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某车站候车大厅热环境CFD模拟研究 同济大学 黄森 潘毅群 李玉明 摘要：随着我国经济社会的发展，高大空间建筑作为一种建筑形式越来越常见，而随着带来的一个问题即是此类建筑的空调设计与验证的问题。空大空间建筑由于体积较大，采用常规建筑适用的集总参数法来设计往往会带来较大的误差，在这个背景之下，如何验证已有的设计则有了特别的意义。本文正是以某车站候车大厅这一典型高大建筑作为研究对象，采用CFD模拟方法对其内部温度、速度场进行了具体分析，并根据模拟结果对现有空调系统的设计进行评价，提出修改意见供设计人员参考。 关键字：CFD，热环境，高大空间建筑 引言 分层空调是高大空间典型的气流组织方式，然而在其设计中存在着一个验证的问题—即在设计阶段去了解所取参数是否能够满足设计要求的问题。验证问题对于空调系统设计十分重要，不合理的参数可能会导致两个问题：一是空调系统无法保证舒适性要求；另一个则是舒适性得到满足而节能性较差。验证问题实质上是一个预测问题：即在空调系统尚未安装之前预测该系统所造成的高大空间的热环境能否满足要求。该问题是空调系统设计中的共有问题，对于高大空间来说，由于其热环境受浮升力影响较大等原因使得该问题相对普通空调系统来说更加复杂。越来越多的实例[1][2]证明计算流体方法（CFD）是解决这一问题的最佳选择。 在本文中采用CFD模拟方法对某车站候车大厅——高达空间建筑的室内热环境进行分析研究，并根据模拟结果对于现有的空调系统提出了相应的改进建议。 模拟对象介绍 模拟的对象为某铁路客站候车大厅。候车大厅是某客站主体建筑的主要组成部分。该客站主体建筑由南北的售票大厅及中间的候车大厅组成。 （如图1所示，黄线区域为南北售票大厅而红线区域为候车大厅） 图1 候车大厅平面示意图 候车大厅东西向长度为409.7m，南北向长度为72m,高度为33.95m。如图2红线包围区域为候车大厅的截面示意图。 图2 候车大厅南北剖面示意图 大厅东西两端楼梯围栏周围设有置换送风口，大厅中部南北相对设有球形风口，屋顶设有排风口。候车大厅东西两端主要依靠置换送风来满足制冷要求。而在中间部分由于跨度较大，则采用喷口送风加机械排风的方式来满足大空间的空调要求（如图3）。 图3 候车大厅喷口送风加机械排风系统示意图 机械排风与空调系统相结合的混合系统的设置可排除余热、降低上部空气温度和屋顶内表面温度，以减少非空调区向空调区的对流热转移和辐射热转移，从而减少空调区冷负荷达到节能效果。 CFD模型 模型的简化 3．1.1 典型区域的选取 由于候车大厅建筑尺寸相对较大、风口较多，对整个候车大厅进行CFD建模将由于网格数太多而使计算量非常大，并不现实，因此考虑分区建模。 候车大厅东西两端的置换通风风速较低，对中间段影响区域较有限而中间段球形喷口分布较规律，因此在模拟可只取候车大厅东西两端及中间段典型单元区域来代替整个候车大厅作为研究区域。同时考虑到大厅本身布置上南北完全对称而东西段近似对称的特点，所有的典型区域都可只取南北向的一半来考虑而东西两端可只取一段作为代表（如下图所示）。 图4 CFD典型区域选取 如图5所示，黄色线包围的区域为选取的东侧区域（以下简称为区域1），区域1中同时有置换通风及喷口送风的作用。 粉色线包围的区域为中间段区域（以下简称为区域2），该区域只有喷口送风作用。 3.1.2 边界条件的简化 由于候车大厅南北部与售票大厅相连，而售票大厅为空调区域且其送风方式为下送风，因此可以认为售票大厅与候车大厅之间没有任何质量及能量的交换。故从简化模型的角度考虑可将上述区域1的南边界面及区域2，3，4的北边界面均设为绝热面。 模型具体实现 本文主要采用Airpak软件作为CFD模拟的主要工具在使用Airpak建模过程中室内热环境的影响要素在软件中具体实现方式是影响建模质量的主要问题。对于候车大厅热环境来说，最主要的影响要素有：置换及喷射送风，屋顶排风系统以及太阳辐射影响。下面将分别进行讨论。 置换、喷射送风及屋顶排风系统的模拟实现 所谓送排风系统的实现，在Airpak中实质上就是送排风口的实现。在Airpak中，可模拟风口的模块主要有Openings，vents及fans。其中opening可模拟计算区域内或边界处的送排风口，用户可设定风口的出风温度，速度及静压；vents 可以模拟计算区域边界处的送排风口，它所定义风口可视为自由入口或出口，在模拟中会根据风口处的压力降来自动计算风量； fans主要模拟送排风机，分为两种，一种为定流量风机，用户可直接定义风机的体积或质量流量