277 北站高架层大空间热环境CFD模拟.doc

西安北站高架层大空间热环境CFD模拟中南建筑设计院 徐 鸿 严 阵 张亚男华中科技大学 陈 龙 刘显晨 姜 涛 徐玉党摘 要 介绍了西安北站高架层大空间热环境CFD模拟。根据对空调系统夏季工况和冬季工况下的温度场、速度场以及热舒适性的模拟分析，提出相关合理化建议，为西安北站高架层大空间空调系统设计提供参考依据。关键词 大空间 热环境 模拟 分析 热舒适1 工程概况图1 西安北站西安北站（见图1）仿西安古城墙以及城楼的方式修建，建筑形式新颖，具有突出的地域特色。西安北站为特大型铁路旅客站房，车站最高聚集人数13000人，主要功能为进、出站厅、候车厅、售票厅、出站通道、旅客服务、商业用房、管理办公用房等。站房总建筑面积为114501平方米，由一层（站台层及部分夹层）、二层（高架旅客进站层及部分夹层）、地下层（出站层）三个平面层组成，建筑总高度43.6米。2 设计参数2.1 室外气象参数（见表1）表1 室外气象参数表项目室外大气压(Pa)空调室外计算干球温度（）空调室外计算湿球温度（）空调室外计算日平均温度（）平均风速（m/s）计算相对湿度（%）夏季9570735.125.830.71.6冬季98097-5.60.9662.2 室内设计参数（见表2）表2 室内设计参数表名 称温 度（）相对湿度（）最小新风量（m3/人h）夏 季冬 季夏 季冬 季高架候车厅27186540122.3 围护结构热工性能（见表3）表3 围护结构参数围护类型传热系数(w/.)(夏/冬)传热衰减传热延迟(h)地面1.50/1.501.000.00内墙1.37/1.370.814.01外墙0.46/0.460.1016.16外窗2.22/2.281.000.40屋面0.40/0.400.2310.87天窗2.61/2.691.000.383 高架候车厅热环境CFD模拟针对本项目的模拟对象为室内空气，选用Airpak软件进行模拟计算。3.1 高架层基本模型的建立在Airpak中根据CAD图形数据进行建模，为了提高计算效率，在保证模拟结果可靠性的前提下需要进行以下适当的简化：屋顶的微小斜坡处于30米左右的高度，不会对候车厅下部人员活动区的气流产生任何影响，建模时规整成平屋顶可以很大程度提高计算速度，同时取平均高度为屋顶高度。因为整个高架层尺寸较大，根据模型对称的特点，为了提高计算速度，在不影响计算结果的前提下，将其作简化处理：计算四分之一候车大厅通过设置镜像墙来完成整个计算。为了简化计算，提高计算精度，对与候车大厅不相连接的售票厅以及相应的工作房间，均简化为整个模块。简化后的模型如图2所示。图2 高架层模型三维图3.2 计算参数确定由于高架层呈轴对称分布，取半边为模拟区域，在对称轴上设置对称面。候车区除去座椅区域以座椅数量确定人数以外，其余按照负荷计算所得人数进行平均，静坐轻微劳动下显热散热量为68W/人。夹层处按照人员密度计算出人数，将模型均匀布置在夹层空间内。具体热流密度如表4所示,除表中所列参数外，其他房间之间由于温差为0，所以热流密度为0。将灯光负荷均匀布置在屋顶，灯光负荷为20w/m2,因此，在实际模型建立过程中屋顶热流密度天窗部分为53w/m2，非天窗部分为25.3w/m2。表4 围护结构热流密度维护结构名称夏季热流密度（w/m2）冬季热流密度（w/m2）外墙1934屋顶（天窗）5353地板5.122屋顶25.324模型中条形送风口采用opening形式风口，回风口采用设定速度的vent形式风口。具体送风参数如表5所示：表5 送风参数表场所楼层装配高度（m）型号尺寸(mm)风量冷暖条件风速备注(m3/h)区分(m/s)1高架候车厅3.7ATVH600*3003000冷房水平送风6.4暖房斜下送风2高架进站厅3.7ATVTL-333000L40000冷房斜上送风5.8斜上30 斜下45暖房斜下送风3高架进站厅5.5ATC230#1125冷房水平送风4.4暖房垂直送风43.5ATVH 500*2001333冷房水平送风5.4暖房斜下送风53.5ATMKG-W12#1333冷房水平送风5.6暖房斜下送风3.3 夏季空调气流组织模拟分析在模拟计算中，为更清晰的描述模拟计算结果，分析问题方便，选取了四个具有代表性的特征截面，如图3所示。图3 选取特征截面示意图四个特征截面的物理意义分别是：特征截面1主要可以表示候车厅风口处的温度和速度分布以及休闲茶座处的温度和速度分布；特征截面2主要表述进站广厅风口处附近区域及候车厅非风口附近区域的温度与风速分布；截面3表述进站广厅以及候车厅距风口较近区域的温度以及风速分布，同时可以描述候车厅回风口处的温度以及风速分布；特征截面4表示在无夹层区域的温度分布和速度分布。