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：隨著我國經濟社會的發(fā)展，高大空間建筑作為一種建筑形式越來越常見，而隨著帶來的一個問題即是此類建筑的空調設計與驗證的問題?？沾罂臻g建筑由于體積較大，采用常規(guī)建筑適用的集總參數法來設計往往會帶來較大的誤差，在這個背景之下，如何驗證已有的設計則有了特別的意義。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象，采用CFD模擬方法對其內部溫度、速度場進行了具體分析，并根據模擬結果對現(xiàn)有空調系統(tǒng)的設計進行評價，提出修改意見供設計人員參考。關鍵字：CFD，熱環(huán)境，高大空間建筑引言分層空調是高大空間典型的氣流組織方式，然而在其設計中存在著一個驗證的問題—即在設計階段去了解所取參數是否能夠滿足設計要求的問題。驗證問題對于空調系統(tǒng)設計十分重要，不合理的參數可能會導致兩個問題：一是空調系統(tǒng)無法保證舒適性要求；另一個則是舒適性得到滿足而節(jié)能性較差。驗證問題實質上是一個預測問題：即在空調系統(tǒng)尚未安裝之前預測該系統(tǒng)所造成的高大空間的熱環(huán)境能否滿足要求。該問題是空調系統(tǒng)設計中的共有問題，對于高大空間來說，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普通空調系統(tǒng)來說更加復雜。越來越多的實例[1][2]證明計算流體方法（CFD）是解決這一問題的最佳選擇。在本文中采用CFD模擬方法對某車站候車大廳——高達空間建筑的室內熱環(huán)境進行分析研究，并根據模擬結果對于現(xiàn)有的空調系統(tǒng)提出了相應的改進建議。模擬對象介紹模擬的對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)域為南北售票大廳而紅線區(qū)域為候車大廳）座位區(qū)球形噴口所在位置置換風口所在位置N座位區(qū)球形噴口所在位置置換風口所在位置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)域為候車大廳的截面示意圖。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有置換送風口，大廳中部南北相對設有球形風口，屋頂設有排風口。候車大廳東西兩端主要依靠置換送風來滿足制冷要求。而在中間部分由于跨度較大，則采用噴口送風加機械排風的方式來滿足大空間的空調要求（如圖3）。圖3候車大廳噴口送風加機械排風系統(tǒng)示意圖機械排風與空調系統(tǒng)相結合的混合系統(tǒng)的設置可排除余熱、降低上部空氣溫度和屋頂內表面溫度，以減少非空調區(qū)向空調區(qū)的對流熱轉移和輻射熱轉移，從而減少空調區(qū)冷負荷達到節(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較大、風口較多，對整個候車大廳進行CFD建模將由于網格數太多而使計算量非常大，并不現(xiàn)實，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風速較低，對中間段影響區(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)域來代替整個候車大廳作為研究區(qū)域。同時考慮到大廳本身布置上南北完全對稱而東西段近似對稱的特點，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)域為選取的東側區(qū)域（以下簡稱為區(qū)域1），區(qū)域1中同時有置換通風及噴口送風的作用。粉色線包圍的區(qū)域為中間段區(qū)域（以下簡稱為區(qū)域2），該區(qū)域只有噴口送風作用。邊界條件的簡化由于候車大廳南北部與售票大廳相連，而售票大廳為空調區(qū)域且其送風方式為下送風，因此可以認為售票大廳與候車大廳之間沒有任何質量及能量的交換。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的北邊界面均設為絕熱面。模型具體實現(xiàn)本文主要采用Airpak軟件作為CFD模擬的主要工具在使用Airpak建模過程中室內熱環(huán)境的影響要素在軟件中具體實現(xiàn)方式是影響建模質量的主要問題。對于候車大廳熱環(huán)境來說，最主要的影響要素有：置換及噴射送風，屋頂排風系統(tǒng)以及太陽輻射影響。下面將分別進行討論。置換、噴射送風及屋頂排風系統(tǒng)的模擬實現(xiàn)所謂送排風系統(tǒng)的實現(xiàn)，在Airpak中實質上就是送排風口的實現(xiàn)。在Airpak中，可模擬風口的模塊主要有Openings，vents及fans。其中opening可模擬計算區(qū)域內或邊界處的送排風口，用戶可設定風口的出風溫度，速度及靜壓；vents可以模擬計算區(qū)域邊界處的送排風口，它所定義風口可視為自由入口或出口，在模擬中會根據風口處的壓力降來自動計算風量；fans主要模擬送排風機，分為兩種，一種為定流量風機，用戶可直接定義風機的體積或質量流量，對于送風口來說還可定義其出風溫度，另一種為變流量風機，用戶可定義風量與風口靜壓之間的關系。對于置換、噴射風口來說，由于其位于計算區(qū)域的內部且需要定義其送風溫度與速度，所以可采用Openings來進行模擬；而對于排風口來說，由于其位于計算區(qū)域的邊界處，且只需要定義其排風量而無需定義其排風溫度，故采用fans來模擬較為合適。2)太陽輻射的模擬實現(xiàn)在Airpak中本身自帶有相應的太陽輻射模塊即SolarLoadModel。在該模塊中，用戶首先需要定義建筑所在地區(qū)的經緯度信息、模擬日期及輻射相關參數如入射角度等。然后對于計算區(qū)域內所有對象，用戶可定義該對象的太陽輻射特性。在模擬中，Airpak會根據地區(qū)所在位置，模擬時間及輻射參數等計算出模擬時間建筑所在地區(qū)的太陽輻射量，同時根據計算區(qū)域內對象的太陽輻射特性來分別考慮太陽輻射對該對象附近熱環(huán)境的影響。然而在實際模擬過程中，SolarLoadModel的實際效果并不理想，模擬的結果與現(xiàn)實的差距較大。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)的經緯度信息、模擬日期等參數以直接獲得所在地區(qū)的太陽輻射強度相關參數。然后在計算區(qū)域中需要考慮太陽輻射的邊界處設置邊界條件為自定義外熱流，而外熱流的強度則設為計算得到的太陽輻射強度。模擬結果證明采用這種模擬方式得到的結果相較于SolarLoadMode的結果要更為接近實際過程。但需要指出的是對于采用這種方法時需對相應邊界處的網格細化，否則可能會在邊界出現(xiàn)不真實的高溫區(qū)域。4．模擬結果分析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)隨噴口送風方向的溫度梯度。在置換通風風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，南部局部溫度甚至會達到30℃，這主要是因為噴口送風制冷導致送風方向的溫度梯度。而置換通風的效果不是很明顯。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人員活動區(qū)域的平面內，各位置風速相對于區(qū)域1較小，噴口送風對其速度場的影響不是很明顯。而置換通風風口對其附近流場影響較大，附近最大的風速接近0.7m/s，仍大于置換通風舒適性要求，可能會導致產生吹風感。而噴口送風區(qū)域風速基本都小于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，說明送風沒有與周圍空氣進行充分的熱交換，也就會造成供應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風速較低，送出的冷空氣受室內負荷影響直接上升。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人員活動區(qū)域的水平面溫度大致隨噴口送風方向層次分布，噴口送風效果較為理想。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人員活動區(qū)域的風速大部分區(qū)域小于0.5m/s，局部區(qū)域會達到0.6m/s以上，總體而言風速滿足舒適性要求。結論通過CFD模擬分析，候車大廳空調送風系統(tǒng)基本能滿足大廳內的溫度、速度要求和舒適度要求，但也存在以下的幾個問題：1)置換通風區(qū)域與噴口區(qū)域之間的局部區(qū)域可能會出