门斗及热风幕对客站冬季无组织渗风的控制效果研究
周欣,燕达
(清华大学 建筑学院,北京,100086)
摘要:利用CFD方法对客站建筑进行研究。一方面分析门斗的开口方向、设置方式以及进深对阻隔室外冷风渗入的影响,另一方面对风幕的出风风速、出风温度进行比较,优化风幕的设置。最后将风幕与门斗进行优化组合,探究其在控制无组织渗风方面的效果。研究结果表明:当外门斗正开且进深较小对阻隔效果有利,而风幕的出风风速、风幕安装高度对风幕的阻隔效果均有较大影响;风幕与门斗的组合是一种十分有效的控制无组织渗风的方式,在门斗进口上设置风幕的方式可以进一步优化阻隔效果。
关键词:客站建筑;门斗;热风幕;无组织渗风
中图分类号:TU834.263 文献标志码:A 文章编号:1672-7207(2012)S1-0008-07
Control effectiveness of foyer and warm air curtain about natural infiltration in railway stations
ZHOU Xin, YAN Da
(School of Architecture, Tsinghua University, Beijing 100086, China)
Abstract: With the method of CFD, the two kind of control method and the control effectiveness were studied. The result reveals that the best design of foyer is opening out, facing the wind and reducing the depth. The air speed and mounting height play an important role in the effectiveness of warm air curtain. The combination of foyer and warm air curtain will improve the blocking effect, and it is better to install the warm air curtain on the opening of foyer.
Key words: railway station; foyer; warm air curtain; natural infiltration
随着铁路客站建设的飞速发展,客站建筑的节能工作逐渐得到业内的重视。客站建筑自身在建筑及其使用的特点使得其成为公共建筑的一个典型,同时也是一类能耗大户。客站建筑具有体型大、客流量大、开敞空间多、各种空间连通性强,甚至与室外直接连通[1]的特点。这些建筑特性使得客站的无组织渗风控制与一般建筑相比更为困难。一定程度的无组织渗风可以补充室内新风的需求,降低新风机组的选型,但过量且无组织的渗风将大大增加室内空调系统的负荷,导致客站能耗增大,内部舒适性下降。影响冷风渗透量的因素主要有风压作用和热压作用,但一般客站均属于四五层以下的低层建筑,热压作用影响较小,风压在冷风渗透中起到主要作用[2]。特别在我国的北方地区,受冬季室外风压的影响,大量冷风沿着开敞空间灌入室内,为室内的环境控制带来大量的热负荷。对于一般建筑物,冬季由于加热渗透冷风的耗热量约占总热负荷的20%[2];而对于客站建筑,由于人流量较大,同时考虑到安全隐患问题,该类建筑的大门常年开启,故加热冷风的耗热量比例还大。目前,在铁路客站中,热风幕及门斗是采用较广泛的两类控制冬季无组织渗风的方式。客站建筑中的热风幕一般采用正门进风的方式,依靠内部风机对进风加速产生高速气流,并向下喷射,进而形成一道空气屏障,从而将室内外空间进行一定的阻隔,对室外冷风的灌入起限制作用。而门斗则是在建筑物出入口设置的一道屏障,其利用自身的结构特点起到分隔、挡风、御寒等作用。在我国北方地区,门斗这种建筑形式应用很广。门斗与风幕在实际中的应用该如何优化设计以实现比较理想的阻隔室外冷风的效果,门斗的开口位置、结构形式、进深选择、风幕的出风速度的设定、出风温度的选择等问题均是十分具体而且急需解决的问题。目前已开展一些针对热风幕及门斗的研究,较多的研究从定性的角度提出了许多设计上的建议。在供热空调设计手册[3]中有针对热风幕的具体说明,提及风幕的出口温度、风速等需根据进一步计算确定,并给出了相应要求的上限。汤晓丽等[4-5]针对横行气流的空气幕进行理论分析及实验测试,主要针对风幕选型展开研究。另外,杨彦宾[6]针对风幕在冷库大门中的使用进行分析,对室外流场处理时在风幕前侧建立室外模型,得到的结论对冷库中风幕的应用具有指导意义。李强民[7]针对空气幕的阻隔效果展开研究,对于渗风量采用大门流量系数进行处理,并假设风幕可以完全阻隔进入的室外冷风。目前对门斗方面的研究较少,涉及门斗的研究主要从定性的角度在节能设计说明中建议门斗的增设,进一步的讨论稍欠缺[8-10]。现有的研究中针对门斗及风幕在公共建筑中的应用方面的定量分析较少,专门针对门斗及风幕在客站建筑中的应用研究更少。在此,本文作者以门斗及热风幕对客站建筑冬季无组织渗风的影响效果进行研究,采用CFD模拟的方式进行定量分析,对于门斗的开口方向、进深、布局方式(即内外门斗)进行研究,优选出最优的门斗设置方式。同时,针对风幕的阻隔效果进行数值分析,研究风幕的风速、送风温度的影响。最后,将风幕与门斗进行组合优化,分析客站建筑中如何利用门斗及风幕实现较优化的无组织渗风控制问题。
1 模型介绍
图1所示为典型中小型客站建筑的示意图,我国许多地区的中小型客站均采用该类建筑形式。如图1所示,靠近进站口的客站空间为1个贯通第一和第二层的中庭,第一和第二层的主要功能均为候车室。第一层进站口与出站口正对,第二层与第一层出站口相对的位置也布置有1个相同尺寸的出站口。客站建筑长90 m,宽30 m,高16 m,小中庭进深8 m;第一层候车厅高6 m,第二层候车厅高10 m。上下层候车厅均在左右侧设置候车席,每侧分布120人。室内上下层均设置顶灯,在靠墙处有散热器负责供暖。客站各门尺寸均为80 m× 2.5 m,另外,由于人员流动频繁,可以认为几个站门均一直开启。

