軌道交通高大廠房風幕性能的仿真研究

江晶晶

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司 西安 710043)

鐵路及軌道交通高大廠房及庫房(高度在10 m以上)面積占軌道交通系統附屬用房面積的50%以上[1]，承擔了車組維護、檢修等重要功能，是保障軌道交通系統正常運行的重要環節[2-3]。這類廠房為了滿足工藝需求，具有內部空間高、面積大、大門需要經常開啟等特征，冬季冷風通過大門泄露進入廠房區域往往引入了顯著的新風負荷[4-6]，在影響室內工作人員熱舒適性的同時增大了供暖系統的熱負荷。據統計，該類型高大廠房的單位面積供熱能耗約為普通民建的兩倍以上[7-8]。因此，降低冷風泄露引起的新風負荷對于改善工作區域人員的熱舒適性和節能減排具有重要意義。

大門處自然對流和環境氣流導致的無組織串流產生了較大的新風負荷。在工藝要求無法關門的條件下，工程上可以在大門處配置縱向風幕[8]或橫向風幕[9]，通過引入定向的氣流組織，形成一道空氣幕墻，利用風幕的射流慣性力平衡室內外熱壓差(溫差)導致的自然對流浮升力和環境定向氣流的慣性力，達到減小新風負荷和改善室內熱舒適性的目的。考慮到環境的風向和室內外溫差以及冬季廠房內使用暖氣時的流動特性，目前，鮮有針對這類建筑的風幕機配置指導。本文聚焦用于軌道交通高大廠房的風幕機，以降低空氣泄漏量和提高熱舒適性為目標，研究風幕機核心參數的配置準則，并分析不同環境條件下的應用特性，為軌道交通廠房配置風幕機的設計及風幕機廠家研發相關產品提供理論指導。

1 研究方法

1.1 仿真模型

本文以西北地區某車輛整備庫為例，使用計算流體力學方法研究廠房風幕的特性。廠房的尺寸為：長140 m、寬22 m、高10 m、內部面積3 080 m2，可容納四條軌道和車組。根據廠房結構圖紙和暖氣實際配置情況，在廠房側壁底部設置等壁溫邊界用來模擬暖氣片，溫度設置參考了高大廠房的供水實測溫度[1]。

機車維護廠房的模型構建區域如圖1所示，廠房大門高度為5.5 m，寬度為8 m，共2個門，總面積為88 m2，大門正上方相鄰區域各設置一個向下送風的風幕機，風幕機長為8 m、寬為0.6 m(風幕厚度)。為了考慮風幕與環境的耦合作用，廠房外部設置了長32 m、寬10 m、高16 m的環境區域，環境區域的背風邊界采用開放邊界條件。仿真模型基于ANSYS15.0平臺，選用標準k-ε湍流模型進行仿真計算，邊界條件的設置如表1所示。

圖1 機車維護廠房的模型構建區域Fig.1 Schematic of the service station and the modeling area

表1 仿真模型設置參數Tab.1 Setting parameters of the simulation model

1.2 風幕結構參數

風幕本質是空氣射流，存在射流收縮現象，對自上向下的風幕而言，射流收縮會造成風幕兩側空氣在豎直方向的速度減少，使該區域風幕的密封能力降低，最終導致風幕兩側的泄漏量相比其他部分更大，局部非均勻的泄露導致廠房內部出現局部過冷和局部過熱的現象。為了定量描述該問題，本文提出使用無量綱結構參數描述廠房大門處風幕泄漏區域的大小。風幕結構主要受環境參數和風幕機出口參數的影響，因此，使用廠房大門區域的主要泄漏面積和總面積之比來描述泄漏區域的大小。大門所在區域的局部泄漏量如式(1)所示。根據泄漏量的分布，可以計算總泄漏量(式(2))，進一步計算嚴重泄露區域所占比例α(式(3))。

G″=ρu·n

(1)

G=?ρu·ndS

(2)

(3)

式中：G″為當地質量流量密度，kg/(m2·s)；G為總泄漏量，kg/(m2·s)；ρ為空氣密度，kg/m3；u為大門處的速度矢量，m/s；n為大門法向；S為大門面積，m2。除了大門平面內的主要泄漏區域，風幕的整體結構可以由最小彎曲模量Dm表征[12-13]，其主要受風幕出口慣性力和兩側熱壓力的影響，計算式如式(4)所示。

(4)

