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某火车站的自然通风模拟计算分析华中科技大学 姜涛 张威 徐玉党摘要：结合建筑物自身结构，设计合理有效的自然通风系统，是降低建筑能耗的关键之一。本文根据某火车站的具体建筑结构，利用LoopDA软件进行自然通风数值模拟计算，并将模拟结果与实际结构进行了对比与分析，提出了切实可行的自然通风设计建议。关键词：火车站；自然通风；loopDA；模拟计算1 引言“节能减排”已经成为当今社会的重要议题，如何节约能源已日益得到人们的重视。据统计，建筑能耗大约占社会商品用能的33%1。据分析由自然通风造成的能耗占建筑空调总能耗的30%左右2，因此自然通风成为了建筑节能的重要突破口。目前自然通风已经得到越来越广泛的应用，但是在如何设计合理有效的自然通风系统方面，还有很多问题急需解决。本文结合某火车站具体工程实例，进行了具体的自然通风模拟计算分析，提出了切实可行的自然通风设计建议。2 LoopDA软件介绍32.1 LoopDA软件简介LoopDA（Loop Design and Analysis）是为了在自然通风系统方案设计的过程中帮助设计师确定通风气流构件开口面积而开发的一款软件工具。它的原理主要是依据环路方程设计法（The Loop Equation Design Method）。环路方程设计法是一种确定自然通风构件尺寸的方法，普通，实用，它允许直接考虑热效应和风驱动的气流。2.2 LoopDA软件数学模型及原理描述LoopDA中用于通风的部件有两种，逆气流元素（Inverse Airflow Elements）和管流元素（Duct Flow Elements）。逆气流元素用来描述在墙上开的孔洞，如门窗等，直接连接两个区域；管流元素用来特指主要受热压影响，连接两个区域的开口。逆气流元素包括孔口元素（Orifice Element）和广义幂律元素（General Power Law Element）。孔口元素的计算公式如下： 正向： （2-1）逆向： （2-2）其中：是窗孔的流量系数，是窗孔的面积。是该公式的特征设计参数（Characteristic Design Parameter）。该公式的目标是求得一系列的满足通风要求的值，考虑建筑要求以及实现的可能性，选取合适的值。管流元素的计算公式如下：正向： （2-3）逆向： （2-4） 通风环路的气流驱动压力计算公式：风压（wind）： （2-5）热压（stack）： （2-6）总压力： （2-7）气流驱动压力在自然通风设计中是个非常重要的参数，其大小决定了通风所需的进、排风口面积大小。在逆气流元素和管流元素的计算公式中，气流驱动压力都是必需的。在LoopDA中，参数气流驱动压力不能显式输入，而是软件根据逆气流元素和管流元素的参数设置（如温度、相对高度等）自行计算得到的。3 模拟相关参数设置3.1 建筑物基本信息该火车站位于我国西北地区某城市。车站全长8.4km，其中车场部分3.4km，动车所及走行线部分5km，车场设计为10台18线。站房为南北双向客运站房，东西长184m，南北长348m，设计容纳人数13000人，初步设计总建筑面积为11.52万平方米，其中，高架层5.18万平方米，站台层3.04万平方米，出站层0.13万平方米。建筑效果图和室内实景图如图3.1-1、3.1-2。图3.1-1 图3.1-2 3.2 室外气象条件与室内设计参数过渡季节采用自然通风的时期按照4月13日至6月17日考虑。自然通风由于室外环境的不确定性，室内风速均处于被动状态，这一动态变换会带来一定的“热环境效益”，即适当提高空气温度再加上动态风的作用，同时可以取得令人满意的热舒适效果。以动态环境下的建筑室内热环境为基础，确定在自然通风条件下的室内热环境可接受的空气温度为28，室内空气设计温度的提高，可以延长自然通风可以利用的时间，减少空调系统的开启时间，有利于进一步提高节能效果。该地区过渡季节风环境的特点是白天风速较高，晚上风速较低。当地的气象资料（过渡季节以五月份为依据），四月份的室外日平均温度为20.87。所以我们可以确定进风温度为20.87。考虑到过渡季节气温较低，人员衣着较厚，要保持室内人体热舒适性的状态，排风温度不宜过高。在这里，我们取进排风温差为5，这样排风温度设定为25.87，室内平均温度为23.37。风向为东北方向（北偏东45），大气压力为96470pa。3.3 模拟对象的参数设定此次模拟的边界条件和初始条件以如下假设为前提：1. 室外温度按20.87设置，模拟过渡季自然通风降温工况，以室内人员活动区域温度不超过设定温度作为通风目标。当室内温度超标时，增大该区域通风网络中阻力最大的开口，使该区域通风量增大带走室内热量；2. 由于过渡季室外温度和室内温度相近，负荷计算时，只考虑通过自然通风带走房间内热源的发热量和太阳辐射得热量，不考虑围护结构蓄热和放热量；3. 车站站房内办公室、卫生间、会议室等由于空间体积太小，并没有与室外相邻，不参与自然通风，在模型中未考虑；4. 所有的外门和可开启的窗户均参与自然通风。