火車站候車廳冬季分層空調(diào)CFD模擬研究

1、LiUTECHh卄http：/火車站候車廳冬季分層空調(diào)CFD模擬研究華中科技大學(xué)陳龍劉顯晨徐玉黨摘要本文利用AIRPAK軟件建立了某火車站候車廳的冬季分層空調(diào)模型，針對(duì)冬季工況下的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行方案選取了兩種典型的設(shè)計(jì)工況進(jìn)行了數(shù)值模擬,最終得到了兩個(gè)設(shè)計(jì)工況下的室內(nèi)溫度場(chǎng)分布和速度場(chǎng)分布的模擬結(jié)果。通過結(jié)果分析，認(rèn)為分層熱風(fēng)供暖應(yīng)用于火車站候車廳中是一種比較合理的氣流組織方式，能夠減弱垂直溫度梯度，減小冬季供暖負(fù)荷。對(duì)于冬季分層空調(diào)供暖的節(jié)能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)一方面可以通過減弱垂直溫度梯度從而減小冬季熱負(fù)荷，另一方面可以通過提高送風(fēng)溫差、減少送風(fēng)量從而減少系統(tǒng)風(fēng)機(jī)能耗。在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況

2、靈活選擇不同的氣流組織方案，最終達(dá)到更優(yōu)的節(jié)能效果。關(guān)鍵詞數(shù)值模擬AIRPAK候車廳分層空調(diào)1引言火車站候車廳屬于高大空間建筑，大空間建筑一般具有空間高大，空調(diào)和供暖負(fù)荷較大且熱環(huán)境難以保證的特點(diǎn)。大空間的氣流和溫度分布一般會(huì)呈現(xiàn)出變化較大的分布特點(diǎn)，特別是垂直方向上有著明顯的溫度梯度，這種垂直溫度梯度是由于空氣密度差導(dǎo)致熱對(duì)流而引起的，無論夏季和冬季都會(huì)存在。大空間的空調(diào)和供暖負(fù)荷的大小是會(huì)受到垂直溫度梯度影響的，如果能夠使夏季室內(nèi)溫度梯度加強(qiáng)而冬季減弱，就可以減小大空間的空調(diào)和供暖負(fù)荷，而合理的氣流組織是可以決定垂直溫度梯度的大小的，因此，對(duì)火車站候車廳這種高大空間采用合理的氣流組織，對(duì)實(shí)

3、現(xiàn)室內(nèi)良好的熱環(huán)境并節(jié)約能源有著重要意義，特別是在強(qiáng)調(diào)建筑節(jié)能的今天1?；疖囌竞蜍噺d的冬季供暖是利用夏季空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行暖風(fēng)供暖來實(shí)現(xiàn)的。暖風(fēng)供暖時(shí)，由于浮力作用，熱空氣上升，冷空氣下沉，會(huì)加劇空間的垂直溫度梯度，為了盡量減小這種溫度梯度，需要采用垂直分區(qū)供暖，即分層空調(diào)供暖方式。目前，火車站候車廳的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般都采用了分層空調(diào)的氣流組織方式，但候車廳內(nèi)的送、回風(fēng)口的布置都是以夏季工況為初始設(shè)計(jì)依據(jù)的，因此，有必要對(duì)分層空調(diào)在冬季的氣流組織的效果進(jìn)行相關(guān)模擬，來驗(yàn)證系統(tǒng)在冬季能否保證室內(nèi)良好的熱環(huán)境并實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。本文以某火車站的候車廳為例，利用Airpak2.1軟件來進(jìn)行CFD模擬并得到相關(guān)

4、結(jié)論。2候車廳模型的建立2.1物理建模候車廳內(nèi)，北側(cè)為東西對(duì)稱的兩個(gè)服務(wù)房間，房間四周墻壁上側(cè)均勻分布著球形噴口，房間下部設(shè)有回風(fēng)口，候車廳南側(cè)均勻排列著7個(gè)風(fēng)柱，風(fēng)柱結(jié)構(gòu)如圖1所示。候車廳中部安排有座椅，為人員主要聚集區(qū)。通過CFD軟件建模工具對(duì)候車廳進(jìn)行建模，得到整個(gè)候車廳的物理模型，局部放大效果如置所示，整體建模效果如圖3所示。2圖1風(fēng)柱結(jié)構(gòu)示意圖圖2候車廳模型示意圖圖3候車廳模型局部放大示意2.2模擬參數(shù)冬季熱負(fù)荷一般采用穩(wěn)態(tài)傳熱的計(jì)算方法，通過該方法計(jì)算得到候車廳圍護(hù)結(jié)構(gòu)的邊界條件，如表1所示。表1通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷計(jì)算表圍護(hù)結(jié)構(gòu)屋頂樓板北外墻南外墻熱流密度w/m21622.934.

