《某高鐵站特殊高大空間室內(nèi)熱環(huán)境模擬研究》4000字（論文）

某高鐵站特殊高大空間室內(nèi)熱環(huán)境模擬分析目錄TOC\o"1-2"\h\u30516某高鐵站特殊高大空間室內(nèi)熱環(huán)境模擬分析 1118031工程概況 1280272候車室內(nèi)熱環(huán)境模擬計(jì)算 2239532.1模擬計(jì)算的提出 2131522.2候車室空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置形式 3280752.3候車室氣流組織模擬 3168522.4人體熱舒適性計(jì)算分析 7229593結(jié)論與建議 815562參考文獻(xiàn) 8摘要:S西站高架候車室為大范圍玻璃穹頂，太陽(yáng)輻射透過(guò)玻璃直接照射到人身上，將顯著提高機(jī)體熱感覺，這就對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的控制有了全新的需求。從建立空調(diào)系統(tǒng)、氣流組織模擬和人體熱舒適性分析三個(gè)方面，對(duì)候車室熱環(huán)境進(jìn)行仿真分析，希望獲得完全符合人體熱舒適度的玻璃遮陽(yáng)系數(shù)、溫濕度、風(fēng)速參數(shù)數(shù)據(jù)和地板輻射供冷參數(shù)數(shù)據(jù)的深入研究，對(duì)類似工程建設(shè)的設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞:S西站；太陽(yáng)輻射；氣流組織模擬；人體熱舒適性1工程概況S西站高架候車室的屋面跨度范圍為114m、整體長(zhǎng)度為394m，編織網(wǎng)拱形框架結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計(jì)高度37m，單層候車室規(guī)劃建筑面積約4萬(wàn)m2，屋頂展開建筑總面積大約為5.6萬(wàn)m2。鋼結(jié)構(gòu)建筑面積約1.3萬(wàn)m2，透明玻璃屋頂建筑面積約3萬(wàn)m2，三角形檁條的建筑面積大約為1.3萬(wàn)m2。圖1-1S西站高架候車室效果圖2候車室內(nèi)熱環(huán)境模擬計(jì)算2.1模擬計(jì)算的提出S西站高架候車室的拱形屋頂總體為玻璃幕，以優(yōu)美通透的視角，無(wú)附屬內(nèi)、外遮陽(yáng)設(shè)施，需要考慮室內(nèi)人員在夏季對(duì)熱舒適性的影凹。人體熱舒適性，它是人體根據(jù)自身熱平衡條件，與周圍環(huán)境的熱感覺，經(jīng)過(guò)綜合評(píng)判而產(chǎn)生的一種主觀的評(píng)定或評(píng)判。除著裝、活動(dòng)方式及其他個(gè)人因素以外，影響機(jī)體熱平衡，進(jìn)而對(duì)熱舒適性產(chǎn)生影響的環(huán)境因素有溫度和濕度、氣流速度與輻射換熱量的關(guān)系[1]。參照《GB50189-2005公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，S西站候車大廳空調(diào)系統(tǒng)要求工作區(qū)域設(shè)計(jì)溫度在26~28°C之間，相對(duì)濕度50%~70%B。在這種技術(shù)需求情況下，空調(diào)設(shè)計(jì)要解決兩大難題：一是如何對(duì)送風(fēng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使其能夠適應(yīng)高大空間工作區(qū)對(duì)溫度和濕度的要求；二是在夏季舒適度要求下，玻璃幕中太陽(yáng)能透射率怎樣合理選取。文中作了如下兩個(gè)方面的計(jì)算和分析。1)依據(jù)理論體系送風(fēng)溫度和送風(fēng)量是框架基礎(chǔ)，利用CFD數(shù)值模擬系統(tǒng)進(jìn)行了站房拱形穹頂玻璃幕在不同太陽(yáng)能透光率下的組織計(jì)算資料研究，室內(nèi)溫度分布、溫度層結(jié)和密度場(chǎng)隨著送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度差異產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變化，最后，確定了達(dá)到室內(nèi)溫濕度指定要求的送風(fēng)速度與溫度[2]。