某地铁车辆段检修主厂房自然通风数值模拟

陈 涛

中铁二院华东勘察设计研究有限责任公司

某地铁车辆段检修主厂房自然通风数值模拟

陈 涛

中铁二院华东勘察设计研究有限责任公司

根据某地铁车辆段检修主厂房的实际几何尺寸及计算参数建立计算模型，采用STAR-CD计算流体力学软件对采用自然通风条件下检修主厂房内温度场、速度场进行了数值模拟研究。计算模型采用RNG K-ε两方程湍流模型，离散化方法采用有限体积法，速度-压力耦合求解采用SIMPLE算法，模拟计算中考虑了检修主厂房内设备散热、照明散热及透过采光天窗的太阳辐射等多种传热过程。根据模拟计算结果，并结合卫生标准，对采用自然通风方式下厂房内的热环境进行了分析和评价。

地铁车辆段检修主厂房自然通风CFD数值模拟

地铁车辆段是集地铁车辆、各零配件及设备检修、调试等的场所，体积庞大和高发热设备繁多是该类高大建筑的典型特点。为了满足车辆段内工作人员对环境的要求，需要对车辆段各厂房内的热环境进行控制。目前对高大建筑内热环境控制的方式主要有机械通风和自然通风两类。由于高大建筑体态庞大，热源分布不均匀，采用机械通风的方式必将造成能源的巨大的浪费。相比之下，自然通风方式通过引入室外空气和利用空气的浮升效应进行顶部排风能够有效地实现节能。但是，自然通风能否满足要求则需要深入分析，目前最常用的分析方法是采用计算流体力学-CFD方法对建筑内的热环境进行数值模拟，根据计算结果及舒适性标准，确定自然通风的有效性和适应性[1]。

1 项目概况

1.1 土建概况

检修主厂房位于整个车辆段的东南部，占地面积约20000m2，高13.5m。厂房内包括大架修库、钩缓间、空调检修间、受电弓检修间、车体间（含喷漆库）、静调库、电机电器间、空压机检修间、门窗间、金工间、制动检修间、定修库和吹扫库等15个工作区，几个较大工作区的分布如图1所示。

图1 车辆段检修主厂房工作区分布图

为了最大限度地利用自然通风，在检修主厂房周围侧墙开设了大面积的开窗，如图2所示。为了加强自然通风的效果，在厂房屋面开设了12个25m×2.5m的顶部通风孔。同时为了加强顶部采光，在整个检修主厂房屋顶的东南部，开设了面积约356.25m2的采光天窗，如图3所示。

图2 侧墙窗户分布图

图3 屋顶平面通风孔及采光天窗分布图

1.2 热源分布概况

检修主厂房各工作区含有大量的发热设备，根据工艺专业提的资料，检修主厂房不仅设备繁多，而且个别设备发热量大，给主厂房内热环境特别是局部热环境带来很大的影响。为便于计算分析，表1给出了各工作区热源的统计情况。

表1 检修主厂房热源分布统计

2 模拟计算模型

2.1 几何模型

根据图1～3的实际几何尺寸，建立检修主厂房室内热环境数值计算的几何模型如图4和图5所示。

图4 检修主厂房几何模型图（斜视图）

图5 检修主厂房几何模型图（俯视图）

2.2 数学模型

厂房内空气的流动是由厂房内各种设备散热、照明散热和列车的空调系统散热等多种传热过程以及流经厂房内的自然风共同作用下所形成的三维湍流流动，计算中需要考虑这些传热过程以及由于温差引起的浮升力的影响。

室内空气流动一般较低，通常可以不考虑压缩性的影响，按不可压缩流动计算，但需要考虑温度对空气密度的影响。根据质量守恒、动量守恒和能量守恒，可得检修主厂房内流场计算的控制方程如下：

式中：Ui、Uj为流速U的分量；χi、χj为空间坐标；T为温度；p为压力；ρ为密度；g为重力加速度；δi2为一数学符号，当i=2时，δi2=1，当i≠2时，δi2=0；μeff为有效粘性系数；β为体积膨胀系数；ρref和Tref分别表示参考密度和参考温度；λ为导热系数；Cp为定压比热容。

厂房内的空气流速较低，Reynolds数也较低，计算时采用RNG K-ε两方程湍流模型，它是近年来室内流场数值模拟中使用较广泛一种湍流模型[2]。CFD数值离散化方法采用有限体积法，速度场与压力场的耦合求解采用SIMPLE算法。

2.3 边界条件

2.3.1 室外气象参数

查《中国建筑用标准气象数据库》[3]，得到该城市夏季的室外气象参数如下：夏季通风室外计算温度32.4℃；相对湿度62%；夏季室外平均风速2.7m/s；夏季主导风向SSW。

