某车站候车大厅热环境cfd模拟

某车站候车大厅热环境CFD模拟研究摘要：随着我国经济社会的发展，高大空间建筑作为一种建筑形式越来越常见，而随着带来的一个问题即是此类建筑的空调设计与验证的问题。空大空间建筑由于体积较大，采用常规建筑适用的集总参数法来设计往往会带来较大的误差，在这个背景之下，如何验证已有的设计则有了特别的意义。本文正是以某车站候车大厅这一典型高大建筑作为研究对象，采用CFD模拟方法对其内部温度、速度场进行了具体分析，并根据模拟结果对现有空调系统的设计进行评价，提出修改意见供设计人员参考。关键字：CFD，热环境，高大空间建筑引言分层空调是高大空间典型的气流组织方式，然而在其设计中存在着一个验证的问题—即在设计阶段去了解所取参数是否能够满足设计要求的问题。验证问题对于空调系统设计十分重要，不合理的参数可能会导致两个问题：一是空调系统无法保证舒适性要求；另一个则是舒适性得到满足而节能性较差。验证问题实质上是一个预测问题：即在空调系统尚未安装之前预测该系统所造成的高大空间的热环境能否满足要求。该问题是空调系统设计中的共有问题，对于高大空间来说，由于其热环境受浮升力影响较大等原因使得该问题相对普通空调系统来说更加复杂。越来越多的实例[1][2]证明计算流体方法（CFD）是解决这一问题的最佳选择。在本文中采用CFD模拟方法对某车站候车大厅——高达空间建筑的室内热环境进行分析研究，并根据模拟结果对于现有的空调系统提出了相应的改进建议。模拟对象介绍模拟的对象为某铁路客站候车大厅。候车大厅是某客站主体建筑的主要组成部分。该客站主体建筑由南北的售票大厅及中间的候车大厅组成。（如图1所示，黄线区域为南北售票大厅而红线区域为候车大厅）座位区球形喷口所在位置置换风口所在位置N座位区球形喷口所在位置置换风口所在位置N图1候车大厅平面示意图候车大厅东西向长度为409.7m，南北向长度为72m,高度为33.95m。如图2红线包围区域为候车大厅的截面示意图。图2候车大厅南北剖面示意图大厅东西两端楼梯围栏周围设有置换送风口，大厅中部南北相对设有球形风口，屋顶设有排风口。候车大厅东西两端主要依靠置换送风来满足制冷要求。而在中间部分由于跨度较大，则采用喷口送风加机械排风的方式来满足大空间的空调要求（如图3）。图3候车大厅喷口送风加机械排风系统示意图机械排风与空调系统相结合的混合系统的设置可排除余热、降低上部空气温度和屋顶内表面温度，以减少非空调区向空调区的对流热转移和辐射热转移，从而减少空调区冷负荷达到节能效果。CFD模型模型的简化3．1.1典型区域的选取由于候车大厅建筑尺寸相对较大、风口较多，对整个候车大厅进行CFD建模将由于网格数太多而使计算量非常大，并不现实，因此考虑分区建模。东端区域候车大厅东西两端的置换通风风速较低，对中间段影响区域较有限而中间段球形喷口分布较规律，因此在模拟可只取候车大厅东西两端及中间段典型单元区域来代替整个候车大厅作为研究区域。同时考虑到大厅本身布置上南北完全对称而东西段近似对称的特点，所有的典型区域都可只取南北向的一半来考虑而东西两端可只取一段作为代表（如下图所示）。东端区域中间段区域2中间段区域2图4CFD典型区域选取如图5所示，黄色线包围的区域为选取的东侧区域（以下简称为区域1），区域1中同时有置换通风及喷口送风的作用。粉色线包围的区域为中间段区域（以下简称为区域2），该区域只有喷口送风作用。边界条件的简化由于候车大厅南北部与售票大厅相连，而售票大厅为空调区域且其送风方式为下送风，因此可以认为售票大厅与候车大厅之间没有任何质量及能量的交换。故从简化模型的角度考虑可将上述区域1的南边界面及区域2，3，4的北边界面均设为绝热面。模型具体实现本文主要采用Airpak软件作为CFD模拟的主要工具在使用Airpak建模过程中室内热环境的影响要素在软件中具体实现方式是影响建模质量的主要问题。对于候车大厅热环境来说，最主要的影响要素有：置换及喷射送风，屋顶排风系统以及太阳辐射影响。下面将分别进行讨论。置换、喷射送风及屋顶排风系统的模拟实现所谓送排风系统的实现，在Airpak中实质上就是送排风口的实现。在Airpak中，可模拟风口的模块主要有Openings，vents及fans。