戴文婷

(中鐵四院集團(tuán)廣州設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510600)

0 引言

大空間建筑常見于航站樓、火車站、商業(yè)廣場、體育館等，其中各種復(fù)雜形式的散熱源，加上較大規(guī)模人流的高頻流動，導(dǎo)致室內(nèi)氣流流動和熱量傳遞復(fù)雜，而傳統(tǒng)直接的設(shè)計計算以及現(xiàn)場實(shí)測雖能在一定程度上反映大空間空調(diào)制冷/制熱所產(chǎn)生的實(shí)際效果[1-4]，但對于精準(zhǔn)預(yù)測大空間溫度分布、氣流流動以及合理、節(jié)能地組織氣流等方面，落后于近些年國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于優(yōu)化工程設(shè)計的計算流體動力學(xué)模型(CFD)[5-7]。本文基于國內(nèi)南方某客運(yùn)站候車廳工程設(shè)計有關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合可靠的數(shù)值計算模型，對設(shè)計條件下候車廳全域溫度、速度分布以及人體舒適性等指標(biāo)進(jìn)行模擬計算和評估，為相同或相近類型大空間建筑制冷系統(tǒng)設(shè)計提供有效的優(yōu)化建議，促進(jìn)能量的高效利用。

1 數(shù)值計算模型及邊界條件

1.1 物理模型

本文研究對象為南方某火車站候車廳，候車廳尺寸為：50.6 m(x)×14.2 m(y) ×34.9 m(z)，東、西兩側(cè)墻體為內(nèi)墻，南、北兩側(cè)墻體為外墻，建筑面積為1 765.94 m2，空間高大，冷、熱負(fù)荷大，采用分層空調(diào)、全空氣集中式空調(diào)系統(tǒng)，站廳室內(nèi)設(shè)計溫度為26±1 ℃，候車廳夏季計算最大冷負(fù)荷為488.8 kW，冷源采用四臺屋頂式風(fēng)冷冷風(fēng)型空調(diào)機(jī)組(分體式)，單臺制冷量為140 kW、風(fēng)量為25 200 m3/h；送風(fēng)溫差選取5 ℃，圓形噴口，送風(fēng)參數(shù)采用《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》[8]中推薦的計算方法進(jìn)行氣流組織設(shè)計，初步確定：送風(fēng)溫度21 ℃、中心標(biāo)高為7 m、噴口直徑0.23 m、送風(fēng)速度12.77 m/s、射程28 m，噴口數(shù)量共48個，氣流組織采用側(cè)送下回，候車廳東、西內(nèi)墻上各設(shè)置24個球形噴口和2個矩形回風(fēng)口，回風(fēng)口尺寸為1.5 m×3.5 m、底標(biāo)高0.5 m。站廳內(nèi)包含18排座位和2臺功率均為1.5 kW安檢儀，頂棚以下3.4 m處布置有40個功率均為100 W的LED燈。為簡化模型，將雙排人體簡化為一定數(shù)量的長條形模型(1.2 m×1.2 m×2.6 m)，人體發(fā)熱量共45.8 kW，安檢儀簡化為長方體模型(1 m×1.2 m×1.3 m)，LED燈簡化為8個長條形模型(0.6 m×0.2 m×28.2 m)。簡化后的模型如圖1所示。

圖1 候車廳幾何模型示意圖

1.2 邊界條件

根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》以及當(dāng)?shù)貧v史氣象數(shù)據(jù)，廣州夏季空調(diào)室外計算干球溫度tw=34.2 ℃，站廳室內(nèi)設(shè)計溫度為26±1 ℃。圍護(hù)結(jié)構(gòu)分空調(diào)區(qū)和非空調(diào)區(qū)，分別列出計算公式以及具體求解結(jié)果，并由此獲得南方典型夏季氣候條件下的模型邊界條件，如表1所示。出口邊界條件為自由出流。

(1)非空調(diào)區(qū)的空氣問題計算表達(dá)式：

t2d=tw+2～3 ℃

式中：t2為室內(nèi)非空調(diào)區(qū)計算溫度，℃；t1為室內(nèi)空調(diào)區(qū)計算溫度，℃；t2d為廳頂下表面附近空氣溫度，℃。

表1 候車廳各內(nèi)表面溫度求解值

(2)室外綜合溫度計算表達(dá)式：

式中：tz為室外綜合溫度，℃；ρs為太陽輻射吸收系數(shù)，按《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》[8]表4.1-11中的數(shù)據(jù)選用；I為水平或垂直面上太陽輻射照度，W/m2，按表4.1-10中的數(shù)據(jù)選用；αw為外表面換熱系數(shù)，取19.0 W/(m2·K)。

(3)非空調(diào)區(qū)和空調(diào)區(qū)各個內(nèi)表面溫度計算表達(dá)式：

式中：tn為室內(nèi)計算溫度，空調(diào)區(qū)為t1，非空調(diào)區(qū)為t2，℃；K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/(m2·K)； Δtzh為綜合溫差，℃。αn為外表面換熱系數(shù)，取8.72 W/(m2·K)。

1.3 計算模型

本模型采用CFD軟件進(jìn)行模擬計算。站廳內(nèi)空氣符合Boussinesq假設(shè)，僅考慮溫度變化對空氣密度的影響，并在動量方程中計算氣體浮升力時才考慮其密度變化。采用RNGk-ε湍流模型模擬站廳內(nèi)氣體湍流流動，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程計算貼近壁面的氣體湍流流動。近壁面第一個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)高度控制在0.05 m以內(nèi)，網(wǎng)格增長比例控制在1.05，以保證標(biāo)準(zhǔn)壁面方程的準(zhǔn)確度。離散控制方程采用穩(wěn)定可靠的SIMPLE pressure-velocity耦合算法。能量方程計算收斂容差為10-6，其他方程收斂容差為10-3，連續(xù)性方程和能量方程的迭代差低于5%時，即可判定穩(wěn)態(tài)計算已收斂。

