c171 平安大厦外表面换热系数与建筑高度分析

平安大厦外表面换热系数与建筑高度分析中建国际设计顾问有限公司 黄成 丁瑞星摘要：超高层建筑在高空部分室外热环境状况跟近地面附近热环境状况差异较大，本文通过CFD模拟分析的方法初步分析超高层建筑在不同的高度，建筑外表面换热系数的变化。关键字：表面换热系数 超高层建筑 CFD平安大厦塔楼建筑高度646米，不包含尖顶高度588米，空中环境跟近地面高度环境差异较大，比如温度变化，风速变化等，常规设计计算参数恐不适应如此超高层设计。本文仅讨论不同高度建筑外表面换热系数差异，为设计提供参考。1表面换热 1表面总换热量乃是对流换热量与辐射换热量之和，即： （11）式中：表面换热强度，；：表面换热系数，；：对流换热系数，；：辐射换热系数，；：壁面温度， ；：室内或室外气温，。在实际设计计算中，除某些特殊情况（如超高层建筑顶部外表面）外，值均按民用建筑热工设计规范的规定取值（参见表1-1及表1-2），而不必由设计人员去一一计算。表1-1 内表面换热系数和换热阻表 面 特 性墙面、地面、表面平整或有肋状突出物的顶棚（h/s0.3）8.70.11有肋状突出物的顶棚（h/s0.3）7.60.13表1-2 外表面换热系数和换热阻表 面 特 性冬季外墙、屋顶，与室外空气直接接触的表面23.00.04与室外空气相通的不采暖地下室上面的楼板17.00.06闷顶、外墙上有窗的不采暖地下室上面的楼板12.00.08外墙上无窗的不采暖地下室上面的楼板6.00.17夏季外墙和屋顶19.00.052对流换热 1在建筑热工中，空气沿围护结构表面流动，既包括由分子流动所引起的对流传热过程，同时也包括空气分子间和相接触的空气分子与壁面分子之间的导热过程，这种对流和导热的综合过程称为表面的“对流换热”。 （21）式中：对流换热强度，；：对流换热系数，；：固体表面温度， ；：流体的温度，。对流换热系数与气流流速、表面粗糙度、表面与气流温差等因素有关。在建筑热工学中，根据空气流动状况（自然对流或受迫对流），结构所在位置（是垂直、水平还是倾斜的），壁面状况（是有利于空气流动还是不利于流动）以及热流方向等因素，采用一定的实用计算公式。公式11：1 自然对流（指围护结构内表面）垂直表面 2.0 （21）水平表面（热流由下而上） 2.5 （22）水平表面（热流由上而下） 1.3 （23）式中是壁面与室内空气的温度差，2 受迫对流内表面2+3.6 （24）外表面 （25）式中是气流速度，m/s。公式22：对于垂直墙体表面的对流换热系数可用以下经验公式计算：当5m/s时，5.82+3.95 （2-6）当5m/s时，光滑墙表面 7.120.78 （2-7） 中等粗糙墙表面 7.140.78 （2-8） 粗糙墙表面 7.520.78 （2-9）式中是当地室外设计平均风速，m/s。3辐射换热 2在建筑热工中，两表面的辐射换热量主要取决于表面的温度，表面发射和吸收辐射的能力，以及它们的相互位置。在建筑中，往往包括了多种不同的不固定的物体表面，很难具体做详细计算。工程计算时，外围护结构的辐射换热系数可以近似取45.8。4城市梯度风 2城市的风是非常复杂的，首先明确在城市建筑物屋顶以下风速是较小的，而在屋顶平均高度之上，经常出现一个较大风速区，称为“屋顶小急流”。其风速比下层平均约增加1米/秒。当有强风过境时，此屋顶小急流风速与下层风速的差距则更大。其次，城市中风速的垂直变化是因城市下垫面的粗糙度和空气层结的稳定度而异的。如果不知道地转风速VG 的大小，亦可采用某一参考高度Zr 上的平均风速Vr 用公式（4-1）来计算摩擦层内风速随高度的变化： 4-1V z ：在Z 高度的平均风速；V r ：高度为r Z 的平均风速，即取10 米高度的平均风速；Z r ：参考点高度；Z ：计算点高度；m ：其值因地面粗糙度和大气稳定状况而异。在中性平衡的大气层结下，城市地表状况取0.2。根据公式（41）计算出深圳地区不同高度风速变化如表4.1表4.1 梯度风风速计算表高度(m)风速(m/s)高度(m)风速(m/s)高度(m)风速(m/s)22.8048972257.2135245258.54560553.3690312507.3671415508.625485103.872757.508925758.70251204.4454633007.6407366008.776901405.1064963257.7640386258.848853605.537853507.879976508.918537805.8658233757.9894566758.986111006.1335374008.093257009.0517091256.4134694258.1919788009.2967031506.6516474508.2861639009.5183021756.8599124758.37625110009.7212007.0455835008.462622根据式（25）可以算出各高度受迫对流换热系数，但是依然无法获得各个高度辐射换热系数，所以表面换热系数依然难以精确确定。