其中opening可模拟计算区域内或边界处的送排风口，用户可设定风口的出风温度，速度及静压；vents可以模拟计算区域边界处的送排风口，它所定义风口可视为自由入口或出口，在模拟中会根据风口处的压力降来自动计算风量；fans主要模拟送排风机，分为两种，一种为定流量风机，用户可直接定义风机的体积或质量流量，对于送风口来说还可定义其出风温度，另一种为变流量风机，用户可定义风量与风口静压之间的关系。对于置换、喷射风口来说，由于其位于计算区域的内部且需要定义其送风温度与速度，所以可采用Openings来进行模拟；而对于排风口来说，由于其位于计算区域的边界处，且只需要定义其排风量而无需定义其排风温度，故采用fans来模拟较为合适。2)太阳辐射的模拟实现在Airpak中本身自带有相应的太阳辐射模块即SolarLoadModel。在该模块中，用户首先需要定义建筑所在地区的经纬度信息、模拟日期及辐射相关参数如入射角度等。然后对于计算区域内所有对象，用户可定义该对象的太阳辐射特性。在模拟中，Airpak会根据地区所在位置，模拟时间及辐射参数等计算出模拟时间建筑所在地区的太阳辐射量，同时根据计算区域内对象的太阳辐射特性来分别考虑太阳辐射对该对象附近热环境的影响。然而在实际模拟过程中，SolarLoadModel的实际效果并不理想，模拟的结果与现实的差距较大。因此在本文中考虑使用间接模拟的方式。具体方法如下：首先通过Airpak自带的宏命令中的SolarFlux工具，输入所在地区的经纬度信息、模拟日期等参数以直接获得所在地区的太阳辐射强度相关参数。然后在计算区域中需要考虑太阳辐射的边界处设置边界条件为自定义外热流，而外热流的强度则设为计算得到的太阳辐射强度。模拟结果证明采用这种模拟方式得到的结果相较于SolarLoadMode的结果要更为接近实际过程。但需要指出的是对于采用这种方法时需对相应边界处的网格细化，否则可能会在边界出现不真实的高温区域。4．模拟结果分析4.1区域1区域1的平面示意图如图17所示。图5区域2平面示意图竖直面温度分布图6区域2X=12m横截面温度分布云图图7区域2X=44m横截面温度分布云图图8区域2X=66m横截面温度分布云图图9区域2X=80m横截面温度分布云图从以上竖直横截面的温度分布我们可以发现：区域2呈现随喷口送风方向的温度梯度。在置换通风风口附近垂直方向上的温度分层比较很明显，而在其他位置基本没有垂直方向的温度分布。水平面温度分布图10区域2Z=1.5m温度横截面分布云图从以上水平横截面的温度分布我们可以发现：人员活动区域的水平面从北到南温度值逐渐变大，南部局部温度甚至会达到30℃，这主要是因为喷口送风制冷导致送风方向的温度梯度。而置换通风的效果不是很明显。速度分布图11区域2Z=1.5m横截面速度矢量图从以上速度分布的平面图可以看出，区域2人员活动区域的平面内，各位置风速相对于区域1较小，喷口送风对其速度场的影响不是很明显。而置换通风风口对其附近流场影响较大，附近最大的风速接近0.7m/s，仍大于置换通风舒适性要求，可能会导致产生吹风感。而喷口送风区域风速基本都小于0.1m/s，满足舒适性要求。4.2区域2区域2的平面示意图如图27所示。图12区域3平面示意图竖直面温度分布图13区域3X=0.5m横截面温度分布云图图14区域3X=4m横截面温度分布云图图15区域3X=8m横截面温度分布云图图16区域3X=12m横截面温度分布云图图17区域3X=16m横截面温度分布云图图18区域3X=20m横截面温度分布云图从以上竖直横截面的温度分布我们可以发现：区域3竖直方向温度分布在局部出现了倒置，即上部区域的温度反而低于下部区域的温度，说明送风没有与周围空气进行充分的热交换，也就会造成供应的冷量没有得到充分的利用。分析其原因，可能是由于该部分喷口送风风速较低，送出的冷空气受室内负荷影响直接上升。水平面温度分布图19区域3Z=1.5m横截面温度分布云图从以上水平横截面的温度分布可以发现：区域3人员活动区域的水平面温度大致随喷口送风方向层次分布，喷口送风效果较为理想。速度分布图20区域3Z=1.5m横截面速度矢量图从以上速度分布的平面图可以看出，区域3人员活动区域的风速大部分区域小于0.5m/s，局部区域会达到0.6m/s以上，总体而言风速满足舒适性要求。结论通过CFD模拟分析，候车大厅空调送风系统基本能满足大厅内的温度、速度要求和舒适度要求，但也存在以下的几个问题：1)置换通风区域与喷口区域之间的局部区域可能会出