某貴賓候車室氣流組織及熱環境模擬分析

惠豫川 田利偉 王成哲 王 儼

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063）

0 引言

候車室作為旅客車站的重要組成部分，具有內部空間高大、人員疏密反差大、停留時間短等特點[1]，近年來對內部空氣環境質量的要求越來越高。當前，不少學者采用計算流體動力學方法對候車室的氣流組織方式進行了相應探討。姜濤[2]模擬了某火車站站臺層候車室的氣流組織，對不同方案的節能性進行了分析；劉賽可[1]以桂林地區為例，基于PHOENICS 仿真結果對候車室熱環境的優化方案進行了分析；王康[3]結合DeST 和CFD，對火車站候車廳冬夏季送風工況下的室內環境進行了計算分析，得出了不同氣流組織方式的優化比較方案；周成梅[4]以無錫火車站為研究對象，運用Airpak 模擬了不同送風方案的氣流組織和熱環境特點，并對熱舒適性進行了分析。

以上多是針對普通候車廳，較少涉及到貴賓候車室的氣流組織形式研究。相比于普通候車廳，貴賓候車室空間凈高小、出入口少、人員密度低，對空氣環境的要求也更高，傳統的空調送回風方式較難適用于貴賓候車室。本文以某高鐵站房貴賓候車室為研究對象，通過分析不同的氣流組織形式，對室內人體熱舒適性及熱環境分布特點進行討論，以期為類似工程設計提供參考。

1 設計概況

本站房為線側下式中型旅客車站，位于浙江省嘉興市滬昆線上，鐵路等級為國鐵Ⅰ級。總占地面積15000m2，建筑高度8.05m。站房內設置獨立的貴賓候車室，以供特殊人群及購買軟席候車票的乘客休息候車。

候車室設置獨立的空調系統，冷熱源為單元式空調器，采用全空氣集中空調系統，氣流組織形式為頂送頂回一次回風形式，室內機采用風管型。夏季空調設計參數為：室內溫度26℃，相對濕度60%。設計同時使用人數為13 人、照明負荷18W/m2、設備負荷5W/m2。圖1 為該貴賓候車室的效果圖示意。

圖1 貴賓候車室效果圖Fig.1 Effect picture of VIP waiting room

2 計算模型建立

2.1 物理模型

圖2 為本文分析所建立的候車室全尺寸物理模型，這里定義X、Y、Z 方向分別為候車室的長度、寬度和高度方向。候車室長12m，寬8.8m，吊頂下最大凈高3.5m，計算分析時對模型進行了一定的簡化，忽略了燈具、櫥柜、設備、辦公桌等房間細節，并按照候車室的實際布局將人員及座椅簡化為尺寸0.5m×0.5m×1.0m（高）的13 個長方體塊，條縫送風口及回風口設置于房間頂部，并結合吊頂形式布置。

圖2 候車室物理模型Fig.2 Physical model of VIP waiting room

2.2 數學模型

本文采用計算流體動力學軟件（CFD）對候車室氣流組織及熱環境效果進行預測評價，并做如下假設：

（1）在研究室內空氣流動相關問題時，流體處于低速流動狀態，可視為不可壓縮定常流動。

（2）室內空氣流動過程當中，其各個運動要素（壓力、流速等）變化量不大，可將空氣假定為穩定流，且符合Boussinesq 假設[5]。

（3）將空氣視為連續介質，不考慮質點個體的微觀運動。

（4）模擬時，認為門、窗、墻壁等孔洞密閉性良好，忽略漏風影響[6]。

（5）不考慮固體壁面粗糙度及耗散熱影響。

CFD 求解流體流動及傳熱過程中的基本控制方程包括質量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程、狀態方程和氣體組分守恒方程[7]。

