天津西站特殊高大空間室內(nèi)熱環(huán)境模擬分析

李國富 于世平 鄒志勝 朱建章

（1、3、4鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，高級工程師 天津 300251；2鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院，高級工程師 北京 100038）

1 工程概況

天津西站高架候車室屋面采用跨度達(dá)114 m，長394 m，高37 m的編織網(wǎng)拱形結(jié)構(gòu)體系，候車室單層建筑面積約4萬m2，屋面展開建筑面積約5.6萬m2。其中，鋼結(jié)構(gòu)面積約1.3萬m2，透明玻璃屋頂面積約3萬m2，三角形檁條面積約1.3萬m2。候車室整體效果見圖1。

2 候車室內(nèi)熱環(huán)境模擬計算

2.1 模擬計算的提出

天津西站高架候車室拱形屋頂整體采用玻璃幕形式，從美觀通透角度出發(fā)，不設(shè)置附屬的內(nèi)外遮陽設(shè)施，需考慮夏季室內(nèi)人員的熱舒適性影響[1]。人體的熱舒適性，是人體通過自身的熱平衡條件和對環(huán)境的熱感覺經(jīng)綜合判斷后得出的主觀評價或判斷。除了衣著、活動方式等個人因素外，影響人體熱平衡從而影響熱舒適性的環(huán)境因素主要是溫度、濕度、氣流速度和輻射換熱量[2]。

參照 《GB 50189—2005公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，天津西站候車大廳空調(diào)系統(tǒng)需滿足的工作區(qū)設(shè)計溫度為 26～28℃，相對濕度為 50%～70%[3]。

在此技術(shù)需求的條件下，空調(diào)設(shè)計中需要解決2個主要問題：第一是如何優(yōu)化送風(fēng)參數(shù)以滿足高大空間工作區(qū)的溫濕度需求；第二是如何合理選擇玻璃幕太陽能透射率以滿足夏季舒適度的需求。本文從以下兩方面進(jìn)行計算分析。

1）以理論送風(fēng)溫度和送風(fēng)量為基礎(chǔ)，利用CFD數(shù)值模擬軟件計算站房拱形穹頂玻璃幕在不同太陽能透射率下，室內(nèi)溫度場、相對濕度場和速度場隨著送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度變化產(chǎn)生的變化，確定出滿足室內(nèi)溫濕度要求所需的送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度。

2）對于篩選出的滿足室內(nèi)設(shè)計溫濕度要求的玻璃幕太陽能透射率、送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度的組合，進(jìn)行熱舒適分析，最終確定出既滿足室內(nèi)溫濕度要求，又滿足人體舒適需求的空調(diào)送風(fēng)方式及允許的玻璃幕太陽能透射率。

2.2 候車室空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置形式

高架候車廳采用全空氣分層空調(diào)系統(tǒng)，并結(jié)合地板輻射供冷進(jìn)行室內(nèi)溫濕度控制。中央?yún)^(qū)域結(jié)合進(jìn)站樓梯口，在頂部四周設(shè)置鼓型噴口，在底部設(shè)置集中回風(fēng)口，在兩側(cè)商業(yè)夾層吊頂內(nèi)設(shè)置球形噴口，風(fēng)口布置見圖2。

2.3 候車室氣流組織模擬

2.3.1 物理模型

計算選取包含2個下站樓梯且具有代表性的區(qū)域，地面尺寸為：長×寬=43 m×57 m，具體物理模型見圖3-1,3-2，風(fēng)口具體尺寸見表1。

表1 各風(fēng)口參數(shù)表

2.3.2 數(shù)學(xué)模型

空調(diào)送風(fēng)需要承擔(dān)候車大廳太陽輻射形成的冷負(fù)荷、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱形成的冷負(fù)荷、人員散熱形成的冷負(fù)荷、設(shè)備散熱形成的冷負(fù)荷，以及人體散濕形成的濕負(fù)荷。

根據(jù)連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和質(zhì)量組分方程，利用紊流RNG K-ε模型對方程組封閉求解。邊界條件的設(shè)定如下。