2)對(duì)于嚴(yán)格篩選出的滿足室內(nèi)溫濕度規(guī)定要求的玻璃幕太陽(yáng)能透光率、送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度的組合搭配進(jìn)行熱舒適綜合分析，結(jié)果確認(rèn)出既滿足室內(nèi)溫濕度明確要求，又滿足人體舒適體驗(yàn)的空調(diào)送風(fēng)方式及玻璃幕太陽(yáng)能透射率[3]。2.2候車室空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置形式高架候車廳使用全空氣分層空調(diào)設(shè)備，并且密切結(jié)合地板輻射供冷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)溫濕度的穩(wěn)定調(diào)控。中心區(qū)域與進(jìn)站樓道口有機(jī)地組合，頂部的四個(gè)周邊范圍內(nèi)設(shè)有鼓型噴口，底部布置需要集中的回風(fēng)口，雙側(cè)商業(yè)夾層空間的吊頂內(nèi)部設(shè)置有球形噴口，風(fēng)口布置如圖2所示。2.3候車室氣流組織模擬2.3.1物理模型計(jì)算中選擇了含有兩個(gè)下站樓梯，并有代表性的地區(qū)，地面尺寸如下：長(zhǎng)度x寬度=43mx57m，具體的物理模型如圖3-1、3-2所示，風(fēng)口具體尺寸見表1圖2-1計(jì)算區(qū)域物理模型圖2-2進(jìn)站口封口布置圖表1各風(fēng)口參數(shù)表風(fēng)口名稱風(fēng)口類型風(fēng)口尺寸/mm風(fēng)口數(shù)量/個(gè)S1(S2)球形噴口(側(cè)面送風(fēng)口)φ40040S3鼓形噴口(樓梯背后送風(fēng)口)750x2508S4鼓形噴口(樓梯側(cè)面送風(fēng)口)750x2504S5鼓形噴口(樓梯正面送風(fēng)口)900x250122.3.2數(shù)學(xué)模型空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)需承受候車室內(nèi)太陽(yáng)輻射能所形成的冷負(fù)荷、圍護(hù)主體結(jié)構(gòu)傳熱產(chǎn)生的冷負(fù)荷、人員散熱功能形成的冷負(fù)荷、系統(tǒng)設(shè)備散熱性能形成的冷負(fù)荷，以及人體透氣散熱形成的濕負(fù)荷。根據(jù)連續(xù)方程、能量方程、動(dòng)量方程和控制方程，利用空氣渦流RNGK-ε模型對(duì)方程組封閉求解[4]。邊界設(shè)定條件如下。（1）太陽(yáng)輻射以氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，S地區(qū)大氣透明度級(jí)別為五級(jí)，6月至9月太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度大于875W/m2的小時(shí)數(shù)為39h（見表2），可以在50h內(nèi)達(dá)到不保證率使用要求，所以以該輻射強(qiáng)度為計(jì)算基礎(chǔ)[5]。表2S地區(qū)6月至9月太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表太陽(yáng)輻射強(qiáng)度范圍(W/m2)0~500500~600600~700700~800800~875>875小時(shí)數(shù)/h12271171101236839（2）人員散熱與散濕靜坐者顯熱散熱為62W/人，站立者顯熱散熱58W/人，候車大廳人員散濕狀況如下：靜坐者散濕量61g/h，輕度勞動(dòng)時(shí)散濕量184g/h[6]。候車大廳內(nèi)的人員密度達(dá)到0.3人次/m2，其中站內(nèi)有部分站隊(duì)等候?qū)佥p度勞動(dòng)的，數(shù)量取118人；也有的因?yàn)榈却龝r(shí)間長(zhǎng)，坐著候車屬于靜坐，按座位滿座計(jì)算，坐在那里候車的人有618位。（3）照明與設(shè)備照明功率密度在10W/m2時(shí)白天不計(jì)照明；設(shè)備總功率為15W/m2。（4）圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)屋頂玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)為2W/（m2.K），屋面鋼結(jié)構(gòu)主體的導(dǎo)熱系數(shù)為0.5W/（m2.K），屋頂鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的吸收效率為0.6，地面導(dǎo)熱系數(shù)為0.5W（m2.K）[7]。