轨道交通高大厂房风幕性能的仿真研究

江晶晶

(中铁第一勘察设计院集团有限公司 西安 710043)

铁路及轨道交通高大厂房及库房(高度在10 m以上)面积占轨道交通系统附属用房面积的50%以上[1]，承担了车组维护、检修等重要功能，是保障轨道交通系统正常运行的重要环节[2-3]。这类厂房为了满足工艺需求，具有内部空间高、面积大、大门需要经常开启等特征，冬季冷风通过大门泄露进入厂房区域往往引入了显著的新风负荷[4-6]，在影响室内工作人员热舒适性的同时增大了供暖系统的热负荷。据统计，该类型高大厂房的单位面积供热能耗约为普通民建的两倍以上[7-8]。因此，降低冷风泄露引起的新风负荷对于改善工作区域人员的热舒适性和节能减排具有重要意义。

大门处自然对流和环境气流导致的无组织串流产生了较大的新风负荷。在工艺要求无法关门的条件下，工程上可以在大门处配置纵向风幕[8]或横向风幕[9]，通过引入定向的气流组织，形成一道空气幕墙，利用风幕的射流惯性力平衡室内外热压差(温差)导致的自然对流浮升力和环境定向气流的惯性力，达到减小新风负荷和改善室内热舒适性的目的。考虑到环境的风向和室内外温差以及冬季厂房内使用暖气时的流动特性，目前，鲜有针对这类建筑的风幕机配置指导。本文聚焦用于轨道交通高大厂房的风幕机，以降低空气泄漏量和提高热舒适性为目标，研究风幕机核心参数的配置准则，并分析不同环境条件下的应用特性，为轨道交通厂房配置风幕机的设计及风幕机厂家研发相关产品提供理论指导。

1 研究方法

1.1 仿真模型

本文以西北地区某车辆整备库为例，使用计算流体力学方法研究厂房风幕的特性。厂房的尺寸为：长140 m、宽22 m、高10 m、内部面积3 080 m2，可容纳四条轨道和车组。根据厂房结构图纸和暖气实际配置情况，在厂房侧壁底部设置等壁温边界用来模拟暖气片，温度设置参考了高大厂房的供水实测温度[1]。

机车维护厂房的模型构建区域如图1所示，厂房大门高度为5.5 m，宽度为8 m，共2个门，总面积为88 m2，大门正上方相邻区域各设置一个向下送风的风幕机，风幕机长为8 m、宽为0.6 m(风幕厚度)。为了考虑风幕与环境的耦合作用，厂房外部设置了长32 m、宽10 m、高16 m的环境区域，环境区域的背风边界采用开放边界条件。仿真模型基于ANSYS15.0平台，选用标准k-ε湍流模型进行仿真计算，边界条件的设置如表1所示。

图1 机车维护厂房的模型构建区域Fig.1 Schematic of the service station and the modeling area

表1 仿真模型设置参数Tab.1 Setting parameters of the simulation model

1.2 风幕结构参数

风幕本质是空气射流，存在射流收缩现象，对自上向下的风幕而言，射流收缩会造成风幕两侧空气在竖直方向的速度减少，使该区域风幕的密封能力降低，最终导致风幕两侧的泄漏量相比其他部分更大，局部非均匀的泄露导致厂房内部出现局部过冷和局部过热的现象。为了定量描述该问题，本文提出使用无量纲结构参数描述厂房大门处风幕泄漏区域的大小。风幕结构主要受环境参数和风幕机出口参数的影响，因此，使用厂房大门区域的主要泄漏面积和总面积之比来描述泄漏区域的大小。大门所在区域的局部泄漏量如式(1)所示。根据泄漏量的分布，可以计算总泄漏量(式(2))，进一步计算严重泄露区域所占比例α(式(3))。

G″=ρu·n

(1)

G=∬ρu·ndS

(2)

(3)

式中：G″为当地质量流量密度，kg/(m2·s)；G为总泄漏量，kg/(m2·s)；ρ为空气密度，kg/m3；u为大门处的速度矢量，m/s；n为大门法向；S为大门面积，m2。除了大门平面内的主要泄漏区域，风幕的整体结构可以由最小弯曲模量Dm表征[12-13]，其主要受风幕出口惯性力和两侧热压力的影响，计算式如式(4)所示。

(4)

