某火车站过度季节自然通风CFD模拟研究

某火车站过渡季节基于CONTAMW的自然通风模拟分析华中科技大学 张威 徐玉党 方进 姜涛 摘要：良好的自然通风设计，既可以达到节能的目的，又有助于改善室内的空气品质。本文通过针对某火车站过渡季节的气候条件及建筑特征，利用CONTAMW软件进行过渡季节自然通风模拟计算与分析，对其通风效果进行论证，并提出设计方案。关键词：自然通风；节能；过渡季节；CONTAMW0 引言自然通风是暖通空调行业利用自然资源最直接的方式之一。合理的自然通风在降低公共建筑运行能耗，提高建筑内空气品质方面，起到至关重要的作用。公共建筑室内热源较大，全年有相当长的时期需要供冷，而室外温度仍然处于相对较低的温度范围内，此时若引入室外的空气带走室内热量，将有效缩短空调设备运行时间，降低空调能耗。同时，公共建筑一般室内人员密度比较大，建筑室内空气流动，特别是自然、新鲜空气的流动，是保证建筑室内空气质量符合国家有关标准的关键。1 工程概况本工程位于西安市，车站分为高架层、站台层、出站层、地铁站台层四个主要层面，建成南北双向客运站房、双向站前广场，形成南主北辅、双进双出的规模格局。站型采用高架候车与线下出站的布局方式，旅客“上进下出”。站房主体以钢结构为主，面积为33.1万平方米，车站全长8.4km，其中车场部分3.4km，动车所及走行线部分5km，南北长184m，东西长470m，车场为3场18站台34股道。车站中部设置贯通站台和玻璃屋顶的中庭空间，绿色通道和候车室围绕中庭设置，整个屋顶由11个单元体组成，每个单元体在中间高起的屋脊处开以梭型的天窗。2 建筑设计参数2.1 过渡季节室外参数 室外气象数据包括室外空气温度、湿度及风速等。西安位于欧亚大陆桥的心脏和中国地理中心位置，属暖温带半湿润的季风气候区，四季分明，气候温和。一般以4、5、9、10月作为过渡季节。根据中国气象局陕西西安气象监测站对近30年来西安市的室外气象数据进行分析，得到月平均室外参数，如表1所示。表1 西安(1971-2000年)气候标准值月份月平均气压Pa月平均气温0C月平均相对湿度(%)月平均风速m/s49678014.7681.859647019.8681.899686019.9791.4109747013.9771.3根据以上的温度、风速、风向统计结果，选择最不利情况进行计算，取9月份为计算月份：室外温度19.90C为室外计算温度，同时通过西安市的风玫瑰图，可以查出西安市9月份主导风向为北偏东10，平均风速1.4m/s。2.2 过渡季节太阳辐射 过渡季节期间每天的太阳辐射值由DeST软件气象数据库中的数据生成，如图1所示。取其间太阳辐射最大日9月2日14：00的总辐照度作为屋顶外表面获得的辐射能量，其值为800W/m2。根据屋顶透明部分的遮阳系数SC值（按公共建筑节能设计标准GB50189-2005规定：西安属于寒冷地区，屋顶透明部分遮阳系数0.50）和透光部分面积比，计算建筑候车室层接受的辐射热量，如表2所示。图1 自然通风日太阳总辐射强度的逐日分布表2 太阳辐射得热平均值直射辐射W/m2散射辐射W/m2总辐射W/m2太阳辐射700100800遮阳系数SC=0.3524535280屋顶透光面积占候车室层面积的比例为0.0922.053.1525.22.3 室内计算参数我国国家标准采暖通风与空气调节技术规范(CBJ1987)对舒适性空调和采暖的舒适性室内温度都有概括性的规定，确定夏季空调季节季节室内设计温度为26，冬季采暖温度为18，但是由于自然通风室内温度紧随室外气象条件变化，而且是随机的、不稳定的，因此这样的标准显然是不适合采用自然通风的建筑。本文采用由GailschillerBrager发表在ASHRAEJournal上的适合于办公建筑的自然通风标准。当室外计算温度为19.9时，根据自然通风热舒适性标准确定室内设计温度为24。同时根据不同房间的人员密度、灯光、设备发热量和太阳得热，计算得到各功能区域的负荷如表3所示.3 CONTAMW自然通风模拟计算CONTAMW是美国国家标准和技术研究院（NIST）下属的建筑火灾研究实验室开发的用于建筑物内多区域空气流动模拟研究的软件。