地下车库自然通风的设计

樊德玺,刘欣彤

(大连城建设计研究院有限公司,大连116011)

在工程设计中,地下车库普遍采用机械排风,自然进风的通风方式.但是在实际管理过程中,由于排风风机的耗电量大,噪音高,因此很少被开启,导致地下车库内空气品质差.针对这一情况,本文以大连某地下车库为例,提出一种以自然通风为主,机械通风为辅的地下车库通风系统.

1 工程概况

该地下车库位于大连,如图1所示,分为2个防火分区,层高为3.6m,车库顶为室外地坪;车库上连接四个单体住宅.本文将对防火分区一进行分析.

图1 地下车库平面图

2 设计思路

防火分区一的面积约为2 730m2,上部有两个单体,高度分别为90 m(层高3 m,30层)和69 m(层高3 m,23层).

在两个单体建筑中分别设置与车库相连,并和单体同高的通风竖井,即风井1(高90m)和风井2(高69m).

利用风井内热压引起的空气流动,对车库进行自然通风;同时设置排风机,在自然通风不能满足要求时,启动机械通风系统.

3 原理分析

自然通风的作用原理,主要是利用室内外温度差所造成的热压或室外风力所造成的风压来实现通风换气的.

风力具有不稳定性,本文不做计算分析,将其产生的动力作为安全值.

1)由于热压的作用,风井内产生的抽力是该通风系统的动力[1].风井抽力Sy(Pa)的计算公式如式(1).

其中:h为通风竖井高度,m;ρo为标准状态下空气密度,取1.293 kg/m3;tw为室外空气温度,℃;ti为车库内空气温度,℃;Cp为大气压力修正系数,与海拔高度和大气压力有关,大连地区取1.01.

2)由于风井抽力的作用,空气在通风竖井内流动,所以将有一部分抽力转化为空气流动的动压,即

其中:V为风井内空气流速,m/s,由风井通风量Q和风井截面积计算.

3)空气在通风竖井内需要克服沿程阻力(ΔPm).

ΔPm为单位长度沿程摩擦阻力,按式(4)计算

其中:λ为摩擦阻力系数,按照式(5)计算;ρ为风井内空气密度kg/m3;de为风井当量直径,m.

其中:K为风井内壁的绝对粗糙度,m;Re为雷诺数.

4)空气在通风竖井内还需要克服局部阻力(ΔPj).

Σξi局部阻力系数之和.

5)车库风井内产生自然通风的条件为

4 系统设计

该地下车库自然通风系统的设计内容包括:

1)布置风井、进风口的位置.风井、进风口的位置,将影响地下车库内的通风组织,是自然通风设计的关键.

2)计算风井的尺寸.风井过大,过多占用建筑面积;风井过小,导致自然通风量小,没有达到通风效果.

下面本文将如图2所示,应用CFD数值模拟和能耗分析软件DeST,计算、分析以上内容.

图2 设计过程示意图

4.1 布置风井、进风口的位置

风井被设置在建筑单体内;风井下部开口位于车库废气集中区域,即车库下部.

布置进风口位置时,主要考虑以下方面:

1)在不影响人行通道和消防作业面的同时,与室外地坪上的景观结合;

2)进风口尽量布置在车库内的主要道路上;3)使气流分布均匀,减少通风死角.

4.2 确定自然通风量

由前面的原理分析可知,风井尺寸受通风量Q和风井抽力Sy影响;其中通风量Q又将对风井抽力Sy的大小产生影响,通风量Q越大,室内外温差越小,则风井抽力Sy越小;因此,需要合理的确定自然通风量.

《汽车库建筑设计规范》(JGJ100-98)中规定,地下车库的排风按换气次数6次/h取值.笔者在查阅参考文献[2-3]后,根据该车库的具体情况,计算自然通风量.

地下车库通风的目的是稀释车辆排放的一氧化碳(CO).地下车库内的车辆大致分为3类状态:1)行驶状态,2)怠速状态,3)熄火状态.3种状态的一氧化碳(CO)排放量是不相同的,而且相差很大,因此需要分析车库内处于行驶状态和怠速状态车辆的最大值,按照式(8)区别计算.

其中:L为地下车库内的通风量,m3/h;Gx为车库内行驶状态车辆排放一氧化碳的量,Gd为车库内怠速状态汽车排放一氧化碳的量,mg/s;C1为车库内一氧化碳的允许质量浓度,mg/m3;C0为室外大气中一氧化碳的质量浓度,mg/m3.

该车库共有76个车位,车道上能行驶车辆的最多数目约为26辆(按照车道面积与每台车辆占地面积的比值计算).某一时刻,当所有车位都停有车辆,并都处于怠速状态(车位上的车辆只能是怠速状态或熄火状态),同时车道上处于行驶形式状态的车辆数量最多,此时一氧化碳(CO)排放量最高.

