節(jié)能型收費(fèi)崗?fù)ざ臼覂?nèi)熱舒適性研究★

尹丹寧 巫恩海 陳 鵬 蘇 波 陳家樂(lè)

(1.江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2.江蘇鎮(zhèn)江建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 3.上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200000)

0 引言

高速收費(fèi)崗?fù)こＲ?jiàn)于高速公路出入口的收費(fèi)廣場(chǎng)內(nèi)，是一種為車輛提供進(jìn)出收費(fèi)服務(wù)的管理用房[1,2]。GB/T 24719—2009公路收費(fèi)亭中規(guī)定，公路收費(fèi)亭可以按材料分為彩色鋼板、不銹鋼板、鍍鋅薄鋼板和玻璃鋼收費(fèi)崗?fù)3]。如圖1所示為目前高速公路收費(fèi)站內(nèi)常用的收費(fèi)崗?fù)ぁ?/p>

目前高速公路上常用的收費(fèi)崗?fù)ひ话銥椴讳P鋼板收費(fèi)亭和彩色鋼板收費(fèi)崗?fù)?，亭?nèi)鋪設(shè)防靜電地板；收費(fèi)亭正對(duì)來(lái)車方向的正面及左右兩側(cè)共三面應(yīng)設(shè)置玻璃窗，正前面應(yīng)為固定玻璃窗，收費(fèi)一側(cè)玻璃窗可開(kāi)啟。但是，目前暫無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高速公路收費(fèi)亭的保溫、隔熱和節(jié)能做出要求。根據(jù)調(diào)研，目前江蘇地區(qū)高速公路收費(fèi)亭暫未進(jìn)行保溫設(shè)計(jì)。

由于公路收費(fèi)亭受大氣溫度、多種輻射等環(huán)境因素的影響，處于變化的溫度場(chǎng)中，收費(fèi)亭內(nèi)部與外部環(huán)境都存在著導(dǎo)熱、對(duì)流和熱輻射的耦合換熱，影響其保溫性能的因素繁雜，涉及到收費(fèi)亭的組成材料和幾何構(gòu)造[4]。收費(fèi)崗?fù)ぷ鳛楦咚俟肥召M(fèi)站內(nèi)特殊的建筑，雖沒(méi)有一般民用建筑建筑面積大，但是收費(fèi)亭數(shù)量每年呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在全國(guó)范圍內(nèi)也是不容忽視的建筑群，因此收費(fèi)崗?fù)さ墓?jié)能也是至關(guān)重要的。

1 節(jié)能型收費(fèi)崗?fù)さ慕M成

為了滿足高速公路收費(fèi)崗?fù)さ墓?jié)能需要，可以將GFRP夾芯保溫板運(yùn)用于節(jié)能型收費(fèi)崗?fù)さ脑O(shè)計(jì)上。同時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)可以提高生產(chǎn)和施工的效率，各模塊單元可以在工廠生產(chǎn)并進(jìn)行組裝，隨后運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝。節(jié)能型收費(fèi)崗?fù)び傻装迥K、亭體模塊、頂板模塊和門窗模塊四個(gè)模塊組成，節(jié)能型收費(fèi)崗?fù)と鐖D2所示。

2 收費(fèi)崗?fù)岘h(huán)境模擬

2.1 有限元建模

由于有限元建模軟件Solid Works軟件與ANSYS具有較好的兼容性[5]，進(jìn)行有限元建模時(shí)，先使用Solid Works軟件建立收費(fèi)崗?fù)さ膸缀文Ｐ?，然后將模型?dǎo)入ANSYS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分和材料定義。模型導(dǎo)入后，在ANSYS中對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型單元為6面體單元，網(wǎng)格的尺寸為5 mm，全模型共計(jì)劃分9.355 9×105個(gè)單元，有限元模型如圖3所示。

2.2 參數(shù)設(shè)置

完成網(wǎng)格劃分后，定義模型的物理場(chǎng)，本次熱環(huán)境模擬一共定義兩個(gè)物理場(chǎng)。第一種為溫度場(chǎng)，用以模擬冬季崗?fù)ね獾臏囟?，定義為整個(gè)崗?fù)ね鈿?；第二種為流體場(chǎng)，用以模擬冬季空調(diào)采暖所產(chǎn)生的氣流，定義為整個(gè)崗?fù)?nèi)部空間。溫度場(chǎng)的溫度參照南京市累年最低日平均溫度，設(shè)置為-4.5 ℃；冬季室內(nèi)空調(diào)制冷溫度設(shè)置為27 ℃。物理場(chǎng)參數(shù)如表1所示。

表1 物理場(chǎng)參數(shù)

3 結(jié)果分析

根據(jù)以往學(xué)者對(duì)收費(fèi)崗?fù)と诵谢O(shè)計(jì)的研究可以知道，收費(fèi)崗?fù)?nèi)收費(fèi)員保持坐姿工作時(shí)的工作高度為1.4 m[6,7]，因此對(duì)收費(fèi)崗?fù)?nèi)1.4 m處的溫度分布進(jìn)行研究更具代表性。傳統(tǒng)收費(fèi)崗?fù)?nèi)1.4 m處的溫度分布如圖4a)所示，節(jié)能型收費(fèi)崗?fù)?nèi)1.4 m處的溫度分布如圖4b)所示。

