地下車庫(kù)自然通風(fēng)的設(shè)計(jì)

樊德璽,劉欣彤

(大連城建設(shè)計(jì)研究院有限公司,大連116011)

在工程設(shè)計(jì)中,地下車庫(kù)普遍采用機(jī)械排風(fēng),自然進(jìn)風(fēng)的通風(fēng)方式.但是在實(shí)際管理過(guò)程中,由于排風(fēng)風(fēng)機(jī)的耗電量大,噪音高,因此很少被開(kāi)啟,導(dǎo)致地下車庫(kù)內(nèi)空氣品質(zhì)差.針對(duì)這一情況,本文以大連某地下車庫(kù)為例,提出一種以自然通風(fēng)為主,機(jī)械通風(fēng)為輔的地下車庫(kù)通風(fēng)系統(tǒng).

1 工程概況

該地下車庫(kù)位于大連,如圖1所示,分為2個(gè)防火分區(qū),層高為3.6m,車庫(kù)頂為室外地坪;車庫(kù)上連接四個(gè)單體住宅.本文將對(duì)防火分區(qū)一進(jìn)行分析.

圖1 地下車庫(kù)平面圖

2 設(shè)計(jì)思路

防火分區(qū)一的面積約為2 730m2,上部有兩個(gè)單體,高度分別為90 m(層高3 m,30層)和69 m(層高3 m,23層).

在兩個(gè)單體建筑中分別設(shè)置與車庫(kù)相連,并和單體同高的通風(fēng)豎井,即風(fēng)井1(高90m)和風(fēng)井2(高69m).

利用風(fēng)井內(nèi)熱壓引起的空氣流動(dòng),對(duì)車庫(kù)進(jìn)行自然通風(fēng);同時(shí)設(shè)置排風(fēng)機(jī),在自然通風(fēng)不能滿足要求時(shí),啟動(dòng)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng).

3 原理分析

自然通風(fēng)的作用原理,主要是利用室內(nèi)外溫度差所造成的熱壓或室外風(fēng)力所造成的風(fēng)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)通風(fēng)換氣的.

風(fēng)力具有不穩(wěn)定性,本文不做計(jì)算分析,將其產(chǎn)生的動(dòng)力作為安全值.

1)由于熱壓的作用,風(fēng)井內(nèi)產(chǎn)生的抽力是該通風(fēng)系統(tǒng)的動(dòng)力[1].風(fēng)井抽力Sy(Pa)的計(jì)算公式如式(1).

其中:h為通風(fēng)豎井高度,m;ρo為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度,取1.293 kg/m3;tw為室外空氣溫度,℃;ti為車庫(kù)內(nèi)空氣溫度,℃;Cp為大氣壓力修正系數(shù),與海拔高度和大氣壓力有關(guān),大連地區(qū)取1.01.

2)由于風(fēng)井抽力的作用,空氣在通風(fēng)豎井內(nèi)流動(dòng),所以將有一部分抽力轉(zhuǎn)化為空氣流動(dòng)的動(dòng)壓,即

其中:V為風(fēng)井內(nèi)空氣流速,m/s,由風(fēng)井通風(fēng)量Q和風(fēng)井截面積計(jì)算.

3)空氣在通風(fēng)豎井內(nèi)需要克服沿程阻力(ΔPm).

ΔPm為單位長(zhǎng)度沿程摩擦阻力,按式(4)計(jì)算

其中:λ為摩擦阻力系數(shù),按照式(5)計(jì)算;ρ為風(fēng)井內(nèi)空氣密度kg/m3;de為風(fēng)井當(dāng)量直徑,m.

其中:K為風(fēng)井內(nèi)壁的絕對(duì)粗糙度,m;Re為雷諾數(shù).

4)空氣在通風(fēng)豎井內(nèi)還需要克服局部阻力(ΔPj).

Σξi局部阻力系數(shù)之和.

