南方某鐵路客運站候車廳分層空調設計與CFD模擬研究

戴文婷

(中鐵四院集團廣州設計院有限公司，廣東 廣州 510600)

0 引言

大空間建筑常見于航站樓、火車站、商業(yè)廣場、體育館等，其中各種復雜形式的散熱源，加上較大規(guī)模人流的高頻流動，導致室內(nèi)氣流流動和熱量傳遞復雜，而傳統(tǒng)直接的設計計算以及現(xiàn)場實測雖能在一定程度上反映大空間空調制冷/制熱所產(chǎn)生的實際效果[1-4]，但對于精準預測大空間溫度分布、氣流流動以及合理、節(jié)能地組織氣流等方面，落后于近些年國內(nèi)外廣泛應用于優(yōu)化工程設計的計算流體動力學模型(CFD)[5-7]。本文基于國內(nèi)南方某客運站候車廳工程設計有關數(shù)據(jù)，結合可靠的數(shù)值計算模型，對設計條件下候車廳全域溫度、速度分布以及人體舒適性等指標進行模擬計算和評估，為相同或相近類型大空間建筑制冷系統(tǒng)設計提供有效的優(yōu)化建議，促進能量的高效利用。

1 數(shù)值計算模型及邊界條件

1.1 物理模型

本文研究對象為南方某火車站候車廳，候車廳尺寸為：50.6 m(x)×14.2 m(y) ×34.9 m(z)，東、西兩側墻體為內(nèi)墻，南、北兩側墻體為外墻，建筑面積為1 765.94 m2，空間高大，冷、熱負荷大，采用分層空調、全空氣集中式空調系統(tǒng)，站廳室內(nèi)設計溫度為26±1 ℃，候車廳夏季計算最大冷負荷為488.8 kW，冷源采用四臺屋頂式風冷冷風型空調機組(分體式)，單臺制冷量為140 kW、風量為25 200 m3/h；送風溫差選取5 ℃，圓形噴口，送風參數(shù)采用《實用供熱空調設計手冊》[8]中推薦的計算方法進行氣流組織設計，初步確定：送風溫度21 ℃、中心標高為7 m、噴口直徑0.23 m、送風速度12.77 m/s、射程28 m，噴口數(shù)量共48個，氣流組織采用側送下回，候車廳東、西內(nèi)墻上各設置24個球形噴口和2個矩形回風口，回風口尺寸為1.5 m×3.5 m、底標高0.5 m。站廳內(nèi)包含18排座位和2臺功率均為1.5 kW安檢儀，頂棚以下3.4 m處布置有40個功率均為100 W的LED燈。為簡化模型，將雙排人體簡化為一定數(shù)量的長條形模型(1.2 m×1.2 m×2.6 m)，人體發(fā)熱量共45.8 kW，安檢儀簡化為長方體模型(1 m×1.2 m×1.3 m)，LED燈簡化為8個長條形模型(0.6 m×0.2 m×28.2 m)。簡化后的模型如圖1所示。

圖1 候車廳幾何模型示意圖

1.2 邊界條件

根據(jù)《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》以及當?shù)貧v史氣象數(shù)據(jù)，廣州夏季空調室外計算干球溫度tw=34.2 ℃，站廳室內(nèi)設計溫度為26±1 ℃。圍護結構分空調區(qū)和非空調區(qū)，分別列出計算公式以及具體求解結果，并由此獲得南方典型夏季氣候條件下的模型邊界條件，如表1所示。出口邊界條件為自由出流。

(1)非空調區(qū)的空氣問題計算表達式：

t2d=tw+2～3 ℃

式中：t2為室內(nèi)非空調區(qū)計算溫度，℃；t1為室內(nèi)空調區(qū)計算溫度，℃；t2d為廳頂下表面附近空氣溫度，℃。

表1 候車廳各內(nèi)表面溫度求解值

(2)室外綜合溫度計算表達式：

式中：tz為室外綜合溫度，℃；ρs為太陽輻射吸收系數(shù)，按《實用供熱空調設計手冊》[8]表4.1-11中的數(shù)據(jù)選用；I為水平或垂直面上太陽輻射照度，W/m2，按表4.1-10中的數(shù)據(jù)選用；αw為外表面換熱系數(shù)，取19.0 W/(m2·K)。

(3)非空調區(qū)和空調區(qū)各個內(nèi)表面溫度計算表達式：

式中：tn為室內(nèi)計算溫度，空調區(qū)為t1，非空調區(qū)為t2，℃；K為圍護結構傳熱系數(shù)，W/(m2·K)； Δtzh為綜合溫差，℃。αn為外表面換熱系數(shù)，取8.72 W/(m2·K)。

1.3 計算模型

本模型采用CFD軟件進行模擬計算。站廳內(nèi)空氣符合Boussinesq假設，僅考慮溫度變化對空氣密度的影響，并在動量方程中計算氣體浮升力時才考慮其密度變化。采用RNGk-ε湍流模型模擬站廳內(nèi)氣體湍流流動，采用標準壁面方程計算貼近壁面的氣體湍流流動。近壁面第一個網(wǎng)格節(jié)點高度控制在0.05 m以內(nèi)，網(wǎng)格增長比例控制在1.05，以保證標準壁面方程的準確度。離散控制方程采用穩(wěn)定可靠的SIMPLE pressure-velocity耦合算法。能量方程計算收斂容差為10-6，其他方程收斂容差為10-3，連續(xù)性方程和能量方程的迭代差低于5%時，即可判定穩(wěn)態(tài)計算已收斂。