式中：g為重力加速度，m/s2；b為風幕厚度，m；H為風幕高度，m；ρamb為環境空氣密度，kg/m3；ρ0為室內空氣密度，kg/m3。

1.3 廠房內熱環境評價指標

選取2 m以下高度范圍內廠房的15個點溫度的平均值和標準偏差來描述廠房內的溫度均勻性，并用來評價風幕機參數及其安裝方式的優劣。好的設計應當保證良好的密封性，進而保證廠房內部的溫度均勻性。溫度均勻性的定義如式(5)所示。

(5)

除了溫度均勻性，根據人體熱平衡公式，P.Fanger等[14-15]提出了PMV-PPD指標，通常定義，PMV在-0.5～0.5之間時為舒適；PMV為±1時，為稍涼或稍暖；PMV為±2時，人體感受到涼或暖，更大的PMV值則意味則人體覺得不舒適。考慮到廠房為作業區域并非傳統的辦公或生活區域，本文將PMV不舒適區(|PMV|≥3)的區域面積占比作為描述廠房內的環境的參數，其定義如式(6)所示。

(6)

為了方便處理數據，|PMV|>4(極不舒適的區域)區域的PMV大小全部設定為4。PMV計算時認為作業區人員代謝率為5.0 met，人體表面積取1.5 m2，服裝表面系數取1.15，基礎服裝熱阻取0.077 5，空氣狀態參數來自CFD模型求解結果。

1.4 風幕機性能測試方法

熱風幕機的性能在一個廠房內測試，用于驗證本文的仿真模型。安裝風幕機的門尺寸為寬4 m、高2.7 m，風幕覆蓋區域橫截面為寬3.2 m、高2.4 m。在門外搭建了長為3 m的門斗，風幕機測試測點的布置如圖2所示，通過測量門斗中距離風幕1 m處9個測點的風速數據，使用式(7)間接測量風幕機的空氣泄漏量。手持熱線風速儀的測試量程為0～10 m/s，測試精度為0.1 m/s。被測風幕機最大風速為7.2 m/s，對應風量為13 250 m3/h。風幕機加熱器功率為57.7 kW，風機功率為1.4 kW。測試時間選取冬季典型日，室外空氣溫度在-4.4～-3 ℃，室外風速在2～4 m/s范圍內波動。

圖2 風幕機測試測點布置Fig.2 Layout of test points for air curtain

(7)

2 結果及討論

2.1 仿真結果有效性分析

采用四面體非結構化網格保證計算穩定性。為了保證CFD模擬數據的有效性，以式(1)計算大門區域的總泄漏量，從而評價網格的可靠性。如圖3(a)所示，當網格數超過15萬時，計算結果與網格數無關，因此網格數量足夠保證計算精度。

使用圖2所示的測試方法對熱風幕機在直吹和側吹條件下的泄漏量進行了測試。測試結果表明，熱風幕機向外20°側吹泄漏量明顯小于直吹，與仿真結果趨勢一致，如圖3(b)所示。這是由于出風角度較小時，出風口附近的風幕會卷吸周圍空氣進入風幕，降低風幕的密封性能，因此直吹(0°)的空氣泄漏量比20°側吹要差。可以看到，仿真模型預測的趨勢與實驗數據一致。

圖3(c)對比了風幕機開、停(停機即為自然滲漏)條件下泄漏量的實驗與仿真結果，可知開啟熱風幕可顯著降低冷風泄漏量(實驗數據降低35%，仿真數據降低40%)。需要指出的是，風幕機停機自然滲漏時的流場更復雜，與室內外壓差等氣象參數相關，因此該工況仿真誤差比其他工況略大。

此外，還對比了風幕機的加熱器開停對空氣泄漏量的變化。如圖3(d)所示，當風幕機加熱器關閉時，風幕機吹風溫度為回風溫度，與室外環境溫度接近，遠低于室內平均溫度，此時稱為“冷風幕”。可以看到，仿真模型預測的趨勢與實驗數據一致：冷風幕的冷風泄漏量與熱風幕基本持平，且與風幕角度基本無關。這是由于根據式(4)，當風幕送風溫度與回風溫度相同時，風幕處室內外熱壓遠小于熱風幕工況(分母減小)，因此冷風幕的風幕最小彎曲模量(剛度)更大。只要熱風幕設計匹配合理，在熱風幕條件下可以保證風幕氣流穩定，冷風幕條件下必定可以繼續保持。在此基礎上，由于冷風幕更容易保持氣流穩定，其風幕剛度和泄漏量即使為0°向下吹，也能做到比熱風幕20°側吹效果更好。然而，這不意味著冷風幕優于熱風幕，更全面的評估詳見2.2節送風溫度的分析。

