某火车站过度季节自然通风CFD模拟研究

1 某火车站过渡季节基于 CONTAMW 的自然通风 模拟分析 华中科技大学 张威 徐玉党 方进 姜涛 摘要 摘要 良好的自然通风设计 既可以达到节能的目的 又有助于改善室内的空气品质 本文通过 针对某火车站过渡季节的气候条件及建筑特征 利用 CONTAMW 软件进行过渡季节自然通风 模拟计算与分析 对其通风效果进行论证 并提出设计方案 关键词 关键词 自然通风 节能 过渡季节 CONTAMW 0 引言 自然通风是暖通空调行业利用自然资源最直接的方式之一 合理的自然通风在降低公共建 筑运行能耗 提高建筑内空气品质方面 起到至关重要的作用 公共建筑室内热源较大 全年 有相当长的时期需要供冷 而室外温度仍然处于相对较低的温度范围内 此时若引入室外的空 气带走室内热量 将有效缩短空调设备运行时间 降低空调能耗 同时 公共建筑一般室内人 员密度比较大 建筑室内空气流动 特别是自然 新鲜空气的流动 是保证建筑室内空气质量 符合国家有关标准的关键 1 工程概况 本工程位于西安市 车站分为高架层 站台层 出站层 地铁站台层四个主要层面 建成 南北双向客运站房 双向站前广场 形成南主北辅 双进双出的规模格局 站型采用高架候车 与线下出站的布局方式 旅客 上进下出 站房主体以钢结构为主 面积为 33 1 万平方米 车站全长 8 4km 其中车场部分 3 4km 动车所及走行线部分 5km 南北长 184m 东西长 470m 车场为 3 场 18 站台 34 股道 车站中部设置贯通站台和玻璃屋顶的中庭空间 绿色通道 和候车室围绕中庭设置 整个屋顶由 11 个单元体组成 每个单元体在中间高起的屋脊处开以 梭型的天窗 2 建筑设计参数 2 1 过渡季节室外参数 室外气象数据包括室外空气温度 湿度及风速等 西安位于欧亚大陆桥的心脏和中国地理 中心位置 属暖温带半湿润的季风气候区 四季分明 气候温和 一般以 4 5 9 10 月 作为过渡季节 根据中国气象局陕西西安气象监测站对近 30 年来西安市的室外气象数据进行 分析 得到月平均室外参数 如表 1 所示 表 1 西安 1971 2000 年 气候标准值 月份 月平均气压 Pa 月平均气温 0C 月平均相对 湿度 月平均风速 m s 49678014 7681 8 59647019 8681 8 99686019 9791 4 109747013 9771 3 根据以上的温度 风速 风向统计结果 选择最不利情况进行计算 取 9 月份为计算月份 室外温度 19 90C 为室外计算温度 同时通过西安市的风玫瑰图 可以查出西安市 9 月份主导 风向为北偏东 10 平均风速 1 4m s 2 2 过渡季节太阳辐射 过渡季节期间每天的太阳辐射值由 DeST 软件气象数据库中的数据生成 如图 1 所示 取其 2 间太阳辐射最大日 9 月 2 日 14 00 的总辐照度作为屋顶外表面获得的辐射能量 其值为 800W m2 根据屋顶透明部分的遮阳系数 SC 值 按 公共建筑节能设计标准 GB50189 2005 规定 西安属于寒冷地区 屋顶透明部分遮阳系数 0 50 和透光部分面积比 计算建筑候车 室层接受的辐射热量 如表 2 所示 图 1 自然通风日太阳总辐射强度的逐日分布 表 2 太阳辐射得热平均值 直射辐射 W m2 散射辐射 W m2 总辐射 W m2 太阳辐射 700100800 遮阳系数 SC 0 35 24535280 屋顶透光面积占候车室 层面积的比例为 0 09 22 053 1525 2 2 3 室内计算参数 我国国家标准 采暖通风与空气调节技术规范 CBJ19 87 对舒适性空调和采暖的舒适 性室内温度都有概括性的规定 确定夏季空调季节季节室内设计温度为 26 冬季采暖温度 为 18 但是由于自然通风室内温度紧随室外气象条件变化 而且是随机的 不稳定的 因 此这样的标准显然是不适合采用自然通风的建筑 本文采用由 GailschillerBrager 发表在 ASHRAEJournal 上的适合于办公建筑的自然通风标准 当室外计算温度为 19 9 时 根据自然 通风热舒适性标准确定室内设计温度为 24 同时根据不同房间的人员密度 灯光 