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华中科技大学硕士学位论文候车厅大空间气流组织模拟研究姓名：刘显晨申请学位级别：硕士专业：供热、供燃气、通风及空调工程指导教师：徐玉党2011-01-18 I华中科技大学硕士学位论文摘要在当今的中国，城镇化速度正在逐步加快，与之伴随产生的城镇配套设施也随之建设步伐加快，而火车站作为一个城市的标志，其功能也已经远远超越了售票以及为旅客提供候车场所的范围。伴随着国家对城镇基础设施的投入加大，以及高速铁路的兴起，昀近几年大型火车站如雨后春笋般在中国的各大城市进行建设。然而，在人们对火车站的建筑结构进行关注的同时，火车站候车厅的热环境却没有得到相应的重视。随着人们生活水平的提高，旅客对火车站候车厅的热舒适性的要求也越来越高，而作为候车厅的空调系统，则是直接影响候车厅热舒适性的，因此能否设计一套即能满足人体热舒适性的需要又能达到节能目的的空调系统，成为了人们关注的焦点。本文以西安北站候车厅为例，利用CFD技术建立了计算模型，对候车厅的负荷进行了动态模拟，并对不同气流组织形式进行了模拟研究。通过模拟得出合理的气流组织形式，为设计提供了较为可靠的理论参考。本文首先利用能耗模拟软件DeST对整个候车厅的能耗进行了动态模拟，通过模拟计算出了候车厅的冬季和夏季能耗，为进一步进行CFD模拟奠定了基础。在进行了负荷模拟后，利用现今暖通专业应用较为普遍的CFD模拟软件Airpak对候车厅进行建模，并选择不同的气流组织方式分别进行模拟计算，主要的计算方案为定风量，变风量以及改变新风量。通过对不同工况的模拟计算，得出了变新风量的气流组织形式对于该候车厅而言即能满足热舒适性要求，又能达到节能的目的，是一个较为理想的空调系统设计方案。本文通过计算模拟，为设计提供了较为可靠的理论依据，除次之外，还表明利用CFD技术进行数值模拟计算，可以花费较低的成本以及较少的时间对空调系统的方案进行前期的模拟，进而达到预测的效果。关键词：候车厅气流组织模拟计算Airpak II华中科技大学硕士学位论文AbstractIntoday'sChina,urbanizationrateisveryfast,theconstructionofurbanwillbebuiltmore.Therailwaystationasasignofacity,itsfunctionhasbeenwellbeyondtheticketingandprovidingtravelersaplacetohavearest.Withtheimprovementofpeople'slivingstandard,peoplepaymoreattentiontothethermalcomfortofthestation.Andtheairconditioningsysteminfluencesthethermalcomfortofstationdirectly.Soifwecandesignaairconditioningsystemwhichcansatisfytheneedofhumanthermalcomfortandenergy-savingpurposehasbecomethefocusthatpeoplepayattentionto.Inthispaperatrainstationisusedasanexample.AndCFDtechnologyisusedtosetupamodel.Firstthethermalloadofthestationissimulatedandthendifferentairfloworganizationformsaresimulated.Thesimulationresultisprovidedfordesignersasreliabletheoreticalreference.Firstly,usingtheenergyconsumptionsoftwareDeSTtosimulatethewinterandsummerdynamicenergyofthestation.TheresultwillbeusedforfurtherCFDsimulation.AirpakwhichiswidelyusedCFDsoftwareisusedtosetupthemodelandsimulatedifferentwayofairfloworganization.Themainplanincludesordinaryairconditioningsystem、VAVsystemandthesystemwhichcanchangethefreshair.Throughthesimulationcalculationofdifferentcondition,thesystemwhichcanchangethefreshairisthebestsystemforthetrainstation.Thethermalcomfortrequirementandthepurposeofenergy-savingcanbesatisfied.FurthermoretheresultobtainedinthisthesisalsoindicatethatusingCFDtechnologycanuselesstimeandcosttosimulatetheairconditioningsystem.SoCFDtechnologycanpredicttheresultsfordesigners.Keywords：StationwaitingroomAirdistributionSimulationcalculationAirpak 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日本论文属于 1华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1研究背景随着经济的发展以及人们生活水平的提高，人们出行的频率越来越高，作为出行选择的主要交通工具——火车的需求也越来越大，与之相对应对火车站的要求也越来越高。