如果我们假设各个高度辐射换热系数相等，辐射换热系数取4.9，则我们根据以上分析可以算出各个高度受迫对流换热系数，进而可以计算各个高度表面换热系数如表4.2。计算结果显示随着高度增加，风速增大，表面对流换热系数也逐渐变大。表4.2 经验公式计算表面换热系数高度(m)风速(m/s)表面换热系数1表面换热系数2高度(m)风速(m/s)表面换热系数1表面换热系数2冬季夏季冬季夏季103.8720.8323.8326.084008.0936.0239.0241.37204.4522.9225.9228.394258.1936.3839.3841.72405.1125.3028.3030.384508.2936.7439.7442.07605.5426.8429.8432.044758.3837.0740.0742.38805.8728.0331.0333.295008.4637.3640.3642.661006.1328.9731.9734.275258.5537.6840.6842.971256.4129.9832.9835.315508.6337.9740.9743.251506.6530.8433.8436.205758.7038.2241.2243.491756.8631.6034.6036.966008.7838.5141.5143.772007.0532.2835.2837.666258.8538.7641.7644.012257.2132.8635.8638.236508.9239.0142.0144.252507.3733.4336.4338.816758.9939.2642.2644.492757.5133.9436.9439.317009.0539.4842.4844.703007.6434.4037.4039.778009.3040.3843.3845.563257.7634.8437.8440.209009.5241.1744.1746.303507.8835.2738.2740.6310009.7241.8944.8946.983757.9935.6638.6641.01注：1 根据公式1中受迫对流计算结果；2 根据公式2中光滑墙表面计算结果。5 CFD模拟 一般经验公式难以直接得到不同高度建筑外表面换热系数，根据式（11）求出外表面热流强度后即可根据温差求出换热系数： （51）式中：表面热流强度，；：表面换热系数，；：壁面温度， ；：室外气温，。通过CFD模拟可以得到表面热流强度，根据温度差即可求出表面换热系数。5.1 CFD模拟条件A风向：根据气象数据统计，深圳夏季盛行东风，发生概率约为15；全年盛行东偏南风，发生概率约为14，平均风速3.78m/s。除主导风向外其他风向均有发生。平安大厦塔楼平面基本呈对称分布，我们模拟在如图5.1所示2种风况，此两种风况基本可以说明所有来流风向的特征。图5.1 CFD模拟风况平面示意图B风速：根据气象数据统计，深圳全年盛行东偏南风，发生概率约为14，平均风速3.78m/s。风速按第4节梯度风考虑，各个高度风速计算值为表4.1所示。C热状况：冬夏环境热状况如表5.1。表5.1 CFD模拟冬夏热状况 单位：室外气温建筑外表面温度温度差夏季33285冬季61595.2 夏季状况模拟夏季风况1建筑外表面热流强度分布：图5.2 夏季风况1建筑外表面热流强度分布（数据中的负号表示表面吸热）从图5.2可以看出在夏季气流正向流入情况下表面热流强度：迎风面>侧风面>背风面迎风面大体是水平对称分布，高层热流强度大，底层小。迎风面中部热流强度约为80W/m2,两侧较大，约为130W/m2左右。96层以下热流强度高度方向差异不大，96114层热流强度较大约为140180W/m2。侧风面随高度方向热流强度变化不剧烈，临迎风面侧与临背风面侧相差大。背风面热流强度大体比较均匀，约在4080 W/m2。夏季风况2建筑外表面热流强度分布：图5.3 夏季风况2建筑外表面热流强度分布（数据中的负号表示表面吸热）从图5.3可以看出在夏季气流侧向45度流入情况下表面热流强度随高度变化较大。