宁波站候车厅供暖效果的改善研究

蔡珊瑜

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，200092，上海∥高级工程师）

宁波站候车厅供暖效果的改善研究

蔡珊瑜

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，200092，上海∥高级工程师）

宁波站候车大厅建筑空间属于典型的高大空间。为改善冬季空调热风上浮，减少垂直方向温度梯度明显的现象，利用在夏季高区排除余热的通风系统，在冬季将高区上浮聚集的热空气向下高速喷送，以优化候车大厅的候车区温度场。利用计算机数值模拟计算手段，比较了6种不同的设计工况对候车区冬季温度场及速度场的影响，得出冬季供热工况随着屋顶风机的开启对热气流上浮有一定抑制效用；且随着向下送风风速的加大，候车区距地2 m高度区域人员停留区温度有所上升。这一设计具有一定的节能效果。

候车厅；循环通风系统；供暖效果；数值模拟；节能

Author'saddressConstruction&Design Institute（Group）Co.，Ltd.，Tongji University，200092，Shanghai，China

铁路宁波站候车大厅南北跨度190 m，东西跨度60 m，平均高度24 m，是一种典型的高大空间建筑（见图1）。这类高大空间冬季采暖系统均存在垂直温度梯度失调的现状。在候车区设置低温地板辐射系统或在候车厅中央区设置送风单元柱可有效改善这种现状。但出于投资造价、室内空间效果等因素的限制，在前期进行暖通方案设计时，地板采暖系统及送风单元柱等方案均未实施，最终采用了在候车区东西两侧设置送风喷口。但由于候车厅东西跨度达60 m，冬季室内热空气上浮，垂直方向上温度梯度明显，因而成为系统设计的隐忧。

为改善候车大厅的供暖效果，利用原有夏季高区排除余热的排风系统的管线，增设一套送风管路，在冬季将高区上浮聚集的热空气向下高速喷送，以优化候车大厅的候车区温度场。

图1 高架候车厅实景

1 屋顶通风系统优化设计

宁波站候车厅夏季是采用分层空调的方式，为了排除非空调区聚积的热量，减少空调区的负荷，在屋顶桁架内设置了16套温控排风系统。现为了改善候车厅冬季空调供暖效果不佳这一现状，将原屋顶夏季排风系统（见图2）改造为冬季内循环通风系统（见图3），冬季供热工况时将上浮在候车大厅上部的热空气重新送回到下部人员活动区。

冬季运行工况：打开风阀2，关闭排风阀1。为避免上部抽排风速过大，上部进风口采用单层百叶格栅，控制风速在2.5 m/s以内，而向下送风口采用高速射流的喷口，下压上浮热气流，送回候车人员停

留区。

图2 夏季上部排风系统

图3 冬季高位热风下送系统

2 模拟建模与边界条件

为验证该优化设计的预期效果，本文采用Airpak3.0计算软件对候车厅进行数值模拟分析。Airpak3.0计算软件在室内热环境模拟领域中具有较高的精度，其热舒适后处理也是该软件的另一大优势。图4是候车厅的物理模型。模型中两侧有大量的圆形喷口，在顶部设置风机模型，使得最终网格数量在350万以上，因此使用了较为简单实用的零方程模型。零方程模型是一种更贴近实际情况的半经验模型，相对于传统的标准k-e，对于热羽流、射流、温度分层现象等能得到更符合实际的结果［1-3］，故比较适合于本文中对高大空间冬季供暖工况的模拟。

2.1 候车厅基本模型

以候车厅为研究对象，并将大厅简化为190 m ×60 m×24 m（x、z、y方向的尺寸）的模型，如图4所示，同时为了简化模型，做出以下假设：①空气为稳态湍流；②空气密度变化不大，采用Boussinesq假设；③室内空气为辐射透明介质；④顶部风管为绝热。

