西安市軌道交通集團(tuán)有限公司 車 凱

中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 南 碩△ 陳 敏

0 引言

近十幾年來(lái)，我國(guó)軌道交通行業(yè)迅速發(fā)展，截至2018年底，我國(guó)鐵路總里程達(dá)13.1萬(wàn)km，高速鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)2.9萬(wàn)多km，居世界首位[1]。我國(guó)已有33座城市開(kāi)通地鐵，運(yùn)行里程6 343.53 km[2]。在鐵路和地鐵建設(shè)的全面帶動(dòng)下，與之配套的附屬建筑快速發(fā)展，其中，以高大廠房為代表的工業(yè)建筑面積占比超過(guò)60%。根據(jù)工藝和熱舒適的要求，現(xiàn)有的嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)高大廠房需設(shè)置供暖系統(tǒng)，其單位面積的供暖熱負(fù)荷指標(biāo)往往是民用建筑的2～3倍[3]，此類建筑的冬季供暖能耗通?？烧颊麄€(gè)車輛基地的70%以上，節(jié)能問(wèn)題亟待解決。

與常規(guī)建筑相比，軌道交通高大廠房具有以下特點(diǎn)：建筑體量巨大，面積普遍在10 000～50 000 m2，且層高往往超過(guò)10 m，室內(nèi)溫度梯度較大[4]，呈現(xiàn)顯著的“上熱下冷”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致人員活動(dòng)區(qū)域供暖效果差，溫度要求不高的上部空間溫度過(guò)高，造成大量熱量散失；圍護(hù)結(jié)構(gòu)多采用輕質(zhì)材料，側(cè)窗、天窗的面積較大；此類廠房的室內(nèi)發(fā)熱量小，人員密度低，冬季列車會(huì)帶進(jìn)大量吸熱物體，成為重要的熱負(fù)荷來(lái)源；由于車輛頻繁進(jìn)出的工藝要求，廠房外門高度較高，開(kāi)敞時(shí)間較長(zhǎng)，且存在無(wú)法封閉的孔洞等，使得冬季冷風(fēng)滲入、侵入量極大，造成供暖負(fù)荷激增。以上軌道交通高大廠房的特點(diǎn)，不僅為工程設(shè)計(jì)與日常運(yùn)營(yíng)帶來(lái)很多難點(diǎn)，也是降低供暖能耗的關(guān)鍵所在。

針對(duì)軌道交通高大廠房供暖的實(shí)測(cè)研究表明[3]，冷風(fēng)侵入是影響此類建筑冬季供暖能耗的決定性因素。因此，本文將基于對(duì)嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)軌道交通高大廠房供暖負(fù)荷特性的分析，通過(guò)數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)探究以大門風(fēng)幕為代表的降低冷風(fēng)侵入措施，并提出相應(yīng)節(jié)能建議，以期為軌道交通高大廠房的工程設(shè)計(jì)與運(yùn)行維護(hù)提供指導(dǎo)。

1 軌道交通高大廠房冬季供暖負(fù)荷特性

1.1 供暖負(fù)荷分項(xiàng)計(jì)算

軌道交通高大廠房的熱負(fù)荷主要由外墻、外窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷，通過(guò)開(kāi)啟的大門、破損的天窗的冷風(fēng)侵入滲透負(fù)荷與冬季冰冷的列車進(jìn)入室內(nèi)帶來(lái)的冷源吸熱負(fù)荷組成。上述負(fù)荷最終轉(zhuǎn)化為供暖能耗。供暖負(fù)荷計(jì)算式為

Q=Qe+Qsw+Qo

(1)

Qe=Qw+Qow+Qr+Qs

(2)

Qe=KxAx(tx-tw)

(3)

Qsw=Gρc(tn-tw)

(4)

