《某高鐵站特殊高大空間室內熱環(huán)境模擬研究》4000字（論文）

某高鐵站特殊高大空間室內熱環(huán)境模擬分析目錄TOC\o"1-2"\h\u30516某高鐵站特殊高大空間室內熱環(huán)境模擬分析 1118031工程概況 1280272候車室內熱環(huán)境模擬計算 2239532.1模擬計算的提出 2131522.2候車室空調系統(tǒng)設置形式 3280752.3候車室氣流組織模擬 3168522.4人體熱舒適性計算分析 7229593結論與建議 815562參考文獻 8摘要:S西站高架候車室為大范圍玻璃穹頂，太陽輻射透過玻璃直接照射到人身上，將顯著提高機體熱感覺，這就對室內熱環(huán)境的控制有了全新的需求。從建立空調系統(tǒng)、氣流組織模擬和人體熱舒適性分析三個方面，對候車室熱環(huán)境進行仿真分析，希望獲得完全符合人體熱舒適度的玻璃遮陽系數(shù)、溫濕度、風速參數(shù)數(shù)據(jù)和地板輻射供冷參數(shù)數(shù)據(jù)的深入研究，對類似工程建設的設計具有現(xiàn)實指導意義。關鍵詞:S西站；太陽輻射；氣流組織模擬；人體熱舒適性1工程概況S西站高架候車室的屋面跨度范圍為114m、整體長度為394m，編織網(wǎng)拱形框架結構體系，設計高度37m，單層候車室規(guī)劃建筑面積約4萬m2，屋頂展開建筑總面積大約為5.6萬m2。鋼結構建筑面積約1.3萬m2，透明玻璃屋頂建筑面積約3萬m2，三角形檁條的建筑面積大約為1.3萬m2。圖1-1S西站高架候車室效果圖2候車室內熱環(huán)境模擬計算2.1模擬計算的提出S西站高架候車室的拱形屋頂總體為玻璃幕，以優(yōu)美通透的視角，無附屬內、外遮陽設施，需要考慮室內人員在夏季對熱舒適性的影凹。人體熱舒適性，它是人體根據(jù)自身熱平衡條件，與周圍環(huán)境的熱感覺，經(jīng)過綜合評判而產(chǎn)生的一種主觀的評定或評判。除著裝、活動方式及其他個人因素以外，影響機體熱平衡，進而對熱舒適性產(chǎn)生影響的環(huán)境因素有溫度和濕度、氣流速度與輻射換熱量的關系[1]。參照《GB50189-2005公共建筑節(jié)能設計標準》，S西站候車大廳空調系統(tǒng)要求工作區(qū)域設計溫度在26~28°C之間，相對濕度50%~70%B。在這種技術需求情況下，空調設計要解決兩大難題：一是如何對送風參數(shù)進行優(yōu)化，使其能夠適應高大空間工作區(qū)對溫度和濕度的要求；二是在夏季舒適度要求下，玻璃幕中太陽能透射率怎樣合理選取。文中作了如下兩個方面的計算和分析。1)依據(jù)理論體系送風溫度和送風量是框架基礎，利用CFD數(shù)值模擬系統(tǒng)進行了站房拱形穹頂玻璃幕在不同太陽能透光率下的組織計算資料研究，室內溫度分布、溫度層結和密度場隨著送風速度和送風溫度差異產(chǎn)生的結構變化，最后，確定了達到室內溫濕度指定要求的送風速度與溫度[2]。2)對于嚴格篩選出的滿足室內溫濕度規(guī)定要求的玻璃幕太陽能透光率、送風溫度和送風速度的組合搭配進行熱舒適綜合分析，結果確認出既滿足室內溫濕度明確要求，又滿足人體舒適體驗的空調送風方式及玻璃幕太陽能透射率[3]。2.2候車室空調系統(tǒng)設置形式高架候車廳使用全空氣分層空調設備，并且密切結合地板輻射供冷，實現(xiàn)了對室內溫濕度的穩(wěn)定調控。中心區(qū)域與進站樓道口有機地組合，頂部的四個周邊范圍內設有鼓型噴口，底部布置需要集中的回風口，雙側商業(yè)夾層空間的吊頂內部設置有球形噴口，風口布置如圖2所示。2.3候車室氣流組織模擬2.3.1物理模型計算中選擇了含有兩個下站樓梯，并有代表性的地區(qū)，地面尺寸如下：長度x寬度=43mx57m，具體的物理模型如圖3-1、3-2所示，風口具體尺寸見表1圖2-1計算區(qū)域物理模型圖2-2進站口封口布置圖表1各風口參數(shù)表風口名稱風口類型風口尺寸/mm風口數(shù)量/個S1(S2)球形噴口(側面送風口)φ40040S3鼓形噴口(樓梯背后送風口)750x2508S4鼓形噴口(樓梯側面送風口)750x2504S5鼓形噴口(樓梯正面送風口)900x250122.3.2數(shù)學模型空調送風系統(tǒng)需承受候車室內太陽輻射能所形成的冷負荷、圍護主體結構傳熱產(chǎn)生的冷負荷、人員散熱功能形成的冷負荷、系統(tǒng)設備散熱性能形成的冷負荷，以及人體透氣散熱形成的濕負荷。