候车厅大空间气流组织模拟研究论文(PDF 59页).pdf

华中科技大学 硕士学位论文 候车厅大空间气流组织模拟研究 姓名 刘显晨 申请学位级别 硕士 专业 供热 供燃气 通风及空调工程 指导教师 徐玉党 2011 01 18 I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘摘 要要 在当今的中国 城镇化速度正在逐步加快 与之伴随产生的城镇配套设施也随 之建设步伐加快 而火车站作为一个城市的标志 其功能也已经远远超越了售票以 及为旅客提供候车场所的范围 伴随着国家对城镇基础设施的投入加大 以及高速 铁路的兴起 最近几年大型火车站如雨后春笋般在中国的各大城市进行建设 然而 在人们对火车站的建筑结构进行关注的同时 火车站候车厅的热环境却没有得到相 应的重视 随着人们生活水平的提高 旅客对火车站候车厅的热舒适性的要求也越 来越高 而作为候车厅的空调系统 则是直接影响候车厅热舒适性的 因此能否设 计一套即能满足人体热舒适性的需要又能达到节能目的的空调系统 成为了人们关 注的焦点 本文以西安北站候车厅为例 利用 CFD 技术建立了计算模型 对候车厅的负 荷进行了动态模拟 并对不同气流组织形式进行了模拟研究 通过模拟得出合理的 气流组织形式 为设计提供了较为可靠的理论参考 本文首先利用能耗模拟软件 DeST 对整个候车厅的能耗进行了动态模拟 通过 模拟计算出了候车厅的冬季和夏季能耗 为进一步进行 CFD 模拟奠定了基础 在进行了负荷模拟后 利用现今暖通专业应用较为普遍的 CFD 模拟软件 Airpak 对候车厅进行建模 并选择不同的气流组织方式分别进行模拟计算 主要的计算方 案为定风量 变风量以及改变新风量 通过对不同工况的模拟计算 得出了变新风 量的气流组织形式对于该候车厅而言即能满足热舒适性要求 又能达到节能的目 的 是一个较为理想的空调系统设计方案 本文通过计算模拟 为设计提供了较为可靠的理论依据 除次之外 还表明利 用 CFD 技术进行数值模拟计算 可以花费较低的成本以及较少的时间对空调系统 的方案进行前期的模拟 进而达到预测的效果 关键词 关键词 候车厅 气流组织 模拟计算 Airpak II 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract In today s China urbanization rate is very fast the construction of urban will be built more The railway station as a sign of a city its function has been well beyond the ticketing and providing travelers a place to have a rest With the improvement of people s living standard people pay more attention to the thermal comfort of the station And the air conditioning system influences the thermal comfort of station directly So if we can design a air conditioning system which can satisfy the need of human thermal comfort and energy saving purpose has become the focus that people pay attention to In this paper a train station is used as an example And CFD technology is used to set up a model First the thermal load of the station is simulated and then different airflow organization forms are simulated The simulation result is provided for designers as reliable theoretical reference Firstly using the energy consumption software DeST to simulate the winter and summer dynamic energy of the station The result will be used for further CFD simulation Airpak which is widely used CFD software is used to set up the model and simulate different way of airflow organization The main plan includes ordinary air conditioning system VAV system and the system which can change