表1为部分车辆怠速状态的一氧化碳排风量,本文计算时取表中平均值,约为1mg/s;关于行驶状态车辆的一氧化碳排放量,可按每台18 mg/s取值[2].一氧化碳允许质量浓度C1取100mg/m3;空气中的一氧化碳质量浓度各地不相同,本文取3mg/m3.

将以上数据代入式(8)中,得到排风量计算值为20 189.69 m3/h,约为该车库2次/h换气次数的排风量.

表1 怠速状态每辆汽车单位时间一氧化碳的排放量[3]

4.4 CFD数值模拟

根据一氧化碳的排放量计算了排风量.但是由于车库的形状,风井、进风口位置以及一氧化碳排放的不均匀(车道为排放量最高处),可能导致局部一氧化碳质量浓度超标;因此采用数值模型,检测风井、进风口位置布置合理性的同时,在20 189.69 m3/h风量的基础上进行调整,最终确定自然通风量.

4.4.1 建立模型

根据图1,在对车库内部一些细节进行简化后,建立如图3所示的CFD模型,其中:

图3 防火分区一CFD模型

1)设定模型中有空气和一氧化碳,一氧化碳的初始质量浓度为3mg/m3;其中模型中空气和一氧化碳的气体特性见表2、3.

表2 空气气体特性

表3 一氧化碳气体特性

2)在模型中,首先设定排风口1和排风口2各自的排风量分别为总排风量的50%,即10 094.85m3/h;

3)设定Source模块为车辆;其中空心块为怠速状态车辆,其一氧化碳的排出速率为0.001 g/s;实心块为行进状态车辆,其一氧化碳的排出速率为0.018 g/s.

4)根据4.1所述,布置风井、进风口的位置.

4.4.2 模拟结果与分析

图4为距地1.5 m处(人主要活动区域)一氧化碳质量浓度分布.从图4中可以看出,在风井1和风井2排风量相同时,由于车库内车辆分布不均匀,所以导致部分区域的一氧化碳质量浓度超过100mg/m3.因此需要调整排风量,同时合理分配每个风井的排风量.

图4 CO质量浓度分布模拟结果

图5 为调整后的结果.总风量为28 800m3/h,其中排风口1的排放量为19 800 m3/h,排风口2的排放量为9 000 m3/h.此时,除个别点外,车库1.5m处的CO质量浓度都满足要求.因此确定28 800m3/h(约为该车库3次/h的换气量)为自然通风量.

图5 换气次数为3次时,距地1.5m平面CO质量浓度分布模拟结果示意图

4.5 确定抽力设计值

4.5.1 气象资料

图6为大连室外温度全年逐时值.

图6 大连室外温度全年逐时值

4.5.2 建立DeST的计算模型

根据工程情况,在模型中设定:

1)车库的外围护结构为300 mm厚混凝土与50mm厚苯板;

2)设定车库换气次数为3次/h,通风来自室外;

3)照明负荷和其他负荷(例如汽车的发热量等),在模型不考虑.

建立DeST计算模型如图7.

图7 DeST计算模型

图8 为防火分区一室内温度的DeST计算结果.

图8 防火分区一室内温度全年逐时值

由图6与图8相比较可知,地下车库内温度大部分时间高于室外温度,由于在模型中忽略了一些热负荷,本次计算结果为最不利情况.

4.5.3 风井抽力取值

将图6和图8中的数据逐时对应代入式(1)中,得到该车库内风井1和风井2内产生抽力的全年逐时值.图9为风井1内产生抽力的全年逐时值.图10为风井1内产生热压值全年统计结果.

图9 风井1内抽力全年逐时值

由图10可以看出,风井1内全年约有60%的时间抽力值在10 Pa以上.当风井1产生10 Pa抽力时,风井2产生的抽力约为7 Pa.

图10 风井1内抽力全年统计结果

根据以上分析,将10 Pa和7 Pa作为计算风井尺寸的抽力设计值.

5 计算风井尺寸

风井设计数据详见表4.

表4 风井设计参数

将表4中的参数分别代入式(2)～(7)中,计算得到风井1的尺寸为1.5 m×1.5 m,风井2的尺寸为1.5m×1 m;这样可以保证全年有60%的时间,车库内自然通风量可以保证最不利情况下的一氧化碳(CO)质量浓度≤100mg/m3.

6 结 语

1)探讨了一种地下车库自然通风的设计方法.使用数值模拟软件和DeST对设计中的相关参数进行计算、分析和检测.

2)通过分析和计算确定的通风系统,除自然通风最不利的夏季,即6、7、8月份需要开启机械排风机外,其他时间可以保证该车库换气次数在3次/h;

3)在其他工程设计中,可以根据车库的使用情况,选择合适的换气次数和风井的位置,调整风井面积和进风口的布置.

4)该设计方法在改善车库内的空气品质同时,充分利用自然能,节省运行费用,具有节能效果.

[1]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2008.

[2]张吉光.高层建筑和地下建筑通风与防排烟[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[3]陈 刚.地下车库通风量的确定与控制[J].暖通空调,2002,32(1):62-29.