火車站的自然通風(fēng)模擬計(jì)算

某火車站的自然通風(fēng)模擬計(jì)算分析摘要：結(jié)合建筑物自身結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)合理有效的自然通風(fēng)系統(tǒng)，是降低建筑能耗的關(guān)鍵之一。本文根據(jù)某火車站的具體建筑結(jié)構(gòu)，利用LoopDA軟件進(jìn)行自然通風(fēng)數(shù)值模擬計(jì)算，并將模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比與分析，提出了切實(shí)可行的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)建議。關(guān)鍵詞：火車站；自然通風(fēng)；loopDA；模擬計(jì)算1引言“節(jié)能減排”已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)的重要議題，如何節(jié)約能源已日益得到人們的重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑能耗大約占社會(huì)商品用能的33%[1]。據(jù)分析由自然通風(fēng)造成的能耗占建筑空調(diào)總能耗的30%左右[2]，因此自然通風(fēng)成為了建筑節(jié)能的重要突破口。目前自然通風(fēng)已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用，但是在如何設(shè)計(jì)合理有效的自然通風(fēng)系統(tǒng)方面，還有很多問題急需解決。本文結(jié)合某火車站具體工程實(shí)例，進(jìn)行了具體的自然通風(fēng)模擬計(jì)算分析，提出了切實(shí)可行的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)建議。2LoopDA軟件介紹[3]2.1LoopDA軟件簡(jiǎn)介L(zhǎng)oopDA（LoopDesignandAnalysis）是為了在自然通風(fēng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的過程中幫助設(shè)計(jì)師確定通風(fēng)氣流構(gòu)件開口面積而開發(fā)的一款軟件工具。它的原理主要是依據(jù)環(huán)路方程設(shè)計(jì)法（TheLoopEquationDesignMethod）。環(huán)路方程設(shè)計(jì)法是一種確定自然通風(fēng)構(gòu)件尺寸的方法，普通，實(shí)用，它允許直接考慮熱效應(yīng)和風(fēng)驅(qū)動(dòng)的氣流。2.2LoopDA軟件數(shù)學(xué)模型及原理描述LoopDA中用于通風(fēng)的部件有兩種，逆氣流元素（InverseAirflowElements）和管流元素（DuctFlowElements）。逆氣流元素用來描述在墻上開的孔洞，如門窗等，直接連接兩個(gè)區(qū)域；管流元素用來特指主要受熱壓影響，連接兩個(gè)區(qū)域的開口。逆氣流元素包括孔口元素（OrificeElement）和廣義冪律元素（GeneralPowerLawElement）?？卓谠氐挠?jì)算公式如下：正向：（2-1）逆向：（2-2）其中：是窗孔的流量系數(shù)，是窗孔的面積。是該公式的特征設(shè)計(jì)參數(shù)（CharacteristicDesignParameter）。該公式的目標(biāo)是求得一系列的滿足通風(fēng)要求的值，考慮建筑要求以及實(shí)現(xiàn)的可能性，選取合適的值。管流元素的計(jì)算公式如下：正向：（2-3）逆向：（2-4）通風(fēng)環(huán)路的氣流驅(qū)動(dòng)壓力計(jì)算公式：風(fēng)壓（wind）：（2-5）熱壓（stack）：（2-6）總壓力：（2-7）氣流驅(qū)動(dòng)壓力在自然通風(fēng)設(shè)計(jì)中是個(gè)非常重要的參數(shù)，其大小決定了通風(fēng)所需的進(jìn)、排風(fēng)口面積大小。在逆氣流元素和管流元素的計(jì)算公式中，氣流驅(qū)動(dòng)壓力都是必需的。