寧波站候車廳供暖效果的改善研究

蔡珊瑜

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司，200092，上?！胃呒壒こ處煟?/p>

寧波站候車廳供暖效果的改善研究

蔡珊瑜

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司，200092，上?！胃呒壒こ處煟?/p>

寧波站候車大廳建筑空間屬于典型的高大空間。為改善冬季空調(diào)熱風(fēng)上浮，減少垂直方向溫度梯度明顯的現(xiàn)象，利用在夏季高區(qū)排除余熱的通風(fēng)系統(tǒng)，在冬季將高區(qū)上浮聚集的熱空氣向下高速噴送，以優(yōu)化候車大廳的候車區(qū)溫度場。利用計算機(jī)數(shù)值模擬計算手段，比較了6種不同的設(shè)計工況對候車區(qū)冬季溫度場及速度場的影響，得出冬季供熱工況隨著屋頂風(fēng)機(jī)的開啟對熱氣流上浮有一定抑制效用；且隨著向下送風(fēng)風(fēng)速的加大，候車區(qū)距地2 m高度區(qū)域人員停留區(qū)溫度有所上升。這一設(shè)計具有一定的節(jié)能效果。

候車廳；循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)；供暖效果；數(shù)值模擬；節(jié)能

Author'saddressConstruction&Design Institute（Group）Co.，Ltd.，Tongji University，200092，Shanghai，China

鐵路寧波站候車大廳南北跨度190 m，東西跨度60 m，平均高度24 m，是一種典型的高大空間建筑（見圖1）。這類高大空間冬季采暖系統(tǒng)均存在垂直溫度梯度失調(diào)的現(xiàn)狀。在候車區(qū)設(shè)置低溫地板輻射系統(tǒng)或在候車廳中央?yún)^(qū)設(shè)置送風(fēng)單元柱可有效改善這種現(xiàn)狀。但出于投資造價、室內(nèi)空間效果等因素的限制，在前期進(jìn)行暖通方案設(shè)計時，地板采暖系統(tǒng)及送風(fēng)單元柱等方案均未實施，最終采用了在候車區(qū)東西兩側(cè)設(shè)置送風(fēng)噴口。但由于候車廳東西跨度達(dá)60 m，冬季室內(nèi)熱空氣上浮，垂直方向上溫度梯度明顯，因而成為系統(tǒng)設(shè)計的隱憂。

為改善候車大廳的供暖效果，利用原有夏季高區(qū)排除余熱的排風(fēng)系統(tǒng)的管線，增設(shè)一套送風(fēng)管路，在冬季將高區(qū)上浮聚集的熱空氣向下高速噴送，以優(yōu)化候車大廳的候車區(qū)溫度場。

圖1 高架候車廳實景

1 屋頂通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

寧波站候車廳夏季是采用分層空調(diào)的方式，為了排除非空調(diào)區(qū)聚積的熱量，減少空調(diào)區(qū)的負(fù)荷，在屋頂桁架內(nèi)設(shè)置了16套溫控排風(fēng)系統(tǒng)?，F(xiàn)為了改善候車廳冬季空調(diào)供暖效果不佳這一現(xiàn)狀，將原屋頂夏季排風(fēng)系統(tǒng)（見圖2）改造為冬季內(nèi)循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)（見圖3），冬季供熱工況時將上浮在候車大廳上部的熱空氣重新送回到下部人員活動區(qū)。

冬季運行工況：打開風(fēng)閥2，關(guān)閉排風(fēng)閥1。為避免上部抽排風(fēng)速過大，上部進(jìn)風(fēng)口采用單層百葉格柵，控制風(fēng)速在2.5 m/s以內(nèi)，而向下送風(fēng)口采用高速射流的噴口，下壓上浮熱氣流，送回候車人員停

留區(qū)。

圖2 夏季上部排風(fēng)系統(tǒng)

圖3 冬季高位熱風(fēng)下送系統(tǒng)

2 模擬建模與邊界條件

為驗證該優(yōu)化設(shè)計的預(yù)期效果，本文采用Airpak3.0計算軟件對候車廳進(jìn)行數(shù)值模擬分析。Airpak3.0計算軟件在室內(nèi)熱環(huán)境模擬領(lǐng)域中具有較高的精度，其熱舒適后處理也是該軟件的另一大優(yōu)勢。圖4是候車廳的物理模型。模型中兩側(cè)有大量的圓形噴口，在頂部設(shè)置風(fēng)機(jī)模型，使得最終網(wǎng)格數(shù)量在350萬以上，因此使用了較為簡單實用的零方程模型。零方程模型是一種更貼近實際情況的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，相對于傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)k-e，對于熱羽流、射流、溫度分層現(xiàn)象等能得到更符合實際的結(jié)果［1-3］，故比較適合于本文中對高大空間冬季供暖工況的模擬。

2.1 候車廳基本模型

以候車廳為研究對象，并將大廳簡化為190 m ×60 m×24 m（x、z、y方向的尺寸）的模型，如圖4所示，同時為了簡化模型，做出以下假設(shè)：①空氣為穩(wěn)態(tài)湍流；②空氣密度變化不大，采用Boussinesq假設(shè)；③室內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)；④頂部風(fēng)管為絕熱。

