严寒及寒冷地区轨道交通高大厂房风幕阻风特性研究

2021-05-12西安市轨道交通集团有限公司

暖通空调 2021年4期

西安市轨道交通集团有限公司车凯

中铁第一勘察设计院集团有限公司南硕△ 陈敏

0 引言

近十几年来，我国轨道交通行业迅速发展，截至2018年底，我国铁路总里程达13.1万km，高速铁路营业里程达2.9万多km，居世界首位[1]。我国已有33座城市开通地铁，运行里程6 343.53 km[2]。在铁路和地铁建设的全面带动下，与之配套的附属建筑快速发展，其中，以高大厂房为代表的工业建筑面积占比超过60%。根据工艺和热舒适的要求，现有的严寒、寒冷地区高大厂房需设置供暖系统，其单位面积的供暖热负荷指标往往是民用建筑的2～3倍[3]，此类建筑的冬季供暖能耗通常可占整个车辆基地的70%以上，节能问题亟待解决。

与常规建筑相比，轨道交通高大厂房具有以下特点：建筑体量巨大，面积普遍在10 000～50 000 m2，且层高往往超过10 m，室内温度梯度较大[4]，呈现显著的“上热下冷”现象，从而导致人员活动区域供暖效果差，温度要求不高的上部空间温度过高，造成大量热量散失；围护结构多采用轻质材料，侧窗、天窗的面积较大；此类厂房的室内发热量小，人员密度低，冬季列车会带进大量吸热物体，成为重要的热负荷来源；由于车辆频繁进出的工艺要求，厂房外门高度较高，开敞时间较长，且存在无法封闭的孔洞等，使得冬季冷风渗入、侵入量极大，造成供暖负荷激增。以上轨道交通高大厂房的特点，不仅为工程设计与日常运营带来很多难点，也是降低供暖能耗的关键所在。

针对轨道交通高大厂房供暖的实测研究表明[3]，冷风侵入是影响此类建筑冬季供暖能耗的决定性因素。因此，本文将基于对严寒、寒冷地区轨道交通高大厂房供暖负荷特性的分析，通过数值模拟方法，系统探究以大门风幕为代表的降低冷风侵入措施，并提出相应节能建议，以期为轨道交通高大厂房的工程设计与运行维护提供指导。

1 轨道交通高大厂房冬季供暖负荷特性

1.1 供暖负荷分项计算

轨道交通高大厂房的热负荷主要由外墙、外窗等围护结构传热负荷，通过开启的大门、破损的天窗的冷风侵入渗透负荷与冬季冰冷的列车进入室内带来的冷源吸热负荷组成。上述负荷最终转化为供暖能耗。供暖负荷计算式为

Q=Qe+Qsw+Qo

(1)

Qe=Qw+Qow+Qr+Qs

(2)

Qe=KxAx(tx-tw)

(3)

Qsw=Gρc(tn-tw)

(4)

式(1)～(4)中Q为建筑总供暖负荷，W；Qe为围护结构传热耗热量，W；Qsw为通过门窗的冷风渗透、冷风侵入耗热量，W；Qo为其他因素带来的建筑耗热量，W；Qw为通过外墙的传热耗热量，W；Qow为通过外窗的传热耗热量，W；Qr为通过屋面的传热耗热量，W；Qs为通过天窗的传热耗热量，W；Kx为围护结构传热系数，W/(m2·℃)；Ax为围护结构的面积，m2；tx为围护结构附近的室内温度，℃；tw为室外温度，℃；G为渗风量，m3/s；ρ为空气密度，kg/m3；c为空气比热容，J/(kg·℃)；tn为室内空气温度，℃。

1.2 供暖负荷特性分析

对严寒、寒冷地区典型铁路客运段整备库的供暖能耗、水系统供回水温度、室内热环境等进行现场实测，测试结果表明：高大厂房室内热环境在水平方向与竖直方向呈现显著的不均匀性。由于厂房大门常开，室外低温空气极易流入，靠近大门区域的温度明显低于室内其他区域，极端情况下可低至室外气温水平；而距大门较远的中部区域明显温度较高，在散热器的加热作用下，该区域基本可达到16 ℃的室内设计温度；厂房内竖直方向存在较大温度梯度，最高可达7 ℃，厂房上部堆积的高温空气，不仅会造成其自身与室外环境的剧烈换热，还会增强室内外热压差，从而使大门冷风侵入更加难以控制。

