某地鐵車輛段檢修主廠房自然通風(fēng)數(shù)值模擬

陳 濤

中鐵二院華東勘察設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司

某地鐵車輛段檢修主廠房自然通風(fēng)數(shù)值模擬

陳 濤

中鐵二院華東勘察設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司

根據(jù)某地鐵車輛段檢修主廠房的實(shí)際幾何尺寸及計(jì)算參數(shù)建立計(jì)算模型，采用STAR-CD計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)采用自然通風(fēng)條件下檢修主廠房?jī)?nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。計(jì)算模型采用RNG K-ε兩方程湍流模型，離散化方法采用有限體積法，速度-壓力耦合求解采用SIMPLE算法，模擬計(jì)算中考慮了檢修主廠房?jī)?nèi)設(shè)備散熱、照明散熱及透過(guò)采光天窗的太陽(yáng)輻射等多種傳熱過(guò)程。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)采用自然通風(fēng)方式下廠房?jī)?nèi)的熱環(huán)境進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。

地鐵車輛段檢修主廠房自然通風(fēng)CFD數(shù)值模擬

地鐵車輛段是集地鐵車輛、各零配件及設(shè)備檢修、調(diào)試等的場(chǎng)所，體積龐大和高發(fā)熱設(shè)備繁多是該類高大建筑的典型特點(diǎn)。為了滿足車輛段內(nèi)工作人員對(duì)環(huán)境的要求，需要對(duì)車輛段各廠房?jī)?nèi)的熱環(huán)境進(jìn)行控制。目前對(duì)高大建筑內(nèi)熱環(huán)境控制的方式主要有機(jī)械通風(fēng)和自然通風(fēng)兩類。由于高大建筑體態(tài)龐大，熱源分布不均勻，采用機(jī)械通風(fēng)的方式必將造成能源的巨大的浪費(fèi)。相比之下，自然通風(fēng)方式通過(guò)引入室外空氣和利用空氣的浮升效應(yīng)進(jìn)行頂部排風(fēng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)節(jié)能。但是，自然通風(fēng)能否滿足要求則需要深入分析，目前最常用的分析方法是采用計(jì)算流體力學(xué)-CFD方法對(duì)建筑內(nèi)的熱環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)計(jì)算結(jié)果及舒適性標(biāo)準(zhǔn)，確定自然通風(fēng)的有效性和適應(yīng)性[1]。

1 項(xiàng)目概況

1.1 土建概況

檢修主廠房位于整個(gè)車輛段的東南部，占地面積約20000m2，高13.5m。廠房?jī)?nèi)包括大架修庫(kù)、鉤緩間、空調(diào)檢修間、受電弓檢修間、車體間（含噴漆庫(kù)）、靜調(diào)庫(kù)、電機(jī)電器間、空壓機(jī)檢修間、門窗間、金工間、制動(dòng)檢修間、定修庫(kù)和吹掃庫(kù)等15個(gè)工作區(qū)，幾個(gè)較大工作區(qū)的分布如圖1所示。

圖1 車輛段檢修主廠房工作區(qū)分布圖

為了最大限度地利用自然通風(fēng)，在檢修主廠房周圍側(cè)墻開(kāi)設(shè)了大面積的開(kāi)窗，如圖2所示。為了加強(qiáng)自然通風(fēng)的效果，在廠房屋面開(kāi)設(shè)了12個(gè)25m×2.5m的頂部通風(fēng)孔。同時(shí)為了加強(qiáng)頂部采光，在整個(gè)檢修主廠房屋頂?shù)臇|南部，開(kāi)設(shè)了面積約356.25m2的采光天窗，如圖3所示。

圖2 側(cè)墻窗戶分布圖

圖3 屋頂平面通風(fēng)孔及采光天窗分布圖

1.2 熱源分布概況

檢修主廠房各工作區(qū)含有大量的發(fā)熱設(shè)備，根據(jù)工藝專業(yè)提的資料，檢修主廠房不僅設(shè)備繁多，而且個(gè)別設(shè)備發(fā)熱量大，給主廠房?jī)?nèi)熱環(huán)境特別是局部熱環(huán)境帶來(lái)很大的影響。為便于計(jì)算分析，表1給出了各工作區(qū)熱源的統(tǒng)計(jì)情況。

表1 檢修主廠房熱源分布統(tǒng)計(jì)

