某車站候車大廳熱環(huán)境cfd模擬

某車站候車大廳熱環(huán)境CFD模擬研究摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，高大空間建筑作為一種建筑形式越來越常見，而隨著帶來的一個(gè)問題即是此類建筑的空調(diào)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的問題。空大空間建筑由于體積較大，采用常規(guī)建筑適用的集總參數(shù)法來設(shè)計(jì)往往會(huì)帶來較大的誤差，在這個(gè)背景之下，如何驗(yàn)證已有的設(shè)計(jì)則有了特別的意義。本文正是以某車站候車大廳這一典型高大建筑作為研究對(duì)象，采用CFD模擬方法對(duì)其內(nèi)部溫度、速度場進(jìn)行了具體分析，并根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出修改意見供設(shè)計(jì)人員參考。關(guān)鍵字：CFD，熱環(huán)境，高大空間建筑引言分層空調(diào)是高大空間典型的氣流組織方式，然而在其設(shè)計(jì)中存在著一個(gè)驗(yàn)證的問題—即在設(shè)計(jì)階段去了解所取參數(shù)是否能夠滿足設(shè)計(jì)要求的問題。驗(yàn)證問題對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分重要，不合理的參數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)問題：一是空調(diào)系統(tǒng)無法保證舒適性要求；另一個(gè)則是舒適性得到滿足而節(jié)能性較差。驗(yàn)證問題實(shí)質(zhì)上是一個(gè)預(yù)測問題：即在空調(diào)系統(tǒng)尚未安裝之前預(yù)測該系統(tǒng)所造成的高大空間的熱環(huán)境能否滿足要求。該問題是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的共有問題，對(duì)于高大空間來說，由于其熱環(huán)境受浮升力影響較大等原因使得該問題相對(duì)普通空調(diào)系統(tǒng)來說更加復(fù)雜。越來越多的實(shí)例[1][2]證明計(jì)算流體方法（CFD）是解決這一問題的最佳選擇。在本文中采用CFD模擬方法對(duì)某車站候車大廳——高達(dá)空間建筑的室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行分析研究，并根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)于現(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。模擬對(duì)象介紹模擬的對(duì)象為某鐵路客站候車大廳。候車大廳是某客站主體建筑的主要組成部分。該客站主體建筑由南北的售票大廳及中間的候車大廳組成。（如圖1所示，黃線區(qū)域?yàn)槟媳笔燮贝髲d而紅線區(qū)域?yàn)楹蜍嚧髲d）座位區(qū)球形噴口所在位置置換風(fēng)口所在位置N座位區(qū)球形噴口所在位置置換風(fēng)口所在位置N圖1候車大廳平面示意圖候車大廳東西向長度為409.7m，南北向長度為72m,高度為33.95m。如圖2紅線包圍區(qū)域?yàn)楹蜍嚧髲d的截面示意圖。圖2候車大廳南北剖面示意圖大廳東西兩端樓梯圍欄周圍設(shè)有置換送風(fēng)口，大廳中部南北相對(duì)設(shè)有球形風(fēng)口，屋頂設(shè)有排風(fēng)口。候車大廳東西兩端主要依靠置換送風(fēng)來滿足制冷要求。而在中間部分由于跨度較大，則采用噴口送風(fēng)加機(jī)械排風(fēng)的方式來滿足大空間的空調(diào)要求（如圖3）。圖3候車大廳噴口送風(fēng)加機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)示意圖機(jī)械排風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合的混合系統(tǒng)的設(shè)置可排除余熱、降低上部空氣溫度和屋頂內(nèi)表面溫度，以減少非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)的對(duì)流熱轉(zhuǎn)移和輻射熱轉(zhuǎn)移，從而減少空調(diào)區(qū)冷負(fù)荷達(dá)到節(jié)能效果。