式(1)～(4)中Q為建筑總供暖負(fù)荷，W；Qe為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量，W；Qsw為通過(guò)門窗的冷風(fēng)滲透、冷風(fēng)侵入耗熱量，W；Qo為其他因素帶來(lái)的建筑耗熱量，W；Qw為通過(guò)外墻的傳熱耗熱量，W；Qow為通過(guò)外窗的傳熱耗熱量，W；Qr為通過(guò)屋面的傳熱耗熱量，W；Qs為通過(guò)天窗的傳熱耗熱量，W；Kx為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Ax為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積，m2；tx為圍護(hù)結(jié)構(gòu)附近的室內(nèi)溫度，℃；tw為室外溫度，℃；G為滲風(fēng)量，m3/s；ρ為空氣密度，kg/m3；c為空氣比熱容，J/(kg·℃)；tn為室內(nèi)空氣溫度，℃。

1.2 供暖負(fù)荷特性分析

對(duì)嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)典型鐵路客運(yùn)段整備庫(kù)的供暖能耗、水系統(tǒng)供回水溫度、室內(nèi)熱環(huán)境等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，測(cè)試結(jié)果表明：高大廠房室內(nèi)熱環(huán)境在水平方向與豎直方向呈現(xiàn)顯著的不均勻性。由于廠房大門常開(kāi)，室外低溫空氣極易流入，靠近大門區(qū)域的溫度明顯低于室內(nèi)其他區(qū)域，極端情況下可低至室外氣溫水平；而距大門較遠(yuǎn)的中部區(qū)域明顯溫度較高，在散熱器的加熱作用下，該區(qū)域基本可達(dá)到16 ℃的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度；廠房?jī)?nèi)豎直方向存在較大溫度梯度，最高可達(dá)7 ℃，廠房上部堆積的高溫空氣，不僅會(huì)造成其自身與室外環(huán)境的劇烈換熱，還會(huì)增強(qiáng)室內(nèi)外熱壓差，從而使大門冷風(fēng)侵入更加難以控制。

由于列車頻繁進(jìn)出的工藝需求，白天時(shí)廠房大門常開(kāi)，加之圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在大量滲風(fēng)孔洞，如大門接觸網(wǎng)留洞、墻體孔洞、未關(guān)閉的外窗及天窗等，導(dǎo)致此類建筑冷風(fēng)滲透、侵入量極大，由此帶來(lái)的熱負(fù)荷占建筑供暖負(fù)荷的62.1%，為軌道交通高大廠房供暖能耗的決定性影響因素。另外，由于此類廠房建筑注重自然采光，設(shè)有大面積的側(cè)窗與天窗，外窗傳熱量占到了總圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量的64.9%，明顯高于墻體及屋面的傳熱量。

2 大門風(fēng)幕阻風(fēng)特性模擬研究

2.1 風(fēng)幕類型與阻風(fēng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

為實(shí)現(xiàn)軌道交通高大廠房冬季高效供暖，有效阻擋、控制通過(guò)廠房大門的冷風(fēng)侵入至關(guān)重要。風(fēng)幕是目前應(yīng)用最為廣泛的阻風(fēng)措施，各類工程實(shí)例表明，風(fēng)幕可有效削弱外門的冷風(fēng)侵入。

大門風(fēng)幕根據(jù)安裝位置與送風(fēng)方向，可分為頂送風(fēng)幕、單側(cè)送風(fēng)幕與雙側(cè)送風(fēng)幕；根據(jù)送風(fēng)溫度，可分為熱風(fēng)幕(通過(guò)熱媒或電加熱空氣)與常溫風(fēng)幕(不加熱)。為探尋最適用于軌道交通高大廠房的大門風(fēng)幕類型，本文將基于真實(shí)廠房模型，通過(guò)數(shù)值模擬方法，對(duì)不同類型大門風(fēng)幕的阻風(fēng)特性進(jìn)行研究。

為量化評(píng)價(jià)風(fēng)幕的阻風(fēng)效果，定義阻風(fēng)效率η：

(5)