2 計算結果與分析

初步的氣流組織設計工況下，送風溫度為21 ℃，候車廳設計溫度為(26±1) ℃，通過數(shù)值模擬計算，獲得整個候車廳大空間內(nèi)的氣流流場與溫度場，研究分析主要剖面的溫度分布和速度分布情況，并結合PMV-PPD指標，評價空間內(nèi)人體舒適性。

分別在z方向和y方向上分別選取z=28 m和y=1.1 m剖面的溫度場與射流流場，以分析送風射流對在工作區(qū)的x方向的變化情況以及在旅客坐姿狀態(tài)頭部位置的具體分布流情況。

2.1 溫度場分析

z=28 m剖面溫度分布狀況如圖2所示，其中左邊界為西內(nèi)墻，右邊界為東內(nèi)墻。從圖2中可以看出，左右兩側噴口噴射的冷氣流在z向7 m高處形成隔斷氣流，將候車廳分為上部溫度較高的非空調區(qū)和下部溫度較低的空調區(qū)。y=0.1 m剖面溫度分布狀況如圖3所示，其中左邊界為西內(nèi)墻，右邊界為東內(nèi)墻。從圖3～圖8中可以看出，y=0.1 m剖面平均溫度為27.2 ℃，y=0.6 m剖面平均溫度為27.0 ℃，y=1.1 m剖面平均溫度為26.5 ℃，y=1.7 m剖面平均溫度為25.7 ℃，y=7 m剖面平均溫度為25.4 ℃，靠近屋頂y=14.1 m處溫度達到了33 ℃。可知，y=1.1 m剖面平均溫度基本符合設計要求，y=0.1～1.7 m剖面溫度梯度為-0.94 ℃/m；空調區(qū)y=0.1～7 m剖面溫度梯度為-0.26 ℃/m，非空調區(qū)y=7～14.1 m剖面溫度梯度為1.07 ℃/m，在候車廳z方向出現(xiàn)明顯溫度分層，溫度伴隨高度升高而增加。左右兩側噴口噴射的冷氣流在噴口附近形成低溫區(qū)，并在流動過程中不斷卷吸周圍熱空氣，發(fā)生冷熱能量交換，溫度升高，可看到射流末端溫度均到達(26±1) ℃范圍內(nèi)，滿足設計要求。

2.2 速度場或Vector分析

z=28 m剖面的速度分布狀況如圖9所示，其中左邊界為西內(nèi)墻，右邊界為東內(nèi)墻。噴口噴射的冷氣流以12.77 m/s的初速度迅速卷吸周圍的熱空氣，并進行動量交換，其軸心速度沿氣流射程方向不斷減小。工作區(qū)0～2 m高度區(qū)域基本處于回流區(qū)，氣流平均速度為0.265 m/s，符合《實用供熱空調設計手冊》[8]對室內(nèi)空氣品質標準值的規(guī)定，人體舒適性較高。同時可以看出，兩股對噴射流在旅客候車廳上部、候車廳中間位置搭接，但搭接位置略高于工作區(qū)高度，可能導致能耗增加，可對送風參數(shù)進行進一步優(yōu)化。

圖9 z=28 m剖面的速度分布圖

2.3 人體熱舒適性評價(PMV-PPD指標)

z=28 m剖面的PMV狀況如圖10所示，其中左邊界為西內(nèi)墻，右邊界為東內(nèi)墻。可以看出在人員工作區(qū)正上方隨著射流路徑存在一定微涼區(qū)域，人員座位之間的過道存在微暖區(qū)域，人員工作區(qū)域均處于PMV=0左右，人體感覺溫度適中。z=28 m剖面的PMV平均值為-0.282，y=1.1 m剖面的PMV平均值為-0.162，而工作區(qū)域0～2 m高度范圍內(nèi)的PMV平均值為0.258，-0.5≤PMV≤0.5，可得不滿意度PPD≤10%。

圖10 z=28 m剖面的PMV分布圖

3 結論與建議

本文以某火車站候車廳為研究對象，通過理論計算確定了分層空調的送風參數(shù)和噴口安裝高度，采用CFD軟件對設計工況下工作區(qū)的溫度速度分布進行了模擬預測，并得到了PMV-PPD指標。

圖11 y=1.1 m剖面的PMV分布圖

(1)初步設計工況下，候車廳的溫度分層效果顯著，空調區(qū)與非空調區(qū)的溫度梯度分別為-0.26 ℃/m、1.07 ℃/m，工作區(qū)的平均溫度和平均速度分別為26.9 ℃、0.265 m/s。

(2)人員工作區(qū)域均處于PMV=0左右，人體感覺溫度適中；工作區(qū)域0～2 m高度范圍內(nèi)的PMV平均值為0.258，-0.5≤PMV≤0.5，可得不滿意度PPD≤10%，設計工況整體舒適性較高。

(3)由速度場分布可知，兩股對噴射流在旅客候車廳上部、候車廳中間位置搭接，但搭接位置略高于工作區(qū)高度，可能導致能耗增加，后續(xù)研究可對送風參數(shù)進行進一步優(yōu)化。