5)車庫(kù)風(fēng)井內(nèi)產(chǎn)生自然通風(fēng)的條件為

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該地下車庫(kù)自然通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括:

1)布置風(fēng)井、進(jìn)風(fēng)口的位置.風(fēng)井、進(jìn)風(fēng)口的位置,將影響地下車庫(kù)內(nèi)的通風(fēng)組織,是自然通風(fēng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.

2)計(jì)算風(fēng)井的尺寸.風(fēng)井過(guò)大,過(guò)多占用建筑面積;風(fēng)井過(guò)小,導(dǎo)致自然通風(fēng)量小,沒(méi)有達(dá)到通風(fēng)效果.

下面本文將如圖2所示,應(yīng)用CFD數(shù)值模擬和能耗分析軟件DeST,計(jì)算、分析以上內(nèi)容.

圖2 設(shè)計(jì)過(guò)程示意圖

4.1 布置風(fēng)井、進(jìn)風(fēng)口的位置

風(fēng)井被設(shè)置在建筑單體內(nèi);風(fēng)井下部開(kāi)口位于車庫(kù)廢氣集中區(qū)域,即車庫(kù)下部.

布置進(jìn)風(fēng)口位置時(shí),主要考慮以下方面:

1)在不影響人行通道和消防作業(yè)面的同時(shí),與室外地坪上的景觀結(jié)合;

2)進(jìn)風(fēng)口盡量布置在車庫(kù)內(nèi)的主要道路上;3)使氣流分布均勻,減少通風(fēng)死角.

4.2 確定自然通風(fēng)量

由前面的原理分析可知,風(fēng)井尺寸受通風(fēng)量Q和風(fēng)井抽力Sy影響;其中通風(fēng)量Q又將對(duì)風(fēng)井抽力Sy的大小產(chǎn)生影響,通風(fēng)量Q越大,室內(nèi)外溫差越小,則風(fēng)井抽力Sy越小;因此,需要合理的確定自然通風(fēng)量.

《汽車庫(kù)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ100-98)中規(guī)定,地下車庫(kù)的排風(fēng)按換氣次數(shù)6次/h取值.筆者在查閱參考文獻(xiàn)[2-3]后,根據(jù)該車庫(kù)的具體情況,計(jì)算自然通風(fēng)量.

地下車庫(kù)通風(fēng)的目的是稀釋車輛排放的一氧化碳(CO).地下車庫(kù)內(nèi)的車輛大致分為3類狀態(tài):1)行駛狀態(tài),2)怠速狀態(tài),3)熄火狀態(tài).3種狀態(tài)的一氧化碳(CO)排放量是不相同的,而且相差很大,因此需要分析車庫(kù)內(nèi)處于行駛狀態(tài)和怠速狀態(tài)車輛的最大值,按照式(8)區(qū)別計(jì)算.

其中:L為地下車庫(kù)內(nèi)的通風(fēng)量,m3/h;Gx為車庫(kù)內(nèi)行駛狀態(tài)車輛排放一氧化碳的量,Gd為車庫(kù)內(nèi)怠速狀態(tài)汽車排放一氧化碳的量,mg/s;C1為車庫(kù)內(nèi)一氧化碳的允許質(zhì)量濃度,mg/m3;C0為室外大氣中一氧化碳的質(zhì)量濃度,mg/m3.

該車庫(kù)共有76個(gè)車位,車道上能行駛車輛的最多數(shù)目約為26輛(按照車道面積與每臺(tái)車輛占地面積的比值計(jì)算).某一時(shí)刻,當(dāng)所有車位都停有車輛,并都處于怠速狀態(tài)(車位上的車輛只能是怠速狀態(tài)或熄火狀態(tài)),同時(shí)車道上處于行駛形式狀態(tài)的車輛數(shù)量最多,此時(shí)一氧化碳(CO)排放量最高.