2 模擬計(jì)算模型

2.1 幾何模型

根據(jù)圖1～3的實(shí)際幾何尺寸，建立檢修主廠房室內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值計(jì)算的幾何模型如圖4和圖5所示。

圖4 檢修主廠房幾何模型圖（斜視圖）

圖5 檢修主廠房幾何模型圖（俯視圖）

2.2 數(shù)學(xué)模型

廠房?jī)?nèi)空氣的流動(dòng)是由廠房?jī)?nèi)各種設(shè)備散熱、照明散熱和列車的空調(diào)系統(tǒng)散熱等多種傳熱過(guò)程以及流經(jīng)廠房?jī)?nèi)的自然風(fēng)共同作用下所形成的三維湍流流動(dòng)，計(jì)算中需要考慮這些傳熱過(guò)程以及由于溫差引起的浮升力的影響。

室內(nèi)空氣流動(dòng)一般較低，通?？梢圆豢紤]壓縮性的影響，按不可壓縮流動(dòng)計(jì)算，但需要考慮溫度對(duì)空氣密度的影響。根據(jù)質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒，可得檢修主廠房?jī)?nèi)流場(chǎng)計(jì)算的控制方程如下：

式中：Ui、Uj為流速U的分量；χi、χj為空間坐標(biāo)；T為溫度；p為壓力；ρ為密度；g為重力加速度；δi2為一數(shù)學(xué)符號(hào)，當(dāng)i=2時(shí)，δi2=1，當(dāng)i≠2時(shí)，δi2=0；μeff為有效粘性系數(shù)；β為體積膨脹系數(shù)；ρref和Tref分別表示參考密度和參考溫度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；Cp為定壓比熱容。

廠房?jī)?nèi)的空氣流速較低，Reynolds數(shù)也較低，計(jì)算時(shí)采用RNG K-ε兩方程湍流模型，它是近年來(lái)室內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬中使用較廣泛一種湍流模型[2]。CFD數(shù)值離散化方法采用有限體積法，速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)的耦合求解采用SIMPLE算法。

2.3 邊界條件

2.3.1 室外氣象參數(shù)

查《中國(guó)建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫(kù)》[3]，得到該城市夏季的室外氣象參數(shù)如下：夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度32.4℃；相對(duì)濕度62%；夏季室外平均風(fēng)速2.7m/s；夏季主導(dǎo)風(fēng)向SSW。

2.3.2 模擬計(jì)算邊界條件

根據(jù)設(shè)計(jì)條件和資料，確定檢修主廠房熱環(huán)境數(shù)值模擬計(jì)算邊界類型及條件如下：

1）將廠房的外墻、除采光天窗的廠房頂部均設(shè)為考慮傳熱的固體壁面邊界條件。根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2005），墻體的傳熱系數(shù)K< 0.7W/(m2K)，本計(jì)算取K=0.5W/(m2K)。

2）將廠房頂部的采光天窗設(shè)為固體壁面邊界條件，由于采光天窗為平板玻璃，需考慮太陽(yáng)輻射的影響，假定有75%的太陽(yáng)輻射能透過(guò)采光天窗進(jìn)入廠房?jī)?nèi)，有25%的太陽(yáng)輻射被采光天窗吸收。

3）依據(jù)該城市夏季氣候特點(diǎn)，選取太陽(yáng)輻射強(qiáng)的正午12:00作為太陽(yáng)輻射的計(jì)算條件，太陽(yáng)高度角80.5°，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度944W/m2[4]。

4）將廠房的地面設(shè)置墻體邊界條件，計(jì)算中將燈光的熱負(fù)荷按30W/m2的熱流密度附在地面上。

5）將廠房?jī)?nèi)有設(shè)備地面設(shè)置為墻體邊界條件，面積的大小與設(shè)備尺寸相同，熱流密度為設(shè)備發(fā)熱量。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 通風(fēng)孔斷面的速度及溫度分布

圖6和圖7分別給出了圖5中通風(fēng)孔1～6和通風(fēng)孔7～12所在位置X-Z平面上的流場(chǎng)分布。從圖中可以看出，在只考慮熱壓作用的條件下，室內(nèi)氣流完全依靠設(shè)備發(fā)熱引起的浮升力驅(qū)動(dòng)，形成強(qiáng)烈的自然對(duì)流流動(dòng)。在熱壓作用下，頂部通風(fēng)孔排風(fēng)作用效果明顯。此外，從廠房?jī)?nèi)的溫度分布可以看出，在通風(fēng)孔所在的橫截面上，除設(shè)備附近溫度較高外，其它區(qū)域的溫度較低。廠房人員作業(yè)區(qū)的平均溫度約為33.5℃，平均排風(fēng)溫度約為33.8℃。