由于列车频繁进出的工艺需求，白天时厂房大门常开，加之围护结构存在大量渗风孔洞，如大门接触网留洞、墙体孔洞、未关闭的外窗及天窗等，导致此类建筑冷风渗透、侵入量极大，由此带来的热负荷占建筑供暖负荷的62.1%，为轨道交通高大厂房供暖能耗的决定性影响因素。另外，由于此类厂房建筑注重自然采光，设有大面积的侧窗与天窗，外窗传热量占到了总围护结构传热量的64.9%，明显高于墙体及屋面的传热量。

2 大门风幕阻风特性模拟研究

2.1 风幕类型与阻风评价标准

为实现轨道交通高大厂房冬季高效供暖，有效阻挡、控制通过厂房大门的冷风侵入至关重要。风幕是目前应用最为广泛的阻风措施，各类工程实例表明，风幕可有效削弱外门的冷风侵入。

大门风幕根据安装位置与送风方向，可分为顶送风幕、单侧送风幕与双侧送风幕；根据送风温度，可分为热风幕(通过热媒或电加热空气)与常温风幕(不加热)。为探寻最适用于轨道交通高大厂房的大门风幕类型，本文将基于真实厂房模型，通过数值模拟方法，对不同类型大门风幕的阻风特性进行研究。

为量化评价风幕的阻风效果，定义阻风效率η：

(5)

式中Gc为使用风幕后的大门渗风量，m3/s；Go为无风幕下的大门渗风量，m3/s。

2.2 数值模拟模型

为探究不同类型大门风幕在实际工程中的应用效果，以CFD商用软件ANSYS Fluent为平台，基于严寒地区某典型铁路客运段整备库建立如图1所示的数值模拟模型。根据轨道交通列车检修工艺特点，此类建筑整体呈条状特征，股道与厂房外门一一对应。模型主体的宽度为12.6 m，高度为8.5 m，厂房大门宽度为4.2 m，高度为5.5 m。模型采用结构化六面体网格，网格数量约110万个；由于厂房大门、风幕风口、围护结构壁面及其附近的流场、温度场存在很大的速度梯度、温度梯度，为更准确地反映空气流动情况，对上述位置的网格进行局部加密，近壁面第1层网格高度不大于2 cm。根据空气幕相关数值模拟研究结果[5-6]，选取标准K-ε模型为湍流模型。

图1 轨道交通高大厂房数值模拟模型

选取严寒地区某典型城市气象条件为室内外环境参数，冬季室外通风设计温度为-11.4 ℃，冬季室内供暖设计温度为16 ℃，冬季最多风向平均风速为3.2 m/s。模型边界条件根据实际情况进行设置，轨道交通高大厂房各墙体及空气幕表面均设置为无滑移壁面边界；风幕送风口设置为进口边界，送风风速、温度、角度根据具体工况设置；风幕回风口设置为出口边界，出口质量流量与送风口流量相同；为真实反映冬季冷风侵入大门的情况，综合考虑热压与风压的联合影响，厂房大门设置为线性函数压力边界条件，如图2所示。

图2 厂房大门风压热压联合边界条件

2.3 送风形式对风幕阻风特性的影响

目前，高大厂房应用较多的风幕形式为顶送风幕与双侧送风幕。依据国家建筑标准设计图集13K312《空气幕选用与安装》，本文选取典型顶送空气幕(型号RM-L-D)、侧送空气幕(型号RM-L-C-D)建立模型，风幕送回风口均采用单层百叶风口，送风角度可调；为保证在风量相同的条件下进行对比分析，顶送、侧送风幕送风口均紧贴大门边缘布置，总面积均为0.55 m2。本节对上述2种风幕在不同风速工况下的阻风特性进行模拟计算，对比分析送风速度(风量)、送风温度相等时，顶送风幕与双侧送风幕的阻风效果。工况设置与计算结果如表1所示。

