陳 濤

中鐵二院華東勘察設(shè)計研究有限責(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際幾何尺寸及計算參數(shù)建立計算模型，采用STAR-CD計算流體力學(xué)軟件對采用自然通風(fēng)條件下檢修主廠房內(nèi)溫度場、速度場進行了數(shù)值模擬研究。計算模型采用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，模擬計算中考慮了檢修主廠房內(nèi)設(shè)備散熱、照明散熱及透過采光天窗的太陽輻射等多種傳熱過程。根據(jù)模擬計算結(jié)果，并結(jié)合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，對采用自然通風(fēng)方式下廠房內(nèi)的熱環(huán)境進行了分析和評價。

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。為了滿足車輛段內(nèi)工作人員對環(huán)境的要求，需要對車輛段各廠房內(nèi)的熱環(huán)境進行控制。目前對高大建筑內(nèi)熱環(huán)境控制的方式主要有機械通風(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，采用機械通風(fēng)的方式必將造成能源的巨大的浪費。相比之下，自然通風(fēng)方式通過引入室外空氣和利用空氣的浮升效應(yīng)進行頂部排風(fēng)能夠有效地實現(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算流體力學(xué)-CFD方法對建筑內(nèi)的熱環(huán)境進行數(shù)值模擬，根據(jù)計算結(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 項目概況

1.1 土建概況

檢修主廠房位于整個車輛段的東南部，占地面積約20000m2，高13.5m。廠房內(nèi)包括大架修庫、鉤緩間、空調(diào)檢修間、受電弓檢修間、車體間（含噴漆庫）、靜調(diào)庫、電機電器間、空壓機檢修間、門窗間、金工間、制動檢修間、定修庫和吹掃庫等15個工作區(qū)，幾個較大工作區(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)墻開設(shè)了大面積的開窗，如圖2所示。為了加強自然通風(fēng)的效果，在廠房屋面開設(shè)了12個25m×2.5m的頂部通風(fēng)孔。同時為了加強頂部采光，在整個檢修主廠房屋頂?shù)臇|南部，開設(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，而且個別設(shè)備發(fā)熱量大，給主廠房內(nèi)熱環(huán)境特別是局部熱環(huán)境帶來很大的影響。為便于計算分析，表1給出了各工作區(qū)熱源的統(tǒng)計情況。

表1 檢修主廠房熱源分布統(tǒng)計

2 模擬計算模型

2.1 幾何模型

根據(jù)圖1～3的實際幾何尺寸，建立檢修主廠房室內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值計算的幾何模型如圖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

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

室內(nèi)空氣流動一般較低，通?？梢圆豢紤]壓縮性的影響，按不可壓縮流動計算，但需要考慮溫度對空氣密度的影響。根據(jù)質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒，可得檢修主廠房內(nèi)流場計算的控制方程如下：

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，當(dāng)i=2時，δi2=1，當(dāng)i≠2時，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。

廠房內(nèi)的空氣流速較低，Reynolds數(shù)也較低，計算時采用RNG K-ε兩方程湍流模型，它是近年來室內(nèi)流場數(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，速度場與壓力場的耦合求解采用SIMPLE算法。

2.3 邊界條件

2.3.1 室外氣象參數(shù)

查《中國建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫》[3]，得到該城市夏季的室外氣象參數(shù)如下：夏季通風(fēng)室外計算溫度32.4℃；相對濕度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 模擬計算邊界條件

根據(jù)設(shè)計條件和資料，確定檢修主廠房熱環(huán)境數(shù)值模擬計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)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2005），墻體的傳熱系數(shù)K< 0.7W/(m2K)，本計算取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，需考慮太陽輻射的影響，假定有75%的太陽輻射能透過采光天窗進入廠房內(nèi)，有25%的太陽輻射被采光天窗吸收。

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

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

5）將廠房內(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，形成強烈的自然對流流動。在熱壓作用下，頂部通風(fēng)孔排風(fēng)作用效果明顯。此外，從廠房內(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平面上的流場分布

圖7 通風(fēng)孔7～12所在位置X-Z平面上的流場分布

3.2 通風(fēng)孔的排風(fēng)量及排風(fēng)溫度

為了進一步分析各通風(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)的流場及溫度分布

圖8～圖11分別給出了廠房內(nèi)距地面高度為0.5m、1.0m、1.5m和2.0m水平面上的流場分布。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風(fēng)較多，廠房內(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，廠房內(nèi)設(shè)備發(fā)熱能夠得到很好的排散，使得廠房內(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 廠房內(nèi)距地面0.5m處水平面的流場分布

圖9 廠房內(nèi)距地面1.0m處水平面的流場分布

圖10 廠房內(nèi)距地面1.5m水平面的流場分布

圖11 廠房內(nèi)距地面2.0m水平面的流場分布

4 結(jié)論

采用三維數(shù)值計算方法，對自然通風(fēng)條件下檢修主廠房內(nèi)的熱環(huán)境進行了計算分析，得到了廠房內(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35℃，該區(qū)域有人員作業(yè)需要采取固定式或移動式局部降溫措施。

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

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

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

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

[5]中華人民共和國衛(wèi)生部.工業(yè)企業(yè)設(shè)計衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GBZ1-2010) [S].北京:中國建筑工業(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（310004）；E-mail:hvac2001@126.com