地下车库自然通风数值模拟分析研究---以四川阆中某车库工程为例

阎奕岑,戴辉自,秦砚瑶

(中煤科工集团重庆设计研究院有限公司绿色建筑技术中心,重庆400016)

地下车库自然通风数值模拟分析研究
---以四川阆中某车库工程为例

阎奕岑,戴辉自,秦砚瑶

(中煤科工集团重庆设计研究院有限公司绿色建筑技术中心,重庆400016)

该文以四川阆中某车库工程为对象,通过在车库顶部设置自然通风口的方式解决车库自然通风和采光问题,借助Airpak数值模拟技术对比分析设置机械通风系统和自然通风口两种工况下过渡季节车库的气流分布、温度分布和CO浓度场,说明车库采用自然通风口解决车库通风问题在实际工程中的可行性.

地下车库;自然通风;模拟分析;车库工程

0 引言

随着我国城镇化进程的推进,有限的土地资源与日益突出的土地需求增长之间的矛盾日益凸显,合理开发利用地下空间是解决这项问题的主要措施,也是我国发展绿色建筑所提倡的节约集约利用土地的重要途径,而民用建筑通常集中地将地下空间作为车库和设备用房.国家统计局的数据显示,2011年至2015年近五年来汽车占机动车比率从47.06%提高到61.82%.地下车库密闭程度高、跨度大,容易导致污染物堆积,这对合理设置通风系统提出了较高要求.

1 车库通风需求

地下车库的主要污染物包括一氧化(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)和固体颗粒物等,CO与人体内血红蛋白结合造成缺氧,严重时还会导致大脑缺氧和水肿.地下车库通风的目的是把汽车进出车库的尾气污染物浓度稀释到允许的范围内,保证室内的热舒适性和空气质量.另一方面部分经营者为了控制成本通常不开启车库内的排风系统,造成车库内污染物的堆积和空气品质的恶化.在土建条件允许的情况下通过增设一定面积的自然通风口,不仅能满足地下车库换气次数和自然排烟的要求,保证室内CO浓度不超标,还能节约设备能耗.

1.1 标准要求

世界卫生组织(WHO)规定,车库内15min CO为87x10-7,60min为25X10-6,8h为9X10-6,我国《工业企业设计卫生标准》GBZI-2010允许车间内CO最高质量浓度为30mg /m3,体积浓度24X10-6),同时规定作业时间在60min以内时的容许值为50mg/m3(40X10-6)、30min的容许值为100mg/m3(80X10-6)、10~20min的容许值为200mg/m3(160X 10-6).世界各国对地下车库中CO体积分数及通风量有不同的要求,本次研究指标选择我国《工业企业设计卫生标准》中的要求.

1.2 通风措施

汽车在小于5 km/h的冷启动与怠速行驶过程中是污染物集中释放到车库的两个阶段,在怠速状态(进入车库)下各类污染物排放量较大[1],车库通风主要依靠传统风管加风口的机械通风等手段,常见的设计有全部上部排风;上排1/2,下排1/2上排1/3,下排2/3三种方式.20世纪90年代诱导通风技术在一些发达国家开始得到广泛应用,从最初的风管型喷嘴诱导通风系统到无风管诱导通风系统都在我国逐渐开始应用,但这项技术进入中国时间较短,在国内缺乏相应的理论,前期对流场及点位布置分析要求较高,成本也相对较高,目前我国应用得最多的还是传统的机械通风方式.

为防止地下停车库有害气体的溢出,要求车库内保持一定的负压.由此,地下停车库的送风量要小于排风量.根据经验公式,一般送风量取排风量的85%~95%.另外的5%~15%补风由门窗间隙和车道渗入.不同国家地下车库通风量的确定有不同的方法,使用得最多的有换气次数法、单位面积换气量指标法、稀释浓度法,笔者此次采用《民用建筑采暖通风设计技术措施》4.26中规定的一般排风量不小于6次/h,送风量不小于5次/h的计算方法.

