平安大厦外表面换热系数与建筑高度分析

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1、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

2、辐射换热量之和，即：（1－1）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/s≤0.3）8.70.11有肋状突出物的顶棚（h/s＞0.3）7.60.13表1-2外表面换热系数[]和换热阻[]表面特性

3、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”。（2－1）式中：：对流换热强度，；：对流换热系数，；：固体表面温度，℃；

4、：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1[1]：1自然对流（指围护结构内表面）垂直表面＝2.0（2－1）水平表面（热流由下而上）＝2.5（2－2）水平表面（热流由上而下）＝1.3（2－3）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（2－4）外表面＝（2－5）式中是气流速度，

5、m/s。公式2[2]：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

6、4～5.8。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：4-1Vz：在Z高度的平均风速；Vr：高度为rZ的平均风速，即取10米高度的平均

7、风速；Zr：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（4－1）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)22.8048972257.2135245258.54560553.3690312507.3671415508.625485103.872757.508925758.70251204.4454633007.6407366008.776901

8、405.1064963257.7640386258.848853605.537853507.879976508.918537805.8658233757.9894566758.986111006.1335374008.093257009.0517091256.4134694258.1919788009.2967031506.6516474508.286163