图1 中小型客站建筑示意图
Fig.1 Schematic diagram of railway station of middle or small size
在实际建筑的基础上,利用CFD软件AirPak进行数值模拟,湍流模型采用k-ε模型。模型图如图2所示。考虑到加入室外风压对客站内部渗风影响,在客站模型正门的20 m外设置风口,并根据北京冬季室外平均风速,设定该风口送风速度为4.5 m/s[3]。同时,在除地面方面外的其他4个方向上设置回风口,各回风口为等压边界,各回风口距离客站建筑20 m,从而由这几个风口构建室外的风环境。
在该模型的基础上可计算没有采取任何控制冷风渗透的措施时该客站内部的流场及冷风渗透量。计算得到的流场图如图3所示。空气流在建筑外侧形成绕流,贴近建筑处的空气受黏滞力作用,流速降低。同时,客站第一层的正门以及正对着的出站门之间冷风形成灌流,客站第一层的风速较大。而由于第一和第二层之间的楼板阻隔了人员灯光等热扰引起的浮升力作用,气流上扬受到限制,故到达第二层空间的空气量很少,空气流速也较小,基本不受冷风渗入的影响。在该工况下,由正门侵入的冷风流量为132 m3/s。

图2 基本模型图
Fig.2 Basic model of station

图3 基本模型计算流场图
Fig.3 Simulation result of flow field
为了研究门斗及风幕阻隔无组织渗风的影响,在以上模型的基础上设计了门斗及风幕的模型,如图4所示。门斗模型由几个隔板组合构成,风幕模型由1个下送风风口以及1个侧回风风口组合形成。送风口面积为0.5 m×8.0 m,回风口面积为1 m×8 m。如图5所示。

