鐵路客運站房冬季復合氣流供暖的數(shù)值模擬研究

劉躍登 張濟辭 張涂靜娃 畢海權(quán) 雷 波 余 濤

（1.西南交通大學機械工程學院 成都 610031；2.中鐵二院工程集團有限責任公司 成都 610031）

0 引言

目前在大空間建筑空調(diào)設計中廣泛采用的空調(diào)技術(shù)是分層空調(diào)，與全室空調(diào)相比，分層空調(diào)在夏季空調(diào)供冷期可節(jié)省近30%的冷量，但在冬季供暖時，受浮升力影響容易出現(xiàn)“熱氣上浮，冷氣下墜”現(xiàn)象?？照{(diào)熱風未能送到人員活動區(qū)就已上浮到上部非空調(diào)區(qū)，不僅難以滿足室內(nèi)舒適性要求，而且造成巨大的能源浪費[1]。目前學者們對改善分層空調(diào)供暖效果的研究主要集中在調(diào)整送風參數(shù)[2,3]和采用“地板輻射+噴口送風”的復合采暖方式[1,4-6]對流場、溫度場和節(jié)能效果的影響，但研究結(jié)果表明僅調(diào)整送風參數(shù)并不能很好地達到熱舒適和節(jié)能的平衡，而采用地板輻射供暖則有造價高、熱惰性大、預熱慢和安裝困難等問題，因而在鐵路客運站的實用性受到限制?？紤]到噴口送風熱氣流的上浮現(xiàn)象嚴重，本文提出利用與室內(nèi)等溫的射流壓制送風氣流上浮的復合氣流送風方案，并采用數(shù)值模擬的方法分析典型鐵路客運站候車廳采用復合氣流送風方案的熱舒適性和節(jié)能性，為該方案在工程上的應用給予指導。

1 復合氣流送風方案

傳統(tǒng)的分層空調(diào)系統(tǒng)常采用單一氣流送風方案進行供暖，送風氣流易受浮升力影響而嚴重上浮。為了抑制送風氣流上浮，本文提出復合氣流送風方案，即在原有的熱風供暖噴口上側(cè)使用復合氣流裝置，該裝置以噴口送風的方式將從上部非空調(diào)區(qū)回收的空氣送出，以達到壓制送風氣流的作用，使送風氣流能送至人員活動區(qū)，熱量得以有效利用。不同送風方案的示意圖如圖1所示。

圖1 不同送風方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of different air supply schemes

2 復合氣流方案氣流組織的評價方法

氣流組織的好壞，不僅直接影響室內(nèi)的空調(diào)效果，而且也影響空調(diào)系統(tǒng)的能耗量[7]。本文主要從舒適性和節(jié)能性兩個方面對復合氣流方案氣流組織效果進行評價。

2.1 舒適性評價

空氣溫度是影響熱舒適的主要因素，它直接影響人體通過對流的顯熱交換，而氣流速度對人體體溫調(diào)節(jié)也有著重要作用，空氣的流動速度過大可能導致有吹風感[8]。本文定義外墻以內(nèi)1m、垂直方向上地面至1.8m 的區(qū)域為人員活動區(qū)[9]，采用平均溫度和平均速度評價人員活動區(qū)的舒適性，并結(jié)合《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》[10]規(guī)定人員活動區(qū)的平均溫度達到18℃時滿足溫度舒適性要求。

2.2 節(jié)能性評價

考慮到實際工程應用中，復合氣流送風方案在降低采暖供熱量的同時也增加了風機的運行能耗，故本文引入實際節(jié)能率λ分析該方案的節(jié)能效果。

實際節(jié)能率λ[11]：將采用復合氣流送風方案后降低的采暖供熱量等效為提供同等的熱量熱泵所需能耗，減去控制氣流風機的運行能耗，對比單一氣流送風時的采暖熱泵能耗得到實際節(jié)能率，計算公式見（1）～（4）。

式中，W1和W1p分別為單一氣流送風方案下的采暖供熱量和熱泵采暖能耗，kW；W2和W2p分別為復合氣流送風方案下的采暖供熱量和熱泵采暖能耗，kW；ε為熱泵采暖平均能效比；Wfan為風機功率，kW；L為風機的風量，m3/s；P為風機的全壓，kPa；η為風機的運行效率。

3 數(shù)值計算模型

為研究復合氣流送風方案的具體效果，本文采用CFD 數(shù)值模擬的方法，建立了典型鐵路客運站候車廳模型，對復合氣流送風方案的熱舒適性和節(jié)能性進行了分析。

3.1 幾何模型

本文以中小型車站的候車廳為計算對象[11]，長寬高分別為100m、40m、16m?？紤]對稱性，取其1/4 進行建模，長50m、寬20m、高16m，忽略噴口及回風口與同側(cè)墻壁之間的間隔，典型鐵路客運站候車廳簡化模型如圖2所示。