在LoopDA中，參數(shù)氣流驅(qū)動(dòng)壓力不能顯式輸入，而是軟件根據(jù)逆氣流元素和管流元素的參數(shù)設(shè)置（如溫度、相對(duì)高度等）自行計(jì)算得到的。3模擬相關(guān)參數(shù)設(shè)置3.1建筑物基本信息該火車站位于我國(guó)西北地區(qū)某城市。車站全長(zhǎng)8.4km，其中車場(chǎng)部分3.4km，動(dòng)車所及走行線部分5km，車場(chǎng)設(shè)計(jì)為10臺(tái)18線。站房為南北雙向客運(yùn)站房，東西長(zhǎng)184m，南北長(zhǎng)348m，設(shè)計(jì)容納人數(shù)13000人，初步設(shè)計(jì)總建筑面積為11.52萬平方米，其中，高架層5.18萬平方米，站臺(tái)層3.04萬平方米，出站層0.13萬平方米。建筑效果圖和室內(nèi)實(shí)景圖如圖3.1-1、3.1-2。圖3.1-1圖3.1-23.2室外氣象條件與室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)過渡季節(jié)采用自然通風(fēng)的時(shí)期按照4月13日至6月17日考慮。自然通風(fēng)由于室外環(huán)境的不確定性，室內(nèi)風(fēng)速均處于被動(dòng)狀態(tài)，這一動(dòng)態(tài)變換會(huì)帶來一定的“熱環(huán)境效益”，即適當(dāng)提高空氣溫度再加上動(dòng)態(tài)風(fēng)的作用，同時(shí)可以取得令人滿意的熱舒適效果。以動(dòng)態(tài)環(huán)境下的建筑室內(nèi)熱環(huán)境為基礎(chǔ)，確定在自然通風(fēng)條件下的室內(nèi)熱環(huán)境可接受的空氣溫度為28℃，室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)溫度的提高，可以延長(zhǎng)自然通風(fēng)可以利用的時(shí)間，減少空調(diào)系統(tǒng)的開啟時(shí)間，有利于進(jìn)一步提高節(jié)能效果。該地區(qū)過渡季節(jié)風(fēng)環(huán)境的特點(diǎn)是白天風(fēng)速較高，晚上風(fēng)速較低。當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料（過渡季節(jié)以五月份為依據(jù)），四月份的室外日平均溫度為20.87℃。所以我們可以確定進(jìn)風(fēng)溫度為20.87℃?？紤]到過渡季節(jié)氣溫較低，人員衣著較厚，要保持室內(nèi)人體熱舒適性的狀態(tài)，排風(fēng)溫度不宜過高。在這里，我們?nèi)∵M(jìn)排風(fēng)溫差為5℃，這樣排風(fēng)溫度設(shè)定為25.87℃，室內(nèi)平均溫度為23.37℃。風(fēng)向?yàn)闁|北方向（北偏東45°），大氣壓力為96470pa。3.3模擬對(duì)象的參數(shù)設(shè)定此次模擬的邊界條件和初始條件以如下假設(shè)為前提：1.室外溫度按20.87℃設(shè)置，模擬過渡季自然通風(fēng)降溫工況，以室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)域溫度不超過設(shè)定溫度作為通風(fēng)目標(biāo)。當(dāng)室內(nèi)溫度超標(biāo)時(shí)，增大該區(qū)域通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中阻力最大的開口，使該區(qū)域通風(fēng)量增大帶走室內(nèi)熱量；2.由于過渡季室外溫度和室內(nèi)溫度相近，負(fù)荷計(jì)算時(shí)，只考慮通過自然通風(fēng)帶走房間內(nèi)熱源的發(fā)熱量和太陽輻射得熱量，不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱和放熱量；3.車站站房?jī)?nèi)辦公室、衛(wèi)生間、會(huì)議室等由于空間體積太小，并沒有與室外相鄰，不參與自然通風(fēng)，在模型中未考慮；4.