質量守恒方程：

能量守恒方程：

動量守恒方程：

狀態方程：

氣體組分守恒方程：

式中：Yi表示第i種組分的質量分數；Di表示第i種組分的擴散系數；表示第i種組分單位體積的生成率。

2.3 邊界條件

在進行候車室氣流組織及熱環境模擬計算時，所涉模型邊界條件描述如下：

入口邊界：定義送風口為速度入口邊界，總送風量5900m3/h，送風溫度19℃。

出口邊界：定義回風口為壓力出口邊界，設置壓力值為0Pa，即設置一個壓強等于環境的壓力遠場邊界條件[8]。

壁面邊界：模型忽略燈具、設備等內部熱源，將此部分內熱源散熱量附加在候車室側壁面上，并考慮圍護結構冷負荷，設定屋面及側墻為常熱流壁面邊界，經計算設置屋面熱流密度為23W/m2，側墻熱流密度為18W/m2；設定地面為絕熱壁面邊界，熱流密度設置為0；模型中將人體及座椅簡化為高度為1.0m 的長方體（人員靜坐狀態），并設定為體熱源，熱流密度設置為600W/m3。

計算采用標準k-ε湍流模型、二階迎風離散格式及SIMPLE 算法，各參數亞松弛因子、收斂準則均設置為默認值。

2.4 工況設定

根據候車室吊頂形式擬在吊頂附近設置條縫送回風口，條縫口位置如圖3所示。本文共設置3種工況進行模擬分析，工況設定情況見表1，條縫口設置情況見表2。

圖3 條縫口位置示意Fig.3 Schematic diagram of slit opening position

表1 工況設定Table 1 The setting of working condition

表2 條縫口設置Table 2 The setting of slit opening position

2.5 模型驗證

采用李靜凡等[9]進行的改進誘導器系統系列實驗中僅上回風口開啟工況得到的數據對CFD 計算模型的準確性進行驗證。圖4 為模擬值與實測值的對比結果，從中可以看出，模擬值與實測值之間呈現出不同程度的偏差，可能的原因是網格精度略粗糙、計算模型與實際情況有差異、湍流模型的選擇等。但模擬值與實測值的平均誤差為10.22%，且二者的變化趨勢相類似，均表現出測點溫度隨著空間高度的增加而增加的規律，可以說明CFD 計算模型的準確性。

圖4 室內不同高度的溫度曲線對比Fig.4 Comparison of indoor temperature curves at different heights

3 模擬結果分析

計算完成后，選取貴賓候車室人員靜坐高度Z=1.0m 及候車室中部位置附近X=5.25m 兩個典型平面進行溫度場、速度場、PMV 及PPD 分布的對比分析。

3.1 速度場分析

圖5～圖7 為三種工況下Z=1.0m、X=5.25m 兩個平面上的氣流速度場分布對比情況。

圖5 工況1 典型平面速度場分布情況Fig.5 The distribution of velocity field on typical planes in case 1

圖6 工況2 典型平面速度場分布情況Fig.6 The distribution of velocity field on typical planes in case 2

圖7 工況3 典型平面速度場分布情況Fig.7 The distribution of velocity field on typical planes in case 3

從圖5、圖6 中可以看出，工況1、2 的兩個典型平面上的速度場分布特點相似，靠近房間側墻的條縫口（條縫口A）以一定速度將空氣送出，氣流流動過程中由于附壁效應形成貼附射流，使得氣流貼附于側墻向下流動。兩側氣流到達地面后在房間中部位置附近混合，開始呈喇叭狀向四周擴散，速度逐漸減小，最大處風速為0.30m/s 左右，且工況1 人員靜坐平面（Z=1.0m 平面）上的最大風速略小于工況2，兩種工況下人員靜坐平面上的氣流分布不均勻。

工況3 為條縫口側送頂回的設計工況，從圖7中可以看出，區別于工況1、2 的送風方式，該種工況下的氣流由條縫口（條縫口C）送出后流動到一個基本不受邊壁限制的空間內形成自由射流，兩側氣流混合后分別開始向上、下擴散流動，速度逐漸減小，其中向房間下部流動的氣流在到達Z=1.0m 平面時，整體速度已衰減至0.10m/s 以內，局部風速較高，最高處風速為0.3m/s 左右，但已遠離侯車室坐席區。

綜合對比三種工況的氣流速度場分布情況發現，設定工況下人體周圍的風速普遍在0.3m/s 以內，基本不存在吹風感，但從送風均勻性方面考慮，側送頂回（工況3）的氣流組織形式在人員靜坐平面上形成的風速更加均勻。

3.2 溫度場分析

圖8～圖10 為三種工況下Z=1.0m、X=5.25m 兩個平面上的溫度場分布對比情況。

圖8 工況1 典型平面溫度場分布情況Fig.8 The distribution of temperature field on typical planes in case 1