CFD模型模型的簡化3．1.1典型區(qū)域的選取由于候車大廳建筑尺寸相對(duì)較大、風(fēng)口較多，對(duì)整個(gè)候車大廳進(jìn)行CFD建模將由于網(wǎng)格數(shù)太多而使計(jì)算量非常大，并不現(xiàn)實(shí)，因此考慮分區(qū)建模。東端區(qū)域候車大廳東西兩端的置換通風(fēng)風(fēng)速較低，對(duì)中間段影響區(qū)域較有限而中間段球形噴口分布較規(guī)律，因此在模擬可只取候車大廳東西兩端及中間段典型單元區(qū)域來代替整個(gè)候車大廳作為研究區(qū)域。同時(shí)考慮到大廳本身布置上南北完全對(duì)稱而東西段近似對(duì)稱的特點(diǎn)，所有的典型區(qū)域都可只取南北向的一半來考慮而東西兩端可只取一段作為代表（如下圖所示）。東端區(qū)域中間段區(qū)域2中間段區(qū)域2圖4CFD典型區(qū)域選取如圖5所示，黃色線包圍的區(qū)域?yàn)檫x取的東側(cè)區(qū)域（以下簡稱為區(qū)域1），區(qū)域1中同時(shí)有置換通風(fēng)及噴口送風(fēng)的作用。粉色線包圍的區(qū)域?yàn)橹虚g段區(qū)域（以下簡稱為區(qū)域2），該區(qū)域只有噴口送風(fēng)作用。邊界條件的簡化由于候車大廳南北部與售票大廳相連，而售票大廳為空調(diào)區(qū)域且其送風(fēng)方式為下送風(fēng)，因此可以認(rèn)為售票大廳與候車大廳之間沒有任何質(zhì)量及能量的交換。故從簡化模型的角度考慮可將上述區(qū)域1的南邊界面及區(qū)域2，3，4的北邊界面均設(shè)為絕熱面。模型具體實(shí)現(xiàn)本文主要采用Airpak軟件作為CFD模擬的主要工具在使用Airpak建模過程中室內(nèi)熱環(huán)境的影響要素在軟件中具體實(shí)現(xiàn)方式是影響建模質(zhì)量的主要問題。對(duì)于候車大廳熱環(huán)境來說，最主要的影響要素有：置換及噴射送風(fēng)，屋頂排風(fēng)系統(tǒng)以及太陽輻射影響。下面將分別進(jìn)行討論。置換、噴射送風(fēng)及屋頂排風(fēng)系統(tǒng)的模擬實(shí)現(xiàn)所謂送排風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，在Airpak中實(shí)質(zhì)上就是送排風(fēng)口的實(shí)現(xiàn)。在Airpak中，可模擬風(fēng)口的模塊主要有Openings，vents及fans。其中opening可模擬計(jì)算區(qū)域內(nèi)或邊界處的送排風(fēng)口，用戶可設(shè)定風(fēng)口的出風(fēng)溫度，速度及靜壓；vents可以模擬計(jì)算區(qū)域邊界處的送排風(fēng)口，它所定義風(fēng)口可視為自由入口或出口，在模擬中會(huì)根據(jù)風(fēng)口處的壓力降來自動(dòng)計(jì)算風(fēng)量；fans主要模擬送排風(fēng)機(jī)，分為兩種，一種為定流量風(fēng)機(jī)，用戶可直接定義風(fēng)機(jī)的體積或質(zhì)量流量，對(duì)于送風(fēng)口來說還可定義其出風(fēng)溫度，另一種為變流量風(fēng)機(jī)，用戶可定義風(fēng)量與風(fēng)口靜壓之間的關(guān)系。對(duì)于置換、噴射風(fēng)口來說，由于其位于計(jì)算區(qū)域的內(nèi)部且需要定義其送風(fēng)溫度與速度，所以可采用Openings來進(jìn)行模擬；而對(duì)于排風(fēng)口來說，由于其位于計(jì)算區(qū)域的邊界處，且只需要定義其排風(fēng)量而無需定義其排風(fēng)溫度，故采用fans來模擬較為合適。2)太陽輻射的模擬實(shí)現(xiàn)在Airpak中本身自帶有相應(yīng)的太陽輻射模塊即SolarLoadModel。在該模塊中，用戶首先需要定義建筑所在地區(qū)的經(jīng)緯度信息、模擬日期及輻射相關(guān)參數(shù)如入射角度等。然后對(duì)于計(jì)算區(qū)域內(nèi)所有對(duì)象，用戶可定義該對(duì)象的太陽輻射特性。在模擬中，Airpak會(huì)根據(jù)地區(qū)所在位置，模擬時(shí)間及輻射參數(shù)等計(jì)算出模擬時(shí)間建筑所在地區(qū)的太陽輻射量，同時(shí)根據(jù)計(jì)算區(qū)域內(nèi)對(duì)象的太陽輻射特性來分別考慮太陽輻射對(duì)該對(duì)象附近熱環(huán)境的影響。