宁波地处夏热冬冷地区，冬季空调室外计算干球温度为-1.5℃，候车厅室内设计温度为20℃。高架层候车大厅出入口众多，且大门开启频繁甚至为常开状态，故冷风渗透量极大。整个候车厅冬季室内设计热负荷为800 k W，热指标为70 W/m2。考虑到冷风侵入点的位置基本在3 m高度以下，为了使模型更贴近实际情况，将外墙分为0～3 m高及3～24 m高两段。3～24 m高的这部分外墙以及屋顶、楼板均根据实际设计传热系数设置，0～3 m高墙体传热系数是由这部分墙体的传热量加上全部的冷风渗透负荷倒推得出，这样即可将冷风渗透负荷平均分配到0～3 m高的这部分墙体上。具体设置参数如表1所示。

图4 候车大厅的物理模型

表1 围护结构传热系数表

2.2 候车大厅空调系统末端设置

本工程中的候车厅采用一次回风全空气系统，空调冬季总送风量为215 600 m3/h，末端球型喷口分别安装在东西两侧侧墙距地6 m的高度。为保证冬季工况球形喷口的送风风速，仅开启其中一半的喷口。每个喷口的送风量为2 200 m3/h，共开启92只喷口。冬季工况下喷口安装角度向下倾斜10°。送风口其他具体参数见表2。

表2 送风口参数设置表

候车大厅在四个对称角部的侧面设置了低位集中回风口。风口尺寸为6.0 m×2.5 m，共4个。

2.3 冬季屋顶内循环通风系统

内循环通风系统设置在候车厅的无顶桁架内，风管的底标高距地为23 m。在冬季，每套系统通过风机从3个回风口中低速抽取候车大厅上部空气，然后通过6个送风口将此部分的空气高速向下送至候车厅下部区域，以达到增加候车大厅上、下两部空气扰动的目的，抑制冬季空调热风上浮的现象。

在设计过程中，针对冬季是否开启屋顶内循环通风系统，并通过改变送风口尺寸来改变送风风速，

形成6种不同的工况。其中工况1为未使用顶部内循环风机。另根据不同的喷口送风速度分列工况2～工况6。6种工况具体参数见表3。

表3 不同工况参数表

3 高架候车厅冬季气流组织分析

工况1为不开启屋顶内循环通风系统，可视为送风风速为零，因此为仅有风速变化这一变量因素。在不改变各种边界条件、空调送风量、送风温度的情况下，分别模拟了这6种工况时候车厅中x=85 m处的冬季室内速度场及温度场，并分析比较这6种工况下候车大厅的冬季供暖效果。

图5 工况1速度场（x=85 m）模拟结果

图6 工况2速度场（x=85 m）模拟结果

图7 工况3速度场（x=85 m）模拟结果

图8 工况4速度场（x=85 m）模拟结果

图9 工况5速度场（x=85 m）模拟结果

图10 工况6速度场（x=85 m）模拟结果

通过图5～10横断面速度场模拟结果的对比分析，可以发现：在增加冬季内循环通风系统以后，整个候车厅会形成一股股垂直向下的气流，以抑制冬季空调送出的热风出现上浮现象。随着送风口送风风速的增大，这种效果更加明显。当送风风速由0加大至26.54 m/s，候车区两侧喷口的冬季空调送风的角度大致由上浮60°变为下浮5°，使得空调送风的水平射程增大，有效改善了由于受建筑形态限制而使2组对喷喷口设置距离较远从而导致中间大面积区域热风无法送达的不利现象。另外，随着冬季内循环通风系统送风风速的加大，末端风速为0.5 m/s等速度线距地面的距离也越来越近，由工况2的9.70 m减小到工况6的2.68 m（详见表4）。由此可见：随着送风风速的增加，将有更多的上部区域的热空气被送至下部区域，可改善高大空间常见的上热下冷现象。