所有的外門和可開啟的窗戶均參與自然通風(fēng)。3.4室內(nèi)計(jì)算參數(shù)、負(fù)荷統(tǒng)計(jì)及各模擬區(qū)域體積表3.4-1太陽輻射得熱平均值直射輻射散射輻射總輻射（W/m2）（W/m2）（W/m2）太陽輻射812.5151.4963.9考慮遮陽系數(shù)SC==0.355考慮屋頂透光面積占候車車室層面積積的比例為為0.099284.425.653.04.8337.430.4表3.4-2各模擬區(qū)域過渡季節(jié)內(nèi)熱源負(fù)荷及體積統(tǒng)計(jì)表房間名稱過渡季節(jié)設(shè)計(jì)溫度人員發(fā)熱量照明負(fù)荷設(shè)備負(fù)荷太陽得熱負(fù)荷總計(jì)體積（℃）（w）（w）（w）（w/m2）（w）（m3）一層南向候車室室（包括進(jìn)站廣廳廳）26365462496827736042288052089一層北向候車室室（包括進(jìn)站廣廳廳）26365462496827736042288052089二層候車廳26352407444744104432230.449977922471210二層進(jìn)站廣廳26251799009084388487230.453399822902310二層休閑茶座268969640473756330.417116825728二層售票廳262954563135158580332665112104模擬計(jì)算與分析4.1計(jì)算模型根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)與形狀建立模型如下圖：圖4.1-1建筑物L(fēng)oopDA軟件計(jì)算模型1.區(qū)域標(biāo)記；2.進(jìn)風(fēng)口；3.排風(fēng)口；4.管流模型；5.墻體結(jié)構(gòu).根據(jù)軟件的計(jì)算公式可知，建筑的進(jìn)、排風(fēng)口面積與室內(nèi)的散熱量線性相關(guān)，與進(jìn)、排風(fēng)口之間的距離無關(guān)，因此，我們可以把建筑物一些通風(fēng)環(huán)境相同的開口合并，作為一個(gè)開口考慮，最后把計(jì)算得到的總面積平均即得到各個(gè)開口的實(shí)際面積值。4.2建筑各層進(jìn)、排風(fēng)口參數(shù)設(shè)置4.2.1流量系數(shù)參數(shù)設(shè)置QUOTE對(duì)應(yīng)的是進(jìn)、排風(fēng)口的流量系數(shù)，使用公式QUOTE=QUOTEQUOTEQUOTEQUOTEQUOTE計(jì)算得到各個(gè)進(jìn)、排風(fēng)口的窗孔的流量系數(shù)。各層的進(jìn)、排風(fēng)口流量系數(shù)值如表格所示：表4.2-1進(jìn)、排風(fēng)口的流量系數(shù)[4]樓層進(jìn)風(fēng)口局部阻力力系數(shù)ζj進(jìn)風(fēng)口流量系數(shù)排風(fēng)口局部阻力力系數(shù)ζp排風(fēng)口流量系數(shù)一層1.560.82.520.63二層5.650.424.90.454.2.2流量參數(shù)設(shè)置各層、各環(huán)路的換氣量如表4.2-2所示：表4.2-2各區(qū)域全面通風(fēng)量樓層負(fù)荷（kw）換氣量（m3/h）一層(一個(gè)區(qū)域)422.88253004二層10841.6607648639664.2.3相對(duì)高度參數(shù)設(shè)置各風(fēng)口的相對(duì)高度如表4.2-3所示表4.2-3各層風(fēng)口相對(duì)高度樓層相對(duì)高度（m）進(jìn)風(fēng)口排風(fēng)口一層1.510.00二層10.725.1樓頂----43.64.2.4相對(duì)風(fēng)向系數(shù)的確定相對(duì)風(fēng)向系數(shù)相關(guān)參數(shù)如下圖4.2-1：圖4.2-1相對(duì)風(fēng)向系數(shù)隨建筑表面風(fēng)向相對(duì)位置曲線圖該地區(qū)風(fēng)向?yàn)闁|北方向，結(jié)合建筑物表面法線與正北方向的夾角為14°，我們確定建筑物表面風(fēng)向相對(duì)角度為59°，239°，90°，對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓相對(duì)風(fēng)向系數(shù)0.2，-0.65，-0.38。