高度的

中庭一般可用热风供暖，而 50 米以上者则多用全部地面辐射供暖。

中庭建筑在节能问题上应着眼于节约能源和舒适性的和谐统一。传统利用能

源的手段对中庭建筑物仍然适用，如自然通风、“烟囱效应”与“温室效应”、空

调等等。

最大限度的利用自然通风改善室内环境和节约能量消耗是中庭建筑热环境设

计最为合理的方式之一。在夏季和过渡季节使用自然通风，“让新鲜空气进来”，

虽然温湿度不一定满足要求，但可节约开支，而且有较好的空气品质。另外，还

可以利用晚间通风消除室内余热，排热效果明显。

合理利用中庭建筑本身的特性——“烟囱效应”与“温室效应”来解决能耗

问题。由于所处的地区和气候的差异，中庭的主要功能也不相同：在寒冷的地区，

中庭起着暖房的作用；炎热的地区，中庭用来通风降温：在温暖的地区，则二者

兼顾。在设置了机械供热、降温和通风等手段的前提下利用这两种自然现象，就

能在一定程度上降低建筑能耗。德国的法兰克福 DG 银行及 IBM 大厦是应用这两

种效应的典范，它们都采用中庭创建了成功的生态型共享空间。

在空调方面主要手段有：减少设计负荷，采用人员居留区空调；合理确定送

风量和新风量，利用新风供冷；合理进行能源组合，选用高效率的制冷设备和空

气末端装置；蓄冷和低位热源的利用等等[7]。

§1.3 热环境测试概况及 CFD 技术在暖通空调领域的应用

§1.3.1 热环境测试概况

热环境测试研究方法有很多种，常有的方法主要包括模型实验，问卷调查，

含中庭建筑室内热环境特性及其测试技术研究

现场实测等。

对于室内流场温度场的测试研究，传统的方法是以相似理论为基础的模型实

验及风洞试验。80年代之前，模型实验大多用于对室内气流流动和湍流气流充分

发展段的研究[12,13]。1982年，中国建筑科学研究院空调所邹月琴等人组成的分层空

调技术研究课题组对南京汽轮电机厂分层空调气流流动进行模型实验。着重研究

多股平行非等温射流计算的问题，提出了适合分层空调气流组织的计算方法。

1986

年，Yao等人利用1:12的模型实验对畜舍通风进行实验研究，同时考虑畜舍内热源

和设备用品等对室内气流流动的影响[14]。1991年Murakami等人对建筑物开口附近

速度分布和风压分布进行风洞实验研究。1993年Zhang对阿基米德数进行修正，将

模型实验用于室内非等温气流流动的研究[15]。在日本，1999年Iino利用风洞实验对

5种不同建筑物模型的室内外通风截面进行测试，分别对通风量、风压系数分布、

风速分布和压力损失系数进行测试，并通过改变进风口和迎风角度对气流流动特

性进行分析和研究[16]。2001年重庆大学张翔对三峡电站主厂房发电机层分层空调

进行模型实验，重点对夏季不同屋顶温度、发电机盖板散热量、送风速度以及阿

基米德数对工作区空气分布特性的影响等问题作了初步分析与研究[17]。

由于实验研究能反映出气流流动机理如湍流特性，因此这是广泛应用的方法。

但它费时，投资大，受到测试、多相似准则等方面的限制，且不能导出对象温度

和运动强度这些参数的转换关系，所以缩小比例的实验会带来不符原型的可能。

故人们认为进行1:1的模型实验是必需的。对于3～4m高的普通房间，1:1的模型实

验不会带来什么大问题，甚至对制作实验模型来说是经济的。但对于大空间1:1的

模型实验是不可能的，并且由于影响大空间建筑室内流场和温度场的因素较多，

要全面地对室内气流流动进行实验模拟是困难的，多相似准则也难以满足。总之，

由于受多方面因素的限制，1:1模型的不可行性给大空间空调模型实验及其应用带

来许多困难[18]。

近几年，人们逐渐将研究工作从实验室转向了居住和工作的实际环境[19]。

Dedear 和Auliciems 对澳大利亚不同气候区中的办公建筑进行了六个关于热环境的

现场调查，每个调查中自愿参加的受试者约有 200 名。Schiller 对美国旧金山地区

的10 栋办公建筑热环境中的 304 名受试者进行了 2342 次访问。Dedear 对澳大利

亚热带气候区的汤斯威尔的 12 栋空调办公建筑室内热环境进行了调查，收集了 836

名受试者提交的 1234 份问卷调查表。Howell 对办公建筑，教室，图书馆等典型建

筑中 260 名受试者进行了现场调查。

Busch 对泰国曼谷 4栋办公建筑中工作人员的

热反应进行了调查，受试者总人数 1145 人，共收回 1145 份调查表[19]。这些大规

模的现场调查实测可以直接获取人群对环境综合热舒适情况的综合评价。但其也

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摘要：

I摘要本文以上海市建筑科学研究院建设的含中庭生态办公示范楼为研究对象，对生态办公楼的测试内容、测点布置方法及其测试技术等进行了系统的研究，并在实测的基础上，进行了室内中庭空间热环境特性的分析研究，以及舒适性评价指标体系的探讨。评估实际工程时，科学、合理的测试技术对于测试结果尤为重要。由于本生态办公建筑其中庭空间的特殊结构及独特的室内空调环境设计，使其中庭空间夏季空调环境的测试，以及热环境特性分析方法与评价指标，都存在一定的特殊性。针对本生态办公建筑特点，通过夏季室内热环境实测工作总结与提炼，提出了一整套模拟预测指导测试布点、现场测试方法、测试结果分析，以及实测与数值模拟结果的耦合分析等测试技术...

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