地下車庫自然通風數(shù)值模擬分析研究
---以四川閬中某車庫工程為例

閻奕岑,戴輝自,秦硯瑤

(中煤科工集團重慶設計研究院有限公司綠色建筑技術中心,重慶400016)

地下車庫自然通風數(shù)值模擬分析研究
---以四川閬中某車庫工程為例

閻奕岑,戴輝自,秦硯瑤

(中煤科工集團重慶設計研究院有限公司綠色建筑技術中心,重慶400016)

該文以四川閬中某車庫工程為對象,通過在車庫頂部設置自然通風口的方式解決車庫自然通風和采光問題,借助Airpak數(shù)值模擬技術對比分析設置機械通風系統(tǒng)和自然通風口兩種工況下過渡季節(jié)車庫的氣流分布、溫度分布和CO濃度場,說明車庫采用自然通風口解決車庫通風問題在實際工程中的可行性.

地下車庫;自然通風;模擬分析;車庫工程

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的推進,有限的土地資源與日益突出的土地需求增長之間的矛盾日益凸顯,合理開發(fā)利用地下空間是解決這項問題的主要措施,也是我國發(fā)展綠色建筑所提倡的節(jié)約集約利用土地的重要途徑,而民用建筑通常集中地將地下空間作為車庫和設備用房.國家統(tǒng)計局的數(shù)據顯示,2011年至2015年近五年來汽車占機動車比率從47.06%提高到61.82%.地下車庫密閉程度高、跨度大,容易導致污染物堆積,這對合理設置通風系統(tǒng)提出了較高要求.

1 車庫通風需求

地下車庫的主要污染物包括一氧化(CO)、碳氫化合物(HC)、氮氧化物(NOx)和固體顆粒物等,CO與人體內血紅蛋白結合造成缺氧,嚴重時還會導致大腦缺氧和水腫.地下車庫通風的目的是把汽車進出車庫的尾氣污染物濃度稀釋到允許的范圍內,保證室內的熱舒適性和空氣質量.另一方面部分經營者為了控制成本通常不開啟車庫內的排風系統(tǒng),造成車庫內污染物的堆積和空氣品質的惡化.在土建條件允許的情況下通過增設一定面積的自然通風口,不僅能滿足地下車庫換氣次數(shù)和自然排煙的要求,保證室內CO濃度不超標,還能節(jié)約設備能耗.

1.1 標準要求

世界衛(wèi)生組織(WHO)規(guī)定,車庫內15min CO為87x10-7,60min為25X10-6,8h為9X10-6,我國《工業(yè)企業(yè)設計衛(wèi)生標準》GBZI-2010允許車間內CO最高質量濃度為30mg /m3,體積濃度24X10-6),同時規(guī)定作業(yè)時間在60min以內時的容許值為50mg/m3(40X10-6)、30min的容許值為100mg/m3(80X10-6)、10~20min的容許值為200mg/m3(160X 10-6).世界各國對地下車庫中CO體積分數(shù)及通風量有不同的要求,本次研究指標選擇我國《工業(yè)企業(yè)設計衛(wèi)生標準》中的要求.

1.2 通風措施

汽車在小于5 km/h的冷啟動與怠速行駛過程中是污染物集中釋放到車庫的兩個階段,在怠速狀態(tài)(進入車庫)下各類污染物排放量較大[1],車庫通風主要依靠傳統(tǒng)風管加風口的機械通風等手段,常見的設計有全部上部排風;上排1/2,下排1/2上排1/3,下排2/3三種方式.20世紀90年代誘導通風技術在一些發(fā)達國家開始得到廣泛應用,從最初的風管型噴嘴誘導通風系統(tǒng)到無風管誘導通風系統(tǒng)都在我國逐漸開始應用,但這項技術進入中國時間較短,在國內缺乏相應的理論,前期對流場及點位布置分析要求較高,成本也相對較高,目前我國應用得最多的還是傳統(tǒng)的機械通風方式.

為防止地下停車庫有害氣體的溢出,要求車庫內保持一定的負壓.由此,地下停車庫的送風量要小于排風量.根據經驗公式,一般送風量取排風量的85%~95%.另外的5%~15%補風由門窗間隙和車道滲入.不同國家地下車庫通風量的確定有不同的方法,使用得最多的有換氣次數(shù)法、單位面積換氣量指標法、稀釋濃度法,筆者此次采用《民用建筑采暖通風設計技術措施》4.26中規(guī)定的一般排風量不小于6次/h,送風量不小于5次/h的計算方法.