4.3LoopDA計(jì)算模擬結(jié)果4.3.1實(shí)際通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)路模型實(shí)際通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)路模型如圖4.3-1所示：圖4.3-1實(shí)際通風(fēng)流通網(wǎng)絡(luò)環(huán)路模型根據(jù)軟件模擬結(jié)果可以看出，在建筑物的迎風(fēng)面，建筑物二層的排風(fēng)窗由于室外風(fēng)壓比較大，成了進(jìn)風(fēng)口，但在建筑物的背壓面上，排風(fēng)窗可以起到排風(fēng)的作用。4.3.2模擬結(jié)果以及數(shù)據(jù)整理根據(jù)軟件的模擬計(jì)算結(jié)果，我們可以得出：對(duì)于第一層，進(jìn)、排風(fēng)口面積如表4.3-1表4.3-1第一層各區(qū)域進(jìn)、排風(fēng)口面積樓層進(jìn)風(fēng)口面積（mm2）排風(fēng)口面積（m2）一層(左)152191一層(右)131165對(duì)于二層，我們分兩種工況來進(jìn)行模擬，即頂部熱壓排風(fēng)量占總排風(fēng)量的60%，80%。工況一：表4.3-2第二層各環(huán)路進(jìn)、排風(fēng)口面積樓層進(jìn)風(fēng)口面積（mm2）排風(fēng)口面積（m2）屋頂排風(fēng)口面積積（m2）二層(左層(右)789----工況二：表4.3-3第二層各環(huán)路進(jìn)、排風(fēng)口面積樓層進(jìn)風(fēng)口面積（mm2）排風(fēng)口面積（m2）屋頂排風(fēng)口面積積（m2）二層(左層(右)789----為了避免室內(nèi)空間有較大的死角，我們應(yīng)該增加頂部熱壓排風(fēng)量在總風(fēng)量的比重，所以我們選擇第二種工況（即二層頂部排風(fēng)量占總排風(fēng)量的80%）來分析。其中：第一層的進(jìn)風(fēng)口（標(biāo)高1.5m）主要是外門，一層的排風(fēng)口（標(biāo)高10.00m）主要是一層與二層的連接樓梯；第二層，進(jìn)風(fēng)口是外窗（標(biāo)高10.7m）。統(tǒng)計(jì)建筑物外部總開口面積為：152+131+1342+539+789+1085=4038m2表4.3-4建筑實(shí)際開口面積與模擬面積的比較樓層風(fēng)口實(shí)際面積（m2）模擬面積（m2）一層左進(jìn)風(fēng)口180152左排風(fēng)口155191右進(jìn)風(fēng)口180131右排風(fēng)口155165二層左進(jìn)風(fēng)口46.21342左排風(fēng)口273539右進(jìn)風(fēng)口46.2789右排風(fēng)口273----天窗705.61085其中所有風(fēng)口的實(shí)際面積我們均采用其最大開啟面積4.3.3模擬結(jié)果分析1.根據(jù)表4.3-4，一層的進(jìn)風(fēng)口面積基本可以滿足設(shè)計(jì)要求，但是排風(fēng)口不能滿足設(shè)計(jì)面積要求。由于一層與二層的連接主要是樓梯口，樓梯口面積相對(duì)比較小，不滿足設(shè)計(jì)要求，不能通過自然通風(fēng)的方式得到達(dá)到理想的降溫效果，在過渡季節(jié)可能需要開啟空調(diào)或機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)；2.根據(jù)表4.3-4，二層的進(jìn)風(fēng)口實(shí)際面積太小，不能滿足設(shè)計(jì)要求，建議增大二層下部開窗面積，以滿足設(shè)計(jì)要求。其中的二層左排風(fēng)口面積也不能滿足設(shè)計(jì)要求，建議適當(dāng)增大開窗面積；3.由于過渡季節(jié)風(fēng)向變化頻繁，在建筑的迎風(fēng)面排風(fēng)口可能會(huì)出現(xiàn)“灌風(fēng)”現(xiàn)象