地下空间通风系统的优化

72FLUID MACHINERYVol. 43 ,No. 7 ,2015文章编号: 1005 -0329(2015)07 -0072 -05地下空间通风系统的优化高超,陈梅珊,吴伟亮(_ 上海交通大学，上海200240)摘要:由于车辆出人车库的频率时刻都在变化,车库内单位时间污染物释放量相应发生变化,针对不同工况采取相同的通风量显然是不合理的。过低的通风量将导致车库内空气品质不佳,过高的通风量将导致能源的浪费。本文以某车库为研究对象,进行数值模拟分析,探索通风系统的优化控制策略。关键词:空气污染;CFD模拟;C0浓度场;地下空间;中图分类号: TH43;X511文献标志码: Adoi:10. 3969/j. issn. 1005 -0329.2015.07.015Optimization of Air Flow Field in the Underground GarageGAO Chao , CHEN Mei- shan , WU WeiHiang( Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200240 ,China)Abstract: Because the frequency that cars enter the garage is changing，so it is unreasonable that applying the same ventilationquantity to different situations. Low ventilation quantity will cause bad air quality , however high ventilation quantity will causewaste of energy. Based on a real underground garage , discussing the optimization of flow field by simulation.Key words: air pollution; underground garage ;CO concentration field; CFD simulation1前言据研究表明:如果CO浓度指标达到要求，那么其他污染物浓度也一定会满足要求[3.41。所以在地为解决汽车保有量上升带来的停车紧张问下停车库通风量的计算与控制中，通常以C0浓题,大型商业建筑和居住小区等人口密集区都配度 为依据,因此本文将主要考察尾气中的CO。有地下车库,-般采用定风量运行的机械通风系根据相关文献[5],由于本车库位于人口密统来保证空气品质。由于汽车出人车库的数量是集区,需要考虑机械通风系统排出的污染物对周时刻变化的,车库内单位时间污染物发生量也是围环境的影响,本文CO污染物限值取为25x不断变化的,定风量运行的机械通风系统将造成10-°。 地下车库污染源物放量的计算采用经验公能源的浪费11。式法:本文针对某地下车库,利用数值模拟的方法G = mrqt对不同时段地下车库的污染物浓度场进行研究,式中G一地下空间CO总排放量,mg/s从而为通风系统的优化控制提供参考意见。m-地下停车场的车位数,辆r- - 汽车出人车库频率(1h内进出车辆2研究对象描述数与停车位之比)中国煤化工付间内C0排放量,mg/s2.1污染物浓度限值和释放量的确定1HCN MH G车场平均运行时间,s地下车库内汽车排放的污染物中主要含有一结合本文研究对象,停车库容纳车位数为氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物等有害物质(21。100 ;地下车库内空气污染物的排放情况是在不同收稿日期: 2014-12-23 修稿日期: 2015-01 -09基金项目: 863 基金项目(2012AA062703)2015年第43卷第7期流体机械73的时段内不断变化的,汽车出入车库频率峰值为换 ,围护结构绝热;1.4,平时为0.261 ;假定每辆车在车库内平均运(4)室内除汽车排放的废气外，无其它热源。行时间为90s;每辆汽车单位时间内CO排放量为由于汽车在车库内的运行主要出于怠速状态,根200mg/s!",据相关文献[8],尾气温度定义为400K;2.2物理模型(5)送排风口进出气流恒定;某地下车库长为90m,宽为80m,建筑面积(6)车库送风中的有害物浓度为大气污染浓7200m2 ,层高3. 6m,车库平面如图1所示。1个度限值， 取3.0mg/m'。新风管道位于远离进出口的上部,4个排风管道为简化问题,进行浓度场模拟计算时,忽略汽位于图1中部和下部,大致呈左右对称布置。车停放的随机性,将CO视为面污染源释放,认为污染物发生率恒定。2.4流体动 力学控制方程在计算中，车库内气体流动假设为定常、粘性不可压缩流动。需要研究空气流动的速度场、温度场、污染物浓度场情况,其流动过程要受物理守恒定律的支配，即:质量守恒定律、动量守恒定律能量守恒定律、组分质量守恒定律。