the fresh air Through the simulation calculation of different condition the system which can change the fresh air is the best system for the train station The thermal comfort requirement and the purpose of energy saving can be satisfied Furthermore the result obtained in this thesis also indicate that using CFD technology can use less time and cost to simulate the air conditioning system So CFD technology can predict the results for designers Key words Station waiting room Air distribution Simulation calculation Airpak 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果 尽我所知 除文中已经标明引用的内容外 本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的 个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担 学位论文作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和 借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密 在 年解密后适用本授权书 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 日 本论文属于 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论绪论 1 1 研究背景研究背景 随着经济的发展以及人们生活水平的提高 人们出行的频率越来越高 作为出 行选择的主要交通工具 火车的需求也越来越大 与之相对应对火车站的要求也 越来越高 火车站除了作为旅客的集散地以为 还经常被作为一个城市的标志性建 筑 因此火车站的建筑外观一直备受关注 然而 其内部如空调系统等配套设施 则很少受到广泛关注 随着人民生活水平的提高 旅客对火车站内部的舒适性的要 求也随之提高 因此火车站内部空调系统能否满足人们对热舒适性的要求就显得尤 为重要 在中国人口数量大 人员流动性大 尤其是在春运期间 学生流 民工流汇集 在一起 导致大量人员在火车站聚集 火车站内部人口密度大 室内空气品质以及 热舒适性无法保障 甚至为疾病的传播埋下了隐患 因此 如何使火车站内部空调 系统能够满足人体热舒适性以及卫生要求成为亟待解决的问题 这一方面也成为很 多暖通人士关心的热点问题 火车站候车厅是典型的大空间建筑 其空调系统的气流组织方式以及室内的热 舒适性一直是研究的热点 而随着能源问题的日益严重 节能问题也成为研究的热 点 空调系统是在高大空间建筑的主要耗能环节 因此如何在满足室内热舒适性和 卫生条件的前提下降低空调系统的能耗变成了热点中的热点 本文以某火车站候车 厅为例 采用 CFD 技术研究不同空调方案对室内热舒适性和卫生条件的影响 希 望本文能够对实际工程的方案选择起到指导作用 1 2 CFD 技术在大空间分层空调中应用的意义技术在大空间分层空调中应用的意义 早在上世纪六七十年代 大空间空调技术就被美国的科研工作者提出 而后日 本和中国也相继提出了大空间空调技术的概念 1 目前 大空间空调技术的研究方 法主要有以下三种 2 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 根据相似理论进行模拟实验 2 采用简易能量平衡模型进行研究 3 利用微分方程进行数值求解 CFD 技术就是利用微分方程进行数值求解的方法之一 3 CFD 技术在暖通行业 的应用主要集中在基础研究和应用研究两个方面 在基础研究方面主要体现在边界 条件的确定以及热传导等导热现象的研究上 在这些领域通过采用 CFD 技术可以 将抽象 复杂的问题简单 直观化 而在应用研究方面 CFD 技术主要体现在对系 统的模拟上 主要是对室内的温度场 速读场进行求解 进而求出室内的 PMV 以 及 PPD 等相关的热舒适性参数 为工程实践中方案的选择与确定提供强有力的理论 支持 在暖通空调行业中采用 CFD 技术作为辅助手段有以下优点 1 具有预见性 在空调系统设计过程中 采用 CFD 技术可以直观的对设计 方案进行模拟 可以在空调系统未安装运行的前提下了解系统是否能够满足设计需 求 这样可以最大程度上避免不合理的设计 2 成本低 采用 CFD 技术只需要计算机便能对设计方案进行模拟计算 而 不需要其他设备设施 与实际测量和实物模型相比 计算机模拟计算的成本可以 低几个数量级 3 速度快 采用计算机进行模拟计算 可以在短时间内完成对研究对象的 模拟 