式中：g为重力加速度，m/s2；b为风幕厚度，m；H为风幕高度，m；ρamb为环境空气密度，kg/m3；ρ0为室内空气密度，kg/m3。

1.3 厂房内热环境评价指标

选取2 m以下高度范围内厂房的15个点温度的平均值和标准偏差来描述厂房内的温度均匀性，并用来评价风幕机参数及其安装方式的优劣。好的设计应当保证良好的密封性，进而保证厂房内部的温度均匀性。温度均匀性的定义如式(5)所示。

(5)

除了温度均匀性，根据人体热平衡公式，P.Fanger等[14-15]提出了PMV-PPD指标，通常定义，PMV在-0.5～0.5之间时为舒适；PMV为±1时，为稍凉或稍暖；PMV为±2时，人体感受到凉或暖，更大的PMV值则意味则人体觉得不舒适。考虑到厂房为作业区域并非传统的办公或生活区域，本文将PMV不舒适区(|PMV|≥3)的区域面积占比作为描述厂房内的环境的参数，其定义如式(6)所示。

(6)

为了方便处理数据，|PMV|>4(极不舒适的区域)区域的PMV大小全部设定为4。PMV计算时认为作业区人员代谢率为5.0 met，人体表面积取1.5 m2，服装表面系数取1.15，基础服装热阻取0.077 5，空气状态参数来自CFD模型求解结果。

1.4 风幕机性能测试方法

热风幕机的性能在一个厂房内测试，用于验证本文的仿真模型。安装风幕机的门尺寸为宽4 m、高2.7 m，风幕覆盖区域横截面为宽3.2 m、高2.4 m。在门外搭建了长为3 m的门斗，风幕机测试测点的布置如图2所示，通过测量门斗中距离风幕1 m处9个测点的风速数据，使用式(7)间接测量风幕机的空气泄漏量。手持热线风速仪的测试量程为0～10 m/s，测试精度为0.1 m/s。被测风幕机最大风速为7.2 m/s，对应风量为13 250 m3/h。风幕机加热器功率为57.7 kW，风机功率为1.4 kW。测试时间选取冬季典型日，室外空气温度在-4.4～-3 ℃，室外风速在2～4 m/s范围内波动。

图2 风幕机测试测点布置Fig.2 Layout of test points for air curtain

(7)

2 结果及讨论

2.1 仿真结果有效性分析

采用四面体非结构化网格保证计算稳定性。为了保证CFD模拟数据的有效性，以式(1)计算大门区域的总泄漏量，从而评价网格的可靠性。如图3(a)所示，当网格数超过15万时，计算结果与网格数无关，因此网格数量足够保证计算精度。

使用图2所示的测试方法对热风幕机在直吹和侧吹条件下的泄漏量进行了测试。测试结果表明，热风幕机向外20°侧吹泄漏量明显小于直吹，与仿真结果趋势一致，如图3(b)所示。这是由于出风角度较小时，出风口附近的风幕会卷吸周围空气进入风幕，降低风幕的密封性能，因此直吹(0°)的空气泄漏量比20°侧吹要差。可以看到，仿真模型预测的趋势与实验数据一致。

图3(c)对比了风幕机开、停(停机即为自然渗漏)条件下泄漏量的实验与仿真结果，可知开启热风幕可显著降低冷风泄漏量(实验数据降低35%，仿真数据降低40%)。需要指出的是，风幕机停机自然渗漏时的流场更复杂，与室内外压差等气象参数相关，因此该工况仿真误差比其他工况略大。

此外，还对比了风幕机的加热器开停对空气泄漏量的变化。如图3(d)所示，当风幕机加热器关闭时，风幕机吹风温度为回风温度，与室外环境温度接近，远低于室内平均温度，此时称为“冷风幕”。可以看到，仿真模型预测的趋势与实验数据一致：冷风幕的冷风泄漏量与热风幕基本持平，且与风幕角度基本无关。这是由于根据式(4)，当风幕送风温度与回风温度相同时，风幕处室内外热压远小于热风幕工况(分母减小)，因此冷风幕的风幕最小弯曲模量(刚度)更大。只要热风幕设计匹配合理，在热风幕条件下可以保证风幕气流稳定，冷风幕条件下必定可以继续保持。在此基础上，由于冷风幕更容易保持气流稳定，其风幕刚度和泄漏量即使为0°向下吹，也能做到比热风幕20°侧吹效果更好。然而，这不意味着冷风幕优于热风幕，更全面的评估详见2.2节送风温度的分析。

