閻奕岑,戴輝自,秦硯瑤

(中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司綠色建筑技術(shù)中心,重慶400016)

地下車庫自然通風(fēng)數(shù)值模擬分析研究
---以四川閬中某車庫工程為例

閻奕岑,戴輝自,秦硯瑤

(中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司綠色建筑技術(shù)中心,重慶400016)

該文以四川閬中某車庫工程為對象,通過在車庫頂部設(shè)置自然通風(fēng)口的方式解決車庫自然通風(fēng)和采光問題,借助Airpak數(shù)值模擬技術(shù)對比分析設(shè)置機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)和自然通風(fēng)口兩種工況下過渡季節(jié)車庫的氣流分布、溫度分布和CO濃度場,說明車庫采用自然通風(fēng)口解決車庫通風(fēng)問題在實(shí)際工程中的可行性.

地下車庫;自然通風(fēng);模擬分析;車庫工程

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn),有限的土地資源與日益突出的土地需求增長之間的矛盾日益凸顯,合理開發(fā)利用地下空間是解決這項(xiàng)問題的主要措施,也是我國發(fā)展綠色建筑所提倡的節(jié)約集約利用土地的重要途徑,而民用建筑通常集中地將地下空間作為車庫和設(shè)備用房.國家統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)顯示,2011年至2015年近五年來汽車占機(jī)動(dòng)車比率從47.06%提高到61.82%.地下車庫密閉程度高、跨度大,容易導(dǎo)致污染物堆積,這對合理設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)提出了較高要求.

1 車庫通風(fēng)需求

地下車庫的主要污染物包括一氧化(CO)、碳?xì)浠衔?HC)、氮氧化物(NOx)和固體顆粒物等,CO與人體內(nèi)血紅蛋白結(jié)合造成缺氧,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致大腦缺氧和水腫.地下車庫通風(fēng)的目的是把汽車進(jìn)出車庫的尾氣污染物濃度稀釋到允許的范圍內(nèi),保證室內(nèi)的熱舒適性和空氣質(zhì)量.另一方面部分經(jīng)營者為了控制成本通常不開啟車庫內(nèi)的排風(fēng)系統(tǒng),造成車庫內(nèi)污染物的堆積和空氣品質(zhì)的惡化.在土建條件允許的情況下通過增設(shè)一定面積的自然通風(fēng)口,不僅能滿足地下車庫換氣次數(shù)和自然排煙的要求,保證室內(nèi)CO濃度不超標(biāo),還能節(jié)約設(shè)備能耗.

1.1 標(biāo)準(zhǔn)要求

世界衛(wèi)生組織(WHO)規(guī)定,車庫內(nèi)15min CO為87x10-7,60min為25X10-6,8h為9X10-6,我國《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GBZI-2010允許車間內(nèi)CO最高質(zhì)量濃度為30mg /m3,體積濃度24X10-6),同時(shí)規(guī)定作業(yè)時(shí)間在60min以內(nèi)時(shí)的容許值為50mg/m3(40X10-6)、30min的容許值為100mg/m3(80X10-6)、10~20min的容許值為200mg/m3(160X 10-6).世界各國對地下車庫中CO體積分?jǐn)?shù)及通風(fēng)量有不同的要求,本次研究指標(biāo)選擇我國《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中的要求.

1.2 通風(fēng)措施

汽車在小于5 km/h的冷啟動(dòng)與怠速行駛過程中是污染物集中釋放到車庫的兩個(gè)階段,在怠速狀態(tài)(進(jìn)入車庫)下各類污染物排放量較大[1],車庫通風(fēng)主要依靠傳統(tǒng)風(fēng)管加風(fēng)口的機(jī)械通風(fēng)等手段,常見的設(shè)計(jì)有全部上部排風(fēng);上排1/2,下排1/2上排1/3,下排2/3三種方式.20世紀(jì)90年代誘導(dǎo)通風(fēng)技術(shù)在一些發(fā)達(dá)國家開始得到廣泛應(yīng)用,從最初的風(fēng)管型噴嘴誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)到無風(fēng)管誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)都在我國逐漸開始應(yīng)用,但這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)入中國時(shí)間較短,在國內(nèi)缺乏相應(yīng)的理論,前期對流場及點(diǎn)位布置分析要求較高,成本也相對較高,目前我國應(yīng)用得最多的還是傳統(tǒng)的機(jī)械通風(fēng)方式.