2.3.2.1 太陽輻射

根據(jù)氣象數(shù)據(jù)，天津地區(qū)的大氣透明度等級為5級，6月至9月太陽總輻射強(qiáng)度在875 W/m2以上的小時數(shù)為39 h（見表2），可滿足50 h以內(nèi)的不保證率[4]，因此將此輻射強(qiáng)度作為計算依據(jù)。

表2 天津地區(qū)6月至9月太陽總輻射強(qiáng)度統(tǒng)計表

2.3.2.2 人員散熱與散濕

靜坐的人顯熱散熱為62 W/人，站著的人顯熱散熱為58 W/人。

候車大廳的人員散濕情況如下：靜坐的人散濕量為61 g/h，輕度勞動時散濕量為184 g/h。

候車大廳人員密度為0.3人/m2，其中車站內(nèi)有一部分人站著候車屬于輕度勞動，人數(shù)取為118人；另一部分人由于等候時間較長，坐著候車屬于靜坐，按照座椅滿座來計算坐著候車的人數(shù)，為618人。

2.3.2.3 照明與設(shè)備

照明功率為10 W/m2，白天不考慮照明；設(shè)備功率為 15 W/m2。

2.3.2.4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

屋頂玻璃傳熱系數(shù) 2 W/(m2·K)，屋頂鋼結(jié)構(gòu)部分傳熱系數(shù) 0.5 W/(m2·K)，屋頂鋼結(jié)構(gòu)部分吸收率0.6，地面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 0.5 W/(m2·K)。

2.3.3 模擬計算結(jié)果

2.3.3.1 太陽能透射率影響模擬計算

在不開啟地板輻射供冷的前提下，針對不同的玻璃屋頂太陽能透射率，為滿足室內(nèi)溫濕度設(shè)計要求所需的送風(fēng)參數(shù)及其對應(yīng)工況下室內(nèi)溫濕度及速度模擬結(jié)果詳見表3。

表3 各工況數(shù)值模擬計算結(jié)果

2.3.3.2 地板輻射供冷對室內(nèi)溫濕度的影響

從表3可以看出，太陽能透射率對空調(diào)能耗的影響非常大。因此，在滿足建筑美觀的前提下，為減少夏季空調(diào)能耗，與建筑工程師共同確定天津西站玻璃穹頂?shù)奶柲芡干渎蕿?.1。經(jīng)理論計算，送風(fēng)溫度取16℃，側(cè)面送風(fēng)口為6 m/s,樓梯送風(fēng)口為8.5 m/s。在此基礎(chǔ)上，針對不同地板輻射供冷能力對室內(nèi)溫濕度的影響進(jìn)行了模擬計算，結(jié)果見表4，工況3即為天津西站高架候車室空調(diào)系統(tǒng)最終設(shè)計工況。

表4 各工況數(shù)值模擬計算結(jié)果

2.3.3.3 設(shè)計工況下模擬結(jié)果及分析

本文只列出最終設(shè)計工況下的模擬圖片，見圖4—圖9。從圖中可以看出，1.1 m高度的溫度分布基本均勻，總體看溫度在23～26℃之間，平均溫度為25.1℃。相對濕度總體在40%～60%之間，平均相對濕度為52%。大部分區(qū)域風(fēng)速在0.6 m/s以下，平均風(fēng)速為0.42 m/s，地面溫度約22℃。

從模擬結(jié)果看，候車室溫濕度滿足舒適性空氣調(diào)節(jié)室內(nèi)計算參數(shù)溫度要求22~28℃,相對濕度要求40%~65%[6],但風(fēng)速超過規(guī)范要求的0.3 m/s。同時由于太陽輻射的存在，會增加人體的吸熱，導(dǎo)致人體蓄熱量增加，從而體溫升高，導(dǎo)致人體的熱不舒適性[7]。需針對該室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行人體熱舒適性的計算分析，以確定合理的室內(nèi)和維護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。

