戴文婷

(中铁四院集团广州设计院有限公司，广东 广州 510600)

0 引言

大空间建筑常见于航站楼、火车站、商业广场、体育馆等，其中各种复杂形式的散热源，加上较大规模人流的高频流动，导致室内气流流动和热量传递复杂，而传统直接的设计计算以及现场实测虽能在一定程度上反映大空间空调制冷/制热所产生的实际效果[1-4]，但对于精准预测大空间温度分布、气流流动以及合理、节能地组织气流等方面，落后于近些年国内外广泛应用于优化工程设计的计算流体动力学模型(CFD)[5-7]。本文基于国内南方某客运站候车厅工程设计有关数据，结合可靠的数值计算模型，对设计条件下候车厅全域温度、速度分布以及人体舒适性等指标进行模拟计算和评估，为相同或相近类型大空间建筑制冷系统设计提供有效的优化建议，促进能量的高效利用。

1 数值计算模型及边界条件

1.1 物理模型

本文研究对象为南方某火车站候车厅，候车厅尺寸为：50.6 m(x)×14.2 m(y) ×34.9 m(z)，东、西两侧墙体为内墙，南、北两侧墙体为外墙，建筑面积为1 765.94 m2，空间高大，冷、热负荷大，采用分层空调、全空气集中式空调系统，站厅室内设计温度为26±1 ℃，候车厅夏季计算最大冷负荷为488.8 kW，冷源采用四台屋顶式风冷冷风型空调机组(分体式)，单台制冷量为140 kW、风量为25 200 m3/h；送风温差选取5 ℃，圆形喷口，送风参数采用《实用供热空调设计手册》[8]中推荐的计算方法进行气流组织设计，初步确定：送风温度21 ℃、中心标高为7 m、喷口直径0.23 m、送风速度12.77 m/s、射程28 m，喷口数量共48个，气流组织采用侧送下回，候车厅东、西内墙上各设置24个球形喷口和2个矩形回风口，回风口尺寸为1.5 m×3.5 m、底标高0.5 m。站厅内包含18排座位和2台功率均为1.5 kW安检仪，顶棚以下3.4 m处布置有40个功率均为100 W的LED灯。为简化模型，将双排人体简化为一定数量的长条形模型(1.2 m×1.2 m×2.6 m)，人体发热量共45.8 kW，安检仪简化为长方体模型(1 m×1.2 m×1.3 m)，LED灯简化为8个长条形模型(0.6 m×0.2 m×28.2 m)。简化后的模型如图1所示。

图1 候车厅几何模型示意图

1.2 边界条件

根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》以及当地历史气象数据，广州夏季空调室外计算干球温度tw=34.2 ℃，站厅室内设计温度为26±1 ℃。围护结构分空调区和非空调区，分别列出计算公式以及具体求解结果，并由此获得南方典型夏季气候条件下的模型边界条件，如表1所示。出口边界条件为自由出流。

(1)非空调区的空气问题计算表达式：

t2d=tw+2～3 ℃

式中：t2为室内非空调区计算温度，℃；t1为室内空调区计算温度，℃；t2d为厅顶下表面附近空气温度，℃。

表1 候车厅各内表面温度求解值

(2)室外综合温度计算表达式：

式中：tz为室外综合温度，℃；ρs为太阳辐射吸收系数，按《实用供热空调设计手册》[8]表4.1-11中的数据选用；I为水平或垂直面上太阳辐射照度，W/m2，按表4.1-10中的数据选用；αw为外表面换热系数，取19.0 W/(m2·K)。

(3)非空调区和空调区各个内表面温度计算表达式：

式中：tn为室内计算温度，空调区为t1，非空调区为t2，℃；K为围护结构传热系数，W/(m2·K)； Δtzh为综合温差，℃。αn为外表面换热系数，取8.72 W/(m2·K)。

1.3 计算模型

本模型采用CFD软件进行模拟计算。站厅内空气符合Boussinesq假设，仅考虑温度变化对空气密度的影响，并在动量方程中计算气体浮升力时才考虑其密度变化。采用RNGk-ε湍流模型模拟站厅内气体湍流流动，采用标准壁面方程计算贴近壁面的气体湍流流动。近壁面第一个网格节点高度控制在0.05 m以内，网格增长比例控制在1.05，以保证标准壁面方程的准确度。离散控制方程采用稳定可靠的SIMPLE pressure-velocity耦合算法。能量方程计算收敛容差为10-6，其他方程收敛容差为10-3，连续性方程和能量方程的迭代差低于5%时，即可判定稳态计算已收敛。

