北京市建筑设计研究院有限公司 张爽 陈玖玖
【摘 要】本文结合实际工程设计，对有特殊温度要求的植物馆展览温室的室内气流组织进行数值模拟分析，预测温室内温度和速度分布，校核及优化设计。通过分析得出，展览类温室在过渡季及夏季采用以自然通风为主的通风方案可行，既经济节能又能营造贴近植物的原生长环境；在设计时，应考虑较不利的气象条件，并采取相应的空调措施；展览温室还需要适度考虑参观人员的舒适性，可采用局部空调的方式。
【关键词】展览类温室；数值模拟；自然通风
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 项目概况
2019年世界园艺博览会将在北京延庆妫河南岸举办，本项目为植物馆，是世园会五大展馆之一。植物馆总建筑面积约10000平方米，高24米，建筑东南西北四个立面均采用了铝制根须状的维护结构体系，表面肌理象征着根系，使建筑整体呈现出升起的地平的意向。温室顶部采用ETFE膜体系，整体形状呈椭圆。植物馆共三层，南侧为一层通高的植物温室，面积约3000平方米，北侧一层为展厅，北侧二层为多功能报告厅和VIP厅，北侧三层为出过渡空间，建筑东侧为灰空间，满足大量人流排队及休息的使用需求，屋顶层设有咖啡厅与纪念品商店。
图1-1 项目平面图和效果图
2 分析内容
本植物馆温室内主要展出热带植物，包括红树林、热带雨林、蕨类、棕榈、多浆植物、食虫植物、苔藓等。温室内植物的生长与室内环境如温度、湿度、日照等密切相关[1-2]。作为热带植物温室，温度是本项目设计中需要着重考虑的因素，经植物专家依据植物生态要求确认本项目在展览期间温室室温不应高于35℃。同时，本项目为展览类温室建筑，因此不仅需为植物创造适宜的生存空间，同时还要兼顾展览参观的属性，在人员活动区域保证一定的舒适性。
为建造一个既经济节能又能使植物健康生长的温室空间，设计考虑充分利用自然、模拟自然，营造贴近植物原生长环境的气候条件。由于世园会展览期为4月~9月，是延庆地区的过渡季和夏季，因此温室内拟采用以自然通风为主的混合通风方案[3]，具体方案为：在建筑立面和屋顶ETFE膜上设通风开启扇，作为自然通风的进、出风口，同时在屋面布置若干台风机进行辅助的机械排风。本文的目的即是紧密结合设计，采用计算流体力学（CFD：Computational Fluid Dynamics）的方法，对温室内的气流组织进行分析，以期在不同设计阶段校核及优化通风空调设计，包括：
1）方案阶段：评估上述自然通风为主的方案可行性；
2）深化设计阶段：配合设计，调整方案并对设计进行优化。
由于本植物馆温室主要在博览会展览期间使用，展会结束后建筑将进行改造利用，因此本文主要针对夏季工况进行模拟分析，研究展会期间不利条件下温室内的室内环境。
3 模拟计算
3.1 模拟工具
计算软件选用ANSYS-CFX12.1，使用ICEM CFD进行网格划分。
3.2 气象数据
本工程位于北京市延庆，模拟计算的室外气象参数采用北京市地方标准《民用建筑供暖通风与空气调节用气象参数》（征求意见稿）[4]*，如下表所示：
表3-1 室外气象参数
*说明：《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012中收录的室外气象参数统计年限为1971～2000年，考虑到近年来由于气温逐渐升高，室外空气气象参数也随之升高，为了更贴近项目实际，经与业主及当地气象部门沟通，本次计算选用的数据为北京市地标《民用建筑供暖通风与空气调节用气象参数》（征求意见稿）中收录的1985～2014年统计的延庆地区室外气象参数。
3.3 围护结构计算参数
表3-2 温室各部分围护结构传热系数
3.4 模型建立
根据设计图纸进行合理简化并建模，计算模型如图3-1所示，采用非结构化四面体网格进行网格划分，并对通风口等局部进行细化加密。模拟计算中选用稳态理想气体，标准k-ε湍流模型。
物理模型 网格划分
图3-1计算模型
3.5 边界条件
结合设计的不同阶段，本文共进行了4个工况的模拟分析，输入边界条件如下表所示：
表3-3 各工况输入边界条件
4 结果分析
4.1 方案阶段：验证通风方案可行性（工况一）
图4-1 工况一模拟结果（温度标尺为301K~306K）
工况一的模拟结果如图4-1所示，结果显示在夏季通风室外计算温度27.8℃情况下，室外空气由各立面底部开启进入温室，由屋顶ETFE膜开启扇和立面高处开启扇排出。温室内平均温度为29.6℃，最高温度为32.7℃。温室内气流混合充分，温度分布较均匀，未出现温度超标区域。温度相对较高区域主要集中在人行活动高度靠近温室北侧不利于通风处，这是由于北立面受建筑条件限制无法设计更大面积开启，在此区域形成了涡流区，温度相对较高。总体而言整个温室温度均在35℃以下，未出现温度超标区域，满足热带植物生长的设计温度要求，由此可见，植物馆温室采用以自然通风为主的混合通风的方案可行。