2.3.2 模拟计算边界条件

根据设计条件和资料，确定检修主厂房热环境数值模拟计算边界类型及条件如下：

1）将厂房的外墙、除采光天窗的厂房顶部均设为考虑传热的固体壁面边界条件。根据《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2005），墙体的传热系数K< 0.7W/(m2K)，本计算取K=0.5W/(m2K)。

2）将厂房顶部的采光天窗设为固体壁面边界条件，由于采光天窗为平板玻璃，需考虑太阳辐射的影响，假定有75%的太阳辐射能透过采光天窗进入厂房内，有25%的太阳辐射被采光天窗吸收。

3）依据该城市夏季气候特点，选取太阳辐射强的正午12:00作为太阳辐射的计算条件，太阳高度角80.5°，太阳辐射强度944W/m2[4]。

4）将厂房的地面设置墙体边界条件，计算中将灯光的热负荷按30W/m2的热流密度附在地面上。

5）将厂房内有设备地面设置为墙体边界条件，面积的大小与设备尺寸相同，热流密度为设备发热量。

3 计算结果及分析

3.1 通风孔断面的速度及温度分布

图6和图7分别给出了图5中通风孔1～6和通风孔7～12所在位置X-Z平面上的流场分布。从图中可以看出，在只考虑热压作用的条件下，室内气流完全依靠设备发热引起的浮升力驱动，形成强烈的自然对流流动。在热压作用下，顶部通风孔排风作用效果明显。此外，从厂房内的温度分布可以看出，在通风孔所在的横截面上，除设备附近温度较高外，其它区域的温度较低。厂房人员作业区的平均温度约为33.5℃，平均排风温度约为33.8℃。

图6 通风孔1～6所在位置X-Z平面上的流场分布

图7 通风孔7～12所在位置X-Z平面上的流场分布

3.2 通风孔的排风量及排风温度

为了进一步分析各通风孔的排风效果，表2给出了各通风孔的排风量和排风温度。从表中可以看出，除通风孔2外，其它通风孔的排风量均较大，各通风孔的排风温度相差不大，平均33.8℃。

表2 热压作用下各通风孔的排风量和排风温度

3.3 人员作业区的流场及温度分布

图8～图11分别给出了厂房内距地面高度为0.5m、1.0m、1.5m和2.0m水平面上的流场分布。从图中可以看出，由于受热压作用的影响，顶部排风量较大，使得厂房周围窗户进风较多，厂房内风速较高，平均值在1m/s以上。同样由于顶部排风效果明显，厂房内设备发热能够得到很好的排散，使得厂房内除设备附近外的区域温度均较低，在高度为0.5m～2.0m的人员作业区内平均温度为33.5℃。

图8 厂房内距地面0.5m处水平面的流场分布

图9 厂房内距地面1.0m处水平面的流场分布

图10 厂房内距地面1.5m水平面的流场分布

图11 厂房内距地面2.0m水平面的流场分布

4 结论

采用三维数值计算方法，对自然通风条件下检修主厂房内的热环境进行了计算分析，得到了厂房内速度及温度分布、通风孔的排风效果以及人员作业区的热环境。

在热压作用下，人员作业区平均温度为33.5℃，小于卫生标准35℃的限制[5]，但部分有较大发热设备的区域温度超过35℃，该区域有人员作业需要采取固定式或移动式局部降温措施。

[1]赵彬.室内空气分布的预测方法及比较[J].暖通空调,2001,31 (4):82-86

[2]陶文铨.计算流体力学与传热学[M].北京:中国建筑工业出版社,1991

[3]张晴原.中国建筑用标准气象数据库[M].北京:机械工业出版社,2004

[4]中华人民共和国城乡建设环境保护部.建筑气象参数标准[M].北京:中国建筑工业出版社,1987

[5]中华人民共和国卫生部.工业企业设计卫生标准(GBZ1-2010) [S].北京:中国建筑工业出版社2010

Num e ric a l Sim u la tion o f Na tu ra l Ven tila tion w ith Som e M e tro Depo t’s M a in M a in tenan c e W o rk shop

CHEN Tao
CREECEastChina Survey and Design Co.,Ltd.

The calculationmodelof somemetro depot’smainmaintenanceworkshop was builtaccording to itsactual geometry and calculation parameters.The Numerical Simulation of temperature field and velocity field in the Main Maintenance Workshop was Research by the STAR-CD computational fluid dynamics software.RNG k-εturbulent model is used as the computingmodel,Finite volumemethod is used to discretize the computed area and SIMPLE is adopted to couple the velocity and pressure.The heat of the equipments,lights,solar radiation and other heat transfer process were considered in the Simulation of themain maintenance workshop.According to the results of simulation, combined w ith health standards,thermal environment of themainmaintenance workshop w ith natural ventilation was analyzed and evaluated.

metro depot,mainmaintenanceworkshop,naturalventilation,CFD,numericalsimulation

1003-0344（2014）02-083-4

2013-4-18

陈涛（1982～），男，硕士，工程师；杭州市江干区三里亭路57号（310004）；E-mail:hvac2001@126.com