并可以改变不同的边界条件对不同的工况进行模拟 从而选出最好的方案 4 可重复性强 对于某一特定的空调方案 当边界条件发生变化时 采用 CFD 技术不需要进行较大的修改就可以完成对更改后方案的模拟 虽然 CFD 技术在暖通空调领域中的应用具有以上一些优点 但我们必须看到 CFD 技术本身仍然存在着一些不足 比如单纯的理论计算是建立在数学模型的基础 上的 在建模过程中的简化会直接影响到计算的结果 另外 CFD 技术的模拟结果 与实际工程中的情况吻合情况也有待进一步论证 1 3 大空间分层空调以及大空间分层空调以及 CFD 技术研究现状技术研究现状 1 3 1 大空间分层空调技术研究现状大空间分层空调技术研究现状 大空间空调技术在国外已经有四十多年的研究历史 在 20 世纪 60 年代初 美 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 国的一家铸造厂就在其厂房中应用了大空间空调技术并取得了良好的效果 在 1968 年前苏联的格林维尔燃气轮机厂 维尔明顿反应堆燃料加工厂和什里夫波特变配电 所也应用了大空间空调技术 4 在此之后 1979 年美国堪萨斯大学 L Gorton 和 D Ball 分别进行了分层空调负荷和气流组织的研究 用简易数学模型进行了解析 5 6 1974 年日本学者小林满等通过对比试验 使某一高大空间内部的温度精确到正负 1k 冷 负荷节约 38 日本学者宫川保之等通过对模型的实验研究从理论上得出了分层空 调的冷负荷计算方法 7 国内对大空间空调的研究与应用是从上世纪七十年代开始的 上世纪七十年代 参考国外经验对一些厂房设计了大空间分层空调系统 八十年代 通过对空调系统 的实测 得出大空间分层空调的节能效果 如 1983 年建成的二江水电站主厂房发 电机房通过采用分层空调技术可以实现节能 32 8 从九十年代开始 分层空调技 术开始逐步应用在候机楼 火车站候车厅以及体育馆这类高大空间中 并取得了很 好的效果 9 10 1990 年湖南大学汤广发教授首次对分层空调进行了数值模拟 1998 年哈尔滨建筑大学的满孝新教授对高大空间分层空调的洁净指标进行了模拟研究 并为工程实践提供了理论参考 11 进入到二十一世纪 针对大空间分层空调的研究 有了进一步发展 在国内 CFD 模拟技术得到了广泛的应用 1 3 2 CFD 技术研究现状技术研究现状 CFD 技术从上世纪六十年代开始应用到暖通空调领域 在二十世纪七十年代丹 麦的 P V Nielsen 将 CFD 技术应用于空调工程领域 12 对室内的气流组织进行模拟 并将计算结果所得的数据与实验数据进行对比 验证数值计算的结果是可信的 从 此之后 在国外 CFD 技术开始广泛的应用在暖通空调领域 美国的麻省理工大学 和日本的东京大学在 CFD 的理论和应用方面做了很多研究 13 15 在理论方面主要 集中在以下方面 室内空气流动的简化模型 从描述空调系统的如流边界条件入手 进行研究 室内外空气流动的大涡模型模拟 研究大涡模型在室内外气流模拟中的 应用 室内空气流动模拟和建筑能耗的耦合模拟 16 在应用方面主要集中在以下方 面 日本和欧美已把 CFD 技术有机引入设计业务 形成高效的设计流程体系 17 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 一些著名大工程 如日本的福冈体育馆 关西机场 东京都体育馆 新国立剧场 东京国际会议中心 各冬奥会场馆及美国的玫瑰公园体育馆等都曾采用 CFD 方法 对气流组织 温度分布作了计算预测 18 19 在我国国内 CFD 技术兴起于上世纪八十年代 湖南大学和清华大学在这方面 做了很多研究 20 在上世纪九十年代 许志浩 周绍荣以及龚光彩等人分别对大空 间的分层供热 污染物分布和双向隔断气流进行了模拟计算 并得出了对实际工程 有指导意义的理论 21 近十年内 CFD 技术在大空间气流组织模拟方面的应用得到 了更为广泛的关注 22 赵彬 叶晓江 谭良才 董平等人分别用不同的 CFD 软件 对大空间分层空调进行了模拟计算 23 目前为止 在我国 CFD 技术主要的应用还 停留在应用某一软件对特定的算例进行模拟分析 与国外相比 还有很大差距尤其 是在理论分析以及软件的开发方面 差距尤为明显 1 4 本文的研究内容和方法本文的研究内容和方法 本文是应用商用软件 Airpak 对某火车站候车厅高大空间空调系统进行模拟 在 既有的设计方案的前提下 通过 CFD 技术模拟室内的温度场 速度场以及热舒适 性参数 同时 根据实际工程的情况对不同的方案进行模拟 进而得出最符合设计 要求的方案 并对不同方案的节能性进行分析 整个论文以设计过程中方案的选择 过程为思路 通过不同方案的比较 讨论适合候车厅这类高大空间气流组织的合理 方案 为工程实践提供理论依据 本文的主要研究方法是首先通过 DeST 软件对候车厅建筑能耗进行模拟 在能 耗模拟结果的基础上提出不同的空调系统的设计方案 再利用 Airpak 对空调系统的 设计方案进行模拟 验证方案是否满足设计要求 在验证后针对候车厅人流量大 负荷变化大的特点 讨论在候车厅内是否采用变风量空调系统 并通过模拟计算得 出采用变风量系统后室内的热舒适性参数 同时对变新风量系统进行模拟计算研 究 并讨论其室内空气品质 通过模拟结果选择适合于候车厅类大空间的空调系统 