4.2 深化设计阶段：设计调整及校核（工况二）
如前所述，植物馆温室设计除满足植物生长温度要求外，还需满足日照要求。温室内阳生植物生长需要8小时10000lux的日照环境，通过日照计算，方案阶段的设计不能满足日照要求，建筑专业提出通过扩大屋顶ETFE膜以改善日照环境，但由此将引起太阳辐射增大；此外，随着设计的深入，展陈提出温室内的参观人数将增加，以上两者均导致温室内得热大幅增大。对此，通风设计相应进行了如下调整：1）在扩大的ETFE膜上增加通风开启扇；2）加大建筑各立面有效开启面积；3）调整屋顶蘑菇风机的位置并增加数量。
图4-2 工况二模拟结果（温度标尺为301K~306K）
针对此设计调整，进行了工况二的模拟计算，结果如图4-2所示，可见在夏季通风室外计算温度27.8℃工况下，调整后的方案室内平均温度为29.5℃，最高温度为34.8℃。最高温度出现在连通北侧展厅的二层坡道入口处。从图4-2的典型高度横截面温度分布图可看出调整后方案（工况二）的平均温度与工况一相比线型和趋势相似，未出现较大变化，但调整后工况二的最高温度在12.5m左右较原方案最高温度相比温度突然增大，这是因为二层连通北侧展厅的门在深化后从常开模式改为当有人参观时开启的自动门。
因此在夏季通风工况下，深化调整后的通风方案仍然满足温度低于35℃的设计要求，方案可行。
4.3 高温气象条件下分析（工况三）
图4-3 工况三模拟结果（温度标尺为301K~308K）
上述两个工况均考虑的是室外温度为夏季通风计算温度的典型工况，为了保障在不利气候条件下设计满足植物生长需求，本文对室外温度为夏季空调计算温度的情况进行了模拟（工况三），其计算结果如图4-3所示。模拟结果显示，在室外高温气象条件下，温室内平均温度为33.3℃，最高温度为39.6℃。此工况下的室内平均温度和最高温度与通风计算工况（工况二）相比均升高3℃以上，且室内出现了多处超过35℃的区域。
由结果可见，在室外温度较高时，现有通风方案不能满足温室内植物生长和人员舒适需求，需采取措施进行优化。
4.4 优化设计及分析（工况四）
根据工况三的计算结果，拟在高温区域及人员集中活动区加设局部空调，以期由此来改善室内特别是高温区域的温度，同时也为参观者营造比较相对舒适的环境。结合温室内植物布置及展陈设计，分别在一层和二层人行坡道布置送风口，空调送风温度为16℃。
表4-1 风口设计参数
优化设计后的工况四模拟结果如图4-4所示。温室内平均温度为32.6℃，最高温度为35℃。加设局部空调后室内的平均温度和最高温度均有大幅度下降，温度范围主要集中在32℃~34℃，人行高度处靠近北立面位置因为涡流的存在温度仍然偏高，但未超限值温度。经统计，温室内温度超过34℃的区域约占温室总体积的0.93%，未出现大面积超过35℃的区域。因此在夏季高温气候下，采用自然通风为主、局部采用空调的方式能够满足植物馆的室内环境要求。
图4-4 工况四模拟结果（温度标尺为301K~308K）
5 结论
对植物馆温室这类有特殊温度要求的建筑，在设计的不同阶段，使用数值模拟的方法是辅助、校核及优化设计的有效手段。对展览类温室建筑而言，根据当地气象条件，在过渡季及夏季采用以自然通风为主的通风方案，既经济节能又能营造贴近植物的原生长环境，是可行的；在设计时，除了考虑典型的室外气象条件，还应考虑较不利的气象条件，并对采取相应的空调措施；此外，展览温室还需要适度考虑参观人员的舒适性，可采用局部空调的方式。
参考文献
[1] 北京植物园展览温室设计组. 展览温室人工环境设计[J]. 建筑创作, 2000, (2): 30-33
[2] 张宇. 面向21世纪的展览温室[J]. 建筑学报, 2000, (4):34-38
[3] 李明亮.北京药用植物园本草生态温室节能设计[J].设计与研究,2017, (3)：102-103
[4] 北京市地标《民用建筑供暖通风与空气调节用气象参数》（征求意见稿）
备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会论文集。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
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