铁路客运站房冬季复合气流供暖的数值模拟研究

刘跃登 张济辞 张涂静娃 毕海权 雷 波 余 涛

（1.西南交通大学机械工程学院 成都 610031；2.中铁二院工程集团有限责任公司 成都 610031）

0 引言

目前在大空间建筑空调设计中广泛采用的空调技术是分层空调，与全室空调相比，分层空调在夏季空调供冷期可节省近30%的冷量，但在冬季供暖时，受浮升力影响容易出现“热气上浮，冷气下坠”现象。空调热风未能送到人员活动区就已上浮到上部非空调区，不仅难以满足室内舒适性要求，而且造成巨大的能源浪费[1]。目前学者们对改善分层空调供暖效果的研究主要集中在调整送风参数[2,3]和采用“地板辐射+喷口送风”的复合采暖方式[1,4-6]对流场、温度场和节能效果的影响，但研究结果表明仅调整送风参数并不能很好地达到热舒适和节能的平衡，而采用地板辐射供暖则有造价高、热惰性大、预热慢和安装困难等问题，因而在铁路客运站的实用性受到限制。考虑到喷口送风热气流的上浮现象严重，本文提出利用与室内等温的射流压制送风气流上浮的复合气流送风方案，并采用数值模拟的方法分析典型铁路客运站候车厅采用复合气流送风方案的热舒适性和节能性，为该方案在工程上的应用给予指导。

1 复合气流送风方案

传统的分层空调系统常采用单一气流送风方案进行供暖，送风气流易受浮升力影响而严重上浮。为了抑制送风气流上浮，本文提出复合气流送风方案，即在原有的热风供暖喷口上侧使用复合气流装置，该装置以喷口送风的方式将从上部非空调区回收的空气送出，以达到压制送风气流的作用，使送风气流能送至人员活动区，热量得以有效利用。不同送风方案的示意图如图1所示。

图1 不同送风方案示意图Fig.1 Schematic diagram of different air supply schemes

2 复合气流方案气流组织的评价方法

气流组织的好坏，不仅直接影响室内的空调效果，而且也影响空调系统的能耗量[7]。本文主要从舒适性和节能性两个方面对复合气流方案气流组织效果进行评价。

2.1 舒适性评价

空气温度是影响热舒适的主要因素，它直接影响人体通过对流的显热交换，而气流速度对人体体温调节也有着重要作用，空气的流动速度过大可能导致有吹风感[8]。本文定义外墙以内1m、垂直方向上地面至1.8m 的区域为人员活动区[9]，采用平均温度和平均速度评价人员活动区的舒适性，并结合《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[10]规定人员活动区的平均温度达到18℃时满足温度舒适性要求。

2.2 节能性评价

考虑到实际工程应用中，复合气流送风方案在降低采暖供热量的同时也增加了风机的运行能耗，故本文引入实际节能率λ分析该方案的节能效果。

实际节能率λ[11]：将采用复合气流送风方案后降低的采暖供热量等效为提供同等的热量热泵所需能耗，减去控制气流风机的运行能耗，对比单一气流送风时的采暖热泵能耗得到实际节能率，计算公式见（1）～（4）。

式中，W1和W1p分别为单一气流送风方案下的采暖供热量和热泵采暖能耗，kW；W2和W2p分别为复合气流送风方案下的采暖供热量和热泵采暖能耗，kW；ε为热泵采暖平均能效比；Wfan为风机功率，kW；L为风机的风量，m3/s；P为风机的全压，kPa；η为风机的运行效率。

3 数值计算模型

为研究复合气流送风方案的具体效果，本文采用CFD 数值模拟的方法，建立了典型铁路客运站候车厅模型，对复合气流送风方案的热舒适性和节能性进行了分析。

3.1 几何模型

本文以中小型车站的候车厅为计算对象[11]，长宽高分别为100m、40m、16m。考虑对称性，取其1/4 进行建模，长50m、宽20m、高16m，忽略喷口及回风口与同侧墙壁之间的间隔，典型铁路客运站候车厅简化模型如图2所示。