圖9 工況2 典型平面溫度場分布情況Fig.9 The distribution of temperature field on typical planes in case 2

圖10 工況3 典型平面溫度場分布情況Fig.10 The distribution of temperature field on typical planes in case 3

從圖8、圖9 中可以看出，工況1、2 的溫度場分布情況相似，房間內的溫度分布均無明顯規律，除靠近外墻的側壁附近溫度較低外，人體周圍溫度基本在22℃左右。

從圖10 中可以發現，工況3 在垂直方向上呈現出了明顯的溫度分層現象，且由于側送頂回的氣流組織形式，越靠近地面，空氣溫度越低。冷空氣下沉并經過人員活動區后，在房間下部聚集，溫度較高的空氣在冷空氣的推擠和回風口的壓力二者共同作用下沿著外墻壁面向上流動，最后從回風口送出。該種工況下人體周圍的溫度普遍在23℃左右，個別座椅區的人體周圍溫度在22℃左右。

三種工況下人體周圍的溫度無顯著差別，均滿足設計要求，但側送頂回（工況3）的氣流組織形式，由于回風口靠近外墻，溫度較高的空氣在送出房間過程中形成了有效的空氣幕，在隔絕外界熱量滲透的同時，可最大限度地減小冷量損失，從而達到更加節能的效果。

3.3 熱舒適性分析

圖11～圖13 為三種工況下Z=1.0m 平面上的PMV-PPD 分布對比情況。

圖11 工況1 Z=1.0m 平面PMV、PPD 分布情況Fig.11 PMV and PPD distribution on Z=1.0m plane in case 1

圖12 工況2 Z=1.0m 平面PMV、PPD 分布情況Fig.12 PMV and PPD distribution on Z=1.0m plane in case 2

圖13 工況3 Z=1.0m 平面PMV、PPD 分布情況Fig.13 PMV and PPD distribution on Z=1.0m plane in case 3

結合PMV-PPD 的分布情況對三種工況下的人體熱舒適性進行評價，由圖11、12 可知，工況1、2的人員靜坐平面上的PMV-PPD分布無明顯差異。侯車室中部附近區域稍有涼感，最大不滿意率達到了21%；人員座椅區周圍的PMV 值普遍在-0.75左右，稍有涼感，整體不滿意率在15%以內，人體熱舒適性稍有欠缺。

從圖13 中可以看出，相比于工況1、2 的頂送方式，工況3 側送方式下，局部區域的PMV 最大值達到了-1，最大不滿意率達到了30%以上，但已遠離人員座椅區；人體周圍的PMV 值普遍在-0.5～0 之間，且不滿意率普遍在10%以內，熱舒適性較好。

4 結論

采用計算流體動力學方法，對某貴賓候車室在三種送回風方式下的氣流組織及熱環境進行了模擬分析，并采用文獻實測數據對模型的準確性進行了驗證，主要得出以下結論：

（1）沿外墻向下的貼壁送風方式雖基本不會形成吹風感，但人員靜坐平面上的風速均勻性較差，且由于低溫送風氣流靠近外墻，易造成冷量損失。從人體熱舒適性方面來看，人員座椅區的PMV值在-0.75 左右，稍低于熱中性范圍，整體不滿意率偏高（超過10%），人體熱舒適性稍有欠缺。

（2）由于該候車室中部吊頂以下空間較大，側送方式使得氣流從條縫口送出后流動到一個基本不受邊壁限制的空間內形成自由射流，能量損失較??；溫度較高的空氣在冷空氣的推擠和回風口的壓力二者共同作用下沿著外墻壁面向上經回風口排出，在此過程中形成了有效的空氣幕，在隔絕外界熱量滲透的同時，可最大限度地減小冷量損失，從而節能效果更佳。此外，人體處于熱中性范圍內，舒適性較好。

（3）旅客普通候車廳由于空間高大，通常采用球形噴口側送、底部集中回風的空調送回風形式，對空氣環境的要求并不嚴格，因此較難適用于有更高環境要求且空間較低的貴賓候車室環境。本文的研究可為類似工程實踐提供理論參考，工程設計中可結合房間具體特點，通過改變送風方式、送風參數等，以探究最合理的氣流組織形式。