寧波地處夏熱冬冷地區(qū)，冬季空調(diào)室外計算干球溫度為-1.5℃，候車廳室內(nèi)設(shè)計溫度為20℃。高架層候車大廳出入口眾多，且大門開啟頻繁甚至為常開狀態(tài)，故冷風(fēng)滲透量極大。整個候車廳冬季室內(nèi)設(shè)計熱負(fù)荷為800 k W，熱指標(biāo)為70 W/m2?？紤]到冷風(fēng)侵入點的位置基本在3 m高度以下，為了使模型更貼近實際情況，將外墻分為0～3 m高及3～24 m高兩段。3～24 m高的這部分外墻以及屋頂、樓板均根據(jù)實際設(shè)計傳熱系數(shù)設(shè)置，0～3 m高墻體傳熱系數(shù)是由這部分墻體的傳熱量加上全部的冷風(fēng)滲透負(fù)荷倒推得出，這樣即可將冷風(fēng)滲透負(fù)荷平均分配到0～3 m高的這部分墻體上。具體設(shè)置參數(shù)如表1所示。

圖4 候車大廳的物理模型

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)表

2.2 候車大廳空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)置

本工程中的候車廳采用一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)，空調(diào)冬季總送風(fēng)量為215 600 m3/h，末端球型噴口分別安裝在東西兩側(cè)側(cè)墻距地6 m的高度。為保證冬季工況球形噴口的送風(fēng)風(fēng)速，僅開啟其中一半的噴口。每個噴口的送風(fēng)量為2 200 m3/h，共開啟92只噴口。冬季工況下噴口安裝角度向下傾斜10°。送風(fēng)口其他具體參數(shù)見表2。

表2 送風(fēng)口參數(shù)設(shè)置表

候車大廳在四個對稱角部的側(cè)面設(shè)置了低位集中回風(fēng)口。風(fēng)口尺寸為6.0 m×2.5 m，共4個。

2.3 冬季屋頂內(nèi)循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)

內(nèi)循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置在候車廳的無頂桁架內(nèi)，風(fēng)管的底標(biāo)高距地為23 m。在冬季，每套系統(tǒng)通過風(fēng)機(jī)從3個回風(fēng)口中低速抽取候車大廳上部空氣，然后通過6個送風(fēng)口將此部分的空氣高速向下送至候車廳下部區(qū)域，以達(dá)到增加候車大廳上、下兩部空氣擾動的目的，抑制冬季空調(diào)熱風(fēng)上浮的現(xiàn)象。

在設(shè)計過程中，針對冬季是否開啟屋頂內(nèi)循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)，并通過改變送風(fēng)口尺寸來改變送風(fēng)風(fēng)速，

形成6種不同的工況。其中工況1為未使用頂部內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)。另根據(jù)不同的噴口送風(fēng)速度分列工況2～工況6。6種工況具體參數(shù)見表3。

表3 不同工況參數(shù)表

3 高架候車廳冬季氣流組織分析

工況1為不開啟屋頂內(nèi)循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)，可視為送風(fēng)風(fēng)速為零，因此為僅有風(fēng)速變化這一變量因素。在不改變各種邊界條件、空調(diào)送風(fēng)量、送風(fēng)溫度的情況下，分別模擬了這6種工況時候車廳中x=85 m處的冬季室內(nèi)速度場及溫度場，并分析比較這6種工況下候車大廳的冬季供暖效果。

圖5 工況1速度場（x=85 m）模擬結(jié)果

圖6 工況2速度場（x=85 m）模擬結(jié)果

圖7 工況3速度場（x=85 m）模擬結(jié)果

圖8 工況4速度場（x=85 m）模擬結(jié)果

圖9 工況5速度場（x=85 m）模擬結(jié)果

圖10 工況6速度場（x=85 m）模擬結(jié)果

通過圖5～10橫斷面速度場模擬結(jié)果的對比分析，可以發(fā)現(xiàn)：在增加冬季內(nèi)循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)以后，整個候車廳會形成一股股垂直向下的氣流，以抑制冬季空調(diào)送出的熱風(fēng)出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。隨著送風(fēng)口送風(fēng)風(fēng)速的增大，這種效果更加明顯。當(dāng)送風(fēng)風(fēng)速由0加大至26.54 m/s，候車區(qū)兩側(cè)噴口的冬季空調(diào)送風(fēng)的角度大致由上浮60°變?yōu)橄赂?°，使得空調(diào)送風(fēng)的水平射程增大，有效改善了由于受建筑形態(tài)限制而使2組對噴噴口設(shè)置距離較遠(yuǎn)從而導(dǎo)致中間大面積區(qū)域熱風(fēng)無法送達(dá)的不利現(xiàn)象。另外，隨著冬季內(nèi)循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)風(fēng)速的加大，末端風(fēng)速為0.5 m/s等速度線距地面的距離也越來越近，由工況2的9.70 m減小到工況6的2.68 m（詳見表4）。由此可見：隨著送風(fēng)風(fēng)速的增加，將有更多的上部區(qū)域的熱空氣被送至下部區(qū)域，可改善高大空間常見的上熱下冷現(xiàn)象。