图4 门斗模型
Fig.4 Model of foyer

图5 风幕模型
Fig.5 Model of air curtain
本文提出阻隔系数E用于分析门斗或风幕控制无组织渗风的效果。阻隔系数E为不采取措施时门口处冷风渗透量Qa和采取阻隔措施(如空气幕、门斗)时门口的冷风渗透量Qb的差值与不采取措施时的冷风渗透量Qa的比值。
2 案例分析
2.1 门斗
在本部分,针对门斗的开口位置进行分析,从而得到相对优化的开口位置选择。进而在优化结果基础上对内外门斗的阻隔效果进行分析,得到进一步的优化结果。在第一、二步的基础上进一步分析门斗进深的影响,完成对门斗的优化分析。
2.1.1 门斗开口位置的选择
本文设计2个案例分析门斗的开口位置。在案例1中,门斗的两侧可以进风,如图6所示。在案例2中,门斗朝正对风向开口,但开口与客站正门错位,如图7所示。在2个案例中,门斗的总开口面积一致。

图6 门斗侧开
Fig.6 Foyer side open

图7 门斗正开
Fig.7 Foyer front open
通过数值模拟可以得到:对于侧开的门斗,其阻隔系数为0.40,正开的门斗的阻隔系数为0.63。通过流场图(见图8和图9)不难解释原因。对于门斗侧开的工况,大门的风量主要由2个入口进入,在进站大门的中部聚集,通过正对的进站门和出站门形成灌风。在该情况下,虽然门斗的侧向开口对正门吹来的外界冷风起到一定的阻挡作用,但由于客站入口的进风风向没有改变,进站大门与出站大门间无阻隔,气流直接贯通,引起较大风压,故由2个侧向入口涌入的冷风仍难以忽略。而对于正开口的门斗,虽然开口面积相同,但流场情况与侧向开口的单边情况类似,即实际流通面积减小。同时,由于门斗正开时只有单个进口,进入的冷风冲向右侧,避开了正对的出站口,因此,灌风现象有所缓解。当然,从流场图上也可以发现:当门斗正开时,右侧候车区域的风速增大,乘客的舒适感将会下降。

图8 门斗侧开计算结果
Fig.8 Simulation result of foyer side open

图9 门斗正开计算结果
Fig.9 Simulation result of foyer front open
2.1.2 门斗形式的选择
在实际门斗的应用中,存在两类较常见的门斗形式:一类为外门斗,如图6和图7所示;一类为内门斗,与外门斗形式相同,但门斗位置位于室内,如图10所示。

图10 内门斗模型图
Fig. 10 Model of indoor foyer
外门斗的阻隔系数为0.63,经过计算,在采用内门斗的情况下,其阻隔系数为0.61。当采用内门斗时,其流场与采用外门斗的类似,如图11所示。但由于室外冷风先经过进站大门,气流在室内经过的距离变短,即在室内的扩散距离变短,阻隔效果稍微有所降低。
2.1.3 门斗尺寸的选择
这里探讨门斗的进深对阻隔的影响效果。设计了3个案例进行分析,在这些工况下,门斗的进深分别为2 m,3 m以及4 m。门斗的进深对于客站内部流场的影响较小,流场情况与图9的类似。但由于门斗进深越小,室外冷风在门斗内流过的路径越窄,客站与室外的流通面积减小,故从进站口涌入的风量越少。从阻隔系数可以看出,门斗尺寸对控制冷风渗透具有较大影响,如表1所示。

图11 内门斗计算结果
Fig.11 Simulation result of indoor foyer
表1 门斗尺寸阻隔系数
Table 1 Separation efficiency of different foyer sizes