除了通過風速推算風量的測量誤差外，數值仿真簡化的湍流模型(k-ε模型)會導致一定的誤差，特別是風幕機出口風速較大，實驗工況為7.2 m/s，湍流強度高，誤差相比常規工況可能更大。根據圖3(b～d)的對比結果，除風幕機停機時泄露風量誤差為25%，其余點的誤差均在19%以內，且3個變量的變化趨勢與實驗數據保持一致，因此仿真精度工程應用可以接受。因此本文后續的仿真結果有工程借鑒意義。

圖3 模型關鍵參數驗證Fig.3 Key parameter verification of the model

下面從風幕機的設計參數和環境參數兩個主要維度進行分析。

2.2 風幕機設計參數

1)風幕機送風風速

圖4 風幕機風速與泄漏量的關系Fig.4 The relationship between air supply velocity and leakage of the air curtain

可以認為，更高的風幕機送風速度提升了空氣動壓，導致射流收縮和卷吸增強[16]，從而導致了大門處泄露風量的增加。這為工程中優化大門處的冷風入侵提供了思路。由于射流收縮的影響，空氣泄露嚴重的區域集中在大門的側邊，因此可以通過在大門單側增加門簾等措施來減少泄露風量，達到減小廠房新風負荷的目的。

在大門處布置風幕機會導致大門附近的風速較高，較大的風速會降低人們的熱舒適性，并且會對廠房內的溫度分布產生影響。圖5所示為環境風速為0 m/s時，風幕機送風速度為5.4 m/s時，廠房內部1 m高度平面內速度和熱舒適度(PMV)的分布特性。圖5(a)中所示的區域速度大于0.3 m/s處被標記出來，可以認為該區域是被風幕機和冷風入侵所影響的滲透區域，可以看到滲透區域可達59 m，達到廠房總進深的1/3以上。由圖5(a)可知，由于風幕機的射流收縮及其導致的局部冷風入侵，每個門兩側附近的風速明顯偏大，導致了大門此處PMV值偏小，此處人體感受寒冷；此外，靠近墻壁的區域由于加熱器的影響，溫度要高于中部區域，PMV值較大。廠房內部絕大部分區域的風速較小，為無風或低風速區域，風速對PMV貢獻較小。

圖5 風幕機送風速度為5.4 m/s時高度為1 m的平面風速分布及PMV分布Fig.5 Planar velocity and PMV distribution at the height of 1 m when the air supply velocity is 5.4 m/s of the air curtain

表2所示為風幕機送風速度對廠房PMV和溫度均勻性的影響。由表2可知，改變風幕機出風速度對不舒適區域占比(PMV>3)影響較小。這是因為風幕機風速增加時冷風入侵的滲透區域占比基本不變，對內部2/3區域人體表面的對流換熱表面傳熱系數影響有限。可以認為，風幕機出風速度顯著影響大門附近的風速，但并不顯著影響廠房內部的熱舒適性。雖然提高風幕機風速可以改善2 m以下區域的溫度均勻性，但由于對熱舒適性并無太大影響，綜合考慮冷風泄露和其導致的新風負荷，在滿足風幕結構穩定性后，應盡可能選取較小的出風風速的風幕機。

表2 風幕機送風速度對廠房PMV和溫度均勻性的影響Tab.2 Influence of the air supply velocity of the air curtain on PMV and temperature homogeneity

2)風幕機送風角度

當風幕機送風速度為7.2 m/s時，送風角度(0°為垂直向下，正的角度為向外)會直接影響風幕結構，從而對風幕性能產生影響：當出風角度較小時，出風口附近的風幕會卷吸周圍空氣進入風幕，降低風幕的密封性能；當出風角度較大時，風幕會直接向環境吹出，不利于風幕完整性。在這兩點競爭性因素的影響下，存在最佳送風角度。圖6所示為送風角度在0°～30°變化時空氣泄漏量的變化。可以看出，泄露量伴隨送風角度呈先降低再增大的特性，在10°～20°之間存在最小空氣泄漏量，可以認為10°～20°為最佳送風角度。

圖6 風幕機送風角度與泄漏量的關系Fig.6 The relationship between air supply angle and leakage of the air curtain

由圖6還可知，一定的送風角度可以抑制環境風速慣性力導致的冷風入侵：送風角度為10°時嚴重泄漏區域面積比垂直送風時嚴重泄漏區域面積減小了16%。風幕機送風角度為10°時高度為1 m的平面風速分布及PMV分布如圖7所示。在圖7(a)中，嚴重泄漏區域未超過51 m進深。因此，廠房內的熱舒適性也得到了改善，如圖7(b)所示，當風幕角度為10°時，進深45 m以上的位置PMV>-1，熱舒適性可以接受。