為防止地下停車庫有害氣體的溢出,要求車庫內(nèi)保持一定的負(fù)壓.由此,地下停車庫的送風(fēng)量要小于排風(fēng)量.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,一般送風(fēng)量取排風(fēng)量的85%~95%.另外的5%~15%補(bǔ)風(fēng)由門窗間隙和車道滲入.不同國家地下車庫通風(fēng)量的確定有不同的方法,使用得最多的有換氣次數(shù)法、單位面積換氣量指標(biāo)法、稀釋濃度法,筆者此次采用《民用建筑采暖通風(fēng)設(shè)計(jì)技術(shù)措施》4.26中規(guī)定的一般排風(fēng)量不小于6次/h,送風(fēng)量不小于5次/h的計(jì)算方法.

2 車庫自然通風(fēng)案例

2.1 工程實(shí)例

該車庫位于四川省閬中市七里新區(qū),建筑面積30360.50m2,層高4.5m,項(xiàng)目效果圖及車庫平面圖如圖1、圖2所示.項(xiàng)目地上部分土建條件較好,初步設(shè)計(jì)階段考慮以自然通風(fēng)口的形式代替機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)解決內(nèi)部排風(fēng)、污染物排出以及采光問題,由于車庫體量巨大,為了減少數(shù)值模擬過程中計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)間本次研究選擇其中一個(gè)長53.4m,寬36.4m,高4.5m的近2000m2的防煙分區(qū)進(jìn)行研究.圖3顯示了研究對象的自然通風(fēng)開口位置,虛線部分表示了車道的位置.

圖1 項(xiàng)目效果圖

圖2 車庫平面圖

圖3 自然通風(fēng)開口示意圖

2.2 通風(fēng)模擬方法

Airpak是當(dāng)前國際上比較流行的應(yīng)用于HVAC領(lǐng)域的商用CFD軟件,能夠準(zhǔn)確地模擬通風(fēng)系統(tǒng)的空氣流動(dòng)、空氣品質(zhì)、傳熱、污染和舒適度等問題,并依照ISO7730標(biāo)準(zhǔn)提供舒適度、PMV、PPD等衡量室內(nèi)空氣質(zhì)量(IAQ)的技術(shù)指標(biāo).廣泛、成熟地應(yīng)用于HVAC中的氣流組織設(shè)計(jì)和分析[2].

2.3 數(shù)值模擬分析

2.3.1 物理模型簡化假設(shè)

地下車庫內(nèi)空氣流場實(shí)際上屬于三維穩(wěn)態(tài)紊流流動(dòng),為了準(zhǔn)確分析模型效果,本次研究對計(jì)算模型進(jìn)行相應(yīng)簡化如下:

(1)車庫內(nèi)氣體視為理想氣體,滿足理想氣體狀態(tài)方程.

(2)車庫內(nèi)氣體流動(dòng)為三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng).

(3)不考慮送排風(fēng)溫差,車庫內(nèi)除CO外無其他熱源.

(4)與車庫接觸的四面圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕熱.

(5)將CO的釋放等效為體積污染源,且認(rèn)為其發(fā)生率為恒定.

(6)車庫中初始狀態(tài)CO濃度、送排風(fēng)中CO濃度近似為大氣中CO的濃度3mg/m3.

(7)1.5~2m的速度場和濃度場分布相似,選擇1.5m高的平面分析代替整個(gè)呼吸區(qū)[3].

2.3.2 物理模型

目前我國沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定車庫CO污染物釋放量、分布規(guī)則及散發(fā)規(guī)律,借鑒相關(guān)文獻(xiàn)為了模擬在汽車怠速運(yùn)行時(shí)CO在空間的分布,總共選取10個(gè)體積為0.7mX0.7mX0.4 m的CO污染源均勻分布在車道上,車庫初始CO濃度及機(jī)械送風(fēng)熱流強(qiáng)度為1.83kW,單個(gè)CO釋放量為0.605kg/h.關(guān)于車庫CO釋放指標(biāo)目前世界上沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn),本研究采用引用文獻(xiàn)中提供的實(shí)測結(jié)果作為模擬分析的依據(jù)[3,4].