表1為部分車輛怠速狀態(tài)的一氧化碳排風(fēng)量,本文計(jì)算時(shí)取表中平均值,約為1mg/s;關(guān)于行駛狀態(tài)車輛的一氧化碳排放量,可按每臺(tái)18 mg/s取值[2].一氧化碳允許質(zhì)量濃度C1取100mg/m3;空氣中的一氧化碳質(zhì)量濃度各地不相同,本文取3mg/m3.

將以上數(shù)據(jù)代入式(8)中,得到排風(fēng)量計(jì)算值為20 189.69 m3/h,約為該車庫(kù)2次/h換氣次數(shù)的排風(fēng)量.

表1 怠速狀態(tài)每輛汽車單位時(shí)間一氧化碳的排放量[3]

4.4 CFD數(shù)值模擬

根據(jù)一氧化碳的排放量計(jì)算了排風(fēng)量.但是由于車庫(kù)的形狀,風(fēng)井、進(jìn)風(fēng)口位置以及一氧化碳排放的不均勻(車道為排放量最高處),可能導(dǎo)致局部一氧化碳質(zhì)量濃度超標(biāo);因此采用數(shù)值模型,檢測(cè)風(fēng)井、進(jìn)風(fēng)口位置布置合理性的同時(shí),在20 189.69 m3/h風(fēng)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整,最終確定自然通風(fēng)量.

4.4.1 建立模型

根據(jù)圖1,在對(duì)車庫(kù)內(nèi)部一些細(xì)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化后,建立如圖3所示的CFD模型,其中:

圖3 防火分區(qū)一CFD模型

1)設(shè)定模型中有空氣和一氧化碳,一氧化碳的初始質(zhì)量濃度為3mg/m3;其中模型中空氣和一氧化碳的氣體特性見(jiàn)表2、3.

表2 空氣氣體特性

表3 一氧化碳?xì)怏w特性

2)在模型中,首先設(shè)定排風(fēng)口1和排風(fēng)口2各自的排風(fēng)量分別為總排風(fēng)量的50%,即10 094.85m3/h;

3)設(shè)定Source模塊為車輛;其中空心塊為怠速狀態(tài)車輛,其一氧化碳的排出速率為0.001 g/s;實(shí)心塊為行進(jìn)狀態(tài)車輛,其一氧化碳的排出速率為0.018 g/s.

4)根據(jù)4.1所述,布置風(fēng)井、進(jìn)風(fēng)口的位置.

4.4.2 模擬結(jié)果與分析

圖4為距地1.5 m處(人主要活動(dòng)區(qū)域)一氧化碳質(zhì)量濃度分布.從圖4中可以看出,在風(fēng)井1和風(fēng)井2排風(fēng)量相同時(shí),由于車庫(kù)內(nèi)車輛分布不均勻,所以導(dǎo)致部分區(qū)域的一氧化碳質(zhì)量濃度超過(guò)100mg/m3.因此需要調(diào)整排風(fēng)量,同時(shí)合理分配每個(gè)風(fēng)井的排風(fēng)量.

圖4 CO質(zhì)量濃度分布模擬結(jié)果

圖5 為調(diào)整后的結(jié)果.總風(fēng)量為28 800m3/h,其中排風(fēng)口1的排放量為19 800 m3/h,排風(fēng)口2的排放量為9 000 m3/h.此時(shí),除個(gè)別點(diǎn)外,車庫(kù)1.5m處的CO質(zhì)量濃度都滿足要求.因此確定28 800m3/h(約為該車庫(kù)3次/h的換氣量)為自然通風(fēng)量.

圖5 換氣次數(shù)為3次時(shí),距地1.5m平面CO質(zhì)量濃度分布模擬結(jié)果示意圖

4.5 確定抽力設(shè)計(jì)值

4.5.1 氣象資料

圖6為大連室外溫度全年逐時(shí)值.