2 車庫自然通風案例

2.1 工程實例

該車庫位于四川省閬中市七里新區(qū),建筑面積30360.50m2,層高4.5m,項目效果圖及車庫平面圖如圖1、圖2所示.項目地上部分土建條件較好,初步設計階段考慮以自然通風口的形式代替機械排風系統(tǒng)解決內部排風、污染物排出以及采光問題,由于車庫體量巨大,為了減少數(shù)值模擬過程中計算機運行時間本次研究選擇其中一個長53.4m,寬36.4m,高4.5m的近2000m2的防煙分區(qū)進行研究.圖3顯示了研究對象的自然通風開口位置,虛線部分表示了車道的位置.

圖1 項目效果圖

圖2 車庫平面圖

圖3 自然通風開口示意圖

2.2 通風模擬方法

Airpak是當前國際上比較流行的應用于HVAC領域的商用CFD軟件,能夠準確地模擬通風系統(tǒng)的空氣流動、空氣品質、傳熱、污染和舒適度等問題,并依照ISO7730標準提供舒適度、PMV、PPD等衡量室內空氣質量(IAQ)的技術指標.廣泛、成熟地應用于HVAC中的氣流組織設計和分析[2].

2.3 數(shù)值模擬分析

2.3.1 物理模型簡化假設

地下車庫內空氣流場實際上屬于三維穩(wěn)態(tài)紊流流動,為了準確分析模型效果,本次研究對計算模型進行相應簡化如下:

(1)車庫內氣體視為理想氣體,滿足理想氣體狀態(tài)方程.

(2)車庫內氣體流動為三維穩(wěn)態(tài)流動.

(3)不考慮送排風溫差,車庫內除CO外無其他熱源.

(4)與車庫接觸的四面圍護結構絕熱.

(5)將CO的釋放等效為體積污染源,且認為其發(fā)生率為恒定.

(6)車庫中初始狀態(tài)CO濃度、送排風中CO濃度近似為大氣中CO的濃度3mg/m3.

(7)1.5~2m的速度場和濃度場分布相似,選擇1.5m高的平面分析代替整個呼吸區(qū)[3].

2.3.2 物理模型

目前我國沒有相關標準規(guī)定車庫CO污染物釋放量、分布規(guī)則及散發(fā)規(guī)律,借鑒相關文獻為了模擬在汽車怠速運行時CO在空間的分布,總共選取10個體積為0.7mX0.7mX0.4 m的CO污染源均勻分布在車道上,車庫初始CO濃度及機械送風熱流強度為1.83kW,單個CO釋放量為0.605kg/h.關于車庫CO釋放指標目前世界上沒有相關的標準,本研究采用引用文獻中提供的實測結果作為模擬分析的依據[3,4].

圖4 車庫機械通風平面圖

圖5車庫自然通風平面圖

圖4 為該車庫模型通風平面圖,由設計資料計算得到排風量34988m3,排風速度為5.29m/s,本次研究模型與右側防煙分區(qū)連接處為自然進風口進行均勻送風,其他面均無漏風處;基于質量守恒定律,補風量設計為與排風量一致.自然排風選用2個5mX5m的開口如圖5所示,同時兩個均勻分布的自然排風口總面積滿足不小于室內地面面積2%的規(guī)范要求(《汽車庫、修車庫、停車場設計防火規(guī)范》GB50067-2014).選擇重慶地區(qū)過渡季為此次模擬工況,對比分析車庫機械送排風系統(tǒng)與自然通風口兩種工況下車庫內溫度分布、氣流組織及污染物排出情況,通過數(shù)據及圖像分析進一步說明采用自然通風口代替機械排風系統(tǒng)在工程中是可以實現(xiàn)應用的.

2.3.3 方法及邊界確定

研究選用模型,計算成本相較LES模型成本低,預測準確;墻面和近地面的粘性邊界層中流動和換熱的計算采用工程上常用的壁面函數(shù)法.機械通風系統(tǒng)中排風和補風的壓力邊界默認為大氣壓,補風中CO濃度為空氣中正常值,默認溫度為室溫25℃;自然通風口壓力邊界默認為大氣壓,此次計算采用壓力-速度修正算法(simple算法),使用亞松弛因子迭代次數(shù)不少于500次.

2.4 結果討論

本次研究主要對機械系統(tǒng)通風和自然通風效果,速度分布以及污染物釋放后CO濃度粒子運動軌跡進行模擬研究,并對呼吸區(qū)域內的各個剖面cut圖進行分析.模擬結果如下所示.