为了便于对各控制方程进行分析,建立各基本控制方程的图1 车库平面示意该地下停车场采用风管式机械通风系统,风通用形式(9-15]:机型号为HTF-1No. 10,额定风量为45679m'/h。a( p中)+div (ρUφ) =div(Tgdφ) +S9τ送风机1台,排风机4台,即地下车库的送风量为式中φ_ 通用变量, 可以代表u、v、w、T等求45679m’/h,排风量为182716 m'/h。解变量送风管道位于平面图上方,有送风口8个;4T- -广义扩散系数.个排风管道,其中位于平面图中间位置的两个排S--广义源项风管道各有风口10个,位于平面图底部、近车库式中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源出入口的2个排风管道各有风口12个。送风口项。对于特定的方程,φ T和S具有特定的形式,尺寸为800mmx320mm,排风口尺寸为630mmx表1中给出了3个符号与各特定方程的对应的250mm ,送、排风风口位置距地面约3m。关系。车库新风管道的8个送风口风速分别为表1针对不同方 程各符号对应表达式6. 2m/s,中部的排风管道的20个排风口风速为φ8. 1m/s,车库进出口附近的排风管道的24个排风口风速为6. 7m/s。固体壁面采用无滑移壁面，质量方程0动量方程μp+s,壁面粗糙度定义为光滑壁面,传热类型选为绝热。x;2.3通风系统模型简化假设能量方程k:/CS为了能够满足现有的计算条件，并能够最大程组分方程D, ρ度地反映通风的实际情况,在进行数值计算前,我们要对物理模型做相应简化假设,满足如下条件:3模拟计算方 法可行性验证(1)室内空气为理想气体,满足理想气体状态方程;中国煤化工，(CFD)方法解决问题(2)忽略污染粒子的质量,将CO视为固定污,MYHCNMHG性进行验证,而车库内染源释放,根据车辆出入车库频率随时间变化规车辆行驶的随机性和任意性给车库内部污染源分律确定不同时段污染物发生率,认为同一时段室布的确定带来了一定的难度。内污染物发生率恒定;本文根据已有的研究成果和合理假设，提出(3)室内外空气不通过围护结构发生热交了几种污染源分布策略,并针对这些污染源分布74FLUID MACHINERYVol. 43 ,No. 7 ,2015策略进行数值模拟分析,通过模拟结果与试验数出 人频率约为0.5 ,测量高度约为距离地面2m的据的对比,选取最符合实际情况的污染源分布策位置,进行试验来验证数值模拟的有效性,CO浓略。考虑车道为污染物主要发生区域,因此在车度数据采集位置如图3所示。库内各条车道均设立独立的污染源,各污染源相应位置如图2所示。2122」 23"| 24°25243上，15.000图3数据采集位置示意0_ 20000 40.0(m010.000 30.000测量点污染物浓度数值模拟结果与实际测量图2污染源位置示意数据对比如表2所示。如图2所示，污染源自上而下分别为:表2污染物浓度数值模拟结果与实际测量数据对比SOURCE1 , SOURCE21, SOURCE22, SOURCE23，序号试验数据( x10-*)模拟数据( x10~*)| 误差(%)SOURCE24, SOURCE25, SOURCE3, SOURCE41,1.81.821. 10SOURCE42 , SOURCE43 , SOURCE44, SOURCE45,2.046.86SOURCE5。将上述污染源根据污染物释放量进1.91.910.52行分类,将.上述污染源分为以下几类:考虑到1.71. 721.16SOURCE1位于车库最上方,车辆通过最少,设为1.221. 64污染源0;SOURCF41 ,SOURCE3 , SOURCE45位于3.43.420.58主车道区域,为污染物主要发生区域,设为污染源2.831.062. 634.941; SOURCE42 , SOURCE43 , SOURCE44 , SOURCE52.11. 93-8.10位于车库下方,车辆通过率较高,设为污染源2;SOURCE21 , SOURCE22 , SOURCE23, SOURCE24 ,由模拟值与实测值对比可以看出,除部分数据SOURCE25位于车库上方,车辆通过率相对较低,外,大多数数据模拟值与实测值误差较小,充分验设为污染源3。证了模型选取与网格划分的合理性,以及模拟计算车库工况确定的情况下,车库内污染物释放的有效性与准确性。根据对比结果,热量传输模型总量也已经确定。为了确定污染源分布情况,需选择Total Energy 模型,湍流模型选择k-0mega模要对各污染源CO释放量占总污染物释放量的比型，使用Automatic壁面函数,求解格式定义为高阶例进行研究。提出几种污染物分布假设,并针对求解格式,并确定污染源分布规律。这些假设情况进行数值模拟,通过比较数值模拟结果与试验数据，选取最符合实际情况的污染物4数值模拟结果与分析分布策略。最终得到结果如下所示:忽略污染源中国煤化工0的CO发生量,即SOURCE1 =0;污染源1占总出，人车库频率是不同污染源的70% ;污染源2占总污染源的20% ;污MYH. CNMHG.4,而最低只有0.2。