根據(jù)連續(xù)方程、能量方程、動量方程和控制方程，利用空氣渦流RNGK-ε模型對方程組封閉求解[4]。邊界設定條件如下。（1）太陽輻射以氣象數(shù)據(jù)為基礎，S地區(qū)大氣透明度級別為五級，6月至9月太陽總輻射強度大于875W/m2的小時數(shù)為39h（見表2），可以在50h內達到不保證率使用要求，所以以該輻射強度為計算基礎[5]。表2S地區(qū)6月至9月太陽總輻射強度統(tǒng)計表太陽輻射強度范圍(W/m2)0~500500~600600~700700~800800~875>875小時數(shù)/h12271171101236839（2）人員散熱與散濕靜坐者顯熱散熱為62W/人，站立者顯熱散熱58W/人，候車大廳人員散濕狀況如下：靜坐者散濕量61g/h，輕度勞動時散濕量184g/h[6]。候車大廳內的人員密度達到0.3人次/m2，其中站內有部分站隊等候屬輕度勞動的，數(shù)量取118人；也有的因為等待時間長，坐著候車屬于靜坐，按座位滿座計算，坐在那里候車的人有618位。（3）照明與設備照明功率密度在10W/m2時白天不計照明；設備總功率為15W/m2。（4）圍護結構參數(shù)屋頂玻璃的導熱系數(shù)為2W/（m2.K），屋面鋼結構主體的導熱系數(shù)為0.5W/（m2.K），屋頂鋼結構構件的吸收效率為0.6，地面導熱系數(shù)為0.5W（m2.K）[7]。2.3.3模擬計算結果（1）太陽能透射率影響模擬計算不需要打開地板進行輻射供冷系統(tǒng)，對于不同類型玻璃屋頂，太陽能透光率，為了達到室內環(huán)境溫度和濕度規(guī)范要求，送風參數(shù)以及其相應工況室內溫度，濕度和速度的仿真結果見表3。表3各工況數(shù)值模擬計算結果工況玻璃幕太陽能透射率送風溫度/°C送風速度/(m/s)1~1.5m平面平均值溫度/°C相對濕度/%速度/(m/s)工況10.3151627.546.00.39工況20.25161627.249.40.39工況30.21614.527.049.50.40工況40.171613.527.250.00.40工況50.1161226.052.00.26注:送風速度中左側欄為站廳兩側墻體上風口以及中間電梯上方位站廳兩側墻體送風口的送風速度,右欄為其他送風管道的送風速度[8]。（2）地板輻射供冷對室內溫濕度的影響不需要打開地板進行輻射供冷系統(tǒng)，對于不同類型玻璃屋頂，太陽能透光率，為了達到室內環(huán)境溫度和濕度規(guī)范要求，送風參數(shù)以及其相應工況室內溫度，濕度和速度的仿真結果見表3[9]?；诖?，本文就不同地板輻射供冷能力對于室內環(huán)境溫濕度的影響做了數(shù)值仿真，計算結果如表4，工況三為S西站高架候車室空調系統(tǒng)的終極設計工況。表4各工況數(shù)值模擬計算結果工況單位地面面積供冷量/(W/m)1.1m高度平均值溫度/°C相對濕度/%速度/(m/s)工況1026.5480.40工況22025.6510.43工況33025.1520.42（3）設計工況下模擬結果及分析1.1m高溫度分布幾乎均一，一般情況下，溫度為23~26.9C，平均氣溫是25.1°C，相對濕度一般在40%~60%，平均相對濕度52%。大多數(shù)地區(qū)的風速在0.6m/s以下，平均風速0.42m/s，地面溫度22°C左右由模擬計算結果可知，候車廳空氣溫度和濕度滿足舒適性能空氣調節(jié)系統(tǒng)室內計算參數(shù)溫度范圍22~28°C，空氣相對濕度規(guī)定要求40%~65%，但風力風速超過規(guī)范標準的0.3m/s。同時因太陽輻射，將使人體吸熱增多，致使人體內蓄熱量的增多，因而體溫增高，造成了人體熱不舒適性[10]。需要針對這一室內熱環(huán)境對人體熱舒適性進行計算與分析，從而確定室內及維修結構的合理設計參數(shù)。