CONTAMW的网络法把整个建筑物作为一个系统，其中每个房间作为一个区（或网络节点），认为各个区内空气具有恒定的温度、压力和污染物浓度。门、窗等气流路径视为阻力单元，各个区通过各种气流路径相连。网络法利用质量、能量守恒等方程计算风压和热的空气流动形态对自然通风效果的影响。表3 各功能房间的发热量房间名称人数人员负荷设备负荷照明负荷太阳辐射面积体积负荷总计人wwww/m2m2m3w北向候车室347818978912874988350519151910301498南向候车室3652199298173691121060588855395328773高架候车厅135697404345023038559025.220252390864高架进站厅3031211221086139025.245242873171二层售票厅415722683611328869720456826038325136休闲茶座层19061040084916414515625.27624103686490453总 计57074253175-887653.1 建立CONTAMW计算模型根据设计条件，在不影响计算结果的前提下，对模型进行如下简化：由于CONTAMW为平面网络模型，相同面上的任何区域视为均匀区域，同等考虑，所以在CONTAMW模型中，只要求门窗的尺寸及中心标高与设计尺寸相同，而门窗在同一面上的水平位置不必去追究，同时，将水平标高相同的开口进行合并；由于过渡季室外温度和室内温度相近，传热模拟时，只考虑通过自然通风带走房间内热源（包括人员、设备、照明）的发热量及太阳辐射的得热量；一层及其夹层的楼内附属办公室、卫生间，不参与自然通风，在模型中未考虑；建筑所有与室外连接的外门均开启参与自然通风，包括进站电梯自动门。对该火车站建筑CAD图进行以上简化，并根据CONTAMW的相关要求，建立如下模型，下面各CAD图中的红色和绿色阴影区域为需要考虑的区域。按建筑每层的平面布置状况建立平面网络模型，划分并定义网络节点（房间区域）的面积、体积、温度。建筑开口方式：在建筑一、二层下部距地面300m高处各开一排高300mm的上悬窗，上部开一排高600mm的上悬窗，上悬窗开启角度为15，二层通往站台的自动门开启，外门、天窗按建筑图纸中尺寸设计。 图2 北侧站台候车室平面图与CONTAMW模型 图3 南侧站台候车室平面图与CONTAMW模型 图4 高架进站候车层平面图与CONTAMW模型 图5 屋顶天窗平面图与CONTAMW模型3.2 CONTAMW模拟结果分析利用CONTAMW建立通风流通路径网络模型，进行模拟计算，下图显示了模拟结果，表4列出了各通风路径的各参数，数值前的“-”表示开口的风为离开该区域。图中红色线条代表压降，绿色线条代表通风换气量。 图6 北侧基本站台候车室模拟结果 图7 南侧基本站台候车室模拟结果 图8 高架层自然通风模拟结果 图9 屋顶天窗自然通风模拟结果表4 各模拟区可开启路径的流通面积及通风量、风速楼层位置类型面积m2150窗通风量（kg/s）风速(m/s)楼层位置类型面积m2150窗通风量（kg/s）风速(m/s)1北向候车室北面外门57.6143.272.072北面上部窗9020.600.19北面下部窗126.840.47西面外门123196.411.33北面上部窗3918.780.40下部窗2710.130.31南面外门52.8116.851.84上部窗264-44.630.14南面下部窗126.110.42东面外门123221.831.50南面上部窗3915.920.34下部窗2711.340.35南向候车室北面外门52.8131.152.07上部窗26421.420.07北面下部窗126.830.47南面外门3660.971.41北面上部窗3918.740.40下部窗25.29.980.33北面侧门4.511.182.07上部窗90-10.140.09南面外门57.6127.261.84北向候车室电梯通道480-307.760