图2 典型铁路客运站候车厅简化模型Fig.2 Simplified model of waiting hall of typical railway station

3.2 边界条件

数值计算中，边界条件的设定关系到计算结果的准确性[7]。本文以拉萨气候参数作为计算条件，并采用《实用供热空调设计手册》[12]的计算方法，计算得到典型铁路客运站热负荷为84.33kW，其中外墙及屋顶的热流密度分别为-31.23W/m2和-8.94W/m2，将人员散热及照明负荷、设备负荷等简化地均匀加在地面上，地面的热流密度为35.32W/m2。出口边界设置为自由出流边界。入口边界设为速度进口，其中将渗透风入口简化为进站口，进风速度和温度分别为0.18m/s 和-7.6℃，送风喷口的具体送风参数如表1 和表2所示。

3.3 气流组织方案

针对典型铁路客运站单一气流送风方案进行气流组织设计计算，具体参数见表1，单一气流送风方案记为工况1。

表1 单一气流设计参数Table 1 Design parameters of single airflow

通过对工况1 的模拟计算，得到了送风气流喷口上部的空气温度约为20℃。保证送风气流的送风参数不变，在送风气流喷口上部1m 处设置等大小的控制气流送风喷口，控制气流送风温度设为20℃，送风速度为6m/s，送风角度为15°，以此作为复合气流送风方案的基础工况，记为工况2。

考虑到复合气流送风效果受到很多因素的影响，故在下一节对两种送风方案模拟结果进行分析的同时，研究复合气流送风方案下，控制气流送风速度、送风角度和喷口尺寸等三个方面对气流组织的影响，具体控制气流参数如表2所示。

表2 控制气流参数Table 2 Parameters of control airflow

4 模拟结果及分析

经过模拟计算得到了各工况在典型铁路客运站的气流组织状况，通过对比分析进一步得到复合气流送风效果及影响因素的相关结论。

4.1 两种送风方案的效果对比

不同送风方案下Z=25m 剖面的温度分布如图3所示。

图3 不同送风方案下Z=25m 剖面的温度分布Fig.3 Temperature distribution of Z=25m under different air supply schemes

结合不同送风方案下垂直方向的温度分层情况（见图4），单一气流送风方案下人员活动区的平均温度为16℃，不满足活动区温度达18℃的设计要求。采用复合气流送风方案能够减弱送风气流的上浮，送风气流的热量得以有效利用，人员活动区的温度显著增加，平均温度达18.3℃，满足设计要求的同时有效降低了上部非空调区的温度，大空间的温度分层现象得到缓解。

图4 不同送风方案下垂直方向的温度分层Fig.4 Vertical temperature stratification under different air supply schemes

对于单一气流送风方案，调整送风温度为28℃、送风速度为8m/s 方可满足人员活动区温度达到18℃的设计要求，但相比复合气流送风方案需要增加30.8kW 的热量。热泵采暖平均能效比ε按2.5 计算[13]，控制气流风机全压为258Pa，风量为7.36m3/s，运行效率η取72%，根据公式（1）～公式（4）可得到复合气流送风方案的节能率λ达到22.8%，节能效果显著。

为更直观的对比射流的运行轨迹，做出不同工况在Z=25m 处的射流轴心轨迹，如图5所示。单一气流送风方案下送风气流自喷口射出后很快达到最大落差，采用复合气流送风方案后，送风气流受到控制气流的压制，送风落差和送风射程显著增大，射流得以更接近人员活动区进行热量交换。

图5 不同送风方案下Z=25m 剖面的射流轴心轨迹Fig.5 Trajectory of jet axis of Z=25m under different air supply schemes