圖7 風幕機送風角度為10°時高度為1 m的平面風速分布及PMV分布Fig.7 Planar velocity and PMV distribution at the height of 1 m when air supply angle is 10°of the air curtain

3)風幕機送風溫度

風幕機送風溫度會影響射流的浮力與慣性力的比值，從而影響風幕內外側熱壓與風幕慣性力的比值，影響風幕的密封性。根據風幕射流理論，只要風幕軸線的彎曲模量不低于維持風幕穩定性的0.25[13]，風幕的慣性力可以保證風幕不會在室內外熱壓的作用下失去穩定性。風幕機送風溫度和環境溫度對風幕最小彎曲模量的影響如表3所示。由表3可知，當送風速度為7.2 m/s，送風溫度在25～60 ℃時，Dm均可滿足穩定性的要求。

加強環保工程管理體系的構建，從以下幾方面進行：（1）要加大國家宏觀管理力度，制定與環保相關的法律法規，給予環保工程建設一定的制度性保障，彰顯出法律效應；（2）能源企業要加強與社會環保部門之間的聯系，尤其在生產和原材料等方面，要加強節能、環保手段的應用，確保良好的節能環保效果[2]；（3）能源企業還要加強環保設備的購進，確保水資源良好的凈化效果；（4）在制定環保監督和管理標準時，要將環保理念充分體現出來。而且工程監管部門要加強監管隊伍的構建，嚴格監督和管理施工全過程。

表3 風幕機送風溫度和環境溫度對風幕最小彎曲模量的影響Tab.3 Influence on deflection modulus by the air supply temperature and ambient temperature

根據上述分析，風幕機送風溫度理論上不會影響風幕的密封性。模擬得到的送風溫度與空氣泄漏量的關系驗證了這一點，如圖8所示。伴隨著送風溫度的提高，嚴重泄漏區域占比得到了一定程度的下降，表明大門處泄漏總量不變時，泄漏分布更加均勻，對廠房內的熱舒適性是有利的。

圖8 風幕機送風溫度與泄漏量的關系Fig.8 The relationship between air supply temperature and leakage of the air curtain

風幕機送風溫度與平均溫度和熱舒適性的關系如圖9所示。伴隨著風幕送風溫度的上升，廠房內2 m以下區域的平均溫度快速上升，不舒適區域占比快速下降，在25～37 ℃之間不舒適區占比低于5%，之后隨著送風溫度的升高而增大。隨著送風溫度從不加熱(等于環境溫度)狀態升高，廠房內過冷的不舒適區域面積減小，但風幕機送風溫度過高時，反而會造成靠近風幕的區域過熱，對熱舒適性不利。因此，推薦風幕機送風溫度為25～37 ℃。

圖9 風幕機送風溫度與平均溫度和熱舒適性的關系Fig.9 The relationship between air supply temperature and average temperature and thermal comfort index of the air curtain

2.3 環境參數

當風幕機按照10°送風角度、5.4 m/s送風速度配置時，分別研究環境風速和環境溫度對風幕性能和廠房內熱舒適性的影響。

1)環境風速

環境風速對廠房內1 m高度平面風速的影響如圖10所示。由圖10可知，風幕門處的環境來流會在一定程度上影響風幕的形狀。在風幕門處，環境空氣被卷吸進入風幕中，部分環境空氣通過風幕泄漏至廠房內部，但此時泄漏進入廠房內部的空氣速度、溫度已經受到風幕門的影響。風幕門處及內部滲透區域速度分布受到來流空氣的影響，由于環境來流有向左的速度分量，導致廠房內左側的滲透深度(102 m)明顯高于右側(74 m)。

圖10 環境風速對廠房內1 m高度平面風速的影響Fig.10 Influence of ambient air on the planar air velocity distribution inside the service plant at the height of 1 m in the workshop

環境風速會直接影響風幕結構。圖11所示為環境風速對空氣泄漏量和熱舒適性的影響。由圖11可知，不同環境速度下(環境空氣以大門法向45°夾角吹向大門，溫度為-3.4 ℃)大門處的泄漏量。隨著環境風速的增加，大門處的泄漏量增加。這是因為隨著環境風速的增加，外界主動吹入風幕的風量增加，風幕的卷吸量增加，導致風幕密封性能下降。此外，當環境速度大于2.6 m/s時，大門處的泄漏量激增，這是因為在該環境速度下，過多的環境空氣進入風幕，導致其無法維持完整結構，使大門處泄漏量激增，此時需要增加風幕機出風速度來保證風幕結構。根據我國冬季室外氣象參數，京津冀地區和東北地區大部分城市冬季風速大于2.6 m/s，此時需考慮物理屏障等措施減小風幕處的環境來流速度，以保證大門的氣密性。