染源3占总污染源的10%。根据一天中车辆出人车库频率随时间变化关系,由于受条件所限,选取--个工况进行试验,验可以计算出不同时间段车库内CO的发生量。根证数值模拟的有效性。为了不影响车库正常工据研究报告表明,该车库车辆出人频率随时间变作,选取车库低峰运行时间段进行测量,对应车辆化曲线如图4所示。2015年第43卷第7期流体机械75从图6可见,随着通风流量的增加,CO体积.1.4-分数下降。而随着车库出人频率的增加,CO体积分数上升。可见通风流量相同的情况下，当车辆州0.8出人车库频率不同时，CO体积分数差别较大。当通风流量降低到0.4Q以下时,车库内部空气质量急剧恶化。车库内的通风系统只需要保证车库开0.2- .内部空气质量满足标准即可,过高的风量必然带4:0014:0024:00时间来能源的浪费。因此,针对不同的出人频率,提出最优的通风系统风量是有必要的。图4车辆出人 车库频率随时间变化曲线根据上文讨论的结果,车库内CO浓度标准.汽车出入车库频率定义为1h内进出车辆数25x10-6，由于本图的CO体积分数为平均体积与停车位之比,Q为通风系统全开时的流量。根分数,污染物浓度分布往往是不均匀的,所以车库据不同时段车库运行工况,对应车辆出人车库频内可能存在局部区域CO体积分数超标，所以在率为0.2.0.5、1、1.4时，通风流量分别为0.05Q、制定通风流量的大小时，需要设置一定的余量。0. 10Q、0. 15Q、0. 2Q、0. 25Q、0. 5Q .0.75Q、Q时根据这种情况,在选取通风流量时将CO浓度标的各工况进行数值模拟，对应不同车辆出入车库准设定为20x 106的频率,车库内CO平均浓度随通风流量的变化当车库出人频率为1.4时,根据通风流量与曲线如图5所示。CO体积分数曲线,通风流量为0.8Q时，即可满足空气质量要求。当车库出人频率为1时,通风100出人频率1.4流量为0.5Q时,即可满足空气质量要求。当车. 出入数10库出入频率为0.5时,通风流量为0.3Q,即可满t 出大数率0:2足空气质量要求。当车库出入频率为0.2时,通风流量为0.1Q,即可满足空气质量要求。8根据车库车辆出人频率随时间变化曲线,就可以在满足空气质量的条件下,制定出最佳的通0.00.50风流量变化曲线,节省电能。针对该车库车辆出通风系统流量人频率随时间变化曲线,以及不同车辆出人频率图5不同出入频率下 ,车库内CO平均浓度对应的最佳通风流量,可以推出最佳通风流量随随通风流量变化曲线时间变化曲线。根据这一曲线,可以制定车库通车库内CO平均浓度反映了整个车库的空气风的最佳策略。品质,下面针对1. 7m高度一成年人主要 呼吸通风流量随时间变化曲线如图7所示。范围的污染物浓度进行分析。对应不同的出人频率, 1. 7m高度CO平均浓1.0Q度随通风流量变化曲线如图6所示。100-区0.50: 出个路率09区r出大赖率0:2中国煤化工)oMHCN MH GI驾图7通 风流量随时间变化曲线0.5Q1.00*6:00的通风流量设置为0. 1Q,随时间推移,通风流量逐渐增大,8 :00通风流量开到0.3Q,上图61.7m高度CO平均浓度随通风流量变化曲线午10点通风流量设定为0.6Q,11 :00通风流量为76FLUID MACHINERYVol. 43 ,No. 7 ,20150.8Q。12:00 半通风流量调整到0.7Q,随后of carbon monoxide level and thermal environment in14:00通风流量开大到0.8Q,随着通风流量逐渐an undergound car park [ J]. Building and EnViron-降低,16:00通风流量调整为0.6Q,18:00通风流ment ,2004 ,39( 1) :67-75.[5]ASHRAE. ASHRAE HandbookHV AC application[ M].量调整为0. 3Q ,20:00通风流量调整为0.1Q。Atlanta: ASHRAE,1999 :58-69.按照上述策略调整通风系统流量时,根据相关模拟结果可知，虽然局部区域CO浓度超过20[6Chow W K. On ventilation Design for Underground CarParks[J ]. Tunneling and Underground Space Technol-x10-°,但仍然在本文规定标准25 x10-以下,ogy, 1995 ,10(2) :225-245.可见通风流量的选取具有合理性。[7] HKVersteeg, W Malalasekera. An Introduction to Com-putational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method5结语[M]. 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