2.3.3模擬計(jì)算結(jié)果（1）太陽(yáng)能透射率影響模擬計(jì)算不需要打開地板進(jìn)行輻射供冷系統(tǒng)，對(duì)于不同類型玻璃屋頂，太陽(yáng)能透光率，為了達(dá)到室內(nèi)環(huán)境溫度和濕度規(guī)范要求，送風(fēng)參數(shù)以及其相應(yīng)工況室內(nèi)溫度，濕度和速度的仿真結(jié)果見表3。表3各工況數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果工況玻璃幕太陽(yáng)能透射率送風(fēng)溫度/°C送風(fēng)速度/(m/s)1~1.5m平面平均值溫度/°C相對(duì)濕度/%速度/(m/s)工況10.3151627.546.00.39工況20.25161627.249.40.39工況30.21614.527.049.50.40工況40.171613.527.250.00.40工況50.1161226.052.00.26注:送風(fēng)速度中左側(cè)欄為站廳兩側(cè)墻體上風(fēng)口以及中間電梯上方位站廳兩側(cè)墻體送風(fēng)口的送風(fēng)速度,右欄為其他送風(fēng)管道的送風(fēng)速度[8]。（2）地板輻射供冷對(duì)室內(nèi)溫濕度的影響不需要打開地板進(jìn)行輻射供冷系統(tǒng)，對(duì)于不同類型玻璃屋頂，太陽(yáng)能透光率，為了達(dá)到室內(nèi)環(huán)境溫度和濕度規(guī)范要求，送風(fēng)參數(shù)以及其相應(yīng)工況室內(nèi)溫度，濕度和速度的仿真結(jié)果見表3[9]?；诖?，本文就不同地板輻射供冷能力對(duì)于室內(nèi)環(huán)境溫濕度的影響做了數(shù)值仿真，計(jì)算結(jié)果如表4，工況三為S西站高架候車室空調(diào)系統(tǒng)的終極設(shè)計(jì)工況。表4各工況數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果工況單位地面面積供冷量/(W/m)1.1m高度平均值溫度/°C相對(duì)濕度/%速度/(m/s)工況1026.5480.40工況22025.6510.43工況33025.1520.42（3）設(shè)計(jì)工況下模擬結(jié)果及分析1.1m高溫度分布幾乎均一，一般情況下，溫度為23~26.9C，平均氣溫是25.1°C，相對(duì)濕度一般在40%~60%，平均相對(duì)濕度52%。大多數(shù)地區(qū)的風(fēng)速在0.6m/s以下，平均風(fēng)速0.42m/s，地面溫度22°C左右由模擬計(jì)算結(jié)果可知，候車廳空氣溫度和濕度滿足舒適性能空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)室內(nèi)計(jì)算參數(shù)溫度范圍22~28°C，空氣相對(duì)濕度規(guī)定要求40%~65%，但風(fēng)力風(fēng)速超過(guò)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的0.3m/s。同時(shí)因太陽(yáng)輻射，將使人體吸熱增多，致使人體內(nèi)蓄熱量的增多，因而體溫增高，造成了人體熱不舒適性[10]。需要針對(duì)這一室內(nèi)熱環(huán)境對(duì)人體熱舒適性進(jìn)行計(jì)算與分析，從而確定室內(nèi)及維修結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)參數(shù)。2.4人體熱舒適性計(jì)算分析2.4.1PMV-PPD理論分析本研究以丹麥Fanger教授所建議之PMV-PPD為人體熱舒適性之評(píng)估準(zhǔn)則，假設(shè)人體是熱平衡的、人體在排汗率達(dá)到最佳時(shí)，考慮人的代謝率、室內(nèi)溫度、身體周圍水蒸氣的分壓力、室內(nèi)平均輻射溫度、衣服熱阻、空氣流速等六個(gè)變量對(duì)人體熱舒適性產(chǎn)生影響。