设备发 热量和太阳得热 计算得到各功能区域的负荷如表 3 所示 3 CONTAMW 自然通风模拟计算 CONTAMW 是美国国家标准和技术研究院 NIST 下属的建筑火灾研究实验室开发的用于建 筑物内多区域空气流动模拟研究的软件 CONTAMW 的网络法把整个建筑物作为一个系统 其中 每个房间作为一个区 或网络节点 认为各个区内空气具有恒定的温度 压力和污染物浓度 门 窗等气流路径视为阻力单元 各个区通过各种气流路径相连 网络法利用质量 能量守恒 等方程计算风压和热的空气流动形态对自然通风效果的影响 表 3 各功能房间的发热量 人数 人员 负荷 设备 负荷 照明 负荷 太阳 辐射 面积体积 负荷 总计 房间 名称 人 wwww m2m2m3w 北向候车室 347818978912874988350519151910301498 南向候车室 3652199298173691121060588855395328773 高架候车厅 135697404345023038559025 2202523908641686604 高架进站厅 30312165409611221086139025 2452428731713767795 二层售票厅 415722683611328869720456826038325136 休闲茶座层 19061040084916414515625 27624103686490453 总 计 5707431144612531751690049 8876515010646900259 3 3 1 建立 CONTAMW 计算模型 根据设计条件 在不影响计算结果的前提下 对模型进行如下简化 由于 CONTAMW 为平 面网络模型 相同面上的任何区域视为均匀区域 同等考虑 所以在 CONTAMW 模型中 只要求 门窗的尺寸及中心标高与设计尺寸相同 而门窗在同一面上的水平位置不必去追究 同时 将 水平标高相同的开口进行合并 由于过渡季室外温度和室内温度相近 传热模拟时 只考虑 通过自然通风带走房间内热源 包括人员 设备 照明 的发热量及太阳辐射的得热量 一 层及其夹层的楼内附属办公室 卫生间 不参与自然通风 在模型中未考虑 建筑所有与室 外连接的外门均开启参与自然通风 包括进站电梯自动门 对该火车站建筑 CAD 图进行以上简化 并根据 CONTAMW 的相关要求 建立如下模型 下 面各 CAD 图中的红色和绿色阴影区域为需要考虑的区域 按建筑每层的平面布置状况建立平面 网络模型 划分并定义网络节点 房间区域 的面积 体积 温度 建筑开口方式 在建筑一 二层下部距地面 300m 高处各开一排高 300mm 的上悬窗 上部开一排高 600mm 的上悬窗 上 悬窗开启角度为 15 二层通往站台的自动门开启 外门 天窗按建筑图纸中尺寸设计 图 2 北侧站台候车室平面图与 CONTAMW 模型 图 3 南侧站台候车室平面图与 CONTAMW 模型 图 4 高架进站候车层平面图与 CONTAMW 模型 图 5 屋顶天窗平面图与 CONTAMW 模型 3 2 CONTAMW 模拟结果分析 利用 CONTAMW 建立通风流通路径网络模型 进行模拟计算 下图显示了模拟结果 表 4 列 出了各通风路径的各参数 数值前的 表示开口的风为离开该区域 图中红色线条代表压 降 绿色线条代表通风换气量 图 6 北侧基本站台候车室模拟结果 图 7 南侧基本站台候车室模拟结果 4 图 8 高架层自然通风模拟结果 图 9 屋顶天窗自然通风模拟结果 表 4 各模拟区可开启路径的流通面积及通风量 风速 楼 层 位 置 类型 面积 m2 150窗通 风量 kg s 风速 m s 楼 层 位 置 类型 面积 m2 150窗通风 量 kg s 风速 m s 北面外门 57 6143 272 07 北面上部窗 9020 600 19 北面下部窗 126 840 47 外门 123196 411 33 北面上部窗 3918 780 40 下部窗 2710 130 31 南面外门 52 8116 851 84 西面 上部窗 264 44 630 14 南面下部窗 126 110 42 外门 123221 831 50 北 向 候 车 室 南面上部窗 3915 