2 计算结果与分析

初步的气流组织设计工况下，送风温度为21 ℃，候车厅设计温度为(26±1) ℃，通过数值模拟计算，获得整个候车厅大空间内的气流流场与温度场，研究分析主要剖面的温度分布和速度分布情况，并结合PMV-PPD指标，评价空间内人体舒适性。

分别在z方向和y方向上分别选取z=28 m和y=1.1 m剖面的温度场与射流流场，以分析送风射流对在工作区的x方向的变化情况以及在旅客坐姿状态头部位置的具体分布流情况。

2.1 温度场分析

z=28 m剖面温度分布状况如图2所示，其中左边界为西内墙，右边界为东内墙。从图2中可以看出，左右两侧喷口喷射的冷气流在z向7 m高处形成隔断气流，将候车厅分为上部温度较高的非空调区和下部温度较低的空调区。y=0.1 m剖面温度分布状况如图3所示，其中左边界为西内墙，右边界为东内墙。从图3～图8中可以看出，y=0.1 m剖面平均温度为27.2 ℃，y=0.6 m剖面平均温度为27.0 ℃，y=1.1 m剖面平均温度为26.5 ℃，y=1.7 m剖面平均温度为25.7 ℃，y=7 m剖面平均温度为25.4 ℃，靠近屋顶y=14.1 m处温度达到了33 ℃。可知，y=1.1 m剖面平均温度基本符合设计要求，y=0.1～1.7 m剖面温度梯度为-0.94 ℃/m；空调区y=0.1～7 m剖面温度梯度为-0.26 ℃/m，非空调区y=7～14.1 m剖面温度梯度为1.07 ℃/m，在候车厅z方向出现明显温度分层，温度伴随高度升高而增加。左右两侧喷口喷射的冷气流在喷口附近形成低温区，并在流动过程中不断卷吸周围热空气，发生冷热能量交换，温度升高，可看到射流末端温度均到达(26±1) ℃范围内，满足设计要求。

2.2 速度场或Vector分析

z=28 m剖面的速度分布状况如图9所示，其中左边界为西内墙，右边界为东内墙。喷口喷射的冷气流以12.77 m/s的初速度迅速卷吸周围的热空气，并进行动量交换，其轴心速度沿气流射程方向不断减小。工作区0～2 m高度区域基本处于回流区，气流平均速度为0.265 m/s，符合《实用供热空调设计手册》[8]对室内空气品质标准值的规定，人体舒适性较高。同时可以看出，两股对喷射流在旅客候车厅上部、候车厅中间位置搭接，但搭接位置略高于工作区高度，可能导致能耗增加，可对送风参数进行进一步优化。

图9 z=28 m剖面的速度分布图

2.3 人体热舒适性评价(PMV-PPD指标)

z=28 m剖面的PMV状况如图10所示，其中左边界为西内墙，右边界为东内墙。可以看出在人员工作区正上方随着射流路径存在一定微凉区域，人员座位之间的过道存在微暖区域，人员工作区域均处于PMV=0左右，人体感觉温度适中。z=28 m剖面的PMV平均值为-0.282，y=1.1 m剖面的PMV平均值为-0.162，而工作区域0～2 m高度范围内的PMV平均值为0.258，-0.5≤PMV≤0.5，可得不满意度PPD≤10%。

图10 z=28 m剖面的PMV分布图

3 结论与建议

本文以某火车站候车厅为研究对象，通过理论计算确定了分层空调的送风参数和喷口安装高度，采用CFD软件对设计工况下工作区的温度速度分布进行了模拟预测，并得到了PMV-PPD指标。

图11 y=1.1 m剖面的PMV分布图

(1)初步设计工况下，候车厅的温度分层效果显著，空调区与非空调区的温度梯度分别为-0.26 ℃/m、1.07 ℃/m，工作区的平均温度和平均速度分别为26.9 ℃、0.265 m/s。

(2)人员工作区域均处于PMV=0左右，人体感觉温度适中；工作区域0～2 m高度范围内的PMV平均值为0.258，-0.5≤PMV≤0.5，可得不满意度PPD≤10%，设计工况整体舒适性较高。

(3)由速度场分布可知，两股对喷射流在旅客候车厅上部、候车厅中间位置搭接，但搭接位置略高于工作区高度，可能导致能耗增加，后续研究可对送风参数进行进一步优化。