设计方案 为设计方提供参考 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 工程概况与工程概况与 CFD 技术简介技术简介 2 1 西安北站简介西安北站简介 西安北站仿照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 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 18 台 34 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 按最新的初步设计修改意见总建筑面积为 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 动车按 检查库 4 列位并预留两列位 动车组存车线 30 条并预留 30 条设计 另一方面 设 计借鉴了 动车组 的设计理念 将流线型作为建筑设计的手法 创造了一个充分展 现地域性和时代感的现代化火车站 效果图如2 1所示 图 2 1 火车站建筑效果图 2 2 西安北站空调系统简介西安北站空调系统简介 西安北站候车厅针对不同区域采用不同空调系统 在高架候车厅采用变新风量 的空调系统 而在一楼的进站厅采用变风量的空调系统 本文将针对不同空调系统 进行具体模拟研究 下面将具体介绍西安北站与空调系统相关的设计参数 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 2 1 室外气象资料室外气象资料 通过查 实用供热空调设计手册 可以得到西安北站室外气象条件 如表 2 1 所示 表 2 1 西安北站室外设计参数表 室外大气压 Pa 干球温度 湿球温度 日平均温度 平均风速 m s 相对湿度 夏季 95920 00 35 20 26 00 30 70 2 70 72 冬季 97870 00 8 00 2 70 67 注 西安北站夏季大气透明度为 5 级 夏季日较差为 8 7 2 2 2 围护结构热工性能围护结构热工性能 根据建筑设计方提供的围护结构材料 并查设计规范 西安北站候车厅外围结 构参数如表 2 2 所示 表 2 2 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 50 1 00 0 00 内墙 1 37 1 37 0 81 4 01 外墙 0 46 0 46 0 10 16 16 外窗 2 22 2 28 1 00 0 40 屋面 0 40 0 40 0 23 10 87 天窗 2 61 2 69 1 00 0 38 2 2 3 室内设计参数室内设计参数 根据 铁路旅客车站建筑设计规范 要求 西安北站室内设计参数如表 2 3 所示 表 2 3 火车站室内设计参数 区域 设计温度 相对湿度 普通候车厅 26 28 50 65 进站大厅 27 29 60 70 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 3 CFD 技术简介技术简介 CFD 英文全称为 Computational Fluid Dynamics 在中国大陆大多简称为计算 流体力学 24 是气流组织模拟的核心计算方法 其核心的方法是利用数值方法通过 计算机求解描述流体运动的微分方程 揭示流体运动的物理规律 研究流体运动的 时 空物理特性 25 现在比较流行的 CFD 计算软件有 Fluent Airpak Ansys Phoenics STAR CD 等 26 针对本项目的模拟对象为室内空气 所以选用 Airpak 软件进行模拟计算 下面对该软件原理做简单介绍 2 3 1 基本控制方程基本控制方程 Airpak 软件核心的计算方程是纳维 斯托克斯方程 其中包含了能量 动量以 及连续性的关系 并利用数学方程式将各个参数建立了联系 27 其实质是物理学中 物质守恒定律 牛顿第二运动定律和能量守恒定律在流体力学中的反映 是流体力 学研究的基础 28 1 连续性方程 其主要反映质量守恒原理 利用物质守恒原理 连续性方程如式 2 1 所示 0 t i i u x 2 1 式 2 1 中 流体密度 单位 kg m3 t 时间 单位 s u 气流速度 m s 下标 i 1 2 3 分别表示直角坐标系中 x y z 三个方向 在暖通空调相关的设计计算过程中 空气一般被近似简化为不可压缩的气体 因此其密度 可以近似的视为常量 因此 根据计算原则 一项为零 通过简化 公式 2 1 可以变化为 0 i i u x 2 2 2 动量方程 根据动量守恒原理 在惯性直角坐标系中在 i 方向上动量方程可以表述为 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ij iijii jij p uu ugF txxx 2 3 2 3 j il ijij ijl u uu xxx 2 4 3 能量方程 能量方程在流体区域可以用焓 h 其中 Tref 298 15K 是参考温度 的形式表示为 ith iii T hu hkkS txxx 2 5 式中 k 分子运动产生导热系数 W m K 在固体传导区域 Airpak 求解一个包含热传导和体积热源的简单的导热方程 ii T hkq txx 2 6 式中 内部热源 