火车站基于多区域网络模型的自然通风可行性研究

刘佳霓¹，周丽¹，王文波²

(1. 武汉商业服务学院 机电工程系，湖北 武汉，430056；

2. 武汉科技大学 数学与统计学院，湖北 武汉，430056)

摘要：以某火车站为例，介绍了多区域网络模型的概念、功能、使用特点和用于多区域空气流动模拟分析的数学模型；并经过对实际建筑的几何拓扑区域划分、自然通风环路设计以及多区域网络模型计算的3个阶段，得到在定常建筑物系统条件下，取得最合适通风开口面积时的内部空气流量和温度分布情况，达到在过渡季节通过自然通风的手段消除目标区域的余热、余湿的目的。可见：多区域网络模型对于采用自然通风方案的前期设计和优化具有实际意义和研究价值，有助于提高设计可靠性，值得应用与推广。

关键词：火车站；自然通风；多区域网络模型；优化设计

中图分类号：TU83             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)S1-0001-07

Feasibility on natural ventilation in railway station with multizone network model

LIU Jia-ni¹, ZHOU Li ¹, WANG Wen-bo²

(1. Department of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Commercial Service College, Wuhan 430056, China;

2. School of Mathematics and Statistics, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430056, China)

Abstract: Taking a railway station as an example, the introduction was made with the conception, functions and characteristics of multizone network model, even with mathematical theory for airflow simulation. After three sections of the regionally topology, the natural ventilation loop design, and the calculation based on the multizone network model for the actual construction, the interior air flow rate and temperature distribution were acquired in connection with the optimal port area for nature ventilation in constant conditions of the building system. Besides, it removes the heat gain and moisure gain successfully by natural ventilation in transition season. The results show that the model is a useful tool for practical applications and research on the field of the advance natural ventilation design and optimization, as well as improving the design reliability. It is worth applying and promoting.

Key words: railway station; natural ventilation; multizone network model; optimization design
 

合理的自然通风在降低公共建筑运行能耗对提高室内空气品质方面起到至关重要的作用。大型公共建筑室内热源较大，全年有相当长的时段需要供冷，尤其在过渡季节室内得热负荷只有空调设计负荷的40%~60%，如果也按设计负荷的空调运行方式来消除室内余热必然造成很大的能耗；同时，室内人员密度一般较大，内部的空气流动，特别是自然、新鲜空气的流动，是保证建筑室内空气质量符合国家有关标准的关键。因此，了解过渡季节建筑内部各区域间的空气流通情况，为客观评价室内空气质量和方案的节能优化设计提供了有效途径。目前，国内外对于室内空气质量的评价主要基于计算流体力学模型^[1-2]。通过将房间划分为若干微小的控制体，采用有限差分或有限元方法经过多次迭代求得离散区域的离散值来描述整个房间区域的空气分布情况。但是，对于多区域的建筑体，需要的迭代次数多，耗时较长，因此，很难用于对其内部多个区域之间的污染物扩散及传递问题的研究。而基于流体网络、伯努力方程以及污染物输运方程的多区域网络模型，可模拟整个建筑内部的动态气流流动特性和污染物分布状况，且计算量小，耗时短。对于多区域网络模型的研究和开发，美国、英国、加拿大、日本、荷兰等国家起步较早，且已发展到较为成熟的阶段，其中尤以美国国家标准和技术研究院(NIST)开发的用于分析多区域建筑的空气流动网络模型(CONTAMW)为代表，其模型在建筑通风、室内空气品质以及建筑防、排烟领域的研究中具有广阔应用前景^[3]。为了更详细地了解多区域网络模型如何用于分析建筑内部各区域的通风量需求及温度分布情况，同时也为了推广该模型应用于具有多区域且内部结构复杂的大型公共建筑前期方案中的辅助设计作用，以某火车站为分析对象^[4-5]。火车站作为大型民用建筑，承载着巨大、复杂且频繁的人流量。正因为如此，对室内热环境舒适性要求越来越高的同时，也面临着能耗日益突出的现状问题。

1  多区域网络模型应用简介

多区域网络模型是将整个建筑看成由许多具有均一压力和温度的节点(空间)构成的与室外相通的空气流通网络^[6-7]。该模型利用层(Level)、区域(Zone)、空气流通路径(Airflow path)等概念，按照模拟目标将建筑简化为理想建筑模型，为建筑内部的每个区域进行自然通风流动环路的多区域网络拓扑设计，同时将门、窗等开口视为通风支路，用风阻表示。由节点和支路组成通风网络。在自然通风系统的方案优化设计中，计算模型将其中的每个区域(或称节点)作为一个控制体，利用质量、能量守恒等方程先确定目标设计流量，进而辅助设计师确定通风气流构件最合适的开口尺寸，同时还能提出适宜的操作策略以适应设计工况的变化。该模型可以兼顾考虑风压和热压共同驱动下的气流影响，因此，可以从宏观角度对整个建筑内部的空气流动和压力分布得到接近实际工况的预测结果。