式中Gc為使用風(fēng)幕后的大門滲風(fēng)量，m3/s；Go為無(wú)風(fēng)幕下的大門滲風(fēng)量，m3/s。

2.2 數(shù)值模擬模型

為探究不同類型大門風(fēng)幕在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果，以CFD商用軟件ANSYS Fluent為平臺(tái)，基于嚴(yán)寒地區(qū)某典型鐵路客運(yùn)段整備庫(kù)建立如圖1所示的數(shù)值模擬模型。根據(jù)軌道交通列車檢修工藝特點(diǎn)，此類建筑整體呈條狀特征，股道與廠房外門一一對(duì)應(yīng)。模型主體的寬度為12.6 m，高度為8.5 m，廠房大門寬度為4.2 m，高度為5.5 m。模型采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量約110萬(wàn)個(gè)；由于廠房大門、風(fēng)幕風(fēng)口、圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面及其附近的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)存在很大的速度梯度、溫度梯度，為更準(zhǔn)確地反映空氣流動(dòng)情況，對(duì)上述位置的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，近壁面第1層網(wǎng)格高度不大于2 cm。根據(jù)空氣幕相關(guān)數(shù)值模擬研究結(jié)果[5-6]，選取標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型為湍流模型。

圖1 軌道交通高大廠房數(shù)值模擬模型

選取嚴(yán)寒地區(qū)某典型城市氣象條件為室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)，冬季室外通風(fēng)設(shè)計(jì)溫度為-11.4 ℃，冬季室內(nèi)供暖設(shè)計(jì)溫度為16 ℃，冬季最多風(fēng)向平均風(fēng)速為3.2 m/s。模型邊界條件根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，軌道交通高大廠房各墻體及空氣幕表面均設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界；風(fēng)幕送風(fēng)口設(shè)置為進(jìn)口邊界，送風(fēng)風(fēng)速、溫度、角度根據(jù)具體工況設(shè)置；風(fēng)幕回風(fēng)口設(shè)置為出口邊界，出口質(zhì)量流量與送風(fēng)口流量相同；為真實(shí)反映冬季冷風(fēng)侵入大門的情況，綜合考慮熱壓與風(fēng)壓的聯(lián)合影響，廠房大門設(shè)置為線性函數(shù)壓力邊界條件，如圖2所示。

圖2 廠房大門風(fēng)壓熱壓聯(lián)合邊界條件

2.3 送風(fēng)形式對(duì)風(fēng)幕阻風(fēng)特性的影響

目前，高大廠房應(yīng)用較多的風(fēng)幕形式為頂送風(fēng)幕與雙側(cè)送風(fēng)幕。依據(jù)國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集13K312《空氣幕選用與安裝》，本文選取典型頂送空氣幕(型號(hào)RM-L-D)、側(cè)送空氣幕(型號(hào)RM-L-C-D)建立模型，風(fēng)幕送回風(fēng)口均采用單層百葉風(fēng)口，送風(fēng)角度可調(diào)；為保證在風(fēng)量相同的條件下進(jìn)行對(duì)比分析，頂送、側(cè)送風(fēng)幕送風(fēng)口均緊貼大門邊緣布置，總面積均為0.55 m2。本節(jié)對(duì)上述2種風(fēng)幕在不同風(fēng)速工況下的阻風(fēng)特性進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)比分析送風(fēng)速度(風(fēng)量)、送風(fēng)溫度相等時(shí)，頂送風(fēng)幕與雙側(cè)送風(fēng)幕的阻風(fēng)效果。工況設(shè)置與計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同送風(fēng)形式下模擬工況設(shè)置與風(fēng)幕阻風(fēng)效率

數(shù)值模擬結(jié)果表明：送風(fēng)速度越大，大門風(fēng)幕的阻風(fēng)效率越高；送風(fēng)速度相等的情況下，雙側(cè)送風(fēng)幕的阻風(fēng)效率明顯高于頂送風(fēng)幕，當(dāng)送風(fēng)速度為12 m/s時(shí)，頂送風(fēng)幕的阻風(fēng)效率為32.91%，而雙側(cè)送風(fēng)幕的阻風(fēng)效率為84.86%，冷風(fēng)侵入量?jī)H為頂送風(fēng)幕工況下的1/4。圖3顯示了不同送風(fēng)速度工況下頂送風(fēng)幕與雙側(cè)送風(fēng)幕大門冷風(fēng)侵入速度分布，紅色區(qū)域越大，代表冷風(fēng)侵入現(xiàn)象越強(qiáng)烈。如圖3所示，當(dāng)送風(fēng)速度低于4 m/s時(shí)，頂送風(fēng)幕與雙側(cè)送風(fēng)幕阻擋冷風(fēng)侵入的效果均不明顯；當(dāng)送風(fēng)速度高于8 m/s時(shí)，雙側(cè)送風(fēng)幕阻風(fēng)效率顯著提高，可有效削弱冷風(fēng)侵入對(duì)室內(nèi)供暖效果的不利影響，而頂送風(fēng)幕的效果不甚理想。

