蔡珊瑜

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，200092，上?！胃呒壒こ處煟?/p>

寧波站候車廳供暖效果的改善研究

蔡珊瑜

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，200092，上?！胃呒壒こ處煟?/p>

寧波站候車大廳建筑空間屬于典型的高大空間。為改善冬季空調熱風上浮，減少垂直方向溫度梯度明顯的現(xiàn)象，利用在夏季高區(qū)排除余熱的通風系統(tǒng)，在冬季將高區(qū)上浮聚集的熱空氣向下高速噴送，以優(yōu)化候車大廳的候車區(qū)溫度場。利用計算機數(shù)值模擬計算手段，比較了6種不同的設計工況對候車區(qū)冬季溫度場及速度場的影響，得出冬季供熱工況隨著屋頂風機的開啟對熱氣流上浮有一定抑制效用；且隨著向下送風風速的加大，候車區(qū)距地2 m高度區(qū)域人員停留區(qū)溫度有所上升。這一設計具有一定的節(jié)能效果。

候車廳；循環(huán)通風系統(tǒng)；供暖效果；數(shù)值模擬；節(jié)能

Author'saddressConstruction&Design Institute（Group）Co.，Ltd.，Tongji University，200092，Shanghai，China

鐵路寧波站候車大廳南北跨度190 m，東西跨度60 m，平均高度24 m，是一種典型的高大空間建筑（見圖1）。這類高大空間冬季采暖系統(tǒng)均存在垂直溫度梯度失調的現(xiàn)狀。在候車區(qū)設置低溫地板輻射系統(tǒng)或在候車廳中央?yún)^(qū)設置送風單元柱可有效改善這種現(xiàn)狀。但出于投資造價、室內空間效果等因素的限制，在前期進行暖通方案設計時，地板采暖系統(tǒng)及送風單元柱等方案均未實施，最終采用了在候車區(qū)東西兩側設置送風噴口。但由于候車廳東西跨度達60 m，冬季室內熱空氣上浮，垂直方向上溫度梯度明顯，因而成為系統(tǒng)設計的隱憂。

為改善候車大廳的供暖效果，利用原有夏季高區(qū)排除余熱的排風系統(tǒng)的管線，增設一套送風管路，在冬季將高區(qū)上浮聚集的熱空氣向下高速噴送，以優(yōu)化候車大廳的候車區(qū)溫度場。

圖1 高架候車廳實景

1 屋頂通風系統(tǒng)優(yōu)化設計

寧波站候車廳夏季是采用分層空調的方式，為了排除非空調區(qū)聚積的熱量，減少空調區(qū)的負荷，在屋頂桁架內設置了16套溫控排風系統(tǒng)?，F(xiàn)為了改善候車廳冬季空調供暖效果不佳這一現(xiàn)狀，將原屋頂夏季排風系統(tǒng)（見圖2）改造為冬季內循環(huán)通風系統(tǒng)（見圖3），冬季供熱工況時將上浮在候車大廳上部的熱空氣重新送回到下部人員活動區(qū)。

冬季運行工況：打開風閥2，關閉排風閥1。為避免上部抽排風速過大，上部進風口采用單層百葉格柵，控制風速在2.5 m/s以內，而向下送風口采用高速射流的噴口，下壓上浮熱氣流，送回候車人員停

留區(qū)。

圖2 夏季上部排風系統(tǒng)

圖3 冬季高位熱風下送系統(tǒng)

2 模擬建模與邊界條件

為驗證該優(yōu)化設計的預期效果，本文采用Airpak3.0計算軟件對候車廳進行數(shù)值模擬分析。Airpak3.0計算軟件在室內熱環(huán)境模擬領域中具有較高的精度，其熱舒適后處理也是該軟件的另一大優(yōu)勢。圖4是候車廳的物理模型。模型中兩側有大量的圓形噴口，在頂部設置風機模型，使得最終網格數(shù)量在350萬以上，因此使用了較為簡單實用的零方程模型。零方程模型是一種更貼近實際情況的半經驗模型，相對于傳統(tǒng)的標準k-e，對于熱羽流、射流、溫度分層現(xiàn)象等能得到更符合實際的結果［1-3］，故比較適合于本文中對高大空間冬季供暖工況的模擬。

2.1 候車廳基本模型

以候車廳為研究對象，并將大廳簡化為190 m ×60 m×24 m（x、z、y方向的尺寸）的模型，如圖4所示，同時為了簡化模型，做出以下假設：①空氣為穩(wěn)態(tài)湍流；②空氣密度變化不大，采用Boussinesq假設；③室內空氣為輻射透明介質；④頂部風管為絕熱。

