079 火车站候车厅冬季分层空调CFD模拟研究
火车站候车厅冬季分层空调CFD模拟研究
华中科技大学陈龙刘显晨徐玉党
摘要本文利用AIRPAK软件建立了某火车站候车厅的冬季分层空调模型，针对冬季工况下的空调系统运行方案选取了两种典型的设计工况进行了数值模拟, 最终得到了两个设计工况下的室内温度场分布和速度场分布的模拟结果。通过结果分析，认为分层热风供暖应用于火车站候车厅中是一种比较合理的气流组织方式，能够减弱垂直温度梯度，减小冬季供暖负荷。对于冬季分层空调供暖的节能目标的实现一方面可以通过减弱垂直温度梯度从而减小冬季热负荷，另一方面可以通过提高送风温差、减少送风量从而减少系统风机能耗。在实际系统运行时可以根据实际情况灵活选择不同的气流组织方案，最终达到更优的节能效果。
关键词数值模拟 AIRPAK 候车厅分层空调
1引言
火车站候车厅属于高大空间建筑，大空间建筑一般具有空间高大，空调和供暖负荷较大且热环境难以保证的特点。大空间的气流和温度分布一般会呈现出变化较大的分布特点，特别是垂直方向上有着明显的温度梯度，这种垂直温度梯度是由于空气密度差导致热对流而引起的，无论夏季和冬季都会存在。
大空间的空调和供暖负荷的大小是会受到垂直温度梯度影响的，如果能够使夏季室内温度梯度加强而冬季减弱，就可以减小大空间的空调和供暖负荷，而合理的气流组织是可以决定垂直温度梯度的大小的，因此，对火车站候车厅这种高大空间采用合理的气流组织，对实现室内良好的热环境并节约能源有着重要意义，特别是在强调建筑节能的今天[1]。
火车站候车厅的冬季供暖是利用夏季空调系统进行暖风供暖来实现的。暖风供暖时，由于浮力作用，热空气上升，冷空气下沉，会加剧空间的垂直温度梯度，为了尽量减小这种温度梯度，需要采用垂直分区供暖，即分层空调供暖方式。
目前，火车站候车厅的空调系统设计一般都采用了分层空调的气流组织方式，但候车厅内的送、回风口的布置都是以夏季工况为初始设计依据的，因此，有必要对分层空调在冬季的气流组织的效果进行相关模拟，来验证系统在冬季能否保证室内良好的热环境并实现节能目标。本文以某火车站的候车厅为例，利用Airpak2.1软件来进行CFD模拟并得到相关结论。
2候车厅模型的建立
2.1物理建模
候车厅内，北侧为东西对称的两个服务房间，房间四周墙壁上侧均匀分布着球形喷口，房间下部设有回风口，候车厅南侧均匀排列着7个风柱，风柱结构如图1所示。候车厅中部安排有座椅，为人员主要聚集区。
通过CFD软件建模工具对候车厅进行建模，得到整个候车厅的物理模型，局部放大效果如图2所示，整体建模效果如图3所示。
图1 风柱结构示意图图2 候车厅模型示意图图3候车厅模型局部放大示意
2.2模拟参数
冬季热负荷一般采用稳态传热的计算方法，通过该方法计算得到候车厅围护结构的边界条件，如表1所示。
表 1通过围护结构热负荷计算表
围护结构屋顶楼板北外墙南外墙
热流密度W/㎡16 22.9 34.5 36.4
根据《铁路旅客车站建筑设计规范》，冬季普通候车厅内设计温度为16℃。本文提出了两种可行性较强的冬季送风工况，通过分析比较模拟结果，得出系统冬季气流组织的相关结论，并提出优化改进方案。两方案的具体参数如表2所示。
表 2 两种模拟方案的送风参数表
方案系统运行送风温差送风速度送风角度
工况1 全风量5℃8.2m/s 向下15°
工况2 半风量9℃ 4.1m/s 向下15°
3模拟计算与结果分析
经过模拟计算分别得到了两种工况在典型断面上的速度场和温度场分布，通过分析比较来进一步得出气流组织的相关结论。
图4工况1断面速度云图分布图5 工况1断面速度矢量分布
