某火車站的自然通風模擬計算分析摘要：結合建筑物自身結構，設計合理有效的自然通風系統(tǒng)，是降低建筑能耗的關鍵之一。本文根據(jù)某火車站的具體建筑結構，利用LoopDA軟件進行自然通風數(shù)值模擬計算，并將模擬結果與實際結構進行了對比與分析，提出了切實可行的自然通風設計建議。關鍵詞：火車站；自然通風；loopDA；模擬計算1引言“節(jié)能減排”已經(jīng)成為當今社會的重要議題，如何節(jié)約能源已日益得到人們的重視。據(jù)統(tǒng)計，建筑能耗大約占社會商品用能的33%[1]。據(jù)分析由自然通風造成的能耗占建筑空調總能耗的30%左右[2]，因此自然通風成為了建筑節(jié)能的重要突破口。目前自然通風已經(jīng)得到越來越廣泛的應用，但是在如何設計合理有效的自然通風系統(tǒng)方面，還有很多問題急需解決。本文結合某火車站具體工程實例，進行了具體的自然通風模擬計算分析，提出了切實可行的自然通風設計建議。2LoopDA軟件介紹[3]2.1LoopDA軟件簡介LoopDA（LoopDesignandAnalysis）是為了在自然通風系統(tǒng)方案設計的過程中幫助設計師確定通風氣流構件開口面積而開發(fā)的一款軟件工具。它的原理主要是依據(jù)環(huán)路方程設計法（TheLoopEquationDesignMethod）。環(huán)路方程設計法是一種確定自然通風構件尺寸的方法，普通，實用，它允許直接考慮熱效應和風驅動的氣流。2.2LoopDA軟件數(shù)學模型及原理描述LoopDA中用于通風的部件有兩種，逆氣流元素（InverseAirflowElements）和管流元素（DuctFlowElements）。逆氣流元素用來描述在墻上開的孔洞，如門窗等，直接連接兩個區(qū)域；管流元素用來特指主要受熱壓影響，連接兩個區(qū)域的開口。逆氣流元素包括孔口元素（OrificeElement）和廣義冪律元素（GeneralPowerLawElement）?？卓谠氐挠嬎愎饺缦拢赫颍海?-1）逆向：（2-2）其中：是窗孔的流量系數(shù)，是窗孔的面積。是該公式的特征設計參數(shù)（CharacteristicDesignParameter）。該公式的目標是求得一系列的滿足通風要求的值，考慮建筑要求以及實現(xiàn)的可能性，選取合適的值。管流元素的計算公式如下：正向：（2-3）逆向：（2-4）通風環(huán)路的氣流驅動壓力計算公式：風壓（wind）：（2-5）熱壓（stack）：（2-6）總壓力：（2-7）氣流驅動壓力在自然通風設計中是個非常重要的參數(shù)，其大小決定了通風所需的進、排風口面積大小。在逆氣流元素和管流元素的計算公式中，氣流驅動壓力都是必需的。在LoopDA中，參數(shù)氣流驅動壓力不能顯式輸入，而是軟件根據(jù)逆氣流元素和管流元素的參數(shù)設置（如溫度、相對高度等）自行計算得到的。3模擬相關參數(shù)設置3.1建筑物基本信息該火車站位于我國西北地區(qū)某城市。車站全長8.4km，其中車場部分3.4km，動車所及走行線部分5km，車場設計為10臺18線。站房為南北雙向客運站房，東西長184m，南北長348m，設計容納人數(shù)13000人，初步設計總建筑面積為11.52萬平方米，其中，高架層5.18萬平方米，站臺層3.04萬平方米，出站層0.13萬平方米。建筑效果圖和室內實景圖如圖3.1-1、3.1-2。圖3.1-1圖3.1-23.2室外氣象條件與室內設計參數(shù)過渡季節(jié)采用自然通風的時期按照4月13日至6月17日考慮。自然通風由于室外環(huán)境的不確定性，室內風速均處于被動狀態(tài)，這一動態(tài)變換會帶來一定的“熱環(huán)境效益”，即適當提高空氣溫度再加上動態(tài)風的作用，同時可以取得令人滿意的熱舒適效果。