表4 各工況在末端風(fēng)速為0.5m/s時距地距離m

候車廳0～2.0 m為候車乘客的聚集停留高度，故整個候車大廳的冬季供暖效果也僅取決于這一區(qū)間的溫度分布及速度分布。2 m以上區(qū)域的溫

度分布及速度分布對候車人員的熱舒適度幾乎沒有任何影響。圖11為候車廳0～2.0 m各高度水平面平均溫度曲線圖。從中可以看出6種工況的溫度曲線趨勢基本一致：當(dāng)開啟冬季屋頂循環(huán)風(fēng)機(jī)后，2 m以下區(qū)域的室內(nèi)溫度明顯上升；溫度可升高0.2～0.7℃。在不改變循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的前提下，隨著送風(fēng)口減小、送風(fēng)風(fēng)速增加，2 m以下區(qū)域的室內(nèi)溫度繼續(xù)上升，雖然此增幅不是很大（見表5），但是卻無需增加任何改造成本。在滿足室內(nèi)聲環(huán)境的前提下，減小送風(fēng)口增加送風(fēng)風(fēng)速也是有利于2 m以下區(qū)域冬季供暖效果的改善的。

圖11 0～2.0 m室內(nèi)各高度水平面平均溫度曲線圖

表5 各工況2m以下不同高度水平面的平均溫度℃

隨著冬季屋頂循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)的開啟以及送風(fēng)風(fēng)速不斷增加，垂直射程也隨之增加，將有更多的上部區(qū)域的熱風(fēng)被送至2.5 m以下的區(qū)域，使這一區(qū)域的平均溫度也隨之上升。而4個空調(diào)集中回風(fēng)口高度均在距地0～2.5 m的范圍內(nèi)，且回風(fēng)風(fēng)速較低，故可以近似地認(rèn)為回風(fēng)溫度為候車廳0～2.5 m高度范圍內(nèi)的平均溫度。各工況0～2.5 m高度范圍內(nèi)的平均溫度詳見表6。由于候車廳屬于人員高密度場所，冬季空調(diào)無需加濕，空調(diào)箱內(nèi)熱濕處理過程為等濕加溫過程。因此在空調(diào)送風(fēng)量、送風(fēng)溫度一定的前提下，各空調(diào)箱的加熱總量可計算得出（結(jié)果見表7）。由表7可以看出，隨著冬季屋頂循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)口尺寸的減小、送風(fēng)口風(fēng)速的增加，空調(diào)加熱量由工況1的800 k W減少為工況6的750 k W，減少了6.25%的不必要能耗。

表6 各工況0～2.5m高度范圍內(nèi)的平均溫度℃

表7 各工況空調(diào)箱的總加熱量kW

4 結(jié)語

為了改善冬季空調(diào)供暖效果，寧波站候車大廳將原先僅夏季使用的16套屋頂排風(fēng)系統(tǒng)改造為冬季屋頂內(nèi)循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)，且在不更換風(fēng)機(jī)的前提下，通過改變送風(fēng)口的尺寸來改變送風(fēng)風(fēng)速。本文對改造后的供暖效果分6種工況進(jìn)行了模擬分析。其結(jié)論為：當(dāng)開啟冬季屋頂循環(huán)風(fēng)機(jī)后，2 m以下區(qū)域的室內(nèi)溫度明顯上升，溫度可升高0.2～0.7℃；隨著送風(fēng)風(fēng)速的加大，2 m以下區(qū)域的室內(nèi)溫度會繼續(xù)上升。而空調(diào)的加熱量由工況1的800 kW減少為工況6的750 kW，減少了6.25%的不必要的能耗。希望這一研究可以給同類工程設(shè)計提供一定的借鑒意見。

［1］ 趙彬.用零方程湍流模型模擬通風(fēng)空調(diào)室內(nèi)的空氣流動［J］.清華大學(xué)學(xué)報，2001，41（10）：109.

［2］ 王剛，廉樂明.零方程模型在大空間建筑熱環(huán)境模擬中的應(yīng)用［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2003（3）：1.

［3］ 李先庭，趙彬.室內(nèi)空氣流動數(shù)值模擬［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［4］ 林曉偉，王俠.地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制［J］.城市軌道交通研究，2012（11）：100.

On the Heating Effect in Ningbo Railway Station Hall and the Improvement

Cai Shanyu

The waiting hall of Ningbo Railway Stationis a typical large building with high space.To improve the hot air flotation and reduce the obvious vertical temperature gradient in winter，the ventilation system in upper area of the waiting hall designed for summer is improved，highspeed nozzlesare used to supply hot air for the lower waiting area.Six different design conditions corresponding to the indoor temperature field and velocity field are compared through computer numerical simulation，the results show that in winter the heating condition will get better with the control of hot air flotation，and the increase of air velocitytoward the lower area will raise the temperature in the waiting area about 2m high above the floor，so the goal of energy conservation is partly achieved.

waiting hall；recycle ventilate system；heating effect；numerical simulation；energy conservation

TU 831.3：U 291.6

2014-01-20）