圖2 典型鐵路客運站候車廳簡化模型Fig.2 Simplified model of waiting hall of typical railway station

3.2 邊界條件

數(shù)值計算中，邊界條件的設定關(guān)系到計算結(jié)果的準確性[7]。本文以拉薩氣候參數(shù)作為計算條件，并采用《實用供熱空調(diào)設計手冊》[12]的計算方法，計算得到典型鐵路客運站熱負荷為84.33kW，其中外墻及屋頂?shù)臒崃髅芏确謩e為-31.23W/m2和-8.94W/m2，將人員散熱及照明負荷、設備負荷等簡化地均勻加在地面上，地面的熱流密度為35.32W/m2。出口邊界設置為自由出流邊界。入口邊界設為速度進口，其中將滲透風入口簡化為進站口，進風速度和溫度分別為0.18m/s 和-7.6℃，送風噴口的具體送風參數(shù)如表1 和表2所示。

3.3 氣流組織方案

針對典型鐵路客運站單一氣流送風方案進行氣流組織設計計算，具體參數(shù)見表1，單一氣流送風方案記為工況1。

表1 單一氣流設計參數(shù)Table 1 Design parameters of single airflow

通過對工況1 的模擬計算，得到了送風氣流噴口上部的空氣溫度約為20℃。保證送風氣流的送風參數(shù)不變，在送風氣流噴口上部1m 處設置等大小的控制氣流送風噴口，控制氣流送風溫度設為20℃，送風速度為6m/s，送風角度為15°，以此作為復合氣流送風方案的基礎工況，記為工況2。

考慮到復合氣流送風效果受到很多因素的影響，故在下一節(jié)對兩種送風方案模擬結(jié)果進行分析的同時，研究復合氣流送風方案下，控制氣流送風速度、送風角度和噴口尺寸等三個方面對氣流組織的影響，具體控制氣流參數(shù)如表2所示。

表2 控制氣流參數(shù)Table 2 Parameters of control airflow

4 模擬結(jié)果及分析

經(jīng)過模擬計算得到了各工況在典型鐵路客運站的氣流組織狀況，通過對比分析進一步得到復合氣流送風效果及影響因素的相關(guān)結(jié)論。

4.1 兩種送風方案的效果對比

不同送風方案下Z=25m 剖面的溫度分布如圖3所示。

圖3 不同送風方案下Z=25m 剖面的溫度分布Fig.3 Temperature distribution of Z=25m under different air supply schemes

結(jié)合不同送風方案下垂直方向的溫度分層情況（見圖4），單一氣流送風方案下人員活動區(qū)的平均溫度為16℃，不滿足活動區(qū)溫度達18℃的設計要求。采用復合氣流送風方案能夠減弱送風氣流的上浮，送風氣流的熱量得以有效利用，人員活動區(qū)的溫度顯著增加，平均溫度達18.3℃，滿足設計要求的同時有效降低了上部非空調(diào)區(qū)的溫度，大空間的溫度分層現(xiàn)象得到緩解。

圖4 不同送風方案下垂直方向的溫度分層Fig.4 Vertical temperature stratification under different air supply schemes

對于單一氣流送風方案，調(diào)整送風溫度為28℃、送風速度為8m/s 方可滿足人員活動區(qū)溫度達到18℃的設計要求，但相比復合氣流送風方案需要增加30.8kW 的熱量。熱泵采暖平均能效比ε按2.5 計算[13]，控制氣流風機全壓為258Pa，風量為7.36m3/s，運行效率η取72%，根據(jù)公式（1）～公式（4）可得到復合氣流送風方案的節(jié)能率λ達到22.8%，節(jié)能效果顯著。

為更直觀的對比射流的運行軌跡，做出不同工況在Z=25m 處的射流軸心軌跡，如圖5所示。單一氣流送風方案下送風氣流自噴口射出后很快達到最大落差，采用復合氣流送風方案后，送風氣流受到控制氣流的壓制，送風落差和送風射程顯著增大，射流得以更接近人員活動區(qū)進行熱量交換。

圖5 不同送風方案下Z=25m 剖面的射流軸心軌跡Fig.5 Trajectory of jet axis of Z=25m under different air supply schemes

4.2 復合氣流送風效果的影響因素分析

復合氣流送風效果受到很多因素的影響，保證送風氣流的送風參數(shù)不變，分別研究控制氣流送風速度、送風角度和噴口尺寸等三個方面對人員活動區(qū)熱環(huán)境的影響。

