上海地区大型客站负荷特征与热环境研究 - 空调.DOCVIP

上海地区大型客站负荷特征与热环境研究 同济大学机械工程学院 蒋丹丹，张旭 摘 要：基于热模拟模型和通风模型耦合模拟方法，对上海地区某大型客站自然通风条件下室内温度和负荷变化特征做出分析。由于多区域网络模型法认为各个区具有恒定的空气参数，客站这类高大空间温度分层影响很大，恒定空气参数的假设会导致计算结果误差较大。为此，当室内平均温度满足室内热舒适度的情况下，采用CFD法预测人员活动区室内热环境。结果表明，窗墙比的改变对不同季节室内温度、自然温度舒适时数以及冷热负荷的影响具有显著差异性；此外，在自然通风条件下过渡季人员候车区基本能够达到热舒适要求。 关键词：大型客站 自然通风 负荷 热环境 0 前言 近年来，国内许多城市开始兴建一系列大型客运站，且以空间庞大、结构复杂、客流量多为特点。正是这些特点使得客运站为实现室内环境控制目标产生了大量的能源消耗。因此，该类建筑若能合理利用自然通风，不仅可以减少能源消耗，而且对改善室内空气品质（Indoor Air Quality, IAQ）具有积极意义。 另一方面，由于大型客运站人员负荷和照明负荷等较一般建筑大，因此掌握其冷热负荷变化特征对该类建筑的环境控制策略具有重要影响。同时，在自然通风条件下，认清建筑室内热环境状况也是判断该类建筑利用自然通风潜力的基础和前提。目前，国内外不少学者对自然通风潜力作出了深入的研究。柯尊友[1]、魏景姝[2]对展厅类建筑基于热模型和通风模型耦合的情况下分析了维护结构热工特性、开口位置对自然通风利用率的影响。潘刚[3]研究了办公建筑的自然通风量与通风口面积之间的变化规律，中庭高度以及中庭顶部排风口面积对自然通风效果的影响。章宇峰[4] 对比了sequential coupling, ping-pang和onion三种通风和热耦合模型开发了嵌入Dest的新的通风模块。但是对于客站类大空间建筑自然通风潜力的研究尚少有研究。基于此，本文以上海地区某大型客运站为对象，对客站建筑的负荷特征及其内部热环境做出分析，从而为该类建筑的通风空调设计和运营管理提供理论指导。 1 模型及相关参数确定 1.1 建筑模型 本文主要研究大型客运站高架层，该建筑占地29600m2，长400m，宽148m，高26m。为便于计算分析，将客运站高架层建筑模型简化为六面体。考虑节能的要求将建筑朝向确定为正南北朝向，并将建筑窗墙比按0.1 、0.2和0.3三种情况考虑。 1.2 负荷分析模型 目前，研究自然通风对建筑能耗的影响的方法主要是区域网络模型和建筑热模型。即基于已有热模拟模型（thermal modeling），与通风模型（airflow modeling）耦合，从而完善动态模拟中的能耗分析部分，同时也可以实现综合考虑风压和热压作用的自然通风计算。具体耦合思路如下：在第一个时间步长的初始阶段，通风模型调用实时气象数据，根据建筑内外的温度和风压分布，计算通过建筑外围护结构缝隙、通风口以及建筑内部热区之间的气流流动情况，然后，计算结果被热模拟模型调用，并计算出建筑内、外表面和各区空气的温度，并和实时气象数据一起作为通风模型的计算条件，重新进行气流计算，当相邻两次计算的气流差值满足绝对气流残差和相对气流残差的设定要求时，完成一次耦合模拟的循环，并进入下一个时间步长，开始下一次耦合循环。在上述耦合模拟过程中，热模拟模型直接调用实时气象数据，并进行表面热平衡和热区空气热平衡计算，解决了通风模型中温度必须赋值而不能考虑外扰作用下室内温度波动的问题，可以模拟在自然通风下建筑负荷的全年动态变化规律，并对自然通风的效果进行预测评估。 需要说明的是，在耦合模拟过程中所定义的坐标系将建筑坐标Y轴与正北方向的夹角定义为方位角，俯视顺时针方向为正，如图1所示。 图1 负荷分析模型 1.3 热环境分析模型 由于客站空间很大且呈对称分布，因此选取一半作为热环境分析对象，体积为200×148×26m3。中间为候车区域共3500人，将座椅上的3500人简化为一个200×80×0.8m3的长方体，单位面积发热量为25.7W/m2。靠近外墙两侧分别为南北侧大通道，共1500人，将站立的1500人简化为两个200×24×1.7m3的长方体，单位发热量为25.7W/m2。热环境分析过程中方程求解采用SIMPLE算法，并采用Boussinesq假设。 1.4 室内舒适区范围的确定 PMV-PPD是国际上公认的确定热舒适性的指标，已被广泛的采纳和应用。但大量研究表明，PMV-PPD指标对于自然通风建筑的热舒适性评价不准确。本文采用目前比较认可的适合于自然通风建筑的热舒适性评价标准(Adaptive Comfort Standard，ACS)[5,6]。该标准由Richard J.de Dear和Gail S.Brager提出，他们认为