2 計算結(jié)果與分析

初步的氣流組織設(shè)計工況下，送風(fēng)溫度為21 ℃，候車廳設(shè)計溫度為(26±1) ℃，通過數(shù)值模擬計算，獲得整個候車廳大空間內(nèi)的氣流流場與溫度場，研究分析主要剖面的溫度分布和速度分布情況，并結(jié)合PMV-PPD指標(biāo)，評價空間內(nèi)人體舒適性。

分別在z方向和y方向上分別選取z=28 m和y=1.1 m剖面的溫度場與射流流場，以分析送風(fēng)射流對在工作區(qū)的x方向的變化情況以及在旅客坐姿狀態(tài)頭部位置的具體分布流情況。

2.1 溫度場分析

z=28 m剖面溫度分布狀況如圖2所示，其中左邊界為西內(nèi)墻，右邊界為東內(nèi)墻。從圖2中可以看出，左右兩側(cè)噴口噴射的冷氣流在z向7 m高處形成隔斷氣流，將候車廳分為上部溫度較高的非空調(diào)區(qū)和下部溫度較低的空調(diào)區(qū)。y=0.1 m剖面溫度分布狀況如圖3所示，其中左邊界為西內(nèi)墻，右邊界為東內(nèi)墻。從圖3～圖8中可以看出，y=0.1 m剖面平均溫度為27.2 ℃，y=0.6 m剖面平均溫度為27.0 ℃，y=1.1 m剖面平均溫度為26.5 ℃，y=1.7 m剖面平均溫度為25.7 ℃，y=7 m剖面平均溫度為25.4 ℃，靠近屋頂y=14.1 m處溫度達(dá)到了33 ℃?？芍瑈=1.1 m剖面平均溫度基本符合設(shè)計要求，y=0.1～1.7 m剖面溫度梯度為-0.94 ℃/m；空調(diào)區(qū)y=0.1～7 m剖面溫度梯度為-0.26 ℃/m，非空調(diào)區(qū)y=7～14.1 m剖面溫度梯度為1.07 ℃/m，在候車廳z方向出現(xiàn)明顯溫度分層，溫度伴隨高度升高而增加。左右兩側(cè)噴口噴射的冷氣流在噴口附近形成低溫區(qū)，并在流動過程中不斷卷吸周圍熱空氣，發(fā)生冷熱能量交換，溫度升高，可看到射流末端溫度均到達(dá)(26±1) ℃范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

2.2 速度場或Vector分析

z=28 m剖面的速度分布狀況如圖9所示，其中左邊界為西內(nèi)墻，右邊界為東內(nèi)墻。噴口噴射的冷氣流以12.77 m/s的初速度迅速卷吸周圍的熱空氣，并進(jìn)行動量交換，其軸心速度沿氣流射程方向不斷減小。工作區(qū)0～2 m高度區(qū)域基本處于回流區(qū)，氣流平均速度為0.265 m/s，符合《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》[8]對室內(nèi)空氣品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值的規(guī)定，人體舒適性較高。同時可以看出，兩股對噴射流在旅客候車廳上部、候車廳中間位置搭接，但搭接位置略高于工作區(qū)高度，可能導(dǎo)致能耗增加，可對送風(fēng)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

圖9 z=28 m剖面的速度分布圖

2.3 人體熱舒適性評價(PMV-PPD指標(biāo))

z=28 m剖面的PMV狀況如圖10所示，其中左邊界為西內(nèi)墻，右邊界為東內(nèi)墻。可以看出在人員工作區(qū)正上方隨著射流路徑存在一定微涼區(qū)域，人員座位之間的過道存在微暖區(qū)域，人員工作區(qū)域均處于PMV=0左右，人體感覺溫度適中。z=28 m剖面的PMV平均值為-0.282，y=1.1 m剖面的PMV平均值為-0.162，而工作區(qū)域0～2 m高度范圍內(nèi)的PMV平均值為0.258，-0.5≤PMV≤0.5，可得不滿意度PPD≤10%。

圖10 z=28 m剖面的PMV分布圖

3 結(jié)論與建議

本文以某火車站候車廳為研究對象，通過理論計算確定了分層空調(diào)的送風(fēng)參數(shù)和噴口安裝高度，采用CFD軟件對設(shè)計工況下工作區(qū)的溫度速度分布進(jìn)行了模擬預(yù)測，并得到了PMV-PPD指標(biāo)。

圖11 y=1.1 m剖面的PMV分布圖

(1)初步設(shè)計工況下，候車廳的溫度分層效果顯著，空調(diào)區(qū)與非空調(diào)區(qū)的溫度梯度分別為-0.26 ℃/m、1.07 ℃/m，工作區(qū)的平均溫度和平均速度分別為26.9 ℃、0.265 m/s。

(2)人員工作區(qū)域均處于PMV=0左右，人體感覺溫度適中；工作區(qū)域0～2 m高度范圍內(nèi)的PMV平均值為0.258，-0.5≤PMV≤0.5，可得不滿意度PPD≤10%，設(shè)計工況整體舒適性較高。

(3)由速度場分布可知，兩股對噴射流在旅客候車廳上部、候車廳中間位置搭接，但搭接位置略高于工作區(qū)高度，可能導(dǎo)致能耗增加，后續(xù)研究可對送風(fēng)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。