公共建筑出入口热损失分析及其优化设计研究_沈璐萍.pdf

040Heat Loss Analysis and Optimization Design of Public Building Entrances公共建筑出入口热损失分析及其优化设计研究摘要：人流量大的公共建筑出入口处的门开启较为频繁，导致大量的热损失和建筑能源的消耗。文章认为，在出入口处设置门斗会减少此类问题带来的热损失，并以华北某超市建筑为例进行研究。本研究由现场实测、风环境数据分析、外部 CFD 模拟和内部 CFD 模拟四部分组成。研究结果表明，通过设置门斗和改变气流路径，能减少原有平开门的表面压力分布，降低入口处的气流速度，从而减少热量损失。Abstract：There is currently limited use of vestibules in public buildings to mitigate heat loss in the Chinese urban realm.This paper examines the benefits of vestibules for building entrances to against heat losses due to wind and the large flow of people.The case study used to demonstrate,this is a supermarket building in North China.The method mainly consists of four parts:field measurements,wind data analysis,external CFD simulations and internal CFD simulations.The research results show that heat losses through entrance doors can be reduced by incorporating a vestibule and changing the air flow path.The surface pressure distribution on swing doors,which separate indoor environment and outdoor environment,can be reduced,thereby also reducing the air flow velocity that crosses through the entrance doors.关键词：门斗；建筑能耗；风环境；热舒适性Keywords：vestibule；building energy consumption；wind effects；thermal comfort文沈璐萍宁波市城市基础设施建设开发公司高级工程师陈艺华青岛理工大学建筑与城乡规划学院硕士研究生（通讯作者）程宜凡青岛理工大学建筑与城乡规划学院硕士研究生刘明月青岛理工大学建筑与城乡规划学院硕士研究生彭振青岛理工大学建筑与城乡规划学院硕士生导师博 士DOI：10.19875/ki.jzywh.2023.02.013引言为提高通行效率，人流量较大的公共建筑的出入口尺寸会比较大，而且开启频繁，使室内外空气产生大量热交换，供暖季节尤为明显。并且，由于室外冷空气摄入增加，供暖系统运行压力增大，建筑能源消耗量也随之上升1。入口处产生热传递的途径主要有两种：传导和对流2。传导是热量通过固体材料传递而引起的；对流主要指空气交换。由于寒冷地区建筑规范的要求和保温门的普及，传导产生的热损失有效地减少了。但是，由于入口处的门一直处于交替开闭的状态，对流产生热损失的问题仍未得到有效解决，这成为了建筑能源消耗增加的重要原因之一，设计人员针对此问题提出了旋转门、气帘等解决方案。旋转门发明于 19 世纪末3。旋转门建立了一个阻挡入口内外空气进行直接交换的屏障，减少了空气压力差的影响，从而明显地降低了热损失。但旋转门在实践应用中也出现了一些问题。Daamen 等4指出，旋转门不适用于具有大量人流的建筑。Stalde 指出为满足残疾人通行需求，安装旋转门时必须附带安装额外的平开门或滑动门5。Cullum 等人报告说，64%的学生表示，相比旋转门更喜欢使用平开门，因为旋转门空间狭小、转动速度较慢6。气帘是一种能产生连续气流的装置，气流能够从开敞门口的顶部吹到底部。它创造了一个无形的非物理屏障，减少供暖季节的热量损失7。在大多数情况下，气帘与外门配合使用能够降低建筑入口处的空气交换率8，有效防止冬季室内冷空气流动。Gil-Lopez 等人指出，配备气帘的商业建筑能够实现 30%的节能9。然而，气帘也有一些缺点，例如，定期维护会产生额外费用。除此之外，气帘还会产生噪音，降低室内环境的舒适度。在国外，门斗已广泛应用于非居住建筑中，它能明显减少入口处的室内外空气交换，并能提供足够的容纳空间。美国能源部建议，总建筑面积大于 3000 平方英尺的建筑物应设置门斗，且门斗的两组门不应该同时开启10。作为英国最大的零售商之一，Tesco 通过在现有入口增设门斗的方式来降低建筑物的热量损失11。英国另一家大型零售商 Sainsbury 也通过在商店门前增设门斗为顾客提供了热舒适性的缓冲区。目前只有少量的学术论文能够确认这些门斗的有效性，但是通过顾客们对热舒适性的反馈能够为其有效性提供积极的证据11。1 公共建筑入口设计实际工程中，部分公共建筑常用气帘和旋转门以减少热损耗。气帘常见于商超建筑，安装简单，不会占用楼层空间或干扰楼层上的活动，初始投资也大大低于门斗12。旋转门常见于人流量不太大的酒店建筑中，既能减少热损失，又能满足酒店的通行需求。与气帘和旋转门相比，门斗的初始投资较大，建筑相关规范中也没有强制性要求，因此，在寒冷气候区，门斗在公共建筑中并不常见。