圖3 頂送風(fēng)幕與雙側(cè)送風(fēng)幕大門冷風(fēng)侵入速度分布

2.4 送風(fēng)角度對(duì)風(fēng)幕阻風(fēng)特性的影響

相關(guān)研究表明，風(fēng)幕送風(fēng)向室外側(cè)傾斜一定角度時(shí)，阻風(fēng)效果更佳。而根據(jù)上節(jié)研究，雙側(cè)送風(fēng)幕的阻風(fēng)效果明顯優(yōu)于頂送風(fēng)幕，因此本節(jié)通過(guò)數(shù)值模擬方法，對(duì)比分析雙側(cè)送風(fēng)幕送風(fēng)向外的偏斜角度對(duì)風(fēng)幕阻風(fēng)效果的影響。

工況設(shè)置與模擬結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明：當(dāng)送風(fēng)速度低于10 m/s時(shí)，雙側(cè)送風(fēng)幕的阻風(fēng)效率隨送風(fēng)速度的增大顯著提升，當(dāng)送風(fēng)速度高于10 m/s時(shí)，阻風(fēng)效率維持在一個(gè)較高水平，可達(dá)80%～90%；在同一送風(fēng)速度下，隨著向外送風(fēng)角度的增大，與大門垂直方向上的風(fēng)幕的氣流可減小侵入冷風(fēng)的速度，大門的阻風(fēng)效率逐漸增大，當(dāng)出風(fēng)角度為30°時(shí)，風(fēng)幕的阻風(fēng)效率最大可達(dá)91%，冷風(fēng)侵入得到有效阻擋。圖4顯示了不同送風(fēng)速度工況下，雙側(cè)送風(fēng)幕大門送風(fēng)角度分別為0°、15°、30°時(shí)的冷風(fēng)侵入速度分布。如圖4所示，當(dāng)送風(fēng)速度相等時(shí)，送風(fēng)角度30°工況下的雙側(cè)送風(fēng)幕阻風(fēng)效果優(yōu)于0°與15°工況；上述情況在高風(fēng)速情況下尤為顯著，風(fēng)速超過(guò)12 m/s時(shí)，雙側(cè)送風(fēng)幕以30°的角度向外送風(fēng)，可基本實(shí)現(xiàn)對(duì)冷風(fēng)侵入的完全阻隔，僅在大門中心、雙側(cè)氣流交匯處產(chǎn)生少量冷風(fēng)滲透。

表2 不同送風(fēng)角度下模擬工況設(shè)置與風(fēng)幕阻風(fēng)效率

圖4 不同送風(fēng)角度、送風(fēng)速度下冷風(fēng)侵入速度分布

2.5 送風(fēng)溫度對(duì)風(fēng)幕阻風(fēng)特性的影響

現(xiàn)有軌道交通高大廠房通常采用以熱水或電為熱源的熱風(fēng)幕，但使用效果并不理想。本節(jié)通過(guò)數(shù)值模擬方法，對(duì)比分析送風(fēng)速度、送風(fēng)角度相同時(shí)，送風(fēng)溫度對(duì)風(fēng)幕阻風(fēng)效果的影響。工況設(shè)置與模擬結(jié)果如表3所示。

表3 不同送風(fēng)溫度下模擬工況設(shè)置與風(fēng)幕阻風(fēng)效率

數(shù)值模擬結(jié)果表明：對(duì)于雙側(cè)送風(fēng)幕，當(dāng)送風(fēng)速度相等時(shí)，送風(fēng)溫度越高，風(fēng)幕的阻風(fēng)效率越低；風(fēng)幕保持10 m/s的送風(fēng)速度不變時(shí)，送風(fēng)溫度15 ℃(與室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度基本一致，常溫風(fēng)幕)工況下的阻風(fēng)效率為76.87%，當(dāng)送風(fēng)溫度升高至60 ℃時(shí)，風(fēng)幕阻風(fēng)效率僅為56.08%，阻風(fēng)效率顯著下降。