除了通过风速推算风量的测量误差外，数值仿真简化的湍流模型(k-ε模型)会导致一定的误差，特别是风幕机出口风速较大，实验工况为7.2 m/s，湍流强度高，误差相比常规工况可能更大。根据图3(b～d)的对比结果，除风幕机停机时泄露风量误差为25%，其余点的误差均在19%以内，且3个变量的变化趋势与实验数据保持一致，因此仿真精度工程应用可以接受。因此本文后续的仿真结果有工程借鉴意义。

图3 模型关键参数验证Fig.3 Key parameter verification of the model

下面从风幕机的设计参数和环境参数两个主要维度进行分析。

2.2 风幕机设计参数

1)风幕机送风风速

图4 风幕机风速与泄漏量的关系Fig.4 The relationship between air supply velocity and leakage of the air curtain

可以认为，更高的风幕机送风速度提升了空气动压，导致射流收缩和卷吸增强[16]，从而导致了大门处泄露风量的增加。这为工程中优化大门处的冷风入侵提供了思路。由于射流收缩的影响，空气泄露严重的区域集中在大门的侧边，因此可以通过在大门单侧增加门帘等措施来减少泄露风量，达到减小厂房新风负荷的目的。

在大门处布置风幕机会导致大门附近的风速较高，较大的风速会降低人们的热舒适性，并且会对厂房内的温度分布产生影响。图5所示为环境风速为0 m/s时，风幕机送风速度为5.4 m/s时，厂房内部1 m高度平面内速度和热舒适度(PMV)的分布特性。图5(a)中所示的区域速度大于0.3 m/s处被标记出来，可以认为该区域是被风幕机和冷风入侵所影响的渗透区域，可以看到渗透区域可达59 m，达到厂房总进深的1/3以上。由图5(a)可知，由于风幕机的射流收缩及其导致的局部冷风入侵，每个门两侧附近的风速明显偏大，导致了大门此处PMV值偏小，此处人体感受寒冷；此外，靠近墙壁的区域由于加热器的影响，温度要高于中部区域，PMV值较大。厂房内部绝大部分区域的风速较小，为无风或低风速区域，风速对PMV贡献较小。

图5 风幕机送风速度为5.4 m/s时高度为1 m的平面风速分布及PMV分布Fig.5 Planar velocity and PMV distribution at the height of 1 m when the air supply velocity is 5.4 m/s of the air curtain

表2所示为风幕机送风速度对厂房PMV和温度均匀性的影响。由表2可知，改变风幕机出风速度对不舒适区域占比(PMV>3)影响较小。这是因为风幕机风速增加时冷风入侵的渗透区域占比基本不变，对内部2/3区域人体表面的对流换热表面传热系数影响有限。可以认为，风幕机出风速度显著影响大门附近的风速，但并不显著影响厂房内部的热舒适性。虽然提高风幕机风速可以改善2 m以下区域的温度均匀性，但由于对热舒适性并无太大影响，综合考虑冷风泄露和其导致的新风负荷，在满足风幕结构稳定性后，应尽可能选取较小的出风风速的风幕机。

表2 风幕机送风速度对厂房PMV和温度均匀性的影响Tab.2 Influence of the air supply velocity of the air curtain on PMV and temperature homogeneity

2)风幕机送风角度

当风幕机送风速度为7.2 m/s时，送风角度(0°为垂直向下，正的角度为向外)会直接影响风幕结构，从而对风幕性能产生影响：当出风角度较小时，出风口附近的风幕会卷吸周围空气进入风幕，降低风幕的密封性能；当出风角度较大时，风幕会直接向环境吹出，不利于风幕完整性。在这两点竞争性因素的影响下，存在最佳送风角度。图6所示为送风角度在0°～30°变化时空气泄漏量的变化。可以看出，泄露量伴随送风角度呈先降低再增大的特性，在10°～20°之间存在最小空气泄漏量，可以认为10°～20°为最佳送风角度。

图6 风幕机送风角度与泄漏量的关系Fig.6 The relationship between air supply angle and leakage of the air curtain

由图6还可知，一定的送风角度可以抑制环境风速惯性力导致的冷风入侵：送风角度为10°时严重泄漏区域面积比垂直送风时严重泄漏区域面积减小了16%。风幕机送风角度为10°时高度为1 m的平面风速分布及PMV分布如图7所示。在图7(a)中，严重泄漏区域未超过51 m进深。因此，厂房内的热舒适性也得到了改善，如图7(b)所示，当风幕角度为10°时，进深45 m以上的位置PMV>-1，热舒适性可以接受。