5、536.4根據(jù)鐵路旅客車站建筑設(shè)計(jì)規(guī)范冬季普通候車廳內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為16C。本文提出了兩種可行性較強(qiáng)的冬季送風(fēng)工況，通過分析比較模擬結(jié)果，得出系統(tǒng)冬季氣流組織的相關(guān)結(jié)論，并提出優(yōu)化改進(jìn)方案。兩方案的具體參數(shù)如表2所示。表2兩種模擬方案的送風(fēng)參數(shù)表方案系統(tǒng)運(yùn)行送風(fēng)溫差送風(fēng)速度送風(fēng)角度工況1全風(fēng)量5C8.2m/s向下15工況2半風(fēng)量9C4.1m/s向下153模擬計(jì)算與結(jié)果分析經(jīng)過模擬計(jì)算分別得到了兩種工況在典型斷面上的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，通過分析比較來進(jìn)一步得出圖4工況1斷面速度云圖分布?xì)饬鹘M織的相關(guān)結(jié)論。005000500050005000圖5工況1斷面速度矢量分布5HLiUTECH圖6工況1斷面溫

6、度云圖分布圖7工況2斷面速度云圖分布Velocity圖8工況2斷面速度矢量分布圖9工況2斷面溫度云圖分布3.1工況1結(jié)果及分析從圖4和圖5可以看出，冬季熱風(fēng)供暖的熱氣流從風(fēng)口以向下15的傾角送出，卷吸了大量上部空間的空氣?？梢钥闯錾喜糠枪┡瘏^(qū)域有兩個(gè)很明顯的大渦流，其中風(fēng)柱上部的渦流較為典型，該渦流是由射流卷吸和沿壁面下降氣流共同作用產(chǎn)生的。同時(shí)，還可以看出下部供暖區(qū)域還有兩個(gè)不太明顯的小渦流，分別位于球形風(fēng)口下方和風(fēng)柱風(fēng)口下方，由于兩個(gè)風(fēng)口高度有限，因此所產(chǎn)生的渦流的規(guī)模較小，不是很明顯，可以看出，候車室人員區(qū)域是處于這兩個(gè)渦流的回流區(qū)，這樣就保證了該區(qū)域速度和溫度的均勻性，容易滿足人體舒適

7、性要求。由于射流傾角的作用，熱氣流基本到達(dá)了人員區(qū)域，然后在密度差產(chǎn)生的浮力作用下上升，射流的屏蔽作用還在一定程度上較少了下部供暖區(qū)域?qū)ι喜糠枪┡瘏^(qū)域的熱量分流，這種氣流方式使得熱空氣在經(jīng)過人員區(qū)域后再上升，有利于保證人員區(qū)域的溫度均勻性2。從圖6的溫度分布中也可以看出，整個(gè)人員區(qū)域的溫度分布比較均勻，能夠維持在6C左右，符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)還可以看到，空間上部非供暖區(qū)與空間下部供暖區(qū)的溫度差并不明顯，而一般情況下，大空間中應(yīng)該存在上部溫度較高而下部溫度較低的垂直溫度梯度。因此，可以認(rèn)為該氣流組織方式有效地減小了由于空氣密度差而引起的垂直溫度梯度，也就是減小了冬季供暖負(fù)荷，達(dá)到了節(jié)能的目的。3.

8、2工況2結(jié)果及分析從圖7、圖8可以看出，工況2的系統(tǒng)送、回風(fēng)氣流組織和渦流形成狀況，都與工況1比較接近。兩個(gè)風(fēng)口下方的渦流能夠使人員區(qū)域處于氣流回流區(qū)，保證了該區(qū)域的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的均勻性。向下射流也很好的屏蔽了熱空氣的向上分流，從而在一定程度上減弱了空間垂直方向上的溫度梯度，減少了冬季熱負(fù)荷。從圖9溫度分布中也可以看出人員區(qū)域的溫度場(chǎng)也符合設(shè)計(jì)要求。0LiUTECH3.3兩個(gè)工況對(duì)比從圖5、圖8的速度矢量分布中也可以看出，由于工況1的送風(fēng)速度是工況2的兩倍，工況1下形成的渦流要比工況2明顯，同時(shí)也意味著工況1下的射流對(duì)熱空氣的屏蔽作用也要更加有效，能夠更好地阻止熱量向上分流。體現(xiàn)在圖6、圖9

9、的溫度分布中，就可以看出工況1下熱空氣能夠更好地被渦流卷吸在人員區(qū)域上方，而工況2下熱空氣的擴(kuò)散范圍要比工況1略大。從節(jié)能角度考慮，兩種工況都在一定程度上減弱了垂直溫度梯度，從而減小了冬季熱負(fù)荷。其中，工況1能夠更好地減少熱量的向上分流，對(duì)減弱垂直溫度梯度更有利。而工況2是系統(tǒng)半風(fēng)量運(yùn)行，在確保人員區(qū)域的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)能夠滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，能夠減少很大一部分的風(fēng)機(jī)能耗。4結(jié)論本文采用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)某火車站候車廳冬季熱風(fēng)供暖的氣流組織效果進(jìn)行了模擬，通過結(jié)果分析，可以得到以下結(jié)論：1. 分層熱風(fēng)供暖應(yīng)用于火車站候車廳中是一種比較合理的氣流組織方式，能夠減弱垂直溫度梯度，減小冬季供暖負(fù)荷。2. 冬季分層空調(diào)供暖的節(jié)能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)主要可以從兩個(gè)方面考慮，一方面是通過減弱垂直溫度梯度從而減小冬季熱負(fù)荷，另一方面是通過提高送風(fēng)溫差、減少送風(fēng)量從而減少系統(tǒng)風(fēng)機(jī)能耗。在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以從上述兩個(gè)方面綜合考慮，根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇不同的氣流組織方