.53南面下部窗126.100.42南向候车室电梯通道480-317.140.55南面上部窗3915.880.34二层左侧往站台外门1221.641.502北面外门3673.401.70二层右侧往站台外门1219.161.33下部窗25.211.880.3990上悬屋顶天窗50.4-88.301.46根据以上模拟结果可以分析得到，室外较冷空气从地面层外门和外窗进入室内，带走一层室内热量，由于一层引进的通风量远远大于消除一层余热所需通风量，所以空气被加热到一定程度，沿南北侧基本站台候车室的手扶电梯口向上流动进入二层大厅可以继续用来消除二层的余热，同时从二层大厅的外门及下部窗户也引进部分新风，从二层引进的新风与一层消除余热后的空气共同带走二层余热，通过顶部天窗和二层上部窗户排出室外。自然通风路径如图10所示。图10 自然通风时建筑内部通风路径由表4可以看出，自然通风时，门窗的最大风速为2.20m/s，经过实验研究发现风口产生哨声的风速临界值为4ms，所以本自然通风设计风速符合要求，不会产生哨声。3.3 自然通风量的理论校核以下通过自然通风的理论计算校核其模拟结果。全面通风换气量由消除室内余热和满足通风换气次数来决定，计算如下：根据室内负荷及自然通风进排风温度，得出为了排除余热所需要的通风换气量G： =6900.31.01（25.3-19.9）=1265.2kg/s根据建筑体积，得出为了满足自然通风换气次数(按每小时2次取)所需通风换气量G”：G”=nVfn/3600=（21.2）/3600=1000.7kg/s为了满足卫生条件所需通风量（人员新风量取10m3/ph）：=57074101.2/3600=190.2kg/s确定最终的全面通风量为了使自然通风达到室内舒适的要求，必须同时满足以上三点。比较三者大小：GG，因此，选取最大的作为计算所用的全面通风换气量。即最终的全面通风换气量为：=1265.2kg/s由可开启窗户面积的空气流通量来校核按消除余热的计算通风量是否满足自然通风效果，模拟自然通风空气量与消除余热理论通风量对比如表5所示：表5 自然通风空气量与消除余热理论通风量对比模拟区消除余热通风量（kg/s）模拟通风量（kg/s）是否满足北侧基本站台候车室55.3307.7满足南侧基本站台候车室60.3317.1满足高架层进站候车区域1149.61372.5满足模拟区域总风量1265.21997.3满足4 结论本研究在分析了建筑所处地域性气候条件后，根据建筑特点选取了合理的自然通风策略形式，并运用CONTAMW软件对该火车站过渡季节自然通风进行模拟计算及分析，得到以下结论：对该火车站在可利用自然通风的过渡季节，整个建筑模拟区域对外可开启面积为3100.5m2，外门和通往站台自动门全部敞开，上悬窗按15，屋顶天窗按90开启的方式，能达到的最大自然通风量为1997.3 kg/s，可以很好的满足消除模拟区域余热的要求，且自然通风的余量较大，可以根据室内温度适当的关闭部分门窗。在该设计中，虽然从总风量上来说，下部15上悬窗的风量相对于总风量比例非常小，但是对于空气品质却是起到非常大的作用，它使得新风气流的分布更为均匀。通过模拟分析，保证了该火车站通风策略的有效性和可靠性，使在过渡季节可以全部或部分用自然通风来代替空调制冷系统消除室内负荷，从而达到了节能的目的，并同时很好的改善了室内的空气品质。参考文献1 宋清弟.暖通空调技术在室内空气环境品质控制中的应用J.福建建筑,2008(1):95-962 龚波,余南阳,王磊.自然通风的策略形式及模拟分析J.制冷与空调,2004,3:8-123 孙一坚.简明通风设计手册M.北京:中国建筑工业出版社, 20054 王芳等.多区域空气流动网络模型用于室内空气品质和通风模拟研究J.暖通空调,2002,32(6):44-465 Dols W S, Walton G N. CONTAMW 1.0 user manual.NISTIR 6476. National Institute of Standards and Technology, 20006 / 6