4.2.1 控制氣流送風速度的影響

不同控制氣流送風速度下的溫度分層情況和射流軸心軌跡如圖6 和圖7所示。隨著控制氣流送風速度的增加，控制氣流對送風氣流的壓制作用有所增強，具體表現(xiàn)在送風落差、送風射程的增加和垂直溫差的減小。從人員活動區(qū)的熱環(huán)境來看（見表3），除送風速度為4m/s 的工況外，其余兩個工況的人員活動區(qū)平均溫度均達到了18℃以上，當控制氣流送風速度達到8m/s 時，人員活動區(qū)平均溫度最高，但平均風速也高達0.48m/s，舒適性欠佳，而且送風速度過大還會導致風機能耗變高，不利于節(jié)能。

圖6 不同控制氣流送風速度下垂直方向的溫度分層Fig.6 Vertical temperature stratification under different air supply speeds of control airflow

圖7 不同控制氣流送風速度下Z=25m 剖面的射流軸心軌跡Fig.7 Trajectory of jet axis of Z=25m under different air supply speeds of control airflow

表3 不同控制氣流送風速度下人員活動區(qū)的熱環(huán)境Table 3 Thermal environment of the occupied zone under different air supply speeds of control airflow

4.2.2 控制氣流送風角度的影響

不同控制氣流送風角度下的溫度分層情況和射流軸心軌跡如圖8 和圖9所示。加大控制氣流的送風角度可增加送風氣流的送風落差，當送風角度增大到30°時，射流軸心的垂直高度降至1.6m，垂直溫差也有明顯降低，控制氣流的壓制作用顯著。從人員活動區(qū)的熱環(huán)境來看（見表4），隨著控制氣流送風角度的增加，人員活動區(qū)的平均溫度提升不大，而平均速度大幅增加，過大的風速會造成強烈的“吹風感”，不利于人體熱舒適。

圖8 不同控制氣流送風角度下垂直方向的溫度分層Fig.8 Vertical temperature stratification under different air supply angles of control airflow

圖9 不同控制氣流送風角度下Z=25m 剖面的射流軸心軌跡Fig.9 Trajectory of jet axis of Z=25m under different air supply angles of control airflow

表4 不同控制氣流送風角度下人員活動區(qū)的熱環(huán)境Table 4 Thermal environment of the occupied zone under different air supply angles of control airflow

4.2.3 控制氣流噴口尺寸的影響

不同控制氣流噴口尺寸下的溫度分層情況和射流軸心軌跡如圖10 和圖11所示。改變控制氣流噴口尺寸對送風氣流壓制作用的影響不大，射流軸心的最大落差基本一致，但由于控制氣流噴口的送風量隨著直徑的增大而增加，所以控制氣流自噴口射出后沿程的卷吸量增大，與送風氣流的混合作用加強，對比送風落差隨著控制氣流送風速度的增大而明顯增加的結(jié)論，認為控制氣流對送風氣流的壓制作用以動量壓制為主，混合作用影響相對較小。

圖10 不同控制氣流噴口尺寸下垂直方向的溫度分層Fig.10 Vertical temperature stratification under different nozzle sizes of control airflow

圖11 不同控制氣流噴口尺寸下Z=25m 剖面的射流軸心軌跡Fig.11 Trajectory of jet axis of Z=25m under different nozzle sizes of control airflow

不同控制氣流噴口尺寸下人員活動區(qū)的熱環(huán)境如表5所示。當控制氣流噴口直徑從0.2m 增至0.315m 時，人員活動區(qū)的平均溫度從17.9℃提升至18.6℃，平均速度從0.28m/s 增至0.32m/s，增長較小，認為在一定范圍內(nèi)，改變控制氣流的噴口尺寸對人員活動區(qū)熱環(huán)境的影響不大。

表5 不同控制氣流噴口尺寸下人員活動區(qū)的熱環(huán)境Table 5 Thermal environment of the occupied zone under different nozzle sizes of control airflow

5 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬的方法，對典型鐵路客運站候車廳采用復合氣流供暖方案的效果進行了研究分析，結(jié)論如下：

（1）相比單一氣流送風，復合氣流送風方案可將人員活動區(qū)的平均溫度從16℃提高至18.3℃，節(jié)能率可達到22.8%，具有更好的舒適性與節(jié)能性。

（2）在一定范圍內(nèi)，隨著控制氣流送風角度或送風速度的增加，控制氣流對送風氣流的壓制作用越顯著，但過大的送風角度或送風速度會導致人員活動區(qū)的風速過大，舒適性欠佳。

（3）在一定范圍內(nèi)，改變控制氣流的噴口尺寸對送風氣流壓制作用和人員活動區(qū)熱環(huán)境的影響不大，認為控制氣流對送風氣流的壓制作用以動量壓制為主，混合作用影響相對較小。