以動態(tài)環(huán)境下的建筑室內熱環(huán)境為基礎，確定在自然通風條件下的室內熱環(huán)境可接受的空氣溫度為28℃，室內空氣設計溫度的提高，可以延長自然通風可以利用的時間，減少空調系統(tǒng)的開啟時間，有利于進一步提高節(jié)能效果。該地區(qū)過渡季節(jié)風環(huán)境的特點是白天風速較高，晚上風速較低。當?shù)氐臍庀筚Y料（過渡季節(jié)以五月份為依據(jù)），四月份的室外日平均溫度為20.87℃。所以我們可以確定進風溫度為20.87℃?？紤]到過渡季節(jié)氣溫較低，人員衣著較厚，要保持室內人體熱舒適性的狀態(tài)，排風溫度不宜過高。在這里，我們取進排風溫差為5℃，這樣排風溫度設定為25.87℃，室內平均溫度為23.37℃。風向為東北方向（北偏東45°），大氣壓力為96470pa。3.3模擬對象的參數(shù)設定此次模擬的邊界條件和初始條件以如下假設為前提：1.室外溫度按20.87℃設置，模擬過渡季自然通風降溫工況，以室內人員活動區(qū)域溫度不超過設定溫度作為通風目標。當室內溫度超標時，增大該區(qū)域通風網(wǎng)絡中阻力最大的開口，使該區(qū)域通風量增大帶走室內熱量；2.由于過渡季室外溫度和室內溫度相近，負荷計算時，只考慮通過自然通風帶走房間內熱源的發(fā)熱量和太陽輻射得熱量，不考慮圍護結構蓄熱和放熱量；3.車站站房內辦公室、衛(wèi)生間、會議室等由于空間體積太小，并沒有與室外相鄰，不參與自然通風，在模型中未考慮；4.所有的外門和可開啟的窗戶均參與自然通風。3.4室內計算參數(shù)、負荷統(tǒng)計及各模擬區(qū)域體積表3.4-1太陽輻射得熱平均值直射輻射散射輻射總輻射（W/m2）（W/m2）（W/m2）太陽輻射812.5151.4963.9考慮遮陽系數(shù)SC==0.355考慮屋頂透光面積占候車車室層面積積的比例為為0.099284.425.653.04.8337.430.4表3.4-2各模擬區(qū)域過渡季節(jié)內熱源負荷及體積統(tǒng)計表房間名稱過渡季節(jié)設計溫度人員發(fā)熱量照明負荷設備負荷太陽得熱負荷總計體積（℃）（w）（w）（w）（w/m2）（w）（m3）一層南向候車室室（包括進站廣廳廳）26365462496827736042288052089一層北向候車室室（包括進站廣廳廳）26365462496827736042288052089二層候車廳26352407444744104432230.449977922471210二層進站廣廳26251799009084388487230.453399822902310二層休閑茶座268969640473756330.417116825728二層售票廳262954563135158580332665112104模擬計算與分析4.1計算模型根據(jù)建筑物的結構與形狀建立模型如下圖：圖4.1-1建筑物LoopDA軟件計算模型1.區(qū)域標記；2.進風口；3.排風口；4.管流模型；5.墻體結構.根據(jù)軟件的計算公式可知，建筑的進、排風口面積與室內的散熱量線性相關，與進、排風口之間的距離無關，因此，我們可以把建筑物一些通風環(huán)境相同的開口合并，作為一個開口考慮，最后把計算得到的總面積平均即得到各個開口的實際面積值。4.2建筑各層進、排風口參數(shù)設置4.2.1流量系數(shù)參數(shù)設置QUOTE對應的是進、排風口的流量系數(shù)，使用公式QUOTE=QUOTEQUOTEQUOTEQUOTEQUOTE計算得到各個進、排風口的窗孔的流量系數(shù)。