圖11 環境風速對空氣泄漏量和熱舒適性的影響Fig.11 Influence of ambient air velocity on the leakage and thermal comfort

由圖11還可知，環境風速的增加會導致舒適區域面積的下降，同時，根據表4數據，廠房內的平均溫度和溫度均勻性也隨著環境風速的增大而降低。這是因為越大的環境風速意味著越多的環境空氣被卷吸進入風幕，導致越多的環境空氣進入廠房內部。低溫環境空氣進入廠房則會導致廠房內溫度降低，溫度均勻性下降以及熱舒適區域面積占比下降。當環境風速高于2.6 m/s后，舒適區域面積變化率增大，此時風幕結構被破壞，大量環境空氣進入廠房內部。綜上所述，針對不同地區的冬季風速特性，需要配置不同規格的風幕機。

表4 環境風速對廠房內平均溫度和溫度均勻性的影響Tab.4 Influence on the temperature inside the service plant of ambient air velocity

前文探討的是風速的幅值。當風向變化時，環境風向對空氣泄漏量和熱舒適性的影響如圖12所示，不同風向角度對應的泄漏量基本一致。同時，環境風向對廠房內部區域的影響也較小。這是因為當風幕機選型合適時，環境風向不會顯著改變風幕結構，并不會顯著影響風幕的密封性能。由于本節配置的風幕送風角度是傾斜的(10°)，風幕軸線本身會進入環境，不同的環境來流方向并不會顯著影響侵入風幕區域的環境空氣風量。綜上所述，當風幕機匹配當地環境風速幅值的情況下，環境風向對廠房內部和大門處泄漏量的影響基本可以忽略。

圖12 環境風向對空氣泄漏量和熱舒適性的影響(90°為門的法向)Fig.12 Influence on the leakage and thermal comfort of the ambient air orientation

2)環境溫度

環境風速會對風幕性能造成顯著影響，從而影響廠房內部區域熱舒適性。當環境風速和風幕機出風參數不變時，環境溫度則可能會對廠房內部區域的溫度分布造成影響。

環境溫度對空氣泄漏量和熱舒適性的影響如圖13所示，環境溫度對空氣泄漏量的影響較小。這是由于根據表3的數據，環境溫度的變化不會導致風幕彎曲模量(Dm)低于維持風幕完整性的最小值0.25。由于風幕軸線彎曲模量Dm表征風幕的密封能力，因此在Dm不低于最小值0.25時，大門處的空氣泄漏量幾乎不隨環境溫度變化。另一方面，即使大門泄漏量不變，但新風負荷與室內外溫差呈正比，伴隨著環境溫度的降低，新風負荷增大，導致廠房內部區域的平均溫度和PMV熱舒適性的降低。總體上，環境溫度的綜合影響沒有風幕機參數和環境風速的影響顯著。

圖13 環境溫度對空氣泄漏量和熱舒適性的影響Fig.13 Influence on the leakage and thermal comfort of the ambient air temperature

3 結論

本文以西北地區某車輛整備庫廠房為例，通過數值仿真方法，針對風幕機送風速度、送風角度、送風溫度、環境風速、環境風向、環境溫度這幾個核心參數，從冷風泄漏量和熱舒適性兩個角度對高大廠房冬季熱風幕機的配置提出了如下建議：

1)風幕機的出風速度和出風角度不顯著影響廠房內部溫度和熱舒適性，但會對大門處的泄漏區域和泄漏量造成顯著影響：出風風速從5.4 m/s增至9.3 m/s會使大門處泄漏量從40.4 kg/s增至69.4 kg/s(增加71.8%)，因此推薦采用較小的風速(5.4 m/s)和合適的出風角度(10°～20°)，可實現泄漏量降低13.4 kg/s(24.9%)。

2)風幕機的出風溫度不會顯著影響風幕密封性能，但會對廠房內部區域的熱舒適性造成顯著影響，從熱舒適性角度推薦的風幕機送風溫度為25～37 ℃。

3)環境參數中，風向對風幕泄露量和廠房內熱舒適性的作用可以忽略，環境溫度僅會對廠房內部的溫度造成一定影響，環境風速幅值對風幕性能影響最顯著。當環境風速大于2.6 m/s時，出風風速為7.2 m/s的風幕機的風幕穩定性被破壞，泄漏量會顯著增大。在冬季室外風速過大的地區(京津冀、東北)需考慮物理屏障等措施輔助風幕作為車輛整備庫廠房的隔熱措施。

4)針對西安地區的氣候條件，建議使用出風風速為5.4 m/s、出風角度為10°～20°、出風溫度為25～37 ℃的風幕機。