圖6 車庫各截面溫度分布示意圖(機械系統(tǒng))

圖7自然通風車庫各截面溫度分布示意圖(自然通風)

圖6 和圖7為過渡季節(jié)車庫內機械排風條件下及自然通風條件下車庫內x、y、z法向三個平面的溫度分布情況,機械系統(tǒng)下1.5m高的活動區(qū)溫度約為28.5~30.0℃,剖面最高頂部溫度可以達到29.8℃;自然通風條件下溫度在29.9~30.3℃左右,靠近開口部分溫度相對較其他區(qū)域低1℃左右,自然通風較機械系統(tǒng)溫差最高達到1.5℃左右,平面和立面溫度的整體變化范圍相較機械通風平緩.整體來說兩種工況下溫度差別不大.

圖8 車庫各截面速度分布矢量圖(機械系統(tǒng))

圖9 X-Y平面通風口處速度分布云圖(自然通風)

圖7和圖8為兩種工況下車庫XY剖面速度分布情況,X-Y平面通風口處速度分布云圖顯示機械系統(tǒng)下車庫內速度分布較均勻,風速分布在0.25~0.55 m/s之間,平均風速在0.4m/s左右,通風效果較好,室內風場較均勻,自然通風開口條件下車庫內速度分布分區(qū)較為明顯,x方向階梯性分布較強,舒適度較低,車庫內風速分布在0.2~0.6 m/s之間;由風壓形成的卷吸在開口處最大風速接近2 m/s,對比分析得出車庫內采用機械系統(tǒng)通風時氣流組織更有規(guī)律,風場分布更均勻.

圖10 X-Y平面通風口處速度分布矢量圖(機械通風)

圖11 X-Y平面通風口處速度分布矢量圖(自然通風)

圖10 和圖11分別為X-Y平面風速矢量圖,機械通風工況下氣流由兩邊流向排風管,在風機作用下形成環(huán)流,速度在0.38 m/s左右,有利于帶動室內大部分污染物的排出;自然通風情況下車庫內遠離通風口的主氣流雖然可以呈現(xiàn)環(huán)流趨勢,但主車道污染物上部區(qū)域出現(xiàn)氣流滯留回旋現(xiàn)象,速度為0.1 m/s,不太利于這部分污染物的排除.

圖12 10min內CO運動軌跡及濃度場示意圖(kg/m3)

圖13 10min內CO運動軌跡及濃度場示意圖(kg/m3)(自然通風)

圖13 顯示了自然通風情況下車庫內CO運動軌跡及濃度值,該模擬結果顯示自然通風情況下可以稀釋車庫內CO, 10min之內CO濃度值小于150 mg/m3,呼吸區(qū)濃度在110 mg/m3左右,污染源處最高達到150 mg/m3,遠離自然通風口的左側區(qū)域有較大區(qū)域的CO積聚,但都滿足標準低于200 mg/m3要求.本次模擬工況下的各指標對比如下表1所示.

表1 機械通風與自然通風效果對比

3 結論

通過模擬計算對比分析表明該車庫在滿足換氣次數(shù)要求的前提下,通過開啟一定程度的頂棚天窗(滿足2%開口面積的自然排煙要求),依靠室內外風壓作用的自然通風,基本保證室內CO濃度滿足標準要求,節(jié)省運行能耗(若對車庫內空氣品質有更高要求可以預留機械排風口及電纜),可以在工程上投入使用.

[1]葛鳳華,劉巽俊,王月志.地下停車庫的自然通風[J].暖通空調,2006(08):97-99.

[2]梁慶慶,張偉偉,夏麟.保障性住宅地下車庫自然通風技術探討[J].建筑熱能通風空調,2013(4):65-68.

[3]李茜.地下車庫無風管誘導通風系統(tǒng)數(shù)值模擬研究[D].成都:西南交通大學,2005.

[4]蔡浩,朱培根,譚洪衛(wèi).地下車庫誘導通風系統(tǒng)的數(shù)值模擬與優(yōu)化[J].流體機械,2004(12):27-30.

責任編輯:孫蘇,李紅

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

基金論文:中煤科工集團重慶設計研究院有限公司課題"民用建筑地下車庫自然通風采光一體化研究與應用"資助項目;煤炭科學研究總院重慶建筑技術研究分院"綠色建筑室內自然采光改善技術及產業(yè)化應用研究"(2015ZYJ011)資助項目.

10.3969/j.issn.1671-9107.2017.01.024

2016-10-13

秦硯瑤(1982-),女,重慶人,碩士,工程師,主要從事綠色建筑技術研究.

閻奕岑(1990-),女,重慶人,研究生,工程師,主要從事綠色建筑技術研究.