图6 工况1断面温度云图分布图7 工况2断面速度云图分布
图8工况2断面速度矢量分布图9工况2断面温度云图分布
3.1工况1结果及分析
从图4和图5可以看出，冬季热风供暖的热气流从风口以向下15°的倾角送出，卷吸了大量上部空间的空气。可以看出上部非供暖区域有两个很明显的大涡流，其中风柱上部的涡流较为典型，该涡流是由射流卷吸和沿壁面下降气流共同作用产生的。
同时，还可以看出下部供暖区域还有两个不太明显的小涡流，分别位于球形风口下方和风柱风口下方，由于两个风口高度有限，因此所产生的涡流的规模较小，不是很明显，可以看出，候车室人员区域是处于这两个涡流的回流区，这样就保证了该区域速度和温度的均匀性，容易满足人体舒适性要求。
由于射流倾角的作用，热气流基本到达了人员区域，然后在密度差产生的浮力作用下上升，射流的屏蔽作用还在一定程度上较少了下部供暖区域对上部非供暖区域的热量分流，这种气流方式使得热空气在经过人员区域后再上升，有利于保证人员区域的温度均匀性[2]。
从图6的温度分布中也可以看出，整个人员区域的温度分布比较均匀，能够维持在16℃左右，符合设计要求。同时还可以看到，空间上部非供暖区与空间下部供暖区的温度差并不明显，而一般情况下，大空间中应该存在上部温度较高而下部温度较低的垂直温度梯度。因此，可以认为该气流组织方式有效地减小了由于空气密度差而引起的垂直温度梯度，也就是减小了冬季供暖负荷，达到了节能的目的。
3.2工况2结果及分析
从图7、图8可以看出，工况2的系统送、回风气流组织和涡流形成状况，都与工况1比较接近。两个风口下方的涡流能够使人员区域处于气流回流区，保证了该区域的温度场和速度场的均匀性。向下射流也很好的屏蔽了热空气的向上分流，从而在一定程度上减弱了空间垂直方向上的温度梯度，减少了冬季热负荷。从图9温度分布中也可以看出人员区域的温度场也符合设计要求。
3.3两个工况对比
从图5、图8的速度矢量分布中也可以看出，由于工况1的送风速度是工况2的两倍，工况1下形成
的涡流要比工况2明显，同时也意味着工况1下的射流对热空气的屏蔽作用也要更加有效，能够更好地阻止热量向上分流。体现在图6、图9的温度分布中，就可以看出工况1下热空气能够更好地被涡流卷吸在人员区域上方，而工况2下热空气的扩散范围要比工况1略大。
从节能角度考虑，两种工况都在一定程度上减弱了垂直温度梯度，从而减小了冬季热负荷。其中，工况1能够更好地减少热量的向上分流，对减弱垂直温度梯度更有利。而工况2是系统半风量运行，在确保人员区域的速度场和温度场能够满足设计要求的前提下，能够减少很大一部分的风机能耗。
4结论
本文采用CFD数值模拟方法对某火车站候车厅冬季热风供暖的气流组织效果进行了模拟，通过结果分析，可以得到以下结论：
1. 分层热风供暖应用于火车站候车厅中是一种比较合理的气流组织方式，能够减弱垂直温度梯度，减小冬季供暖负荷。
2. 冬季分层空调供暖的节能目标的实现主要可以从两个方面考虑，一方面是通过减弱垂直温度梯度从而减小冬季热负荷，另一方面是通过提高送风温差、减少送风量从而减少系统风机能耗。在实际系统运行时可以从上述两个方面综合考虑，根据实际情况灵活选择不同的气流组织方案，最终达到更优的节能效果。
参考文献
[1]李晓,冬高军,许世杰.大空间建筑侧送分层气流组织数值模拟与探讨[J].建筑热能通风空调,2004,Vol.23(2):64-66
[2]邓志辉,许志浩,鲁汉清,蔡德源.高大厂房热风供暖气流组织实验研究[J].暖通空调HV&AC,1999,Vol.29(5):17-18