由圖4可知，傳統(tǒng)收費(fèi)崗?fù)さ臏囟确植紴橹虚g高、四邊低，亭體中間高溫部分面積較小。而節(jié)能型收費(fèi)崗?fù)囟确植家彩侵虚g高、四邊低，但是其亭體中心的溫度更加均勻。從收費(fèi)崗?fù)な覂?nèi)溫度上看，傳統(tǒng)型收費(fèi)崗?fù)?nèi)1.4 m處的平均溫度為12.49 ℃；節(jié)能型收費(fèi)崗?fù)?nèi)1.4 m處的平均溫度為16.71 ℃。因此，相比傳統(tǒng)收費(fèi)崗?fù)?，?jié)能型收費(fèi)崗?fù)な覂?nèi)1.4 m處的平均溫度提高了4.22 ℃，節(jié)能型收費(fèi)崗?fù)ぞ哂懈玫谋匦阅堋?/p>

提高收費(fèi)崗?fù)さ谋匦阅?，能夠?yàn)槭召M(fèi)人員提供一個(gè)舒適的工作環(huán)境，因此需要研究收費(fèi)員的工作區(qū)域溫度是否達(dá)到適宜的要求。通常情況下，收費(fèi)人員的工作位置位于距離前側(cè)觀察窗1.1 m、收費(fèi)窗0.3 m處，因此截取收費(fèi)崗?fù)?nèi)1.4 m高度處距前側(cè)觀察窗1.1 m位置的溫度曲線進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)根據(jù)收費(fèi)崗?fù)さ娜梭w工程學(xué)設(shè)計(jì)，選定距離左側(cè)觀察窗1 m～1.5 m的區(qū)域作為收費(fèi)人員工作區(qū)域。如圖5a)所示為傳統(tǒng)收費(fèi)崗?fù)すぷ鲄^(qū)域的溫度曲線，如圖5b)所示為節(jié)能型收費(fèi)崗?fù)すぷ鲄^(qū)域的溫度曲線。

由圖5可以看出節(jié)能型收費(fèi)崗?fù)すぷ鲄^(qū)域溫度曲線較傳統(tǒng)收費(fèi)崗?fù)すぷ鲄^(qū)域溫度曲線更為平緩，同時(shí)節(jié)能型收費(fèi)崗?fù)すぷ鲄^(qū)域的平均溫度為21.86 ℃，傳統(tǒng)收費(fèi)崗?fù)すぷ鲄^(qū)域的平均溫度為18.93 ℃，從以上數(shù)據(jù)可以看出節(jié)能型收費(fèi)崗?fù)すぷ鲄^(qū)域的平均溫度要高于傳統(tǒng)收費(fèi)崗?fù)すぷ鲄^(qū)域的平均溫度。

而在室內(nèi)熱舒適度方面，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《適中的熱環(huán)境——PMV與PPD指標(biāo)的確定及熱舒適條件的確定》(ISO 7730)[8]和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB 50189—2015公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[9]均對(duì)冬季建筑室內(nèi)熱舒適做出了規(guī)定，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 熱舒適性對(duì)比

從表2可以看出，傳統(tǒng)收費(fèi)崗?fù)すぷ鲄^(qū)域處的平均溫度距ISO 7730和GB 50189—2015和要求的冬季室內(nèi)適宜溫度仍有一定差距，而節(jié)能型收費(fèi)崗?fù)すぷ鲄^(qū)域的平均溫度能夠滿足兩種標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此節(jié)能型收費(fèi)崗?fù)ぞ哂懈玫臒崾孢m性，可以滿足收費(fèi)人員的工作需要。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)有限元，對(duì)傳統(tǒng)收費(fèi)崗?fù)ず凸?jié)能型收費(fèi)崗?fù)さ亩臼覂?nèi)熱舒適性進(jìn)行模擬和對(duì)比，得到以下結(jié)論：

1)在室外-4.5 ℃、室內(nèi)26 ℃的條件下，節(jié)能型收費(fèi)崗?fù)ぽ^傳統(tǒng)收費(fèi)崗?fù)?，亭?nèi)1.4 m處的平均溫度提高了4.22 ℃，節(jié)能型收費(fèi)崗?fù)ふw保溫性能更高。

2)在室外-4.5 ℃、室內(nèi)26 ℃的條件下，傳統(tǒng)收費(fèi)崗?fù)?nèi)工作區(qū)域的平均溫度為18.93 ℃，節(jié)能型收費(fèi)崗?fù)?nèi)工作區(qū)域的平均溫度為21.86 ℃，節(jié)能型收費(fèi)崗?fù)さ墓ぷ鲄^(qū)域具有更高的溫度。

3)對(duì)比ISO 7730和GB 50189兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，與傳統(tǒng)收費(fèi)崗?fù)は啾?，?jié)能型收費(fèi)崗?fù)ぞ哂懈玫臒崾孢m性。