然而在實(shí)際模擬過程中，SolarLoadModel的實(shí)際效果并不理想，模擬的結(jié)果與現(xiàn)實(shí)的差距較大。因此在本文中考慮使用間接模擬的方式。具體方法如下：首先通過Airpak自帶的宏命令中的SolarFlux工具，輸入所在地區(qū)的經(jīng)緯度信息、模擬日期等參數(shù)以直接獲得所在地區(qū)的太陽輻射強(qiáng)度相關(guān)參數(shù)。然后在計(jì)算區(qū)域中需要考慮太陽輻射的邊界處設(shè)置邊界條件為自定義外熱流，而外熱流的強(qiáng)度則設(shè)為計(jì)算得到的太陽輻射強(qiáng)度。模擬結(jié)果證明采用這種模擬方式得到的結(jié)果相較于SolarLoadMode的結(jié)果要更為接近實(shí)際過程。但需要指出的是對(duì)于采用這種方法時(shí)需對(duì)相應(yīng)邊界處的網(wǎng)格細(xì)化，否則可能會(huì)在邊界出現(xiàn)不真實(shí)的高溫區(qū)域。4．模擬結(jié)果分析4.1區(qū)域1區(qū)域1的平面示意圖如圖17所示。圖5區(qū)域2平面示意圖豎直面溫度分布圖6區(qū)域2X=12m橫截面溫度分布云圖圖7區(qū)域2X=44m橫截面溫度分布云圖圖8區(qū)域2X=66m橫截面溫度分布云圖圖9區(qū)域2X=80m橫截面溫度分布云圖從以上豎直橫截面的溫度分布我們可以發(fā)現(xiàn)：區(qū)域2呈現(xiàn)隨噴口送風(fēng)方向的溫度梯度。在置換通風(fēng)風(fēng)口附近垂直方向上的溫度分層比較很明顯，而在其他位置基本沒有垂直方向的溫度分布。水平面溫度分布圖10區(qū)域2Z=1.5m溫度橫截面分布云圖從以上水平橫截面的溫度分布我們可以發(fā)現(xiàn)：人員活動(dòng)區(qū)域的水平面從北到南溫度值逐漸變大，南部局部溫度甚至?xí)_(dá)到30℃，這主要是因?yàn)閲娍谒惋L(fēng)制冷導(dǎo)致送風(fēng)方向的溫度梯度。而置換通風(fēng)的效果不是很明顯。速度分布圖11區(qū)域2Z=1.5m橫截面速度矢量圖從以上速度分布的平面圖可以看出，區(qū)域2人員活動(dòng)區(qū)域的平面內(nèi)，各位置風(fēng)速相對(duì)于區(qū)域1較小，噴口送風(fēng)對(duì)其速度場的影響不是很明顯。而置換通風(fēng)風(fēng)口對(duì)其附近流場影響較大，附近最大的風(fēng)速接近0.7m/s，仍大于置換通風(fēng)舒適性要求，可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生吹風(fēng)感。而噴口送風(fēng)區(qū)域風(fēng)速基本都小于0.1m/s，滿足舒適性要求。4.2區(qū)域2區(qū)域2的平面示意圖如圖27所示。圖12區(qū)域3平面示意圖豎直面溫度分布圖13區(qū)域3X=0.5m橫截面溫度分布云圖圖14區(qū)域3X=4m橫截面溫度分布云圖圖15區(qū)域3X=8m橫截面溫度分布云圖圖16區(qū)域3X=12m橫截面溫度分布云圖圖17區(qū)域3X=16m橫截面溫度分布云圖圖18區(qū)域3X=20m橫截面溫度分布云圖從以上豎直橫截面的溫度分布我們可以發(fā)現(xiàn)：區(qū)域3豎直方向溫度分布在局部出現(xiàn)了倒置，即上部區(qū)域的溫度反而低于下部區(qū)域的溫度，說明送風(fēng)沒有與周圍空氣進(jìn)行充分的熱交換，也就會(huì)造成供應(yīng)的冷量沒有得到充分的利用。分析其原因，可能是由于該部分噴口送風(fēng)風(fēng)速較低，送出的冷空氣受室內(nèi)負(fù)荷影響直接上升。水平面溫度分布圖19區(qū)域3Z=1.5m橫截面溫度分布云圖從以上水平橫截面的溫度分布可以發(fā)現(xiàn)：區(qū)域3人員活動(dòng)區(qū)域的水平面溫度大致隨噴口送風(fēng)方向?qū)哟畏植?，噴口送風(fēng)效果較為理想。速度分布圖20區(qū)域3Z=1.5m橫截面速度矢量圖從以上速度分布的平面圖可以看出，區(qū)域3人員活動(dòng)區(qū)域的風(fēng)速大部分區(qū)域小于0.5m/s，局部區(qū)域會(huì)達(dá)到0.6m/s以上，總體而言風(fēng)速滿足舒適性要求。結(jié)論通過CFD模擬分析，候車大廳空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)基本能滿足大廳內(nèi)的溫度、速度要求和舒適度要求，但也存在以下的幾個(gè)問題：1)置換通風(fēng)區(qū)域與噴口區(qū)域之間的局部區(qū)域可能會(huì)出