寧波地處夏熱冬冷地區(qū)，冬季空調室外計算干球溫度為-1.5℃，候車廳室內設計溫度為20℃。高架層候車大廳出入口眾多，且大門開啟頻繁甚至為常開狀態(tài)，故冷風滲透量極大。整個候車廳冬季室內設計熱負荷為800 k W，熱指標為70 W/m2。考慮到冷風侵入點的位置基本在3 m高度以下，為了使模型更貼近實際情況，將外墻分為0～3 m高及3～24 m高兩段。3～24 m高的這部分外墻以及屋頂、樓板均根據(jù)實際設計傳熱系數(shù)設置，0～3 m高墻體傳熱系數(shù)是由這部分墻體的傳熱量加上全部的冷風滲透負荷倒推得出，這樣即可將冷風滲透負荷平均分配到0～3 m高的這部分墻體上。具體設置參數(shù)如表1所示。

圖4 候車大廳的物理模型

表1 圍護結構傳熱系數(shù)表

2.2 候車大廳空調系統(tǒng)末端設置

本工程中的候車廳采用一次回風全空氣系統(tǒng)，空調冬季總送風量為215 600 m3/h，末端球型噴口分別安裝在東西兩側側墻距地6 m的高度。為保證冬季工況球形噴口的送風風速，僅開啟其中一半的噴口。每個噴口的送風量為2 200 m3/h，共開啟92只噴口。冬季工況下噴口安裝角度向下傾斜10°。送風口其他具體參數(shù)見表2。

表2 送風口參數(shù)設置表

候車大廳在四個對稱角部的側面設置了低位集中回風口。風口尺寸為6.0 m×2.5 m，共4個。

2.3 冬季屋頂內循環(huán)通風系統(tǒng)

內循環(huán)通風系統(tǒng)設置在候車廳的無頂桁架內，風管的底標高距地為23 m。在冬季，每套系統(tǒng)通過風機從3個回風口中低速抽取候車大廳上部空氣，然后通過6個送風口將此部分的空氣高速向下送至候車廳下部區(qū)域，以達到增加候車大廳上、下兩部空氣擾動的目的，抑制冬季空調熱風上浮的現(xiàn)象。

在設計過程中，針對冬季是否開啟屋頂內循環(huán)通風系統(tǒng)，并通過改變送風口尺寸來改變送風風速，

形成6種不同的工況。其中工況1為未使用頂部內循環(huán)風機。另根據(jù)不同的噴口送風速度分列工況2～工況6。6種工況具體參數(shù)見表3。

表3 不同工況參數(shù)表

3 高架候車廳冬季氣流組織分析

工況1為不開啟屋頂內循環(huán)通風系統(tǒng)，可視為送風風速為零，因此為僅有風速變化這一變量因素。在不改變各種邊界條件、空調送風量、送風溫度的情況下，分別模擬了這6種工況時候車廳中x=85 m處的冬季室內速度場及溫度場，并分析比較這6種工況下候車大廳的冬季供暖效果。

圖5 工況1速度場（x=85 m）模擬結果

圖6 工況2速度場（x=85 m）模擬結果

圖7 工況3速度場（x=85 m）模擬結果

圖8 工況4速度場（x=85 m）模擬結果

圖9 工況5速度場（x=85 m）模擬結果

圖10 工況6速度場（x=85 m）模擬結果

通過圖5～10橫斷面速度場模擬結果的對比分析，可以發(fā)現(xiàn)：在增加冬季內循環(huán)通風系統(tǒng)以后，整個候車廳會形成一股股垂直向下的氣流，以抑制冬季空調送出的熱風出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。隨著送風口送風風速的增大，這種效果更加明顯。當送風風速由0加大至26.54 m/s，候車區(qū)兩側噴口的冬季空調送風的角度大致由上浮60°變?yōu)橄赂?°，使得空調送風的水平射程增大，有效改善了由于受建筑形態(tài)限制而使2組對噴噴口設置距離較遠從而導致中間大面積區(qū)域熱風無法送達的不利現(xiàn)象。另外，隨著冬季內循環(huán)通風系統(tǒng)送風風速的加大，末端風速為0.5 m/s等速度線距地面的距離也越來越近，由工況2的9.70 m減小到工況6的2.68 m（詳見表4）。由此可見：隨著送風風速的增加，將有更多的上部區(qū)域的熱空氣被送至下部區(qū)域，可改善高大空間常見的上熱下冷現(xiàn)象。