2.4人體熱舒適性計算分析2.4.1PMV-PPD理論分析本研究以丹麥Fanger教授所建議之PMV-PPD為人體熱舒適性之評估準則，假設人體是熱平衡的、人體在排汗率達到最佳時，考慮人的代謝率、室內溫度、身體周圍水蒸氣的分壓力、室內平均輻射溫度、衣服熱阻、空氣流速等六個變量對人體熱舒適性產(chǎn)生影響。由于該研究成果理論沒有涉及太陽輻射能，依照它的計算程序，全面調整了公式計算，在公式計算中直接加入太陽輻射，建立以下人體熱舒適的計算方程:PMV=[0.303xexp(-0.036M)+0.0275]x{M-W-3.05[5.733-0.007(M-W)-P]-0.42(M-W-58.15)-0.00173xM(5.867-P)-0.0014M(34-t)-R1+R2-fahe(tJ-ta)}(1)PPD=100-95exp[-(0.03353PMV+0.2179PMV4)](2)式中:M為人體能量代謝率，確定了人體活動量W/m2；W是人體機能內所作的機械能，W/m2；he是換熱系數(shù)，W/（m2.K）；ta是服裝外核心溫度，C；ta是人周圍空氣流動溫度，C；fa是衣服面積比例系數(shù)，對于一個人在著裝之后，其真實外表面積占裸身表面積的百分比；R，是人體和周圍壁面之間長波輻射換熱量；R2是身體吸收太陽輻射所需要的熱量；Pa是人周圍水蒸氣的分壓力、kPa。PMV等于0時，人的感覺中等，約5%的人感覺不滿意；PMV=1時人體會有輕微的溫熱感，27%的人覺得不滿；PMV=2時人的身體感到溫暖，大約80%的人會覺得不滿。2.4.2計算結果對于處于站立姿勢的人，在玻璃太陽能透光率為0.1時,3個數(shù)據(jù)計算工況的舒適度理論計算值見表5。表中統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示。表格中的資料：對打開地板輻射供冷系統(tǒng)工況2及工況3，站姿者都能滿足良好舒適度條件。表5站姿條件下的舒適度理論計算結果工況單位地面面積供冷量/(W/m2)PMVPPD/%熱舒適評價工況101.0829.44微暖工況2200.5310.84適中工況3300.408.36適中3結論與建議本文以S西站為定量研究，對玻璃穹頂?shù)母叽罂臻g組織開展了室內熱環(huán)境的CFD系統(tǒng)模擬，并對人體的熱舒適度進行深入分析，以從中選取合理規(guī)范的屋頂玻璃遮陽系數(shù)的必要條件，綜合利用地板輻射供冷系統(tǒng)，同時增加室內人員活動區(qū)域平均風速，可以在這種特殊的高大空間中達到相對適度的人體熱舒適性，并且得到了如下建議，為類似工程的設計提供了借鑒。1)在類似玻璃穹頂大高大空間或存在面積較大玻璃屋頂?shù)目臻g，指導建議室內運行溫度為26°C,空氣相對濕度較低55%。2)在利用地板輻射采暖并有太陽輻射能的高空間中，利用地板輻射供冷成為解決人體內熱舒適性問題的有效途徑之一。3)受太陽輻射強度的影響，大大增加室內風速風向的界定標準，大幅提高人體散熱性能，可以抵消一部分太陽輻射對于人體熱舒適性的作用，不給人體冷風的感覺。4）在上述三種情況中，分布于華北地區(qū)或與日輻射強度相當?shù)钠渌麉^(qū)域，玻璃屋頂?shù)奶柲芡干渎蕬陀?0%，遮陽系數(shù)以不大于等于0.25。參考文獻[1]郝夢,任權.寒冷地區(qū)農村小學冬季室內熱環(huán)境評價[J].城市建筑,2022,19(15):4.[2]江宗渟,張亮山.華僑大學新圖書館閱覽室室內熱環(huán)境實測分析[J].建筑節(jié)能,2019,47(4):6.[3]汪秋剛,李靖,額熱艾汗,等.北疆地區(qū)室內熱環(huán)境實測及人體熱反應研究[J].資源信息與工程,2021,036(006):P.116-121.[4]張珊珊.基于過渡季節(jié)自然通風的寒地高架鐵路客站候車廳設計研究[D].沈陽建筑大學,2019.[5]何璇,羅緣,劉猛,等.昆明市地鐵站設備與管理用房冬季室內熱環(huán)境實測分析[J].土木與環(huán)境工程學報（中英文）,2019,41(6):9.[6]路洲,蔣濤.鐵路高架候車廳平天窗間接式采光設計研究[J].