表4 各工况在末端风速为0.5m/s时距地距离m

候车厅0～2.0 m为候车乘客的聚集停留高度，故整个候车大厅的冬季供暖效果也仅取决于这一区间的温度分布及速度分布。2 m以上区域的温

度分布及速度分布对候车人员的热舒适度几乎没有任何影响。图11为候车厅0～2.0 m各高度水平面平均温度曲线图。从中可以看出6种工况的温度曲线趋势基本一致：当开启冬季屋顶循环风机后，2 m以下区域的室内温度明显上升；温度可升高0.2～0.7℃。在不改变循环风机风量的前提下，随着送风口减小、送风风速增加，2 m以下区域的室内温度继续上升，虽然此增幅不是很大（见表5），但是却无需增加任何改造成本。在满足室内声环境的前提下，减小送风口增加送风风速也是有利于2 m以下区域冬季供暖效果的改善的。

图11 0～2.0 m室内各高度水平面平均温度曲线图

表5 各工况2m以下不同高度水平面的平均温度℃

随着冬季屋顶循环通风系统的开启以及送风风速不断增加，垂直射程也随之增加，将有更多的上部区域的热风被送至2.5 m以下的区域，使这一区域的平均温度也随之上升。而4个空调集中回风口高度均在距地0～2.5 m的范围内，且回风风速较低，故可以近似地认为回风温度为候车厅0～2.5 m高度范围内的平均温度。各工况0～2.5 m高度范围内的平均温度详见表6。由于候车厅属于人员高密度场所，冬季空调无需加湿，空调箱内热湿处理过程为等湿加温过程。因此在空调送风量、送风温度一定的前提下，各空调箱的加热总量可计算得出（结果见表7）。由表7可以看出，随着冬季屋顶循环通风系统的送风口尺寸的减小、送风口风速的增加，空调加热量由工况1的800 k W减少为工况6的750 k W，减少了6.25%的不必要能耗。

表6 各工况0～2.5m高度范围内的平均温度℃

表7 各工况空调箱的总加热量kW

4 结语

为了改善冬季空调供暖效果，宁波站候车大厅将原先仅夏季使用的16套屋顶排风系统改造为冬季屋顶内循环通风系统，且在不更换风机的前提下，通过改变送风口的尺寸来改变送风风速。本文对改造后的供暖效果分6种工况进行了模拟分析。其结论为：当开启冬季屋顶循环风机后，2 m以下区域的室内温度明显上升，温度可升高0.2～0.7℃；随着送风风速的加大，2 m以下区域的室内温度会继续上升。而空调的加热量由工况1的800 kW减少为工况6的750 kW，减少了6.25%的不必要的能耗。希望这一研究可以给同类工程设计提供一定的借鉴意见。

［1］ 赵彬.用零方程湍流模型模拟通风空调室内的空气流动［J］.清华大学学报，2001，41（10）：109.

［2］ 王刚，廉乐明.零方程模型在大空间建筑热环境模拟中的应用［J］.建筑热能通风空调，2003（3）：1.

［3］ 李先庭，赵彬.室内空气流动数值模拟［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［4］ 林晓伟，王侠.地铁通风空调系统的优化控制［J］.城市轨道交通研究，2012（11）：100.

On the Heating Effect in Ningbo Railway Station Hall and the Improvement

Cai Shanyu

The waiting hall of Ningbo Railway Stationis a typical large building with high space.To improve the hot air flotation and reduce the obvious vertical temperature gradient in winter，the ventilation system in upper area of the waiting hall designed for summer is improved，highspeed nozzlesare used to supply hot air for the lower waiting area.Six different design conditions corresponding to the indoor temperature field and velocity field are compared through computer numerical simulation，the results show that in winter the heating condition will get better with the control of hot air flotation，and the increase of air velocitytoward the lower area will raise the temperature in the waiting area about 2m high above the floor，so the goal of energy conservation is partly achieved.

waiting hall；recycle ventilate system；heating effect；numerical simulation；energy conservation

TU 831.3：U 291.6

2014-01-20）