对于即存在导热又存在对流的求解区域 需要同时求解式 2 5 和式 2 6 4 组分方程 在实际的暖通空调系统模拟计算过程中 我们关注的大多不是流体整体 而是 主要考虑流体的某一组分 利用 Airpak 软件可以通过对该组分的对流扩散方程进行 求解 进而获得某一组分的质量分数 用 m 表示 并通过式 2 7 表示 iiii ii i mu mJS txx i 2 7 式中 单位体积内组分的产生率 组分 i 的扩散率 其主要产生的原因为浓度差 如果某一混合物中共含有 W 种组分 那么我们就可以利用公式 2 7 求解 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 W 1 个组分的质量分数 1 在 Airpak 软件中层流的质量扩散可近似的用式 2 8 表示 i i ii m i m JD x 2 8 式中 混合物中组分 i 的扩散系数 2 在湍流流体中 Airpak 采用下面的形式计算质量扩散 ti i ii m ti m JD Scx 2 9 2 3 2 湍流的模拟计算方法湍流的模拟计算方法 Airpak 模拟软件提供了四种湍流模型 混合长度零方程模型 室内零方程模型 标准的 k 方程 k 双方程 模型以及 RNG 方程模型 29 室内零方程主要应用的 环境为室内环境 而且在 Airpak 模拟软件中充分考虑了暖通行业的特点 计算过程 中队计算机要求相对较低 因此本文在计算中采用室内零方程模型 这个模型考虑了自然对流 受迫对流 混合对流以及置换通风 较适合在模拟 室内气流组织的过程中采用 该模型因为考虑到湍动的对流输运和扩散输运 因而 比混合长度的零方程模型更为合理 31 2 3 3 主要计算方法和计算流程主要计算方法和计算流程 1 求解方法 现阶段在计算流体力学应用过程中主要采用以下方法有限差分法 有限元法 边界元法 有限体积法 有限分析法等 针对不同的问题 往往根据实际情况采用 不同的计算方法 在现阶段针对工程流体问题较为普遍采用的方法为有限差分法和 有限元法 32 2 计算流程 Airpak 的不同版本采用对应的 FLUENT 软件作为计算内核作为核心 计算中对 连续方程 动量方程 能量方程求解时所采用的方法为控制体积法 控制体积法包 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 括下面三个步骤 使用计算网格把求解区域分成离散的控制体积 在每个控制体积 上将体积离散为速度 压力 温度等变量的代数方程 离散方程线化 求解生成的 线性方程组 在求解过程中 采用迭代计算 具体计算流程如图 2 2 所示 以当前 解为下一步计算得初始条件 对流动进行模拟 对于第一步计算 则以边界条件作 为流动计算得初始条件 通过压力和质量流速这两个参数对当前的动量方程进行求 解 并获得新的速度场 再通过求解连续性方程和动量方程得出压力和质量流速的 修正值 设定收敛的条件 如果计算结果达到收敛条件 即停止迭代 所得结果便 是所要计算得结果 否则 重复计算过程进行下一步迭代计算 图 2 2 CFD 计算流程图 2 4 气流组织参数及评价指标气流组织参数及评价指标 气流组织是利用不同的送风方式 使送入室内的气流能够均匀的分布到室内的 各个区域 保证室内的温度 适度以及送风速度能够满足人体舒适性的需求 其评 价参数主要集中在两个方面 一方面是经济型 另外一方面是舒适性 下面将对以 上两方面的参数进行具体阐述 1 经济型参数 经济型参数主要考虑在工作区域的能耗所占比例是否是否满足消除工作区 域的余热量所需的能耗是否最低 最主要的评价参数为能量利用系数 其定义式 如下 33 2 10 式中 tp 排风温度 室内人员设备热扰 室内外传热 CFD 计算 软件 温度速 度PMV 以及 PPD 值 模 拟 计 算 结 果 以 及 分析 11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 t0 送风温度 tn 室内工作区的空气平均温度 对于不同的送风系统和气流组织情况 其能量利用系数的值有着很大的区 别 对于一般情况下具体送风方式和气流组织情况对应的能量系数范围如下表所 示 表 2 4 不同气流组织形式的能量系数范围 送风形式 能量系数 混合通风系统 1 下送风或置换通风系统 1 气流短路情况 1 能量利用系数实际反映了室内的温度梯度 以及室内的热力分层特性 这一参 数对于火车站候车厅这类的高大空间有着重要的意义 在候车厅中 建筑本身垂直 高度较大 如果温度分层明显 则表明在工作区域满足热舒适的前提条件下能够很 好的达到节能的效果 因此对于候车厅能量利用系数越高则说明气流组织在节能方 面的效果越好 2 热舒适性参数 热舒适性参数主要包括与温度相关的参数 温度不均匀系数 kt 与速度相关的 参数 速度不均匀系数 vt以及人体的热感觉参数 PMV 和 PPD 值 1 温度不均匀系数 kt 在工作区域布置 n 个测点 测得各点的温度 则整个工作区的平均温度为 tpj 2 11 温度在工作区域内的均方根为 t 2 12 式中 tx 各测点的温度 tpj 所有测点的算术平均值 温度的均方根偏差 t与平均温度 tpj的比值即为温度不均匀系数 33 即 12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 