920 34 下部窗 2711 340 35 北面外门 52 8131 152 07 东面 上部窗 26421 420 07 北面下部窗 126 830 47 外门 3660 971 41 北面上部窗 3918 740 40 下部窗 25 29 980 33 北面侧门 4 511 182 07 2 南面 上部窗 90 10 140 09 南面外门 57 6127 261 84 北向候车室电梯通道 480 307 760 53 南面下部窗 126 100 42 南向候车室电梯通道 480 317 140 55 1 南 向 候 车 室 南面上部窗 3915 880 34 二层左侧往站台外门 1221 641 50 外门 3673 401 70 二层右侧往站台外门 1219 161 33 2 北 面下部窗 25 211 880 3990 上悬屋顶天窗50 4 88 301 46 根据以上模拟结果可以分析得到 室外较冷空气从地面层外门和外窗进入室内 带走一层 室内热量 由于一层引进的通风量远远大于消除一层余热所需通风量 所以空气被加热到一定 程度 沿南北侧基本站台候车室的手扶电梯口向上流动进入二层大厅可以继续用来消除二层的 余热 同时从二层大厅的外门及下部窗户也引进部分新风 从二层引进的新风与一层消除余热 后的空气共同带走二层余热 通过顶部天窗和二层上部窗户排出室外 自然通风路径如图 10 所示 5 图 10 自然通风时建筑内部通风路径 由表 4 可以看出 自然通风时 门窗的最大风速为 2 20m s 经过实验研究发现风口产生 哨声的风速临界值为 4m s 所以本自然通风设计风速符合要求 不会产生哨声 3 3 自然通风量的理论校核 以下通过自然通风的理论计算校核其模拟结果 全面通风换气量由消除室内余热和满足通 风换气次数来决定 计算如下 根据室内负荷及自然通风进排风温度 得出为了排除余热所需要的通风换气量 G 6900 3 1 01 25 3 19 9 1265 2kg s pj Q G c tt 根据建筑体积 得出为了满足自然通风换气次数 按每小时 2 次取 所需通风换气量 G G nVf n 3600 2 1501064 1 2 3600 1000 7kg s 为了满足卫生条件所需通风量 人员新风量取 10m3 ph G 57074 10 1 2 3600 190 2kg s 3600 pn Gng 确定最终的全面通风量 为了使自然通风达到室内舒适的要求 必须同时满足以上三点 比较三者大小 G G 因此 选取最大的作为计算所用的全面通风换气量 即最终的全面通风换气 G 量为 1265 2kg s max GG G G 由可开启窗户面积的空气流通量来校核按消除余热的计算通风量是否满足自然通风效果 模拟自然通风空气量与消除余热理论通风量对比如表 5 所示 表 5 自然通风空气量与消除余热理论通风量对比 模拟区消除余热通风量 kg s 模拟通风量 kg s 是否满足 北侧基本站台候车室 55 3307 7 满足 南侧基本站台候车室 60 3317 1 满足 高架层进站候车区域 1149 61372 5 满足 模拟区域总风量 1265 21997 3 满足 4 结论 本研究在分析了建筑所处地域性气候条件后 根据建筑特点选取了合理的自然通风策略形 式 并运用 CONTAMW 软件对该火车站过渡季节自然通风进行模拟计算及分析 得到以下结论 对该火车站在可利用自然通风的过渡季节 整个建筑模拟区域对外可开启面积为 3100 5m2 外门和通往站台自动门全部敞开 上悬窗按 15 屋顶天窗按 90 开启的方式 能达到的最大自然通风量为 1997 3 kg s 可以很好的满足消除模拟区域余热的要求 且自然 通风的余量较大 可以根据室内温度适当的关闭部分门窗 6 在该设计中 虽然从总风量上来说 下部 15 上悬窗的风量相对于总风量比例非常小 但是对于空气品质却是起到非常大的作用 它使得新风气流的分布更为均匀 通过模拟分析 保证了该火车站通风策略的有效性和可靠性 使在过渡季节可以全部或部 分用自然通风来代替空调制冷系统消除室内负荷 从而达到了节能的目的 并同时很好的改善 了室内的空气品质 参考文献参考文献 1 宋清弟 暖通空调技术在室内