多区域网络模型对风压和通风量的预测结果，一方面可以作为其他类似功能建筑能耗计算软件的已知条件或通风参数，从而模拟自然通风状态下的房间热环境状态；另一方面，可作为边界条件，用于模拟计算减少对复杂或大面积复合区域的计算量，以及对流导热问题的复杂性。

2  多区域网络模型的数学物理描述

多区域网络模型的输入数据主要包括^[8-9]：所处地区气候条件、建筑物基本特征描述(建筑外形尺寸、材料热工参数等)、自然通风工况下的负荷、主要空气流通路径泄漏特征、消除室内余热所需的通风换气量、各区域进/排风口参数设置(相对高度定位、建筑表面与风向的夹角、流量系数)等。

为了实现良好的自然通风效果，区别于以往单纯靠开窗、开门通风，这里主要采取综合利用室内外条件，如建筑周围环境、建筑布局、建筑构造、太阳辐射、气候、室内热源等，组织和诱导自然通风。模型中默认用于自然通风的部件有2类：Orifice Elements和Duct Flow Elements。Orifice Elements用来表示在墙上开的孔洞如门窗等，用来直接连接2个区域；Duct Flow Elements特指主要受热压影响，连接气流路径的开口。

2.1  动力控制的流动数学模型

无因次流量系数C_d取决于R_e和路径的几何特性，与路径两侧的作用压差无关。研究表明，通过门缝和建筑内结构缝隙时，C_d的范围一般在0.6~0.7之间，此次的具体取值如表1所示。通过开口的空气体积流量可按下式计算：

              (1)

式中：Q为空气体积流量，m³/s；C_d为流量系数；A_orfc为流通开口面积，m²。

表1  流量系数和压差的取值

Table 1  Flow coefficient and differential pressure

2.2  通风环路的通风量指数模型

在建筑物中还存在大量介于黏性力控制和动力控制之间的流动，其流量系数C_Q和指数n满足式(2)的关系。C_Q和n依赖于流动路径的形状和几何面积，通常凭经验确定。Klote和Bodart于1985年评价了n取0.5的有效性，并指出对于大多数建筑已足够准确。此处的具体取值如表2所示。

               (2)

式中：C_Q为流量系数，m³/(s·Pa^-n)；Q为流过该路径的体积流量，m³/s。

表2  流量系数和指数取值

Table 2  Flow coefficient and index ranges

2.3  通风环路的风压模型

建筑物表面的风压按下式计算：

             (3)

式中：；为风向方位角(如北为0°，东为90°，南为180°，西为270°)；为建筑表面方位角；C_h和f(θ)分别为风速变化系数和相对风向系数，均为无因次量，

               (4)

式中：A₀和n分别为与建筑物周围地貌有关的无因次系数和指数；Z为风压的计算高度，m。风压无因次系数和指数的取值见表3。

表3  风压无因次系数和指数的取值

Table 3  Dimensionless coefficient of wind direction and index ranges

此次模拟中，该工程地处城市，所以，A₀和n分别取0.35和0.40，且武汉室外风速取3.4 m/s。

相对风向系数随建筑表面风向相对角度的变化见图1。

图1  相对风向系数随建筑表面风向相对角度的变化

Fig.1  Change of wind direction coefficient with relative wind angle in building surface

2.4  通风环路的热压模型

建筑物表面的热压计算公式为：

              (5)

式中：ρ_ij为设计工况下各进出口的空气密度，kg/m³；z_ij为2个节点间的相对距离，m。

3  模拟对象概述

3.1  建筑物几何拓扑区域划分

该火车站采用高架站房站线结构，分为夹层、高架候车层、高架站线层、地面层以及地下层共四层半。地面层、高架候车层为候车厅，高架候车层、夹层与中央大厅采用玻璃幕墙作间隔墙。火车在高架站线层通行，地下层为地铁层。该站房的结构详图如图2所示。

多区网络模型的基本原理是将一复杂建筑物的内部空间分为多个区域，认为每个区域里的空气充分混合，其空气参数一致，即所谓的集总参数描述。则建筑内部每个区域的压力等参数可用1个内节点来表示；同时，将门、窗等开口视为通风支路，用风阻表示。