kt 2 13 2 速度不均匀系数 kv 速度不均匀系数与速度不均匀系数的计算方法相同 在工作区域布置n个测点 测得各点的速度 则整个工作区的平均速度为 vpj 2 14 速度在工作区域内的均方根为 v 2 15 式中 vx 各测点的速度 m s vpj 所有测点的算术平均值 m s 速度的均方根偏差 t与平均速度 tpj的比值即为速度不均匀系数 即 Kv 2 16 3 热感觉参数 PMV 以及 PPD PMV 指标是引入反应人体热平衡偏离程度的人体热负荷 TL 而得出的 其理论 依据是当人体处于稳态的热环境下 热体的热负荷越大 人体偏离热舒适的状态就 越远 即人体热负荷正值越大 人就觉得越热 负值越大 人就觉得越冷 PMV 值的具体计算公式是由 P O Fanger 在收集了 1396 名美国和丹麦受试者的冷热感的 资料 得出的人的热感与人体热负荷的回归公式 PMV 0 303 exp 0 036 M C0 0275 TL 2 17 式中 M 人体代谢率 W TL 人体热负荷 表示人体产热量与人体向外界三处 的热量之间的差值 PMV 具体热感标尺如表 2 5 所示 表 2 5 PMV 热感标尺 热感觉 热 暖 微暖 适中 微凉 凉 冷 PMV 3 2 1 0 1 2 3 13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 PMV 指标表示了同一环境绝大多数人的感受 但是人与人之间存在生理差别 因此 PMV 值并不一定能够代表所有个人的感受 为此 Fanger 又提出了预测不满 意百分比 PPD 指标来表示人群对热环境不满意的百分比 并利用概率分析法 给出 了 PMV 与 PPD 之间的定量关系 PPD 100 95 exp 0 03353 PMV4 0 2179 PMV2 2 18 2 5 本章小结本章小结 本章对西安北站的工程概况进行了介绍 工程的基本参数是进行设计的基础 而围护结构的参数也是模拟计算的重要边界条件 另外本章介绍了计算流体力学的 基本知识 尤其是对本文模拟所需要的室内零方程进行了详细的阐述 同时也介绍 了评价室内气流组织的参数 为下一部分进行模拟打下一个理论的基础 14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 候车厅室内负荷模拟候车厅室内负荷模拟 3 1 室内负荷模拟的意义室内负荷模拟的意义 建筑内部的热环境以及室内的负荷状况是由室外气候条件 围护结果的情况 室内散热状况和通风空调系统所决定的 室内通风空调系统的设计目的是为了满足 室内热舒适性的要求 因此其控制过程以及运行状况也必须随着建筑内环境和室外 环境的变化而进行调节 这样才能达到设计要求进而满足室内人员的热舒适型要 求 由于室内外环境变化的影响因素较多 而且变化复杂 因此只有通过计算机对 室内的热湿状况进行模拟 才能得出较为准确的室内负荷情况以及能耗情况 这样 才能为设计提供较为可靠的理论依据 候车厅为典型的高大空间建筑 从其建筑性能以及功用来看 除了室外环境变 化对其负荷影响较大外 室内人员流动性大 也导致其室内负荷变化较大 其空调 通风系统的设计和运行方案也必须进行相应的调整才能满足设计要求 因此更应该 对其进行负荷以及建筑能耗模拟 只有通过模拟就算才能更精确的计算出候车厅全 年的负荷变化 并根据负荷变化的特点选择更好的空调系统设计方案 3 2 建筑能耗软件简介建筑能耗软件简介 建筑能耗模拟软件主要用于建筑和系统的动态模拟分析 现阶段较为通用的软 件有以 DeST DOE 2 EnergyPlus 和 ESP r 等 这类软件的主要模拟目标是建筑 和系统的长周期的动态热特性 往往以小时为时间步长 采用的是完备的房间模 型和较简单的系统模型及简化的或理想化的控制模型 适于模拟分析建筑物围护结 构的动态热特性 模拟建筑物的全年运行能耗 34 本文根据建筑物特点以及所要模拟的的对象为建筑物能耗 因此选择 DeST 软 件作为模拟工具 对西安北站候车厅进行建筑能耗进行模拟 35 15 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 3 动态能耗模拟的建筑模型和参数设置动态能耗模拟的建筑模型和参数设置 3 3 1 建筑模型构图建筑模型构图 图 3 1 为 DeST 模型中整体建筑构图 对西安北站候车厅全年逐时负荷进行模 拟时 36 针对该建筑的具体的建筑结果以及模拟计算的需要 在 DeST 中进行模型 建立时进行如下简化处理 1 基于西安北站候车厅高大候车厅空间的建筑结构 将候车厅分为两层 因为实际建筑中人员活动和空调区域都集中在该空间底部 底层为有人员的空调区 域 上层设置为一个无人员的空调房间 两层的房间设置均参考实际建筑尺寸 候 车厅负荷为两者之和 2 建筑模型构图是按照有限个坐标点定位的 对于屋顶的坡面 因对符合 计算影响不大 为了简化模型 提高计算精度 对高架层最高坡屋面采用平屋面替 代 考虑到 DeST 软件不能很好的解决曲线的围护结构 在建模中采用有限条折线 替代曲线进行建模 37 3 在模型建立过程中对功能相同或相似 位置相近 且围护结构性能相似 的房间合并为一个大区域 被合并的功能房间主要包括内区办公用房 备餐间和部 分商业建筑 图 3 1 候车大厅能耗模拟模型图 