圖4 車庫機(jī)械通風(fēng)平面圖

圖5車庫自然通風(fēng)平面圖

圖4 為該車庫模型通風(fēng)平面圖,由設(shè)計(jì)資料計(jì)算得到排風(fēng)量34988m3,排風(fēng)速度為5.29m/s,本次研究模型與右側(cè)防煙分區(qū)連接處為自然進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行均勻送風(fēng),其他面均無漏風(fēng)處;基于質(zhì)量守恒定律,補(bǔ)風(fēng)量設(shè)計(jì)為與排風(fēng)量一致.自然排風(fēng)選用2個(gè)5mX5m的開口如圖5所示,同時(shí)兩個(gè)均勻分布的自然排風(fēng)口總面積滿足不小于室內(nèi)地面面積2%的規(guī)范要求(《汽車庫、修車庫、停車場設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50067-2014).選擇重慶地區(qū)過渡季為此次模擬工況,對比分析車庫機(jī)械送排風(fēng)系統(tǒng)與自然通風(fēng)口兩種工況下車庫內(nèi)溫度分布、氣流組織及污染物排出情況,通過數(shù)據(jù)及圖像分析進(jìn)一步說明采用自然通風(fēng)口代替機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)在工程中是可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的.

2.3.3 方法及邊界確定

研究選用模型,計(jì)算成本相較LES模型成本低,預(yù)測準(zhǔn)確;墻面和近地面的粘性邊界層中流動(dòng)和換熱的計(jì)算采用工程上常用的壁面函數(shù)法.機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)中排風(fēng)和補(bǔ)風(fēng)的壓力邊界默認(rèn)為大氣壓,補(bǔ)風(fēng)中CO濃度為空氣中正常值,默認(rèn)溫度為室溫25℃;自然通風(fēng)口壓力邊界默認(rèn)為大氣壓,此次計(jì)算采用壓力-速度修正算法(simple算法),使用亞松弛因子迭代次數(shù)不少于500次.

2.4 結(jié)果討論

本次研究主要對機(jī)械系統(tǒng)通風(fēng)和自然通風(fēng)效果,速度分布以及污染物釋放后CO濃度粒子運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬研究,并對呼吸區(qū)域內(nèi)的各個(gè)剖面cut圖進(jìn)行分析.模擬結(jié)果如下所示.

圖6 車庫各截面溫度分布示意圖(機(jī)械系統(tǒng))

圖7自然通風(fēng)車庫各截面溫度分布示意圖(自然通風(fēng))

圖6 和圖7為過渡季節(jié)車庫內(nèi)機(jī)械排風(fēng)條件下及自然通風(fēng)條件下車庫內(nèi)x、y、z法向三個(gè)平面的溫度分布情況,機(jī)械系統(tǒng)下1.5m高的活動(dòng)區(qū)溫度約為28.5~30.0℃,剖面最高頂部溫度可以達(dá)到29.8℃;自然通風(fēng)條件下溫度在29.9~30.3℃左右,靠近開口部分溫度相對較其他區(qū)域低1℃左右,自然通風(fēng)較機(jī)械系統(tǒng)溫差最高達(dá)到1.5℃左右,平面和立面溫度的整體變化范圍相較機(jī)械通風(fēng)平緩.整體來說兩種工況下溫度差別不大.

圖8 車庫各截面速度分布矢量圖(機(jī)械系統(tǒng))

圖9 X-Y平面通風(fēng)口處速度分布云圖(自然通風(fēng))

圖7和圖8為兩種工況下車庫XY剖面速度分布情況,X-Y平面通風(fēng)口處速度分布云圖顯示機(jī)械系統(tǒng)下車庫內(nèi)速度分布較均勻,風(fēng)速分布在0.25~0.55 m/s之間,平均風(fēng)速在0.4m/s左右,通風(fēng)效果較好,室內(nèi)風(fēng)場較均勻,自然通風(fēng)開口條件下車庫內(nèi)速度分布分區(qū)較為明顯,x方向階梯性分布較強(qiáng),舒適度較低,車庫內(nèi)風(fēng)速分布在0.2~0.6 m/s之間;由風(fēng)壓形成的卷吸在開口處最大風(fēng)速接近2 m/s,對比分析得出車庫內(nèi)采用機(jī)械系統(tǒng)通風(fēng)時(shí)氣流組織更有規(guī)律,風(fēng)場分布更均勻.