2.2 风幕
风幕的可调变量主要有风速及风温。这里从风速及风温2个方面对风幕的阻隔效果进行讨论。首先,通过对风幕的出风风速进行模拟分析,优化风幕的出风风速,接着在优化结果上进一步针对风幕的出风温度进行分析,完成对风幕的优化分析。
2.2.1 出风速度对控制效果的影响
出风速度越大,风幕阻挡外界冷风侵入的效果就越好,但当风速增大到一定程度后,风速的增加对阻隔效果的影响效果减弱。且风速越大,风幕的能耗越高。根据设计手册,公共建筑中风幕的出风温度不宜大于6 m/s。本文分别计算出风速为3,6,9 m/s时风幕的阻隔效果。
风幕在不同出风风速下的阻隔系数见表2。从表2可见:当风速越大时,阻隔系数越高,风速对阻隔系数的影响效果较大;当风幕的出风速度为6 m/s时,阻隔系数仅为0.37,即使当风幕的出风风速为9 m/s时,其阻隔效果也只是0.49,小于门斗的平均水平。从流场图上也可以看出相同的规律。从图12~14可以发现:当风速为3 m/s时,风幕在进站口的下部已失去作用,门的下部有明显的室外冷风涌入现象。随着风速的提高,风幕的作用范围逐渐下移,当风速为9 m/s时,风幕的影响范围已经达到进站口的下部,但部分冷风仍不可避免从底层涌入。
表2 风幕在不同出风风速下的阻隔系数
Table 2 Separation efficiency of air curtain under different out-let air speed


图12 风幕风速为3 m/s时的计算结果
Fig.12 Simulation result of air speed 3 m/s

图13 风幕风速为6 m/s时的计算结果
Fig.13 Simulation result of air speed 6 m/s

图14 风幕风速为9 m/s时的计算结果
Fig.14 Simulation result of air speed 9 m/s
2.2.2 风幕高度对控制效果的影响
风幕高度对冷风渗透的控制效果具有影响作用。在实际调研中发现,部分客站考虑到美观等因素,往往将风幕安装在距离进站大门顶部一定距离的上方,因此,针对风幕高度进行分析计算,设计了3个案例进行分析,风幕高度分别为2.5,3.0和3.5 m。阻隔系数如表3所示。
表3 风幕在不同高度下的阻隔系数
Table 3 Separation efficiency of air curtain under different installing heights

从不同高度下风幕的阻隔系数不难得到:风幕的高度对阻隔系数的影响很大;随着风幕安装高度的增大,其阻隔系数急剧下降。因此,在实际应用中,将风幕偏离大门顶部的安装是不合适的。
2.3 风幕+门斗
从以上分析可见:在外门斗,正面开口且进深为2 m的门斗设置是比较优化的;同时,在单独设置风幕时,出风风速为9 m/s,风温为30 ℃将达到比较优化的阻隔效果。这里将风幕及门斗组合使用,探讨最优的组合方式。
从阻隔系数的计算结果(见表4)可以得到:将风幕与门斗相组合是一种十分有效的无组织渗风控制方式,二者的组合效果要优于分别作用的效果。同时,将风幕安装在门斗入口上在阻隔效果上更优化,通过分析模拟得到的流程图可以得到该现象的原因,如图15和图16所示。从图15和图16可见:对于将风幕安置在进站口处的设置,虽然门斗在第1步阻挡了冷风的侵入,但进入门斗内的冷风由于流通减少,风速反而增大,并且门斗导致进入进站门的冷风具有方向性,这样风幕的处理效果减弱;而当将风幕安置在外门斗上时,由于在最外侧利用风幕对冷风进行阻挡,接着利用门斗进行进一步阻隔,故进入客站内的冷风量比较少。因此,与风幕安置在进站口上相比,这种设置的阻挡效果更优。
表4 风幕+门斗组合的阻隔系数
Table 4 Separation efficiency of combination of air curtain and foyer


图15 风幕安装在进站大门处的流场情况
Fig.15 Flow field of air curtain in main door

图16 风幕安装在门斗处的流场情况
Fig.16 Flow field of air curtain in foyer
通过以上分析可得所有工况的阻隔系数,如表5所示。
表5 阻隔系数整理
Table 5 Separation efficiencies