迎风面大体是水平对称分布，高层热流强度大，底层小。迎风面中部热流强度约为80W/m2,两侧较大，约为13080W/m2左右。96层以下热流强度高度方向差异不大，96114层热流强度较大约为140180W/m2。侧风面随高度方向热流强度变化不剧烈，临迎风面侧与临背风面侧相差大。迎风面热流强度随高度变化较大，底部27层以下热流强度值约为48220W/m2，2796层约100280 W/m2，96114层约为250300 W/m2。侧风面热流强度随高度变化较大，底部27层以下热流强度值约为48120W/m2，2796层约100190 W/m2，96114层约为150210 W/m2。综上所述，夏季建筑外表面热流强度分布跟风向相关性很大，如果气流正面流入，热流强度分布跟立面风向有关，迎风面热流强度大于侧风面，并远大于背风面，此时各个立面热流强度分布随高度变化较小；如果气流侧向流入，则热流强度大体随高度变化，不同高度换算的表面换热系数如表5.2，正常状况下气流正面流入发生概率较少，大部分情况下气流应以一定倾斜角流入。表5.2 夏季气流侧向流入情况下不同高度表面换热系数统计 单位：低空中空高空迎风面9.64420565060侧风面9.624203830425.3 冬季状况模拟冬季风况1建筑外表面热流强度分布：图5.4 冬季风况1建筑外表面热流强度分布从图5.4可以看出冬季气流正向流入情况下表面热流强度跟夏季状况相似：迎风面>侧风面>背风面。迎风面水平对称分布，高层热流强度大，底层略小。迎风面中部热流强度约为1201500W/m2，两侧约为2002500W/m2。96层以上热流强度略大，且分布相对均匀，热流强度约为2003500W/m2。侧风面沿高度风向差异不大，临迎风面侧与临背风面侧相差大。背风面热流强度大体比较均匀，约在60100 W/m2。冬季风况2建筑外表面热流强度分布：图5.5 冬季风况2建筑外表面热流强度分布从图5.3可以看出在冬季气流侧向45度流入情况下表面热流强度随高度变化较大。迎风面底部27层以下热流强度值约为180350W/m2，2796层约210470 W/m2，96114层约为270600 W/m2。侧风面底部27层以下热流强度值约为180280W/m2，2796层约220380 W/m2，96114层约为210380 W/m2。综上所述，冬季建筑外表面热流强度分布与夏季状况相似，跟风向相关性很大，如果气流正面流入，热流强度分布跟立面风向有关，迎风面热流强度大于侧风面，并远大于背风面，此时各个立面热流强度分布随高度变化较小；如果气流侧向流入，则热流强度大体随高度增加而变大，不同高度换算的表面换热系数如表5.3，正常状况下气流正面流入发生概率较少，大部分情况下气流应以一定倾斜角流入。表5.3 冬季气流侧向流入情况下不同高度表面换热系数统计 单位：低空中空高空迎风面2038.923.352.23066.7侧风面2031.124.442.223.342.2表面换热系数大小主要受表面风速、表面温度、气温、表面粗糙状况等的影响，在不同风向情况下，建筑表面风速差别较大，所以CFD模拟得到的换热系数差异较大。建筑表面风速大小跟风向，表面发向与来流风向的角度及高度都有关系，高度只是影响表面风速的大小的一个因素，所以如果忽略其他因素的影响，单独讨论换热系数与建筑高度的关系是片面的，也难以得到非常精细的量化结果，大体上高度增加，表面换热系数有增加的趋势，但是难以确定具体增加多少，不同风向，不同朝向表面换热系数大小差别较大。大体上CFD计算结果（表5.2，5.3）和经验公式计算结果（表4.2）具有一定相似性。6 外表面换热系数对围护结构的影响我们计算深圳地区一般构造在高空传热系数的变化对围护结构热工性能的影响，高空外表面传热系数500米取40，300米取37原设计K值设计设计新新K值K值增量外窗11.5198.737（300m）1.5543.640（500m）1.5583.8外窗23.037（300m）3.227.340（500m）3.248.0从以上结果可以看到，外窗热工性能越好，外表面换热系数的变化、不同高度室外环境的变化对围护结构影响越小。参考文献：1 刘加平主编. 建筑物理M. 中国建筑工业出版社，20002 钱以明编著. 高层建筑空调与节能M. 同济大学出版社，1990黄成，男，1982年7月，建筑物理工程师， 地址: 深圳市福田区福华一路98号卓越大厦五楼， 邮编: 518048，电话：0755-3333 6072，传真：0755-3333 6098，E-mail： huang.cheng; huangchengshz