表4 各工況在末端風速為0.5m/s時距地距離m

候車廳0～2.0 m為候車乘客的聚集停留高度，故整個候車大廳的冬季供暖效果也僅取決于這一區(qū)間的溫度分布及速度分布。2 m以上區(qū)域的溫

度分布及速度分布對候車人員的熱舒適度幾乎沒有任何影響。圖11為候車廳0～2.0 m各高度水平面平均溫度曲線圖。從中可以看出6種工況的溫度曲線趨勢基本一致：當開啟冬季屋頂循環(huán)風機后，2 m以下區(qū)域的室內溫度明顯上升；溫度可升高0.2～0.7℃。在不改變循環(huán)風機風量的前提下，隨著送風口減小、送風風速增加，2 m以下區(qū)域的室內溫度繼續(xù)上升，雖然此增幅不是很大（見表5），但是卻無需增加任何改造成本。在滿足室內聲環(huán)境的前提下，減小送風口增加送風風速也是有利于2 m以下區(qū)域冬季供暖效果的改善的。

圖11 0～2.0 m室內各高度水平面平均溫度曲線圖

表5 各工況2m以下不同高度水平面的平均溫度℃

隨著冬季屋頂循環(huán)通風系統(tǒng)的開啟以及送風風速不斷增加，垂直射程也隨之增加，將有更多的上部區(qū)域的熱風被送至2.5 m以下的區(qū)域，使這一區(qū)域的平均溫度也隨之上升。而4個空調集中回風口高度均在距地0～2.5 m的范圍內，且回風風速較低，故可以近似地認為回風溫度為候車廳0～2.5 m高度范圍內的平均溫度。各工況0～2.5 m高度范圍內的平均溫度詳見表6。由于候車廳屬于人員高密度場所，冬季空調無需加濕，空調箱內熱濕處理過程為等濕加溫過程。因此在空調送風量、送風溫度一定的前提下，各空調箱的加熱總量可計算得出（結果見表7）。由表7可以看出，隨著冬季屋頂循環(huán)通風系統(tǒng)的送風口尺寸的減小、送風口風速的增加，空調加熱量由工況1的800 k W減少為工況6的750 k W，減少了6.25%的不必要能耗。

表6 各工況0～2.5m高度范圍內的平均溫度℃

表7 各工況空調箱的總加熱量kW

4 結語

為了改善冬季空調供暖效果，寧波站候車大廳將原先僅夏季使用的16套屋頂排風系統(tǒng)改造為冬季屋頂內循環(huán)通風系統(tǒng)，且在不更換風機的前提下，通過改變送風口的尺寸來改變送風風速。本文對改造后的供暖效果分6種工況進行了模擬分析。其結論為：當開啟冬季屋頂循環(huán)風機后，2 m以下區(qū)域的室內溫度明顯上升，溫度可升高0.2～0.7℃；隨著送風風速的加大，2 m以下區(qū)域的室內溫度會繼續(xù)上升。而空調的加熱量由工況1的800 kW減少為工況6的750 kW，減少了6.25%的不必要的能耗。希望這一研究可以給同類工程設計提供一定的借鑒意見。

［1］ 趙彬.用零方程湍流模型模擬通風空調室內的空氣流動［J］.清華大學學報，2001，41（10）：109.

［2］ 王剛，廉樂明.零方程模型在大空間建筑熱環(huán)境模擬中的應用［J］.建筑熱能通風空調，2003（3）：1.

［3］ 李先庭，趙彬.室內空氣流動數(shù)值模擬［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［4］ 林曉偉，王俠.地鐵通風空調系統(tǒng)的優(yōu)化控制［J］.城市軌道交通研究，2012（11）：100.

On the Heating Effect in Ningbo Railway Station Hall and the Improvement

Cai Shanyu

The waiting hall of Ningbo Railway Stationis a typical large building with high space.To improve the hot air flotation and reduce the obvious vertical temperature gradient in winter，the ventilation system in upper area of the waiting hall designed for summer is improved，highspeed nozzlesare used to supply hot air for the lower waiting area.Six different design conditions corresponding to the indoor temperature field and velocity field are compared through computer numerical simulation，the results show that in winter the heating condition will get better with the control of hot air flotation，and the increase of air velocitytoward the lower area will raise the temperature in the waiting area about 2m high above the floor，so the goal of energy conservation is partly achieved.

waiting hall；recycle ventilate system；heating effect；numerical simulation；energy conservation

TU 831.3：U 291.6

2014-01-20）