圖10 X-Y平面通風(fēng)口處速度分布矢量圖(機(jī)械通風(fēng))

圖11 X-Y平面通風(fēng)口處速度分布矢量圖(自然通風(fēng))

圖10 和圖11分別為X-Y平面風(fēng)速矢量圖,機(jī)械通風(fēng)工況下氣流由兩邊流向排風(fēng)管,在風(fēng)機(jī)作用下形成環(huán)流,速度在0.38 m/s左右,有利于帶動(dòng)室內(nèi)大部分污染物的排出;自然通風(fēng)情況下車庫內(nèi)遠(yuǎn)離通風(fēng)口的主氣流雖然可以呈現(xiàn)環(huán)流趨勢,但主車道污染物上部區(qū)域出現(xiàn)氣流滯留回旋現(xiàn)象,速度為0.1 m/s,不太利于這部分污染物的排除.

圖12 10min內(nèi)CO運(yùn)動(dòng)軌跡及濃度場示意圖(kg/m3)

圖13 10min內(nèi)CO運(yùn)動(dòng)軌跡及濃度場示意圖(kg/m3)(自然通風(fēng))

圖13 顯示了自然通風(fēng)情況下車庫內(nèi)CO運(yùn)動(dòng)軌跡及濃度值,該模擬結(jié)果顯示自然通風(fēng)情況下可以稀釋車庫內(nèi)CO, 10min之內(nèi)CO濃度值小于150 mg/m3,呼吸區(qū)濃度在110 mg/m3左右,污染源處最高達(dá)到150 mg/m3,遠(yuǎn)離自然通風(fēng)口的左側(cè)區(qū)域有較大區(qū)域的CO積聚,但都滿足標(biāo)準(zhǔn)低于200 mg/m3要求.本次模擬工況下的各指標(biāo)對比如下表1所示.

表1 機(jī)械通風(fēng)與自然通風(fēng)效果對比

3 結(jié)論

通過模擬計(jì)算對比分析表明該車庫在滿足換氣次數(shù)要求的前提下,通過開啟一定程度的頂棚天窗(滿足2%開口面積的自然排煙要求),依靠室內(nèi)外風(fēng)壓作用的自然通風(fēng),基本保證室內(nèi)CO濃度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,節(jié)省運(yùn)行能耗(若對車庫內(nèi)空氣品質(zhì)有更高要求可以預(yù)留機(jī)械排風(fēng)口及電纜),可以在工程上投入使用.

[1]葛鳳華,劉巽俊,王月志.地下停車庫的自然通風(fēng)[J].暖通空調(diào),2006(08):97-99.

[2]梁慶慶,張偉偉,夏麟.保障性住宅地下車庫自然通風(fēng)技術(shù)探討[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2013(4):65-68.

[3]李茜.地下車庫無風(fēng)管誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)值模擬研究[D].成都:西南交通大學(xué),2005.

[4]蔡浩,朱培根,譚洪衛(wèi).地下車庫誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)值模擬與優(yōu)化[J].流體機(jī)械,2004(12):27-30.

責(zé)任編輯:孫蘇,李紅

Research on Numerical Simulation of Natural Ventilation for Underground Parking Garage

The underground garage of Redbud City project in Sichuan was selected as the study object.By setting natural vents on top of the garage,the issue of natural ventilation is solved.Airpak numerical-simulation technique has been used to analyze air distribution,temperature distribution and CO concentration distributionof the garage under the condition of mechanical ventilation system and natural vents system in transient season.This study shows that it's feasible to solve the problem of ventilation in practical engineering through natural ventilation vents.

underground garage;natural ventilation;simulation analysis;garage engineering

TU972+.9

:A

:1671-9107(2017)01-0024-04

基金論文:中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司課題"民用建筑地下車庫自然通風(fēng)采光一體化研究與應(yīng)用"資助項(xiàng)目;煤炭科學(xué)研究總院重慶建筑技術(shù)研究分院"綠色建筑室內(nèi)自然采光改善技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究"(2015ZYJ011)資助項(xiàng)目.

10.3969/j.issn.1671-9107.2017.01.024

2016-10-13

秦硯瑤(1982-),女,重慶人,碩士,工程師,主要從事綠色建筑技術(shù)研究.

閻奕岑(1990-),女,重慶人,研究生,工程師,主要從事綠色建筑技術(shù)研究.