3 结论
(1) 当采取正对风向开口、门斗开口与进站口错位的方式时,与两侧开口的门斗设置相比,由于进风面积变小,对无组织渗风的阻挡效果增强。同时,外门斗的形式与内门斗相比增大了冷风在室内的流动距离,因此,有利于阻止灌风。门斗的进深越小,客站与外界的流通面积越小,冷风侵入的难度越大。
(2) 风幕的出风速度对于风幕阻挡外界冷风侵入的效果影响较大。风幕的出风速度越大,阻挡效果越好,但应同时考虑经济性的要求。对于中小型客站,设计手册中的推荐值是否合理,值得进一步研究。同时,风幕的出风温度对阻挡冷风侵入的效果影响很小,可不考虑冷风渗透的阻隔效果,根据实际需求及方便设定风幕的出风温度。
(3) 将风幕与门斗结合是一种十分有效的阻挡无组织渗风的方式。在进行组合过程中,宜利用风幕对冷风进行第1层控制,再利用门斗的结构对冷风进行第2层阻隔,从而形成较优的控制效果。
参考文献:
[1] 朱建章, 黄保民, 孙兆军, 等. 铁路建筑暖通空调设计综述[J]. 暖通空调, 2010, 40(5): 1-8.
ZHU Jian-zhang, HUANG Bao-min, SUN Zhao-jun, et al. Review of HVAC system design of railway buildings[J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 2010, 40(5): 1-8.
[2] 顾兴蓥. 高层建筑的冬季冷风渗透量计算[J]. 暖通空调, 1981(4): 24-29.
GU Xing-ying. Calculation of cold air infiltration in high buildings[J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 1981(4): 24-29.
[3] 陆耀庆. 实用供能通风设计手册[M]. 北京: 建筑工业出版社, 2007: 472-479.
LU Yao-qin. Heating and ventilation design manual[M]. Beijing: China Construction Industry Press, 2007: 472-479.
[4] 汤晓丽, 史钟璋. 横向气流作用下气幕封闭特性的理论研究[J]. 建筑热能通风空调, 1999(2): 6-8.
TANG Xiao-li, SHI Zhong-zhang. Research on closing capabilities of air curtain affected by lateral air current[J]. Building Energy & Environment, 1999(2): 6-8.
[5] 汤晓丽. 横向气流作用下气幕封闭特性的实验研究[D]. 青岛: 青岛建筑工程学院, 1999.
TANG Xiao-li. Research on closing capabilities of air curtain affected by lateral air current[D]. Qingdao: Qingdao Institute of Architecture and Engineering, 1999.
[6] 杨彦宾. 热压和风压耦合作用下冷库大门空气幕性能的数值研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学环境与市政工程学院, 2009.
YANG Yab-bin. Numerical study of the air curtain performance of a cold store with wind and thermal pressures[D]. Xi’an: Xi’an University of Architecture & Technology. The College of Environment and Municipal Engineering, 2009.
[7] 李强民. 空气幕的隔断特性及其节能效果[J]. 暖通空调, 1986, 16(2): 4-8.
LI Qiang-min. Energy-saving effect and separated characteristics of air curtain[J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 1986, 16(2): 4-8.
[8] 宋玫, 刘延军. 北京地区大堂的空调设计[J]. 暖通空调, 2009, 39(7): 109-112.
SONG Mei, LIU Yan-jun. HAVC system design of lobbies in Beijing[J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 2009, 39(7): 109-112.
[9] 何梅, 董洪庆, 胡艳丽. 陕西关中农村住宅节能设计策略[J]. 四川建筑科学研究, 2011, 37(2): 242-244.
HE Mei, DONG Hong-qin, HU Yan-li. Design and strategies for rural residential buildings energy-saving in Shanxi province[J]. Sichuan Building Science, 2011, 37(2): 242-244.
[10] 马小满, 蒋良禹, 蒋洪宁. 多层砖混住宅楼门斗设计的几点思考[J]. 辽宁工程技术大学学报, 2010(5): 57-59.
MA Xiao-man, JIANG Liang-yu, JIANG Hong-ning. Reflection on lintel design of multi-layer brick mixed residence[J]. Journal of Liaoning Technical University, 2010(5): 57-59.
(编辑 陈灿华)
收稿日期:2012-01-15;修回日期:2012-02-15
通信作者:周欣(1988-),女,福建福州人,博士研究生,从事建筑能耗模拟研究;电话:15901037680;E-mail: zhou-x06@mails.tsinghua.edu.cn