3.4 室内计算参数、负荷统计及各模拟区域体积表3.4-1太阳辐射得热平均值直射辐射散射辐射总辐射（W/m2）（W/m2）（W/m2）太阳辐射812.5151.4963.9考虑遮阳系数SC=0.35考虑屋顶透光面积占候车室层面积的比例为0.09284.425.653.04.8337.430.4表3.4-2各模拟区域过渡季节内热源负荷及体积统计表房间名称过渡季节设计温度人员发热量照明负荷设备负荷太阳得热负荷总计体积（）（w）（w）（w）（w/m2）（w）（m3）一层南向候车室（包括进站广厅）26365462496827736042288052089一层北向候车室（包括进站广厅）26365462496827736042288052089二层候车厅2635240744744104432230.44997792471210二层进站广厅2625179909084388487230.45339982902310二层休闲茶座268969640473756330.417116825728二层售票厅262954563135158580332665112104 模拟计算与分析4.1 计算模型根据建筑物的结构与形状建立模型如下图：图4.1-1建筑物LoopDA软件计算模型1.区域标记；2.进风口；3.排风口；4.管流模型；5.墙体结构.根据软件的计算公式可知，建筑的进、排风口面积与室内的散热量线性相关，与进、排风口之间的距离无关，因此，我们可以把建筑物一些通风环境相同的开口合并，作为一个开口考虑，最后把计算得到的总面积平均即得到各个开口的实际面积值。4.2 建筑各层进、排风口参数设置4.2.1 流量系数参数设置Cd对应的是进、排风口的流量系数，使用公式Cd=1计算得到各个进、排风口的窗孔的流量系数。各层的进、排风口流量系数值如表格所示：表4.2-1进、排风口的流量系数4楼层进风口局部阻力系数j进风口流量系数Cd排风口局部阻力系数p排风口流量系数Cd一层1.560.82.520.63二层5.650.424.90.454.2.2 流量参数设置各层、各环路的换气量如表4.2-2所示：表4.2-2各区域全面通风量楼层负荷（kw）换气量（m3/h）一层(一个区域)422.88253004二层10841.60764863964.2.3 相对高度参数设置各风口的相对高度如表4.2-3所示表4.2-3各层风口相对高度楼层相对高度（m）进风口排风口一层1.510.00二层10.725.1楼顶-43.64.2.4相对风向系数的确定相对风向系数相关参数如下图4.2-1：图4.2-1相对风向系数随建筑表面风向相对位置曲线图该地区风向为东北方向，结合建筑物表面法线与正北方向的夹角为14，我们确定建筑物表面风向相对角度为59，239，90，对应的风压相对风向系数0.2，-0.65，-0.38。4.3 LoopDA计算模拟结果4.3.1实际通风网络环路模型实际通风网络环路模型如图4.3-1所示：图4.3-1实际通风流通网络环路模型根据软件模拟结果可以看出，在建筑物的迎风面，建筑物二层的排风窗由于室外风压比较大，成了进风口，但在建筑物的背压面上，排风窗可以起到排风的作用。4.3.2模拟结果以及数据整理根据软件的模拟计算结果，我们可以得出：对于第一层，进、排风口面积如表4.3-1表4.3-1第一层各区域进、排风口面积楼层进风口面积（m2）排风口面积（m2）一层(左)152191一层(右)131165对于二层，我们分两种工况来进行模拟，即顶部热压排风量占总排风量的60%，80%。工况一：表4.3-2第二层各环路进、排风口面积楼层进风口面积（m2）排风口面积（m2）屋顶排风口面积（m2）二层(左层(右)789-工况二：表4.3-3第二层各环路进、排风口面积楼层进风口面积（m2）排风口面积（m2）屋顶排风口面积（m2）二层(左层(右)789-为了避免室内空间有较大的死角，我们应该增加顶部热压排风量在总风量的比重，所以我们选择第二种工况（即二层顶部排风量占总排风量的80%）来分析。其中：第一层的进风口（标高1.5m）主要是外门，一层的排风口（标高10.00m）主要是一层与二层的连接楼梯；第二层，进风口是外窗（标高10.7m）。统计建筑物外部总开口面积为：152+131+1342+539+789+1085=4038 m2表4.3-4建筑实际开口面积与模拟面积的比较楼层风口实际面积（m2）模拟面积（m2）一层左进风口180152左排风口155191右进风口180131右排风口155165二层左进风口46.21342左排风口273539右进风口46.2789右排风口273-天窗705.61085其中所有风口的实际面积我们均采用其最大开启面积4.3.3模拟结果分析1. 根据表4.3-4，一层的进风口面积基本可以满足设计要求，但是排风口不能满足设计面积要求。由于一层与二层的连接主要是楼梯口，楼梯口面积相对比较小，不满足设计要求，不能通过自然通风的方式得到达到理想的降温效果，在过渡季节可能需要开启空调或机械通风系统；2. 根据表4.3-4，二层的进风口实际面积太小，不能满足设计要求，建议增大二层下部开窗面积，以满足设计要求。其中的二层左排风口面积也不能满足设计要求，建议适当增大开窗面积；3. 由于过渡季节风向变化频繁，在建筑的迎风面排风口可能会出现“灌风”现象，建议尽量关闭迎风面的排风窗，以保证室内良好的通风气流组织；4. 窗户的开启总面积应该大于4038m2，这样可以得到理想的通风效果，达到节能的目的。5本文结论本文结合该火车站的具体建筑结构，利用自然通风分析软件LoopDA对其进行了数值模拟，对于第二层，分了两种工况进行模拟分析，最后将模拟结果与建筑物的实际开启面积对比，发现部分风口面积模拟设计结果相差较大，建议适当增加这些风口开口面积，或是安装自然通风器，加强通风，实现在过渡季节的自然通风，达到降低建筑能耗的效果。参 考 文 献1 清华大学建筑节能研究中心著.中国建筑节能年度发展报告2008M，.北京：中国建筑工业出版社