下面将对四个截面的模拟结果进行分析，通过分析得出各个截面所代表不同区域的温度场、气流流畅以及热舒适性，最终验证设计方案是否满足设计要求。3.3.1 截面1温度和速度分布以及舒适性指标模拟结果与分析图4 截面1模拟分布图通过对截面1的温度场和速度场分布的模拟可以看出，在候车厅风口正对区域温度和速度分布均能满足设计要求。空调区域PMV值基本在-11之间，而PPD值在10以下，正对风口处PPD值较高。通过对PMV和PPD值的模拟可以看出对于空调区域，感觉不舒适的比例基本不超过10%，因此在该截面代表的区域内，设计方案满足舒适性要求。3.3.2 截面2温度和速度分布以及舒适性指标模拟结果与分析图5 截面2模拟分布图通过对截面2的温度场和速度场进行模拟可以看出，在进站广厅和候车厅空调区域的温度分布都在24到25之间，风速也不超过设计规范规定的0.3m/s，通过对该区域的PMV以及PPD这两个舒适性参数可以看出，PMV值在-0.20.2之间，PPD值不超过10%，因此这两个区域的设计满足舒适性要求。对于夹层的休闲茶座，由于送风位置在地面，导致送出的18的气流直接与人体接触，因此该区域的热舒适性参数PMV值为-0.5，PPD值为14.6，即局部出现冷吹风感。3.3.3 截面3温度和速度分布以及舒适性指标模拟结果与分析图6 截面3模拟分布图特征截面3主要表示距离风口较近的区域的温度和速度分布。通过对该区域的模拟可以看出，在正对风口区域的风速会略高，而该区域的PMV和PPD值显示在该区域，人体感觉略冷，但由于风口位置较高，在到达空调区域的范围内，仍然能够满足舒适性要求，通过PMV值可以看出空调区域的值不超过0.5，而PPD值夜在9左右，即不满意人数占总人数的比例为9%。因此，该区域也满足设计要求。3.3.4 截面4温度和速度分布以及舒适性指标模拟结果与分析图7 截面4模拟分布图特征截面4主要表示无夹层影响的候车厅以及进站广厅区域的温度和速度分布，通过模拟可以看出，在该区域内候车厅区域的温度在24.5左右，而进站广厅的温度在26左右，PMV值在-0.30.1之间，PPD值在510之间，说明该区域的热舒适性较好，人员不满意度较低。3.4 冬季季空调气流组织模拟分析图8 截面1模拟分布图冬季工况模拟计算特征截面选取的意义与夏季特征截面相同，如图3所示。3.4.1 截面1温度和速度分布以及舒适性指标模拟结果与分析从截面1的温度场和速度场模拟结果可以看出，人员区域的温度基本维持在18左右，速度基本控制在0.3m/s以下，均符合人体舒适性要求。从人体舒适性指标模拟结果可以看出，人员区域的PMV值在-0.350.35之间，PPD值在7%以下，室内人员对舒适性的满意度较高。3.4.2 截面2温度和速度分布以及舒适性指标模拟结果与分析图9 截面2模拟分布图从截面2的温度场和速度场模拟结果可以看出，人员区域的温度基本维持在18左右，速度基本控制在0.3m/s以下，均符合人体舒适性要求。从人体舒适性指标模拟结果可以看出，人员区域的PMV值在-0.350.35之间，PPD值在6%以下，室内人员对舒适性的满意度较高。3.4.3 截面3温度和速度分布以及舒适性指标模拟结果与分析图10 截面3模拟分布图从截面3的温度场和速度场模拟结果可以看出， 候车室人员区域的温度基本维持在18左右，速度基本控制在0.3m/s以下，均符合人体舒适性要求。从人体舒适性指标模拟结果可以看出，候车厅人员区域的PMV值在-0.250.25之间，PPD值在6%以下，室内人员对舒适性的满意度较高。3.4.4 截面4温度和速度分布以及舒适性指标模拟结果与分析图11 截面4模拟分布图从截面4的温度场和速度场模拟结果可以看出， 候车室人员区域的温度基本维持在17左右，速度基本控制在0.3m/s以下，均符合人体舒适性要求。从人体舒适性指标模拟结果可以看出，候车厅人员区域的PMV值在-0.350.25之间，PPD值在6%以下，室内人员对舒适性的满意度较高。4 结论4.1 整个模拟区域的夏季温度基本分布在2426之间，冬季温度基本维持在18左右满足设计要求。对于夹层的休闲茶座，由于采用下送风的方式，会导致距离风口较近的区域夏季温度偏低，因此，在设置茶座时尽量远离风口。冬、夏季风速基本控制在0.3m/s以内，满足设计要求。4.2 通过对该区域的热舒适性参数PMV以及PPD的模拟可以