表1 不同送风形式下模拟工况设置与风幕阻风效率

数值模拟结果表明：送风速度越大，大门风幕的阻风效率越高；送风速度相等的情况下，双侧送风幕的阻风效率明显高于顶送风幕，当送风速度为12 m/s时，顶送风幕的阻风效率为32.91%，而双侧送风幕的阻风效率为84.86%，冷风侵入量仅为顶送风幕工况下的1/4。图3显示了不同送风速度工况下顶送风幕与双侧送风幕大门冷风侵入速度分布，红色区域越大，代表冷风侵入现象越强烈。如图3所示，当送风速度低于4 m/s时，顶送风幕与双侧送风幕阻挡冷风侵入的效果均不明显；当送风速度高于8 m/s时，双侧送风幕阻风效率显著提高，可有效削弱冷风侵入对室内供暖效果的不利影响，而顶送风幕的效果不甚理想。

图3 顶送风幕与双侧送风幕大门冷风侵入速度分布

2.4 送风角度对风幕阻风特性的影响

相关研究表明，风幕送风向室外侧倾斜一定角度时，阻风效果更佳。而根据上节研究，双侧送风幕的阻风效果明显优于顶送风幕，因此本节通过数值模拟方法，对比分析双侧送风幕送风向外的偏斜角度对风幕阻风效果的影响。

工况设置与模拟结果如表2所示，结果表明：当送风速度低于10 m/s时，双侧送风幕的阻风效率随送风速度的增大显著提升，当送风速度高于10 m/s时，阻风效率维持在一个较高水平，可达80%～90%；在同一送风速度下，随着向外送风角度的增大，与大门垂直方向上的风幕的气流可减小侵入冷风的速度，大门的阻风效率逐渐增大，当出风角度为30°时，风幕的阻风效率最大可达91%，冷风侵入得到有效阻挡。图4显示了不同送风速度工况下，双侧送风幕大门送风角度分别为0°、15°、30°时的冷风侵入速度分布。如图4所示，当送风速度相等时，送风角度30°工况下的双侧送风幕阻风效果优于0°与15°工况；上述情况在高风速情况下尤为显著，风速超过12 m/s时，双侧送风幕以30°的角度向外送风，可基本实现对冷风侵入的完全阻隔，仅在大门中心、双侧气流交汇处产生少量冷风渗透。

表2 不同送风角度下模拟工况设置与风幕阻风效率

图4 不同送风角度、送风速度下冷风侵入速度分布

2.5 送风温度对风幕阻风特性的影响

现有轨道交通高大厂房通常采用以热水或电为热源的热风幕，但使用效果并不理想。本节通过数值模拟方法，对比分析送风速度、送风角度相同时，送风温度对风幕阻风效果的影响。工况设置与模拟结果如表3所示。

表3 不同送风温度下模拟工况设置与风幕阻风效率

数值模拟结果表明：对于双侧送风幕，当送风速度相等时，送风温度越高，风幕的阻风效率越低；风幕保持10 m/s的送风速度不变时，送风温度15 ℃(与室内设计温度基本一致，常温风幕)工况下的阻风效率为76.87%，当送风温度升高至60 ℃时，风幕阻风效率仅为56.08%，阻风效率显著下降。

图5显示了不同送风温度下，双侧送风幕大门

冷风侵入速度分布。图6显示了不同送风温度下，厂房中心纵截面速度分布。如图5、6所示，对于本文选取工况，随着送风温度的升高，通过大门的冷风侵入量增大，风幕阻风效果变差，尤其对于送风温度60 ℃的工况，阻风效果极不理想。究其原因，当风幕送风温度较高时，其送出的热空气密度明显低于室外冷空气的密度，热空气送出后会在密度差的作用下出现明显的“上浮”现象，迅速聚集在大门上部乃至厂房顶部，导致无法在大门区域形成完整、稳定的空气幕以阻挡冷风侵入，尤其难以覆盖大门下部；而在热压与风压的联合作用下，大门下部为冷风侵入的主要区域，更使得热风幕的阻风效果难以保障。对同类轨道交通高大厂房的实测结果也表明，热风幕开启前后，大门区域的渗风速度无明显变化，对大门冷风侵入的阻挡效果不明显[7]。