16 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 3 2 建筑模型描述建筑模型描述 1 地理位置 西安北站位于西安市 选取陕西省西安作为气象参数计算的地点 在模拟计算 软件 DeST 中存储了不同城市和地区的气象参数 根据所选城市的不同 DeST 会 调用气象数据生成程序计算当地的全年逐时气象参数 其主要气象参数包括全年的 干球温度 湿球温度 日最高气温 日最低气温以及全年的温度分布等 具体参数 如图 3 2 3 3 所示 通过模拟可以看出西安地区全年最高温度为 37 9 最低气温 为 7 9 通过模拟的温度可以对西安北站候车厅的室外计算温度以及符合分布进行初 步的估计 针对西安市室外干球温度的统计图 图 3 2 可以看出夏季主要冷负荷 集中在 6 月中旬到 8 月中下旬 这段时间气温均在 30 以上 在冬季热负荷主要集 中在 12 月中旬到 1 月中旬 这段时间的气温基本在 0 以下 图 3 2 为全年隔天干球温度统计模拟结果 图 3 3 全年温度分布统计图 17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 城市方位 南向角度 的定义如下 在 AutoCAD 图形中 规定 X 轴指向为零度角 即俯 视图中水平向右的方向 根据设计院给定图纸的北向方位 以及建筑设计的实际朝 向 选取建筑的南向方位数值为 343 600015 3 房间参数与空调系统 建筑模型将站房整体分为建筑模型将站房整体分为进站广厅 候车厅 商业区 以及候车厅夹层茶座四个区域 各层的房间功能根据实际使用状况在 Dest 软件中进 行了相应的设置 相邻的功能一致的房间 如办公室 进行了简化处理 将相同功 能的房间的室内空调作息时间进行了同样的设置 空调的作息设定按照空调期和供 暖期的时间范围进行设置 4 建筑构件 建筑的内墙 外墙 楼板 屋顶 楼地 窗的热工参数根据设计院的实际设计 数据以及围护结果所选择的建筑材料进行设置 具体参数如表 3 1 所示 表 3 1 围护结构热工参数表 围护类型名称 传热系数 w 夏 冬 传热衰减 传热延迟 h 地面 1 50 1 50 1 00 0 00 内墙 1 37 1 37 0 81 4 01 外墙 0 46 0 46 0 10 16 16 外窗 2 22 2 28 1 00 0 40 屋面 0 40 0 40 0 23 10 87 天窗 2 61 2 69 1 00 0 38 5 内扰参数设定 建筑内扰项可分为人员 设备和灯光 按照每平方米的指标选择 根据西安北 站候车厅的实际灯光和设备运行时间室内热扰设置如表 3 2 表 3 3 所示 表 3 2 灯光热扰模式 时刻 0 00 6 00 7 00 17 00 18 00 23 00 作息设置 1 0 0 1 1 0 18 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 表 3 3 设备热扰模式 时刻 0 00 6 00 7 00 17 00 18 00 23 00 作息设置 0 5 1 0 0 7 6 作息设定 1 热扰作息设定 人员热扰 根据同在西安火车站的火车进站出站信息 统计得出西安北站人员 热扰的作息模式 根据建造房间功能的不同 采用不同的人员热扰模式 表 3 4 为 进站大厅 候车厅和餐厅类型房间的人员热扰作息模式 表 3 4 进站大厅人员热扰作息模式 时刻 0 00 1 00 2 00 3 00 4 00 5 00 6 00 7 00 作息设置 0 13 0 17 0 04 0 09 0 35 0 22 0 00 0 30 时刻 8 00 9 00 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 作息设置 1 00 0 09 0 43 0 17 0 35 0 17 0 04 0 52 时刻 16 00 17 00 18 00 19 00 20 00 21 00 22 00 23 00 作息设置 0 96 0 48 0 70 0 74 0 39 0 39 0 13 0 09 2 空调系统的作息设定 当定义完系统后 在房间属性栏中上侧选中 房间组 其中的速度上下限 湿 度上下限和空调开停时间均需要进行作息设定 其中室温和湿度中作息栏每小格代 表的就是 数值 栏中输入的数值 空调开停时间 作息设定中 每小格的数值 1 代表空调开启 0 代表空调关闭 不能用小数设定 在空调和采暖期均设置为 1 3 通风的作息设定 根据实际的房间与室外通风 在通风的属性栏中 选择 逐时通风定义 通过作 息定义每时刻的通风次数 3 3 3 建筑物负荷模拟结果建筑物负荷模拟结果 将各类参数在 DeST 软件中进行设定 对西安北站候车厅进行模拟计算 具体 计算结果如下 19 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 3 4 全年负荷计算图 根据模拟计算结果可以看出 夏季冷负荷最大值为 9883 68KW 冬季最大热负 荷为 3343 39KW 根据暖通设计规范规定 在进行空调负荷计算时 所选用的设计 参数为夏季室外计算干球温度应采用历年平均不满足 50 小时的干球温度 冬季室 外计算干球温度应采用历年 1 天的日平均温度 