图2  火车站计算区域的结构详图

Fig.2  Construction detail of computational domain for station building

3.2  自然通风工况下的负荷计算

武汉市过渡季风环境的特点是白天风速较高，晚上风速低，从早上到晚上风向从东南向到北向沿顺时针方向变化。由于白天风速较大，所以，利用自然通风降温、增加舒适度的可行性较大。另外，据武汉地区的气象数据表明(过渡季节以5月份为依据)：5月份的室外日平均温度20.1 ℃，即进风温度取20 ℃。另外，各区域的室内设计温度均取26 ℃，且可接受的最大温度上限设定为28 ℃。

过渡季节采用自然通风的时期按4月11日至6月14日考虑(DeST软件气象数据库的太阳总辐照强度见图3)，得到屋顶外表面获得的峰值辐射能量为   1 267 W/m²。同时参照《公共建筑节能设计标准(GB 50189—2005)》确定维护结构材料为：屋顶采用25%采光屋面板加75%非透光铝扣屋面，计算得到高架候车室层接受的辐射热量为111 W/m²。

考虑到自然通风目标区域内以照明设备、人体散热量为主，没有电动设备、发电机及充电机组等，因此，在计算各层散热量时，只计算照明设备、人体散热量和太阳辐射得热。计算各目标区散热量见表4。

3.3  各通风目标区域的计算参数设置

地面层考虑使用门和外窗作为进风口，进风口中心高度设定为外窗的中心高度；排风口设置在地面层顶部的10个电梯开口。高架候车层的进风口中心高度设定为一般窗的中心高度，排风口的高度设定为贴近该层层高，这样热压作用的通风效果比较明显；且进、排风窗均采用单层窗上悬的形式，开启角度按=30°和45°分别讨论。夹层排风窗使用不避风型顶部天窗，开起角度为上悬90°。各目标区域的计算参数设置见表5。

图3  4月11日至6月14日的太阳总辐射强度的逐日分布

Fig.3  Daily solar radiation intensity from April 11th to June 14th

表4  各通风目标区过渡季节负荷计算

                  Table 4  Load calculation for ventilation target zones in transition season                   W

3.4  通风目标区域网络流通路径的建立

在设计模式下，需要首先确定空气流通路径的位置并定义相关设计参数。由于建筑的进/排风口面积与室内的散热量线性相关，与进(排)风口之间的距离无关，因此，可以将建筑各层通风环境相同的开口区域合并简化为1个开口，最后把计算得到的总面积平均即得到各个开口的实际面积。

地面层考虑左右两侧各设置1个通风环路。室外较冷空气分别从一层两侧的外门和外窗进入室内，经室内热源加热后上升通过与高架站线层相接的电梯口排风。每个环路的进风口流量设定值为地面层计算通风量的一半，排风口流量设定值为地面层的总通风量。

高架站线层属于半封闭区域。开敞区域为两侧开口，供火车通行，与外界大气相通，可作为室外环境考虑，不进行通风设计；对于其半封闭区域，可考虑只有热压作用，且与地面层的10个电梯相连。电梯的开口可以供地面层与高架站线层之间通风，因此，可作为1个气流出口考虑。

高架候车层靠近中庭大厅侧由玻璃幕墙隔开，为封闭区域，是自然通风的主要目标区域。东西向进站广厅从门洞可引入大量新风，对降低室内负荷起到积极的作用。此时，由于中庭大厅接收到的较强太阳辐射，产生大量得热而气流受热上升，部分热空气通过大厅靠东西向的幕墙上窗排向东西进站广厅再由广厅上窗排向室外。另外，在热压作用下，中庭的部分气流还经过南北向玻璃隔墙开启的部分玻璃幕墙进入南北向候车区，连同带走其候车室的室内余热，并通过开启两侧大面积的外围护幕墙的上部分窗户排向室外，以消除室内余热。两侧各设置1个通风环路。另外，夹层的排风口设计开在夹层顶部而直接排出。

基于以上描述，采用多区域网络模型计算模拟的空气流动路径和气流压力分布效果图如图4所示，可得到计算结果和假设的基本一致。其中浅色线显示气流的方向和通风量相对大小，粗线表示压差。