圖6 通風(fēng)孔1～6所在位置X-Z平面上的流場(chǎng)分布

圖7 通風(fēng)孔7～12所在位置X-Z平面上的流場(chǎng)分布

3.2 通風(fēng)孔的排風(fēng)量及排風(fēng)溫度

為了進(jìn)一步分析各通風(fēng)孔的排風(fēng)效果，表2給出了各通風(fēng)孔的排風(fēng)量和排風(fēng)溫度。從表中可以看出，除通風(fēng)孔2外，其它通風(fēng)孔的排風(fēng)量均較大，各通風(fēng)孔的排風(fēng)溫度相差不大，平均33.8℃。

表2 熱壓作用下各通風(fēng)孔的排風(fēng)量和排風(fēng)溫度

3.3 人員作業(yè)區(qū)的流場(chǎng)及溫度分布

圖8～圖11分別給出了廠房?jī)?nèi)距地面高度為0.5m、1.0m、1.5m和2.0m水平面上的流場(chǎng)分布。從圖中可以看出，由于受熱壓作用的影響，頂部排風(fēng)量較大，使得廠房周圍窗戶進(jìn)風(fēng)較多，廠房?jī)?nèi)風(fēng)速較高，平均值在1m/s以上。同樣由于頂部排風(fēng)效果明顯，廠房?jī)?nèi)設(shè)備發(fā)熱能夠得到很好的排散，使得廠房?jī)?nèi)除設(shè)備附近外的區(qū)域溫度均較低，在高度為0.5m～2.0m的人員作業(yè)區(qū)內(nèi)平均溫度為33.5℃。

圖8 廠房?jī)?nèi)距地面0.5m處水平面的流場(chǎng)分布

圖9 廠房?jī)?nèi)距地面1.0m處水平面的流場(chǎng)分布

圖10 廠房?jī)?nèi)距地面1.5m水平面的流場(chǎng)分布

圖11 廠房?jī)?nèi)距地面2.0m水平面的流場(chǎng)分布

4 結(jié)論

采用三維數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)自然通風(fēng)條件下檢修主廠房?jī)?nèi)的熱環(huán)境進(jìn)行了計(jì)算分析，得到了廠房?jī)?nèi)速度及溫度分布、通風(fēng)孔的排風(fēng)效果以及人員作業(yè)區(qū)的熱環(huán)境。

在熱壓作用下，人員作業(yè)區(qū)平均溫度為33.5℃，小于衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)35℃的限制[5]，但部分有較大發(fā)熱設(shè)備的區(qū)域溫度超過(guò)35℃，該區(qū)域有人員作業(yè)需要采取固定式或移動(dòng)式局部降溫措施。

[1]趙彬.室內(nèi)空氣分布的預(yù)測(cè)方法及比較[J].暖通空調(diào),2001,31 (4):82-86

[2]陶文銓.計(jì)算流體力學(xué)與傳熱學(xué)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1991

[3]張晴原.中國(guó)建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫(kù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004

[4]中華人民共和國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)環(huán)境保護(hù)部.建筑氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1987

[5]中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部.工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GBZ1-2010) [S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社2010

Num e ric a l Sim u la tion o f Na tu ra l Ven tila tion w ith Som e M e tro Depo t’s M a in M a in tenan c e W o rk shop

CHEN Tao
CREECEastChina Survey and Design Co.,Ltd.

The calculationmodelof somemetro depot’smainmaintenanceworkshop was builtaccording to itsactual geometry and calculation parameters.The Numerical Simulation of temperature field and velocity field in the Main Maintenance Workshop was Research by the STAR-CD computational fluid dynamics software.RNG k-εturbulent model is used as the computingmodel,Finite volumemethod is used to discretize the computed area and SIMPLE is adopted to couple the velocity and pressure.The heat of the equipments,lights,solar radiation and other heat transfer process were considered in the Simulation of themain maintenance workshop.According to the results of simulation, combined w ith health standards,thermal environment of themainmaintenance workshop w ith natural ventilation was analyzed and evaluated.

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1003-0344（2014）02-083-4

2013-4-18

陳濤（1982～），男，碩士，工程師；杭州市江干區(qū)三里亭路57號(hào)（310004）；E-mail:hvac2001@126.com