由于該研究成果理論沒有涉及太陽(yáng)輻射能，依照它的計(jì)算程序，全面調(diào)整了公式計(jì)算，在公式計(jì)算中直接加入太陽(yáng)輻射，建立以下人體熱舒適的計(jì)算方程:PMV=[0.303xexp(-0.036M)+0.0275]x{M-W-3.05[5.733-0.007(M-W)-P]-0.42(M-W-58.15)-0.00173xM(5.867-P)-0.0014M(34-t)-R1+R2-fahe(tJ-ta)}(1)PPD=100-95exp[-(0.03353PMV+0.2179PMV4)](2)式中:M為人體能量代謝率，確定了人體活動(dòng)量W/m2；W是人體機(jī)能內(nèi)所作的機(jī)械能，W/m2；he是換熱系數(shù)，W/（m2.K）；ta是服裝外核心溫度，C；ta是人周圍空氣流動(dòng)溫度，C；fa是衣服面積比例系數(shù)，對(duì)于一個(gè)人在著裝之后，其真實(shí)外表面積占裸身表面積的百分比；R，是人體和周圍壁面之間長(zhǎng)波輻射換熱量；R2是身體吸收太陽(yáng)輻射所需要的熱量；Pa是人周圍水蒸氣的分壓力、kPa。PMV等于0時(shí)，人的感覺中等，約5%的人感覺不滿意；PMV=1時(shí)人體會(huì)有輕微的溫?zé)岣校?7%的人覺得不滿；PMV=2時(shí)人的身體感到溫暖，大約80%的人會(huì)覺得不滿。2.4.2計(jì)算結(jié)果對(duì)于處于站立姿勢(shì)的人，在玻璃太陽(yáng)能透光率為0.1時(shí),3個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算工況的舒適度理論計(jì)算值見表5。表中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示。表格中的資料：對(duì)打開地板輻射供冷系統(tǒng)工況2及工況3，站姿者都能滿足良好舒適度條件。表5站姿條件下的舒適度理論計(jì)算結(jié)果工況單位地面面積供冷量/(W/m2)PMVPPD/%熱舒適評(píng)價(jià)工況101.0829.44微暖工況2200.5310.84適中工況3300.408.36適中3結(jié)論與建議本文以S西站為定量研究，對(duì)玻璃穹頂?shù)母叽罂臻g組織開展了室內(nèi)熱環(huán)境的CFD系統(tǒng)模擬，并對(duì)人體的熱舒適度進(jìn)行深入分析，以從中選取合理規(guī)范的屋頂玻璃遮陽(yáng)系數(shù)的必要條件，綜合利用地板輻射供冷系統(tǒng)，同時(shí)增加室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)域平均風(fēng)速，可以在這種特殊的高大空間中達(dá)到相對(duì)適度的人體熱舒適性，并且得到了如下建議，為類似工程的設(shè)計(jì)提供了借鑒。1)在類似玻璃穹頂大高大空間或存在面積較大玻璃屋頂?shù)目臻g，指導(dǎo)建議室內(nèi)運(yùn)行溫度為26°C,空氣相對(duì)濕度較低55%。2)在利用地板輻射采暖并有太陽(yáng)輻射能的高空間中，利用地板輻射供冷成為解決人體內(nèi)熱舒適性問(wèn)題的有效途徑之一。3)受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響，大大增加室內(nèi)風(fēng)速風(fēng)向的界定標(biāo)準(zhǔn)，大幅提高人體散熱性能，可以抵消一部分太陽(yáng)輻射對(duì)于人體熱舒適性的作用，不給人體冷風(fēng)的感覺。4）在上述三種情況中，分布于華北地區(qū)或與日輻射強(qiáng)度相當(dāng)?shù)钠渌麉^(qū)域，玻璃屋頂?shù)奶?yáng)能透射率應(yīng)低于10%，遮陽(yáng)系數(shù)以不大于等于0.25。參考文獻(xiàn)[1]郝夢(mèng),任權(quán).寒冷地區(qū)農(nóng)村小學(xué)冬季室內(nèi)熱環(huán)境評(píng)價(jià)[J].城市建筑,2022,19(15):4.[2]江宗渟,張亮山.華僑大學(xué)新圖書館閱覽室室內(nèi)熱環(huán)境實(shí)測(cè)分析[J].建筑節(jié)能,2019,47(4):6.[3]汪秋剛,李靖,額熱艾汗,等.北疆地區(qū)室內(nèi)熱環(huán)境實(shí)測(cè)及人體熱反應(yīng)研究[J].資源信息與工程,2021,036(006):P.116-121.[4]張珊珊.基于過(guò)渡季節(jié)自然通風(fēng)的寒地高架鐵路客站候車廳設(shè)計(jì)研究[D].沈陽(yáng)建筑大學(xué),2019.[5]何璇,羅緣,劉猛,等.昆明市地鐵站設(shè)備與管理用房冬季室內(nèi)熱環(huán)境實(shí)測(cè)分析[J].土木與環(huán)境工程學(xué)報(bào)（中英文）,2019,41(6):9.[6]路洲,蔣濤.鐵路高架候車廳平天窗間接式采光設(shè)計(jì)研究[J].