2 车库自然通风案例

2.1 工程实例

该车库位于四川省阆中市七里新区,建筑面积30360.50m2,层高4.5m,项目效果图及车库平面图如图1、图2所示.项目地上部分土建条件较好,初步设计阶段考虑以自然通风口的形式代替机械排风系统解决内部排风、污染物排出以及采光问题,由于车库体量巨大,为了减少数值模拟过程中计算机运行时间本次研究选择其中一个长53.4m,宽36.4m,高4.5m的近2000m2的防烟分区进行研究.图3显示了研究对象的自然通风开口位置,虚线部分表示了车道的位置.

图1 项目效果图

图2 车库平面图

图3 自然通风开口示意图

2.2 通风模拟方法

Airpak是当前国际上比较流行的应用于HVAC领域的商用CFD软件,能够准确地模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题,并依照ISO7730标准提供舒适度、PMV、PPD等衡量室内空气质量(IAQ)的技术指标.广泛、成熟地应用于HVAC中的气流组织设计和分析[2].

2.3 数值模拟分析

2.3.1 物理模型简化假设

地下车库内空气流场实际上属于三维稳态紊流流动,为了准确分析模型效果,本次研究对计算模型进行相应简化如下:

(1)车库内气体视为理想气体,满足理想气体状态方程.

(2)车库内气体流动为三维稳态流动.

(3)不考虑送排风温差,车库内除CO外无其他热源.

(4)与车库接触的四面围护结构绝热.

(5)将CO的释放等效为体积污染源,且认为其发生率为恒定.

(6)车库中初始状态CO浓度、送排风中CO浓度近似为大气中CO的浓度3mg/m3.

(7)1.5~2m的速度场和浓度场分布相似,选择1.5m高的平面分析代替整个呼吸区[3].

2.3.2 物理模型

目前我国没有相关标准规定车库CO污染物释放量、分布规则及散发规律,借鉴相关文献为了模拟在汽车怠速运行时CO在空间的分布,总共选取10个体积为0.7mX0.7mX0.4 m的CO污染源均匀分布在车道上,车库初始CO浓度及机械送风热流强度为1.83kW,单个CO释放量为0.605kg/h.关于车库CO释放指标目前世界上没有相关的标准,本研究采用引用文献中提供的实测结果作为模拟分析的依据[3,4].

图4 车库机械通风平面图

图5车库自然通风平面图

图4 为该车库模型通风平面图,由设计资料计算得到排风量34988m3,排风速度为5.29m/s,本次研究模型与右侧防烟分区连接处为自然进风口进行均匀送风,其他面均无漏风处;基于质量守恒定律,补风量设计为与排风量一致.自然排风选用2个5mX5m的开口如图5所示,同时两个均匀分布的自然排风口总面积满足不小于室内地面面积2%的规范要求(《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》GB50067-2014).选择重庆地区过渡季为此次模拟工况,对比分析车库机械送排风系统与自然通风口两种工况下车库内温度分布、气流组织及污染物排出情况,通过数据及图像分析进一步说明采用自然通风口代替机械排风系统在工程中是可以实现应用的.

2.3.3 方法及边界确定

研究选用模型,计算成本相较LES模型成本低,预测准确;墙面和近地面的粘性边界层中流动和换热的计算采用工程上常用的壁面函数法.机械通风系统中排风和补风的压力边界默认为大气压,补风中CO浓度为空气中正常值,默认温度为室温25℃;自然通风口压力边界默认为大气压,此次计算采用压力-速度修正算法(simple算法),使用亚松弛因子迭代次数不少于500次.

2.4 结果讨论

本次研究主要对机械系统通风和自然通风效果,速度分布以及污染物释放后CO浓度粒子运动轨迹进行模拟研究,并对呼吸区域内的各个剖面cut图进行分析.模拟结果如下所示.

图6 车库各截面温度分布示意图(机械系统)

图7自然通风车库各截面温度分布示意图(自然通风)

图6 和图7为过渡季节车库内机械排风条件下及自然通风条件下车库内x、y、z法向三个平面的温度分布情况,机械系统下1.5m高的活动区温度约为28.5~30.0℃,剖面最高顶部温度可以达到29.8℃;自然通风条件下温度在29.9~30.3℃左右,靠近开口部分温度相对较其他区域低1℃左右,自然通风较机械系统温差最高达到1.5℃左右,平面和立面温度的整体变化范围相较机械通风平缓.整体来说两种工况下温度差别不大.

