天津西站特殊高大空间室内热环境模拟分析

李国富 于世平 邹志胜 朱建章

（1、3、4铁道第三勘察设计院集团有限公司，高级工程师 天津 300251；2铁道部经济规划研究院，高级工程师 北京 100038）

1 工程概况

天津西站高架候车室屋面采用跨度达114 m，长394 m，高37 m的编织网拱形结构体系，候车室单层建筑面积约4万m2，屋面展开建筑面积约5.6万m2。其中，钢结构面积约1.3万m2，透明玻璃屋顶面积约3万m2，三角形檩条面积约1.3万m2。候车室整体效果见图1。

2 候车室内热环境模拟计算

2.1 模拟计算的提出

天津西站高架候车室拱形屋顶整体采用玻璃幕形式，从美观通透角度出发，不设置附属的内外遮阳设施，需考虑夏季室内人员的热舒适性影响[1]。人体的热舒适性，是人体通过自身的热平衡条件和对环境的热感觉经综合判断后得出的主观评价或判断。除了衣着、活动方式等个人因素外，影响人体热平衡从而影响热舒适性的环境因素主要是温度、湿度、气流速度和辐射换热量[2]。

参照 《GB 50189—2005公共建筑节能设计标准》，天津西站候车大厅空调系统需满足的工作区设计温度为 26～28℃，相对湿度为 50%～70%[3]。

在此技术需求的条件下，空调设计中需要解决2个主要问题：第一是如何优化送风参数以满足高大空间工作区的温湿度需求；第二是如何合理选择玻璃幕太阳能透射率以满足夏季舒适度的需求。本文从以下两方面进行计算分析。

1）以理论送风温度和送风量为基础，利用CFD数值模拟软件计算站房拱形穹顶玻璃幕在不同太阳能透射率下，室内温度场、相对湿度场和速度场随着送风速度和送风温度变化产生的变化，确定出满足室内温湿度要求所需的送风速度和送风温度。

2）对于筛选出的满足室内设计温湿度要求的玻璃幕太阳能透射率、送风温度和送风速度的组合，进行热舒适分析，最终确定出既满足室内温湿度要求，又满足人体舒适需求的空调送风方式及允许的玻璃幕太阳能透射率。

2.2 候车室空调系统设置形式

高架候车厅采用全空气分层空调系统，并结合地板辐射供冷进行室内温湿度控制。中央区域结合进站楼梯口，在顶部四周设置鼓型喷口，在底部设置集中回风口，在两侧商业夹层吊顶内设置球形喷口，风口布置见图2。

2.3 候车室气流组织模拟

2.3.1 物理模型

计算选取包含2个下站楼梯且具有代表性的区域，地面尺寸为：长×宽=43 m×57 m，具体物理模型见图3-1,3-2，风口具体尺寸见表1。

表1 各风口参数表

2.3.2 数学模型

空调送风需要承担候车大厅太阳辐射形成的冷负荷、围护结构传热形成的冷负荷、人员散热形成的冷负荷、设备散热形成的冷负荷，以及人体散湿形成的湿负荷。

根据连续性方程、动量方程、能量方程和质量组分方程，利用紊流RNG K-ε模型对方程组封闭求解。边界条件的设定如下。

2.3.2.1 太阳辐射

根据气象数据，天津地区的大气透明度等级为5级，6月至9月太阳总辐射强度在875 W/m2以上的小时数为39 h（见表2），可满足50 h以内的不保证率[4]，因此将此辐射强度作为计算依据。

表2 天津地区6月至9月太阳总辐射强度统计表

2.3.2.2 人员散热与散湿

静坐的人显热散热为62 W/人，站着的人显热散热为58 W/人。

候车大厅的人员散湿情况如下：静坐的人散湿量为61 g/h，轻度劳动时散湿量为184 g/h。

候车大厅人员密度为0.3人/m2，其中车站内有一部分人站着候车属于轻度劳动，人数取为118人；另一部分人由于等候时间较长，坐着候车属于静坐，按照座椅满座来计算坐着候车的人数，为618人。

2.3.2.3 照明与设备

照明功率为10 W/m2，白天不考虑照明；设备功率为 15 W/m2。

2.3.2.4 围护结构参数

屋顶玻璃传热系数 2 W/(m2·K)，屋顶钢结构部分传热系数 0.5 W/(m2·K)，屋顶钢结构部分吸收率0.6，地面传热系数 0.5 W/(m2·K)。

2.3.3 模拟计算结果

2.3.3.1 太阳能透射率影响模拟计算

在不开启地板辐射供冷的前提下，针对不同的玻璃屋顶太阳能透射率，为满足室内温湿度设计要求所需的送风参数及其对应工况下室内温湿度及速度模拟结果详见表3。

表3 各工况数值模拟计算结果

2.3.3.2 地板辐射供冷对室内温湿度的影响

从表3可以看出，太阳能透射率对空调能耗的影响非常大。因此，在满足建筑美观的前提下，为减少夏季空调能耗，与建筑工程师共同确定天津西站玻璃穹顶的太阳能透射率为0.1。经理论计算，送风温度取16℃，侧面送风口为6 m/s,楼梯送风口为8.5 m/s。在此基础上，针对不同地板辐射供冷能力对室内温湿度的影响进行了模拟计算，结果见表4，工况3即为天津西站高架候车室空调系统最终设计工况。