圖6 大連室外溫度全年逐時(shí)值

4.5.2 建立DeST的計(jì)算模型

根據(jù)工程情況,在模型中設(shè)定:

1)車庫(kù)的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)為300 mm厚混凝土與50mm厚苯板;

2)設(shè)定車庫(kù)換氣次數(shù)為3次/h,通風(fēng)來(lái)自室外;

3)照明負(fù)荷和其他負(fù)荷(例如汽車的發(fā)熱量等),在模型不考慮.

建立DeST計(jì)算模型如圖7.

圖7 DeST計(jì)算模型

圖8 為防火分區(qū)一室內(nèi)溫度的DeST計(jì)算結(jié)果.

圖8 防火分區(qū)一室內(nèi)溫度全年逐時(shí)值

由圖6與圖8相比較可知,地下車庫(kù)內(nèi)溫度大部分時(shí)間高于室外溫度,由于在模型中忽略了一些熱負(fù)荷,本次計(jì)算結(jié)果為最不利情況.

4.5.3 風(fēng)井抽力取值

將圖6和圖8中的數(shù)據(jù)逐時(shí)對(duì)應(yīng)代入式(1)中,得到該車庫(kù)內(nèi)風(fēng)井1和風(fēng)井2內(nèi)產(chǎn)生抽力的全年逐時(shí)值.圖9為風(fēng)井1內(nèi)產(chǎn)生抽力的全年逐時(shí)值.圖10為風(fēng)井1內(nèi)產(chǎn)生熱壓值全年統(tǒng)計(jì)結(jié)果.

圖9 風(fēng)井1內(nèi)抽力全年逐時(shí)值

由圖10可以看出,風(fēng)井1內(nèi)全年約有60%的時(shí)間抽力值在10 Pa以上.當(dāng)風(fēng)井1產(chǎn)生10 Pa抽力時(shí),風(fēng)井2產(chǎn)生的抽力約為7 Pa.

圖10 風(fēng)井1內(nèi)抽力全年統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)以上分析,將10 Pa和7 Pa作為計(jì)算風(fēng)井尺寸的抽力設(shè)計(jì)值.

5 計(jì)算風(fēng)井尺寸

風(fēng)井設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表4.

表4 風(fēng)井設(shè)計(jì)參數(shù)

將表4中的參數(shù)分別代入式(2)～(7)中,計(jì)算得到風(fēng)井1的尺寸為1.5 m×1.5 m,風(fēng)井2的尺寸為1.5m×1 m;這樣可以保證全年有60%的時(shí)間,車庫(kù)內(nèi)自然通風(fēng)量可以保證最不利情況下的一氧化碳(CO)質(zhì)量濃度≤100mg/m3.

6 結(jié) 語(yǔ)

1)探討了一種地下車庫(kù)自然通風(fēng)的設(shè)計(jì)方法.使用數(shù)值模擬軟件和DeST對(duì)設(shè)計(jì)中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、分析和檢測(cè).

2)通過(guò)分析和計(jì)算確定的通風(fēng)系統(tǒng),除自然通風(fēng)最不利的夏季,即6、7、8月份需要開(kāi)啟機(jī)械排風(fēng)機(jī)外,其他時(shí)間可以保證該車庫(kù)換氣次數(shù)在3次/h;

3)在其他工程設(shè)計(jì)中,可以根據(jù)車庫(kù)的使用情況,選擇合適的換氣次數(shù)和風(fēng)井的位置,調(diào)整風(fēng)井面積和進(jìn)風(fēng)口的布置.

4)該設(shè)計(jì)方法在改善車庫(kù)內(nèi)的空氣品質(zhì)同時(shí),充分利用自然能,節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用,具有節(jié)能效果.

[1]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].2版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.

[2]張吉光.高層建筑和地下建筑通風(fēng)與防排煙[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005.

[3]陳 剛.地下車庫(kù)通風(fēng)量的確定與控制[J].暖通空調(diào),2002,32(1):62-29.