火车站除了作为旅客的集散地以为，还经常被作为一个城市的标志性建筑，因此火车站的建筑外观一直备受关注。然而，其内部如空调系统等配套设施，则很少受到广泛关注。随着人民生活水平的提高，旅客对火车站内部的舒适性的要求也随之提高，因此火车站内部空调系统能否满足人们对热舒适性的要求就显得尤为重要。在中国人口数量大，人员流动性大，尤其是在春运期间，学生流、民工流汇集在一起，导致大量人员在火车站聚集，火车站内部人口密度大，室内空气品质以及热舒适性无法保障，甚至为疾病的传播埋下了隐患。因此，如何使火车站内部空调系统能够满足人体热舒适性以及卫生要求成为亟待解决的问题，这一方面也成为很多暖通人士关心的热点问题。火车站候车厅是典型的大空间建筑，其空调系统的气流组织方式以及室内的热舒适性一直是研究的热点，而随着能源问题的日益严重，节能问题也成为研究的热点，空调系统是在高大空间建筑的主要耗能环节，因此如何在满足室内热舒适性和卫生条件的前提下降低空调系统的能耗变成了热点中的热点。本文以某火车站候车厅为例，采用CFD技术研究不同空调方案对室内热舒适性和卫生条件的影响。希望本文能够对实际工程的方案选择起到指导作用。1.2CFD技术在大空间分层空调中应用的意义早在上世纪六七十年代，大空间空调技术就被美国的科研工作者提出，而后日本和中国也相继提出了大空间空调技术的概念[1]。目前，大空间空调技术的研究方法主要有以下三种[2]： 2华中科技大学硕士学位论文（1）根据相似理论进行模拟实验；（2）采用简易能量平衡模型进行研究；（3）利用微分方程进行数值求解。CFD技术就是利用微分方程进行数值求解的方法之一[3]。CFD技术在暖通行业的应用主要集中在基础研究和应用研究两个方面。在基础研究方面主要体现在边界条件的确定以及热传导等导热现象的研究上，在这些领域通过采用CFD技术可以将抽象、复杂的问题简单、直观化。而在应用研究方面，CFD技术主要体现在对系统的模拟上，主要是对室内的温度场、速读场进行求解，进而求出室内的PMV以及PPD等相关的热舒适性参数，为工程实践中方案的选择与确定提供强有力的理论支持。在暖通空调行业中采用CFD技术作为辅助手段有以下优点：（1）具有预见性。在空调系统设计过程中，采用CFD技术可以直观的对设计方案进行模拟，可以在空调系统未安装运行的前提下了解系统是否能够满足设计需求，这样可以昀大程度上避免不合理的设计。（2）成本低。采用CFD技术只需要计算机便能对设计方案进行模拟计算，而不需要其他设备设施。与实际测量和实物模型相比，计算机模拟计算的成本可以低几个数量级。（3）速度快。采用计算机进行模拟计算，可以在短时间内完成对研究对象的模拟，并可以改变不同的边界条件对不同的工况进行模拟，从而选出昀好的方案。（4）可重复性强。对于某一特定的空调方案，当边界条件发生变化时，采用CFD技术不需要进行较大的修改就可以完成对更改后方案的模拟。虽然CFD技术在暖通空调领域中的应用具有以上一些优点，但我们必须看到CFD技术本身仍然存在着一些不足，比如单纯的理论计算是建立在数学模型的基础上的，在建模过程中的简化会直接影响到计算的结果，另外CFD技术的模拟结果与实际工程中的情况吻合情况也有待进一步论证。1.3大空间分层空调以及CFD技术研究现状1.3.1大空间分层空调技术研究现状大空间空调技术在国外已经有四十多年的研究历史。在20世纪60年代初，美 3华中科技大学硕士学位论文国的一家铸造厂就在其厂房中应用了大空间空调技术并取得了良好的效果。在1968年前苏联的格林维尔燃气轮机厂、维尔明顿反应堆燃料加工厂和什里夫波特变配电所也应用了大空间空调技术[4]。在此之后1979年美国堪萨斯大学L.Gorton和D.Ball分别进行了分层空调负荷和气流组织的研究，用简易数学模型进行了解析。[5-6]1974年日本学者小林满等通过对比试验，使某一高大空间内部的温度精确到正负1k，冷负荷节约38%。日本学者宫川保之等通过对模型的实验研究从理论上得出了分层空调的冷负荷计算方法[7]。国内对大空间空调的研究与应用是从上世纪七十年代开始的，上世纪七十年代参考国外经验对一些厂房设计了大空间分层空调系统。八十年代，通过对空调系统的实测，得出大空间分层空调的节能效果，如1983年建成的二江水电站主厂房发电机房通过采用分层空调技术可以实现节能32%[8]。从九十年代开始，分层空调技术开始逐步应用在候机楼，火车站候车厅以及体育馆这类高大空间中，并取得了很好的效果[9-10]。1990年湖南大学汤广发教授首次对分层空调进行了数值模拟，1998年哈尔滨建筑大学的满孝新教授对高大空间分层空调的洁净指标进行了模拟研究，并为工程实践提供了理论参考[11]。进入到二十一世纪，针对大空间分层空调的研究有了进一步发展，在国内CFD模拟技术得到了广泛的应用。1.3.2CFD技术研究现状CFD技术从上世纪六十年代开始应用到暖通空调领域，在二十世纪七十年代丹麦的P.V.Nielsen将CFD技术应用于空调工程领域[12]，对室内的气流组织进行模拟，并将计算结果所得的数据与实验数据进行对比，验证数值计算的结果是可信的。从此之后，