表5  计算参数设置

Table 5  Parameter summary list

图4  目标区域的通风模型平面图

Fig.4  Ventilation model ichnography for target zones 

4  结果分析

4.1  设计结果分析

以高架候车层开口(进/排风口)面积的确定为说明对象，结果如图5和图6所示。因此，通过分析各目标区域的预测数据，发现开口面积，存在一个消除室内余热、余湿的最小通风面积和，以满足围护结构的节能和造价成本要求，具体数据见表6。此外，在设计中，计算所得进/排风口面积会被分配到各自所在区域墙体的开窗和门洞上。为了形成良好的通风环   路，建议将主要的门窗设置在尽量靠近人流量较大的区域。

图5  高架候车层进风口和排风口的面积关系

Fig.5  Inlet opening area with air outlet area on overhead waiting floor

图6  高架候车层最合适开口面积对应的中和面位置

Fig.6  Optimal opening area with neutral plane position on overhead waiting floor

表6  各目标区域所需的最小开口面积

      Table 6  Minimal opening area for target zones   m²

按照玻璃幕墙采用30°和45°上悬窗形式分别模拟得到典型日房间的温度分布状况，见表7。

表7  典型日不同窗户开启方式下各目标区室内温度的模拟结果

Table 7  Indoor temperature simulation of different window opening modes for target zones        ℃

从表7可见：若把玻璃幕墙开启为30°上悬窗方式来设置建筑的窗户面积，在自然通风工况下，地面层除了出站大厅外，其他区域均能较理想地满足降温需要。这是由于在过渡季节，室外较冷空气经地面层出站大厅的外门和外窗进入室内，受室内热源加热后上升仅通过与高架站线层相接的电梯口排风。由于排风口面积相对较小，从而使大厅内部的热负荷不能得到有效消除，使内区温度达不到满足舒适要求的设定通风温度。而靠南向和北向的区域由进入的大量室外较冷空气能有效地将余热带走。同理，若把玻璃幕墙开启为45°上悬窗方式，在自然通风工况下，地面层模拟区的部分区域开始出现时可通过自然通风方式达到满足设计标准的降温需要。

由计算结果还得到高架候车层外围护幕墙采用45°上悬窗的开启方式与采用30°的上悬窗相比，各模拟区的室内温度持续有小幅度下降趋势，通风效果更加良好。这是因为通过适当增加幕墙开启面积后，通过内区的空气流量增大，于是，能带走更多的室内余热，从而达到小幅度降温效果。同时，由模拟得到的压降图还能看出，中庭大厅接收到了较强的太阳辐射，为了排出太阳辐射得热需要相当数量的通风量，需要另外在夹层顶部开启较大的通风天窗以增大排风能力。

4.2  进/排风口面积的节能校核计算

参照《公共建筑节能设计标准(GB 50189—2005)》，对建筑外窗开启面积进行了如下规定：外窗的可开启面积不应小于窗面积的30%；透明幕墙也应具有可开启部分。根据统计，该建筑围护结构共有玻璃幕墙19 709 m²，因此，与之对应至少需要设置5 913 m²的可开启窗。因为节能标准所要求的窗户开启面积比通过多区域网络模型得到的过渡季节所需开启面积(如表6所示)要大，因此，若按节能标准要求设置来开启外窗完全可以满足自然通风需要；同时，以模拟计算所得的最合适面积开口值为下限值。

按式(1)，由可开启窗户面积的空气流通量来校核按消除余热的计算通风量是否满足自然通风效果，计算结果见表8。

表8  目标区可开启窗户面积及空气流量计算结果

Table 8  Air mass flow of window area clear for target zones

对比表5中各区域所需通风量可知：采用30°上悬窗的开启方式，对于地面层不能很好地消除余热，而高架候车层可以基本满足消除余热的要求；同理，当使用45°上悬窗时，消除余热的效果明显。因此，校核得到的结论与前面的分析结果一致。
 

5  结论

(1) 在过渡季节，基于多区域网络模型的模拟结果具有较大的可信性，对方案的优化设计也有重大意义。通过确定最合适的通风开口面积可以基本满足消除目标区域室内余热、余湿的需要，同时还可以极大程度地降低全年空调能耗。

(2) 地面层出站大厅由于排风口的面积相对较小，从而使内区温度不能达到公共区域舒适度和卫生要求的通风温度，因而无法通过自然通风的方式获得满意的降温效果，在过渡季仍需要开启空调和机械通风系统。

(3) 幕墙开启角度应尽量选大于30°，若还可以有更大的开启角度或更大的窗户开启面积，其节能效果会更加明显。

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(编辑 陈灿华)

收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15

通信作者： 刘佳霓(1971-)，女，湖北武汉人，硕士，副教授，从事制冷与空调的教学与科研工作；电话：13469966256；E-mail: 824334223@qq.com