2.4 人體熱舒適性計算分析

2.4.1 PMV-PPD理論分析

本文采用丹麥Fanger教授提出PMV-PPD作為人體熱舒適性的評價標(biāo)準(zhǔn)，在假定人體處于熱平衡狀態(tài)、人體具有最佳的排汗率的前提下，綜合考慮了人體代謝率、室內(nèi)溫度、人體周圍水蒸氣分壓力、房間平均輻射溫度、衣服熱阻和空氣流速等6個影響人體熱舒適性的變量[8]。由于該研究理論沒有涉及太陽輻射，依據(jù)其計算原理，對計算公式進(jìn)行調(diào)整，將太陽輻射納入到計算公式中，建立了如下人體熱舒適計算方程：

式中：M為人體能量代謝率，決定于人體的活動量大小，W/m2；W 為人體所做的機(jī)械功，W/m2；hc為對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；tcl為衣服外表面溫度，℃；ta為人體周圍空氣溫度，℃；fcl為服裝的面積系數(shù)，為人體著裝后的實(shí)際外表面積與人體裸身表面積之比；R1為人體與周圍壁面的長波輻射換熱量；R2為人體對太陽輻射的吸收熱；Pa為人體周圍水蒸氣分壓力，kPa。

當(dāng)PMV=0時，人體感覺適中，約5%的人感覺不滿意；當(dāng)PMV=1時，人體感覺微暖，有27%的人感覺不滿意；當(dāng)PMV=2時，人體感覺暖和，約80%的人感覺不滿意。

2.4.2 計算結(jié)果

對于處于站姿的人，在玻璃太陽能透射率為0.1時，3個計算工況的舒適度理論計算值見表5。表中數(shù)據(jù)顯示：對于開啟地板輻射供冷系統(tǒng)的工況2和工況3，處于站姿的人，均可以達(dá)到較好的舒適度條件。

表5 站姿條件下的舒適度理論計算結(jié)果

3 結(jié)論與建議

通過對天津西站玻璃穹頂高大空間室內(nèi)熱環(huán)境CFD模擬和人體熱舒適性研究分析得出，在選擇合理的屋頂玻璃遮陽系數(shù)的前提下，采用地板輻射供冷以及提高室內(nèi)人員活動區(qū)平均風(fēng)速的方式，可實(shí)現(xiàn)該特殊高大空間下人體比較適中的熱舒適性，并得出以下幾點(diǎn)建議，供同類項目設(shè)計參考。

1）在類似玻璃穹頂高大空間或存在較大面積玻璃屋頂?shù)目臻g，建議室內(nèi)設(shè)計溫度為26℃，相對濕度低于55%。

2）在采用地板輻射供暖且存在太陽輻射的高大空間，采用地板輻射供冷是解決人體熱舒適性的有效方法之一。

3） 在太陽輻射下，適當(dāng)提高室內(nèi)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)，增加人體散熱能力，可抵消部分太陽輻射對人體熱舒適性影響，不會對人體造成冷風(fēng)感覺。

4）在以上三個條件下，在華北地區(qū)或等同日輻射強(qiáng)度地區(qū)，玻璃屋頂太陽能透射率宜小于10%，遮陽系數(shù)宜小于等于0.25。

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[2]徐曉林，李百戰(zhàn).室內(nèi)熱環(huán)境對人體熱舒性的影響[J].重慶大學(xué)學(xué)報,2005,28(4):103

[3]中國建筑科學(xué)研究院，中國建筑業(yè)協(xié)會建筑節(jié)能專業(yè)委員會.GB50189-2005公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S],北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005

[4]中國氣象局氣象信息中心氣象資料室,清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005

[5]趙奕，于世平，等.鐵路客站采暖空調(diào)技術(shù)綜合利用及關(guān)鍵技術(shù)研究[R].2011

[6]中國有色工程設(shè)計研究總院.GB50019-2003采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2004

[7]鄒志勝，等.天津站新型節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].暖通空調(diào),2010,40(5):32-35

[8]P.O.Fanger.Thermal Comfort[M].1972