但是，门斗不需要电力，比气帘更节能，现有应用案例也证明门斗可以用于人流量较大的出入口。民用建筑热工设计规范（GB50176-93）中“建议”对经常使用门的建筑应设置门斗，以减少空气交换。因此，从长远来看，门斗更有利于降低建筑能耗。目前，我国对门斗设计及其对建筑能源消耗影响的研究偏少。因此，本文以中国华北地区某超市建筑为例，调查其入口处的空气流动状况，并设计了三种建筑入口方案进行比较与分析。2 研究方法Maxwell 等人在研究中用以下两个稳态方程对频繁使用的出入口导致的热损失进行了量化13：q 1/3（HWCd）gH(Ti-To)/TO1/2 （1）公式（1）中，q 为空气流速（m3/s）；H 为门的高度（m）；W 为门的宽度（m）；Cd为流量系数（矩形开口为0.6）；To为外部温度（K）；Ti为内部温度（K）；g 为加速度常数（9.8m/s）。公式（1）中，q 为空气流速（m3/s）；H 为门的高度（m）；W 为门的宽度（m）；Cd为流量系数（矩形开口为0.6）；To为外部温度（K）；Ti为内部温度（K）；g 为加速度常数（9.8m/s）。Qv Cq（Ti-Te）（2）公式（2）中，Qv为通风热损失（W）；C为空气比热容（1003J/kgK）；ext为空气密度（1.29kg/m3）；q 为空气流量（m3/s）；Ti为内部温度（K）；Te为外部温度（K）。041227|2023|02建筑学出在每个工作日和每个休息日的开门和关门周期分别是 117 次/小时和 258 次/小时。3.3 风环境数据分析本研究选取每小时风力数据来研究风对入口设计的影响。冬季有26个休息日和64个工作日，超市大楼的开放时间为 9 00 21 00，表 2和表 3 总结了 1080 小时的风力数据。从表中可以看出，冬季没有东风和西风。并且，其他方向的风速一般在 2.6 3.7m/s 的范围内。冬季主要的风向是西南风（超过冬季的20）。西北向和南向的风速同样都是 3.3m/s。东南方向能够观察到的最高风速为 3.7m/s，而西北方向能够观察到的最低风速为 2.6m/s。基于表 1 中记录的开门时间以及表 2 和表 3中的风数据分析，计算出平开门在每个风向的开关循环总时间。在表 4 和表 5 中对计算结果进行了汇总。3.4 选择重建方案本研究提出了三种入口重建设计方案用以优化建筑入口的节能水平（图 1 右 3）。三个前厅的外形尺寸与入口平台（67m）相同。门廊两侧各有两组平开门（内平开门和外平开门）。平开门的宽度和高度与现有入口门相同。在重建方案 1 中，外部空气可以通过两组平开门直接进入室内。而在重建方案 2 和重建方案 3 中，外部空气分别需要旋转180和360才能进入建筑物。3.5 风运动模拟本研究选择了成熟且经过验证的商业软件包PHOENICS 来进行外部和内部的 CFD 模拟。采用外部 CFD 模拟的方法计算了风环境作用下的表面压力。对于现有入口和重新设计方案，需要量化不同风向下平开门的平均表面压力。虽然门斗的两组门不应同时开启和关闭，但在实际操作中，由于持续的大量人流，两组门总是同时打开，因此，假设在人流量较大时外平开门和内平开门都会保持打开状态，那么外平开门上的风压就是引起入口处的瞬时热损失的主要原因。内部 CFD 模拟主要用于确定气流穿过入口处门的速度。外部 CFD 模拟方法仅用于识别风在外平开门表面产生的压力分布。现有入口处的门和三个新设计方案的边界条件保持不变，图 2 为外部模拟的模型，考虑了周围的建筑的影响，并将有效域设定为模型组轮廓的 5 倍14。3.6 假设针对不同情况的 CFD 模拟，本研究制定以下假设：（1）室外气温保持在-2.6（选定城市的冬季平均气温），室内气温保持在 20。（2）理论上，在内部 CFD 模拟中可以建立无数的切片，以更准确地评估温度分布和空气流速。然而，由于时间和资源有限，只制作了 10风向和风速的影响并没有考虑在内。为解决此问题，本研究采用了更准确的方法来量化热损失。该方法由现场实测、风环境数据分析、外部 CFD模拟和内部 CFD 模拟，四部分组成。现场实测可以量化旋转门开启的总时间，由于超市、商场等商业建筑的人流量在工作日和休息日相差比较大，需要分别测算开启时间。冬季的风向、风速及其持续时间是影响入口处热损失量的重要因素，风环境数据分析是量化热损失不可避免的一个步骤，它可以为外部 CFD 模拟创建精确的风场景，并验证 CFD 仿真模拟实验的有效性。外部 CFD 模拟主要用于确定入口门上的风压影响，内部 CFD 模拟则用于判断入口门周围的气流速度。3 案例研究3.1 案例研究建筑本研究选取了位于寒冷气候区的一幢二层超市建筑作为研究对象。该建筑建于 2015 年，每层建筑面积为 1175m2。开放时间是上午 9 点到晚上 21 点。建筑通风方式为自然通风，供暖由城市集中供热系统提供。在冬天，为了防止冷空气进入室内，所有的窗户都是关闭的，室外空气只能通过渗透进入室内。该建筑南面安装了一套宽3m、高2.4m的平开门，开启面积为7.2m2（图1 左 1）。冬季冷空气能够直接从室外进入入口区和咖啡区，热舒适性较差。3.2 现场实测为了找出引起热舒适问题的原因并量化入口处的热损失，分别在一个工作日和一个休息日测量了入口处的室内空气温度、周边空气温度和开启时间。温度监测器设置于购物区中心柱子距地面 1m 处。因为平开门没有与任何管理系统连接，很难准确计算打开和关闭的总时间。所以，在测量中采用了手动记录门面板开关次数的方法来进行量化。如表 1 所示，入口周围的空气温度远低于室内空气温度，确实存在热舒适问题。同时，观察得出，每一个进出建筑物的人平均 2 秒钟能够完成一次完整的通过流程，即门从打开到关闭所需要的时间。因此，可以计算平开门在开关循环中的总运动次数。根据统计数据计算可得，在一个工作日中，平开门开关循环总次数为 1404 次，在一个休息日中，平开门开关循环总次数为 3096次。超市每天通常开门 12 小时，那么可以计算上述公式根据外部空气温度和内部空气温度的平均值