图8 车库各截面速度分布矢量图(机械系统)

图9 X-Y平面通风口处速度分布云图(自然通风)

图7和图8为两种工况下车库XY剖面速度分布情况,X-Y平面通风口处速度分布云图显示机械系统下车库内速度分布较均匀,风速分布在0.25~0.55 m/s之间,平均风速在0.4m/s左右,通风效果较好,室内风场较均匀,自然通风开口条件下车库内速度分布分区较为明显,x方向阶梯性分布较强,舒适度较低,车库内风速分布在0.2~0.6 m/s之间;由风压形成的卷吸在开口处最大风速接近2 m/s,对比分析得出车库内采用机械系统通风时气流组织更有规律,风场分布更均匀.

图10 X-Y平面通风口处速度分布矢量图(机械通风)

图11 X-Y平面通风口处速度分布矢量图(自然通风)

图10 和图11分别为X-Y平面风速矢量图,机械通风工况下气流由两边流向排风管,在风机作用下形成环流,速度在0.38 m/s左右,有利于带动室内大部分污染物的排出;自然通风情况下车库内远离通风口的主气流虽然可以呈现环流趋势,但主车道污染物上部区域出现气流滞留回旋现象,速度为0.1 m/s,不太利于这部分污染物的排除.

图12 10min内CO运动轨迹及浓度场示意图(kg/m3)

图13 10min内CO运动轨迹及浓度场示意图(kg/m3)(自然通风)

图13 显示了自然通风情况下车库内CO运动轨迹及浓度值,该模拟结果显示自然通风情况下可以稀释车库内CO, 10min之内CO浓度值小于150 mg/m3,呼吸区浓度在110 mg/m3左右,污染源处最高达到150 mg/m3,远离自然通风口的左侧区域有较大区域的CO积聚,但都满足标准低于200 mg/m3要求.本次模拟工况下的各指标对比如下表1所示.

表1 机械通风与自然通风效果对比

3 结论

通过模拟计算对比分析表明该车库在满足换气次数要求的前提下,通过开启一定程度的顶棚天窗(满足2%开口面积的自然排烟要求),依靠室内外风压作用的自然通风,基本保证室内CO浓度满足标准要求,节省运行能耗(若对车库内空气品质有更高要求可以预留机械排风口及电缆),可以在工程上投入使用.

[1]葛凤华,刘巽俊,王月志.地下停车库的自然通风[J].暖通空调,2006(08):97-99.

[2]梁庆庆,张伟伟,夏麟.保障性住宅地下车库自然通风技术探讨[J].建筑热能通风空调,2013(4):65-68.

[3]李茜.地下车库无风管诱导通风系统数值模拟研究[D].成都:西南交通大学,2005.

[4]蔡浩,朱培根,谭洪卫.地下车库诱导通风系统的数值模拟与优化[J].流体机械,2004(12):27-30.

责任编辑:孙苏,李红

Research on Numerical Simulation of Natural Ventilation for Underground Parking Garage

The underground garage of Redbud City project in Sichuan was selected as the study object.By setting natural vents on top of the garage,the issue of natural ventilation is solved.Airpak numerical-simulation technique has been used to analyze air distribution,temperature distribution and CO concentration distributionof the garage under the condition of mechanical ventilation system and natural vents system in transient season.This study shows that it's feasible to solve the problem of ventilation in practical engineering through natural ventilation vents.

underground garage;natural ventilation;simulation analysis;garage engineering

TU972+.9

:A

:1671-9107(2017)01-0024-04

基金论文:中煤科工集团重庆设计研究院有限公司课题"民用建筑地下车库自然通风采光一体化研究与应用"资助项目;煤炭科学研究总院重庆建筑技术研究分院"绿色建筑室内自然采光改善技术及产业化应用研究"(2015ZYJ011)资助项目.

10.3969/j.issn.1671-9107.2017.01.024

2016-10-13

秦砚瑶(1982-),女,重庆人,硕士,工程师,主要从事绿色建筑技术研究.

阎奕岑(1990-),女,重庆人,研究生,工程师,主要从事绿色建筑技术研究.