图7 风幕机送风角度为10°时高度为1 m的平面风速分布及PMV分布Fig.7 Planar velocity and PMV distribution at the height of 1 m when air supply angle is 10°of the air curtain

3)风幕机送风温度

风幕机送风温度会影响射流的浮力与惯性力的比值，从而影响风幕内外侧热压与风幕惯性力的比值，影响风幕的密封性。根据风幕射流理论，只要风幕轴线的弯曲模量不低于维持风幕稳定性的0.25[13]，风幕的惯性力可以保证风幕不会在室内外热压的作用下失去稳定性。风幕机送风温度和环境温度对风幕最小弯曲模量的影响如表3所示。由表3可知，当送风速度为7.2 m/s，送风温度在25～60 ℃时，Dm均可满足稳定性的要求。

加强环保工程管理体系的构建，从以下几方面进行：（1）要加大国家宏观管理力度，制定与环保相关的法律法规，给予环保工程建设一定的制度性保障，彰显出法律效应；（2）能源企业要加强与社会环保部门之间的联系，尤其在生产和原材料等方面，要加强节能、环保手段的应用，确保良好的节能环保效果[2]；（3）能源企业还要加强环保设备的购进，确保水资源良好的净化效果；（4）在制定环保监督和管理标准时，要将环保理念充分体现出来。而且工程监管部门要加强监管队伍的构建，严格监督和管理施工全过程。

表3 风幕机送风温度和环境温度对风幕最小弯曲模量的影响Tab.3 Influence on deflection modulus by the air supply temperature and ambient temperature

根据上述分析，风幕机送风温度理论上不会影响风幕的密封性。模拟得到的送风温度与空气泄漏量的关系验证了这一点，如图8所示。伴随着送风温度的提高，严重泄漏区域占比得到了一定程度的下降，表明大门处泄漏总量不变时，泄漏分布更加均匀，对厂房内的热舒适性是有利的。

图8 风幕机送风温度与泄漏量的关系Fig.8 The relationship between air supply temperature and leakage of the air curtain

风幕机送风温度与平均温度和热舒适性的关系如图9所示。伴随着风幕送风温度的上升，厂房内2 m以下区域的平均温度快速上升，不舒适区域占比快速下降，在25～37 ℃之间不舒适区占比低于5%，之后随着送风温度的升高而增大。随着送风温度从不加热(等于环境温度)状态升高，厂房内过冷的不舒适区域面积减小，但风幕机送风温度过高时，反而会造成靠近风幕的区域过热，对热舒适性不利。因此，推荐风幕机送风温度为25～37 ℃。

图9 风幕机送风温度与平均温度和热舒适性的关系Fig.9 The relationship between air supply temperature and average temperature and thermal comfort index of the air curtain

2.3 环境参数

当风幕机按照10°送风角度、5.4 m/s送风速度配置时，分别研究环境风速和环境温度对风幕性能和厂房内热舒适性的影响。

1)环境风速

环境风速对厂房内1 m高度平面风速的影响如图10所示。由图10可知，风幕门处的环境来流会在一定程度上影响风幕的形状。在风幕门处，环境空气被卷吸进入风幕中，部分环境空气通过风幕泄漏至厂房内部，但此时泄漏进入厂房内部的空气速度、温度已经受到风幕门的影响。风幕门处及内部渗透区域速度分布受到来流空气的影响，由于环境来流有向左的速度分量，导致厂房内左侧的渗透深度(102 m)明显高于右侧(74 m)。

图10 环境风速对厂房内1 m高度平面风速的影响Fig.10 Influence of ambient air on the planar air velocity distribution inside the service plant at the height of 1 m in the workshop

环境风速会直接影响风幕结构。图11所示为环境风速对空气泄漏量和热舒适性的影响。由图11可知，不同环境速度下(环境空气以大门法向45°夹角吹向大门，温度为-3.4 ℃)大门处的泄漏量。随着环境风速的增加，大门处的泄漏量增加。这是因为随着环境风速的增加，外界主动吹入风幕的风量增加，风幕的卷吸量增加，导致风幕密封性能下降。此外，当环境速度大于2.6 m/s时，大门处的泄漏量激增，这是因为在该环境速度下，过多的环境空气进入风幕，导致其无法维持完整结构，使大门处泄漏量激增，此时需要增加风幕机出风速度来保证风幕结构。根据我国冬季室外气象参数，京津冀地区和东北地区大部分城市冬季风速大于2.6 m/s，此时需考虑物理屏障等措施减小风幕处的环境来流速度，以保证大门的气密性。