圖5顯示了不同送風(fēng)溫度下，雙側(cè)送風(fēng)幕大門

冷風(fēng)侵入速度分布。圖6顯示了不同送風(fēng)溫度下，廠房中心縱截面速度分布。如圖5、6所示，對(duì)于本文選取工況，隨著送風(fēng)溫度的升高，通過(guò)大門的冷風(fēng)侵入量增大，風(fēng)幕阻風(fēng)效果變差，尤其對(duì)于送風(fēng)溫度60 ℃的工況，阻風(fēng)效果極不理想。究其原因，當(dāng)風(fēng)幕送風(fēng)溫度較高時(shí)，其送出的熱空氣密度明顯低于室外冷空氣的密度，熱空氣送出后會(huì)在密度差的作用下出現(xiàn)明顯的“上浮”現(xiàn)象，迅速聚集在大門上部乃至廠房頂部，導(dǎo)致無(wú)法在大門區(qū)域形成完整、穩(wěn)定的空氣幕以阻擋冷風(fēng)侵入，尤其難以覆蓋大門下部；而在熱壓與風(fēng)壓的聯(lián)合作用下，大門下部為冷風(fēng)侵入的主要區(qū)域，更使得熱風(fēng)幕的阻風(fēng)效果難以保障。對(duì)同類軌道交通高大廠房的實(shí)測(cè)結(jié)果也表明，熱風(fēng)幕開(kāi)啟前后，大門區(qū)域的滲風(fēng)速度無(wú)明顯變化，對(duì)大門冷風(fēng)侵入的阻擋效果不明顯[7]。

圖5 不同送風(fēng)溫度下冷風(fēng)侵入速度分布

圖6 不同送風(fēng)溫度下廠房中心縱截面速度分布

綜上所述，在風(fēng)幕常規(guī)的送風(fēng)溫度范圍內(nèi)，隨著送風(fēng)溫度的升高，風(fēng)幕阻風(fēng)效率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其他送風(fēng)條件相同時(shí)，常溫風(fēng)幕的阻風(fēng)效果優(yōu)于熱風(fēng)幕。

3 結(jié)論與建議

1) 由于車輛進(jìn)出的工藝要求，軌道交通高大廠房的大門常處于開(kāi)敞狀態(tài)，冷風(fēng)滲透、侵入負(fù)荷是供暖熱負(fù)荷的主要組成部分，占比超過(guò)60%。為有效控制由大門常開(kāi)導(dǎo)致的熱量損失，在無(wú)列車進(jìn)出時(shí)，應(yīng)采取手動(dòng)或自動(dòng)的方式及時(shí)關(guān)閉大門；在有列車進(jìn)出時(shí)，應(yīng)開(kāi)啟大門風(fēng)幕阻擋冷風(fēng)侵入，降低供暖能耗。

2) 風(fēng)幕的阻風(fēng)效率隨著送風(fēng)速度的升高而提升，隨著室內(nèi)外壓差增大而下降；相同的送風(fēng)速度下，雙側(cè)送風(fēng)幕阻風(fēng)效果優(yōu)于頂送風(fēng)幕；相同的送風(fēng)速度下，常溫風(fēng)幕阻風(fēng)效果優(yōu)于熱風(fēng)幕，且常溫風(fēng)幕向外偏一定角度時(shí)阻風(fēng)效果優(yōu)于直接對(duì)吹。

3) 針對(duì)嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)軌道交通領(lǐng)域的高大廠房，采用雙側(cè)送常溫風(fēng)幕替代常規(guī)頂送熱風(fēng)幕，可有效阻擋冬季冷風(fēng)侵入，提升室內(nèi)供暖效果，緩解豎直與水平方向的溫度梯度，在為庫(kù)內(nèi)人員創(chuàng)造舒適熱環(huán)境的同時(shí)，降低供暖系統(tǒng)能耗。