因此按照此要求得出计算的负荷如 下表所示 图 3 5 按暖通规范去掉不满足时间的全年负荷计算图 夏季负荷去掉 50 小时的最高峰值 经计算得出的最大冷负荷值为 7455 60KW 冬季计算出的最大热负荷值为 2957 66KW 通过模拟计算可以看出 对于该火车站候车厅负荷在一天中变化较大 另外考 20 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 虑到候车厅的人员流动性随着列车的开出以及到站也有着较大的变化 因此候车厅 内的负荷变化十份的明显 因此在对于空调设计阶段应考虑如何在负荷发生较大变 化的前提下即提高候车厅的热舒适性又能达到节能的目的 3 4 本章小结本章小结 本章利用能耗模拟软件 DeST 对火车站候车厅以及进展广厅所在城市的室外参 数以及整个候车厅以及进站广厅域的负荷进行了动态模拟 从中得出了在一年之中 整个火车站候车厅以及进站广厅的负荷结果 通过对负荷结果进行分析 可以看出 在一年当中整个区域的负荷变化较大 即使在一天当中由于人员流动性大 整个区 域的负荷变化也较大 通过对整个区域负荷的模拟为下一步进行气流组织选择提供 了可靠的理论参考 21 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 候车厅热舒适性模拟研究候车厅热舒适性模拟研究 4 1 候车厅基本模型的建立候车厅基本模型的建立 根据西安北站候车厅的建筑设计方案如图 4 1 图 4 2 所示 以及候车厅能耗 模拟的情况 以候车厅实际建筑尺寸数据为基础进行模型的建立 首先根据能耗模 拟的全年最大负荷值进行模拟 通过模拟对该工况的气流组织的合理性进行分析 在根据实际方案在模拟软件 Airpak 进行建模过程中 需要根据实际进行简化 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 图 4 1 候车厅室内设计 CAD 图 图 4 2 候车厅室内设计效果图 22 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 屋顶的微小斜坡处于 25 米左右的高度 距离人员所在的空调区域较远 并且空间较大为非空调区域 因此不会对候车厅下部人员活动区的气流组织以及热 舒适性产生影响 为了简化模型 提高人员所在的空调区域的计算精度 在模型建 立过程中将屋顶设置为水平 同时取平均高度为屋顶高度 2 因为候车厅空间较大 且具有对称性 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 并通过设置镜像墙来完成整个计算 在 Airpak 软件中镜像墙的设置不影响室内的气 流组织情况 38 3 候车大厅中的售票厅以及相应的工作房间有单独的空调系统 并且不与 候车厅有气流交换 因此为了简化计算 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 不再进行单独的房间进行模拟运 算 通过以上简化 根据候车厅实际尺寸所建立的模型如图 4 3 所示 图 4 3 整体模型三维图 4 2 计算参数确定计算参数确定 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 23 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 口 具体送风参数如表 4 3 所示 同时由于高架层呈轴对称分布 取四分之一区域 为模拟区域 在对称轴上设置对称面 即 Airpak 中的镜像墙 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 根据设计过程中选择的材料以及暖通空调设计规范选择围护结构的具体热流 密度 具体热流密度如表 4 1 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 设备符合均匀分布在各个模块 上 根据负荷计算所得结果 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 53 w m2 非天窗部分为 25 3 w m2 表 4 1 围护结构热流密度 围护结构名称 夏季热流密度 w m2 冬季热流密度 w m2 外墙 19 34 屋顶 天窗 53 53 地板 5 1 22 屋顶 25 3 24 根据设计院提供的设计参数以及铁路候车厅设计规范要求 候车厅 进站广厅 以及夹层区域的各项负荷以及所需风量如表 4 2 所示 表 4 2 候车厅 进站广厅以及休闲茶座负荷表 面积 m2 设备负 荷 w 照明负荷 w 人员密度 人 m2 人员总数 人 新风量 m3 h 人 新风总量 m3 h 进站 广厅 22621 113105 452420 0 67 15156 07 12 181872 84 候车 厅 10126 50630 202520 0 67 6784 42 12 81413 休闲 茶座 4303 55939 86060 0 25 1075 75 20 21515 西安北站二楼候车厅具体送风参数如表 4 3 所示 24 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 表 4