图11 环境风速对空气泄漏量和热舒适性的影响Fig.11 Influence of ambient air velocity on the leakage and thermal comfort

由图11还可知，环境风速的增加会导致舒适区域面积的下降，同时，根据表4数据，厂房内的平均温度和温度均匀性也随着环境风速的增大而降低。这是因为越大的环境风速意味着越多的环境空气被卷吸进入风幕，导致越多的环境空气进入厂房内部。低温环境空气进入厂房则会导致厂房内温度降低，温度均匀性下降以及热舒适区域面积占比下降。当环境风速高于2.6 m/s后，舒适区域面积变化率增大，此时风幕结构被破坏，大量环境空气进入厂房内部。综上所述，针对不同地区的冬季风速特性，需要配置不同规格的风幕机。

表4 环境风速对厂房内平均温度和温度均匀性的影响Tab.4 Influence on the temperature inside the service plant of ambient air velocity

前文探讨的是风速的幅值。当风向变化时，环境风向对空气泄漏量和热舒适性的影响如图12所示，不同风向角度对应的泄漏量基本一致。同时，环境风向对厂房内部区域的影响也较小。这是因为当风幕机选型合适时，环境风向不会显著改变风幕结构，并不会显著影响风幕的密封性能。由于本节配置的风幕送风角度是倾斜的(10°)，风幕轴线本身会进入环境，不同的环境来流方向并不会显著影响侵入风幕区域的环境空气风量。综上所述，当风幕机匹配当地环境风速幅值的情况下，环境风向对厂房内部和大门处泄漏量的影响基本可以忽略。

图12 环境风向对空气泄漏量和热舒适性的影响(90°为门的法向)Fig.12 Influence on the leakage and thermal comfort of the ambient air orientation

2)环境温度

环境风速会对风幕性能造成显著影响，从而影响厂房内部区域热舒适性。当环境风速和风幕机出风参数不变时，环境温度则可能会对厂房内部区域的温度分布造成影响。

环境温度对空气泄漏量和热舒适性的影响如图13所示，环境温度对空气泄漏量的影响较小。这是由于根据表3的数据，环境温度的变化不会导致风幕弯曲模量(Dm)低于维持风幕完整性的最小值0.25。由于风幕轴线弯曲模量Dm表征风幕的密封能力，因此在Dm不低于最小值0.25时，大门处的空气泄漏量几乎不随环境温度变化。另一方面，即使大门泄漏量不变，但新风负荷与室内外温差呈正比，伴随着环境温度的降低，新风负荷增大，导致厂房内部区域的平均温度和PMV热舒适性的降低。总体上，环境温度的综合影响没有风幕机参数和环境风速的影响显著。

图13 环境温度对空气泄漏量和热舒适性的影响Fig.13 Influence on the leakage and thermal comfort of the ambient air temperature

3 结论

本文以西北地区某车辆整备库厂房为例，通过数值仿真方法，针对风幕机送风速度、送风角度、送风温度、环境风速、环境风向、环境温度这几个核心参数，从冷风泄漏量和热舒适性两个角度对高大厂房冬季热风幕机的配置提出了如下建议：

1)风幕机的出风速度和出风角度不显著影响厂房内部温度和热舒适性，但会对大门处的泄漏区域和泄漏量造成显著影响：出风风速从5.4 m/s增至9.3 m/s会使大门处泄漏量从40.4 kg/s增至69.4 kg/s(增加71.8%)，因此推荐采用较小的风速(5.4 m/s)和合适的出风角度(10°～20°)，可实现泄漏量降低13.4 kg/s(24.9%)。

2)风幕机的出风温度不会显著影响风幕密封性能，但会对厂房内部区域的热舒适性造成显著影响，从热舒适性角度推荐的风幕机送风温度为25～37 ℃。

3)环境参数中，风向对风幕泄露量和厂房内热舒适性的作用可以忽略，环境温度仅会对厂房内部的温度造成一定影响，环境风速幅值对风幕性能影响最显著。当环境风速大于2.6 m/s时，出风风速为7.2 m/s的风幕机的风幕稳定性被破坏，泄漏量会显著增大。在冬季室外风速过大的地区(京津冀、东北)需考虑物理屏障等措施辅助风幕作为车辆整备库厂房的隔热措施。

4)针对西安地区的气候条件，建议使用出风风速为5.4 m/s、出风角度为10°～20°、出风温度为25～37 ℃的风幕机。