各層的進、排風口流量系數(shù)值如表格所示：表4.2-1進、排風口的流量系數(shù)[4]樓層進風口局部阻力力系數(shù)ζj進風口流量系數(shù)排風口局部阻力力系數(shù)ζp排風口流量系數(shù)一層1.560.82.520.63二層5.650.424.90.454.2.2流量參數(shù)設置各層、各環(huán)路的換氣量如表4.2-2所示：表4.2-2各區(qū)域全面通風量樓層負荷（kw）換氣量（m3/h）一層(一個區(qū)域)422.88253004二層10841.6607648639664.2.3相對高度參數(shù)設置各風口的相對高度如表4.2-3所示表4.2-3各層風口相對高度樓層相對高度（m）進風口排風口一層1.510.00二層10.725.1樓頂----43.64.2.4相對風向系數(shù)的確定相對風向系數(shù)相關參數(shù)如下圖4.2-1：圖4.2-1相對風向系數(shù)隨建筑表面風向相對位置曲線圖該地區(qū)風向為東北方向，結合建筑物表面法線與正北方向的夾角為14°，我們確定建筑物表面風向相對角度為59°，239°，90°，對應的風壓相對風向系數(shù)0.2，-0.65，-0.38。4.3LoopDA計算模擬結果4.3.1實際通風網(wǎng)絡環(huán)路模型實際通風網(wǎng)絡環(huán)路模型如圖4.3-1所示：圖4.3-1實際通風流通網(wǎng)絡環(huán)路模型根據(jù)軟件模擬結果可以看出，在建筑物的迎風面，建筑物二層的排風窗由于室外風壓比較大，成了進風口，但在建筑物的背壓面上，排風窗可以起到排風的作用。4.3.2模擬結果以及數(shù)據(jù)整理根據(jù)軟件的模擬計算結果，我們可以得出：對于第一層，進、排風口面積如表4.3-1表4.3-1第一層各區(qū)域進、排風口面積樓層進風口面積（mm2）排風口面積（m2）一層(左)152191一層(右)131165對于二層，我們分兩種工況來進行模擬，即頂部熱壓排風量占總排風量的60%，80%。工況一：表4.3-2第二層各環(huán)路進、排風口面積樓層進風口面積（mm2）排風口面積（m2）屋頂排風口面積積（m2）二層(左層(右)789----工況二：表4.3-3第二層各環(huán)路進、排風口面積樓層進風口面積（mm2）排風口面積（m2）屋頂排風口面積積（m2）二層(左層(右)789----為了避免室內空間有較大的死角，我們應該增加頂部熱壓排風量在總風量的比重，所以我們選擇第二種工況（即二層頂部排風量占總排風量的80%）來分析。其中：第一層的進風口（標高1.5m）主要是外門，一層的排風口（標高10.00m）主要是一層與二層的連接樓梯；第二層，進風口是外窗（標高10.7m）。統(tǒng)計建筑物外部總開口面積為：152+131+1342+539+789+1085=4038m2表4.3-4建筑實際開口面積與模擬面積的比較樓層風口實際面積（m2）模擬面積（m2）一層左進風口180152左排風口155191右進風口180131右排風口155165二層左進風口46.21342左排風口273539右進風口46.2789右排風口273----天窗705.61085其中所有風口的實際面積我們均采用其最大開啟面積4.3.3模擬結果分析1.根據(jù)表4.3-4，一層的進風口面積基本可以滿足設計要求，但是排風口不能滿足設計面積要求。由于一層與二層的連接主要是樓梯口，樓梯口面積相對比較小，不滿足設計要求，不能通過自然通風的方式得到達到理想的降溫效果，在過渡季節(jié)可能需要開啟空調或機械通風系統(tǒng)；2.根據(jù)表4.3-4，二層的進風口實際面積太小，不能滿足設計要求，建議增大二層下部開窗面積，以滿足設計要求。其中的二層左排風口面積也不能滿足設計要求，建議適當增大開窗面積；3.由于過渡季節(jié)風向變化頻繁，在建筑的迎風面排風口可能會出現(xiàn)“灌風”現(xiàn)象