4.2 复合气流送风效果的影响因素分析

复合气流送风效果受到很多因素的影响，保证送风气流的送风参数不变，分别研究控制气流送风速度、送风角度和喷口尺寸等三个方面对人员活动区热环境的影响。

4.2.1 控制气流送风速度的影响

不同控制气流送风速度下的温度分层情况和射流轴心轨迹如图6 和图7所示。随着控制气流送风速度的增加，控制气流对送风气流的压制作用有所增强，具体表现在送风落差、送风射程的增加和垂直温差的减小。从人员活动区的热环境来看（见表3），除送风速度为4m/s 的工况外，其余两个工况的人员活动区平均温度均达到了18℃以上，当控制气流送风速度达到8m/s 时，人员活动区平均温度最高，但平均风速也高达0.48m/s，舒适性欠佳，而且送风速度过大还会导致风机能耗变高，不利于节能。

图6 不同控制气流送风速度下垂直方向的温度分层Fig.6 Vertical temperature stratification under different air supply speeds of control airflow

图7 不同控制气流送风速度下Z=25m 剖面的射流轴心轨迹Fig.7 Trajectory of jet axis of Z=25m under different air supply speeds of control airflow

表3 不同控制气流送风速度下人员活动区的热环境Table 3 Thermal environment of the occupied zone under different air supply speeds of control airflow

4.2.2 控制气流送风角度的影响

不同控制气流送风角度下的温度分层情况和射流轴心轨迹如图8 和图9所示。加大控制气流的送风角度可增加送风气流的送风落差，当送风角度增大到30°时，射流轴心的垂直高度降至1.6m，垂直温差也有明显降低，控制气流的压制作用显著。从人员活动区的热环境来看（见表4），随着控制气流送风角度的增加，人员活动区的平均温度提升不大，而平均速度大幅增加，过大的风速会造成强烈的“吹风感”，不利于人体热舒适。

图8 不同控制气流送风角度下垂直方向的温度分层Fig.8 Vertical temperature stratification under different air supply angles of control airflow

图9 不同控制气流送风角度下Z=25m 剖面的射流轴心轨迹Fig.9 Trajectory of jet axis of Z=25m under different air supply angles of control airflow

表4 不同控制气流送风角度下人员活动区的热环境Table 4 Thermal environment of the occupied zone under different air supply angles of control airflow

4.2.3 控制气流喷口尺寸的影响

不同控制气流喷口尺寸下的温度分层情况和射流轴心轨迹如图10 和图11所示。改变控制气流喷口尺寸对送风气流压制作用的影响不大，射流轴心的最大落差基本一致，但由于控制气流喷口的送风量随着直径的增大而增加，所以控制气流自喷口射出后沿程的卷吸量增大，与送风气流的混合作用加强，对比送风落差随着控制气流送风速度的增大而明显增加的结论，认为控制气流对送风气流的压制作用以动量压制为主，混合作用影响相对较小。

图10 不同控制气流喷口尺寸下垂直方向的温度分层Fig.10 Vertical temperature stratification under different nozzle sizes of control airflow

图11 不同控制气流喷口尺寸下Z=25m 剖面的射流轴心轨迹Fig.11 Trajectory of jet axis of Z=25m under different nozzle sizes of control airflow

不同控制气流喷口尺寸下人员活动区的热环境如表5所示。当控制气流喷口直径从0.2m 增至0.315m 时，人员活动区的平均温度从17.9℃提升至18.6℃，平均速度从0.28m/s 增至0.32m/s，增长较小，认为在一定范围内，改变控制气流的喷口尺寸对人员活动区热环境的影响不大。

表5 不同控制气流喷口尺寸下人员活动区的热环境Table 5 Thermal environment of the occupied zone under different nozzle sizes of control airflow

5 结论

本文通过数值模拟的方法，对典型铁路客运站候车厅采用复合气流供暖方案的效果进行了研究分析，结论如下：

（1）相比单一气流送风，复合气流送风方案可将人员活动区的平均温度从16℃提高至18.3℃，节能率可达到22.8%，具有更好的舒适性与节能性。

（2）在一定范围内，随着控制气流送风角度或送风速度的增加，控制气流对送风气流的压制作用越显著，但过大的送风角度或送风速度会导致人员活动区的风速过大，舒适性欠佳。

（3）在一定范围内，改变控制气流的喷口尺寸对送风气流压制作用和人员活动区热环境的影响不大，认为控制气流对送风气流的压制作用以动量压制为主，混合作用影响相对较小。