表4 各工况数值模拟计算结果

2.3.3.3 设计工况下模拟结果及分析

本文只列出最终设计工况下的模拟图片，见图4—图9。从图中可以看出，1.1 m高度的温度分布基本均匀，总体看温度在23～26℃之间，平均温度为25.1℃。相对湿度总体在40%～60%之间，平均相对湿度为52%。大部分区域风速在0.6 m/s以下，平均风速为0.42 m/s，地面温度约22℃。

从模拟结果看，候车室温湿度满足舒适性空气调节室内计算参数温度要求22~28℃,相对湿度要求40%~65%[6],但风速超过规范要求的0.3 m/s。同时由于太阳辐射的存在，会增加人体的吸热，导致人体蓄热量增加，从而体温升高，导致人体的热不舒适性[7]。需针对该室内热环境进行人体热舒适性的计算分析，以确定合理的室内和维护结构设计参数。

2.4 人体热舒适性计算分析

2.4.1 PMV-PPD理论分析

本文采用丹麦Fanger教授提出PMV-PPD作为人体热舒适性的评价标准，在假定人体处于热平衡状态、人体具有最佳的排汗率的前提下，综合考虑了人体代谢率、室内温度、人体周围水蒸气分压力、房间平均辐射温度、衣服热阻和空气流速等6个影响人体热舒适性的变量[8]。由于该研究理论没有涉及太阳辐射，依据其计算原理，对计算公式进行调整，将太阳辐射纳入到计算公式中，建立了如下人体热舒适计算方程：

式中：M为人体能量代谢率，决定于人体的活动量大小，W/m2；W 为人体所做的机械功，W/m2；hc为对流换热系数，W/(m2·K)；tcl为衣服外表面温度，℃；ta为人体周围空气温度，℃；fcl为服装的面积系数，为人体着装后的实际外表面积与人体裸身表面积之比；R1为人体与周围壁面的长波辐射换热量；R2为人体对太阳辐射的吸收热；Pa为人体周围水蒸气分压力，kPa。

当PMV=0时，人体感觉适中，约5%的人感觉不满意；当PMV=1时，人体感觉微暖，有27%的人感觉不满意；当PMV=2时，人体感觉暖和，约80%的人感觉不满意。

2.4.2 计算结果

对于处于站姿的人，在玻璃太阳能透射率为0.1时，3个计算工况的舒适度理论计算值见表5。表中数据显示：对于开启地板辐射供冷系统的工况2和工况3，处于站姿的人，均可以达到较好的舒适度条件。

表5 站姿条件下的舒适度理论计算结果

3 结论与建议

通过对天津西站玻璃穹顶高大空间室内热环境CFD模拟和人体热舒适性研究分析得出，在选择合理的屋顶玻璃遮阳系数的前提下，采用地板辐射供冷以及提高室内人员活动区平均风速的方式，可实现该特殊高大空间下人体比较适中的热舒适性，并得出以下几点建议，供同类项目设计参考。

1）在类似玻璃穹顶高大空间或存在较大面积玻璃屋顶的空间，建议室内设计温度为26℃，相对湿度低于55%。

2）在采用地板辐射供暖且存在太阳辐射的高大空间，采用地板辐射供冷是解决人体热舒适性的有效方法之一。

3） 在太阳辐射下，适当提高室内风速标准，增加人体散热能力，可抵消部分太阳辐射对人体热舒适性影响，不会对人体造成冷风感觉。

4）在以上三个条件下，在华北地区或等同日辐射强度地区，玻璃屋顶太阳能透射率宜小于10%，遮阳系数宜小于等于0.25。

[1]韩志伟.新型铁路客站设计建设的实践与探索[J].铁道经济研究,2007,(6):23-30

[2]徐晓林，李百战.室内热环境对人体热舒性的影响[J].重庆大学学报,2005,28(4):103

[3]中国建筑科学研究院，中国建筑业协会建筑节能专业委员会.GB50189-2005公共建筑节能设计标准[S],北京:中国建筑工业出版社,2005

[4]中国气象局气象信息中心气象资料室,清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京:中国建筑工业出版社,2005

[5]赵奕，于世平，等.铁路客站采暖空调技术综合利用及关键技术研究[R].2011

[6]中国有色工程设计研究总院.GB50019-2003采暖通风与空气调节设计规范[S].北京:中国计划出版社,2004

[7]邹志胜，等.天津站新型节能空调系统的设计与应用[J].暖通空调,2010,40(5):32-35

[8]P.O.Fanger.Thermal Comfort[M].1972