地下空間通風(fēng)優(yōu)化

第15卷第12期2015年4月科學(xué)技術(shù)與工程Vol.15 No.12 Apr. 20151671- 1815(2015)12-0265-05Science Technology and EngineeringC 2015 Sci. Tech. Engrg地下空間通風(fēng)優(yōu)化高超陳梅珊吳偉亮(.上海交通大學(xué)機械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200240)摘要由于車(chē)輛出入車(chē)庫的頻率時(shí)刻都在變化,車(chē)庫內單位時(shí)間污染物釋放量相應發(fā)生變化,針對不同工況采取相同的通風(fēng)量顯然是不合理的。過(guò)低的通風(fēng)量將導致車(chē)庫內空氣品質(zhì)不佳,過(guò)高的通風(fēng)量將導致能源的浪費。以某車(chē)庫為研究對象，進(jìn)行數值模擬分析,探索通風(fēng)系統的優(yōu)化控制策略。關(guān)鍵詞空氣污染CFD模擬地下空間中圖法分類(lèi)號X511;文獻標志碼A為解決汽車(chē)保有量上升帶來(lái)的停車(chē)緊張問(wèn)題，停車(chē)場(chǎng)平均運行時(shí)間,s;q為每輛汽車(chē)單位時(shí)間內大型商業(yè)建筑和居住小區等人口密集區都配有地下CO排放量，m/s。車(chē)庫,-般采用定風(fēng)量運行的機械通風(fēng)系統來(lái)保證結合研究對象，停車(chē)庫容納車(chē)位數為100;地下空氣品質(zhì)"。由于汽車(chē)出人車(chē)庫的數量是時(shí)刻變車(chē)庫內空氣污染物的排放情況是在不同的時(shí)段內不化的,車(chē)庫內單位時(shí)間污染物發(fā)生量也是不斷變化斷變化的,汽車(chē)出人車(chē)庫頻率峰值為1.4, 平時(shí)為的，定風(fēng)量運行的機械通風(fēng)系統將造成能源的0.21];假定每輛車(chē)在車(chē)庫內平均運行時(shí)間為90浪費[2]。s[12;每輛汽車(chē)單位時(shí)間內CO排放量為200本文針對某地下車(chē)庫,利用數值模擬的方法對mg/s[13.14]。不同時(shí)段地下車(chē)庫的污染物濃度場(chǎng)進(jìn)行研究,從而1.2物理模型簡(jiǎn)介為通風(fēng)系統的優(yōu)化控制提供參考意見(jiàn)。某地下車(chē)庫長(cháng)為90m,寬為80m,建筑面積7 200 m2 ,層高3. 6 m,車(chē)庫平面示意圖如圖1所示。1研究對象描述一個(gè)新風(fēng)管道位于遠離進(jìn)出口的上部,四個(gè)排風(fēng)管1.1污染物濃度限值和釋 放量的確定道位于圖1中部和下部,大致呈左右對稱(chēng)布置。地下車(chē)庫內汽車(chē)排放的污染物中主要含有一-氧車(chē)庫新風(fēng)管道的8個(gè)送風(fēng)口風(fēng)速分別為6.2化碳、碳氫化合物、氮氧化合物等有害物質(zhì)[)]。據m/s,中部的排風(fēng)管道的20個(gè)排風(fēng)口風(fēng)速為8.1 m/研究表明:如果Co濃度指標達到要求,那么其他污s,車(chē)庫進(jìn)出口附近的排風(fēng)管道的24個(gè)排風(fēng)口風(fēng)速染物濃度也- -定會(huì )滿(mǎn)足要求(46]。所以在地下停車(chē)為6.7m/s。固體壁面采用無(wú)滑移壁面，壁面粗糙庫通風(fēng)量的計算與控制中，通常以CO濃度為依據,度定義為光滑壁面,傳熱類(lèi)型選為絕熱。因此將主要考察尾氣中的CO。根據相關(guān)文獻(7-9] ,由于本車(chē)庫位于人口密集區,需要考慮機械通風(fēng)系統排出的污染物對周?chē)h(huán)境的影響,本文CO污染物限值取為25 x 10-6(ppm)。地下車(chē)庫污染源物放量的計算采用經(jīng)驗公式法[0。G = mrqt。式中:G為地下空間CO總排放量, mg/s;m為地下停車(chē)場(chǎng)的車(chē)位數，(輛);r為汽車(chē)出入車(chē)庫頻率(一小時(shí)內進(jìn)出車(chē)輛數與停車(chē)位之比);t為汽車(chē)在地下中國煤化工，2014年12月29日收到國家863計劃(2012AA062703)資助CNMHGI garage第一作者簡(jiǎn)介:高超,男。 碩士。研究方向:動(dòng)力機械及工程。E-.JYHmail: gaochaoveryeool@ 126. com。1.3 通風(fēng)系統模型簡(jiǎn)化假設為了能夠滿(mǎn)足現有的計算條件,并能夠最大程.12期高超,等:地下空間通風(fēng)優(yōu)化267數據,選取最符合實(shí)際情況的污染物分布策略。最由模擬值與實(shí)測值對比可以看出,除部分數據終得到結果如下所示:忽略污染源0的Co發(fā)生量，外,大多 數數據模擬值與實(shí)測值誤差較小，充分驗證即SOURCE1 =0;污染源1占總污染源的70% ;污染了模型選取與網(wǎng)格劃分的合理性,以及模擬計算的源2占總污染源的20%;污染源3占總污染源有效性與準確性。根據對比結果,熱量傳輸模型選的10%。擇Total Energy 模型,湍流模型選擇k-Omega模型，由于受條件所限,選取-一個(gè)工況進(jìn)行實(shí)驗,驗證使用Automatic壁面函數,求解格式定義為高階求解數值模擬的有效性。為了不影響車(chē)庫正常工作,選格式[12],并確定污染源分布規律。取車(chē)庫低峰運行時(shí)間段進(jìn)行測量,對應車(chē)輛出人頻3數值模擬結果與分析率約為0.5,測量高度約為距離地面2米的位置,進(jìn):行實(shí)驗來(lái)驗證數值模擬的有效性,CO濃度數據采車(chē)庫各個(gè)時(shí)段的汽車(chē)出入車(chē)庫頻率是不同的,集位置如圖3所示。汽車(chē)出人頻率最高為1.4,而最低只有0.2。根據一天中車(chē)輛出人車(chē)庫頻率隨時(shí)間變化關(guān)系,可以計算ANSYSr14.5出不同時(shí)間段車(chē)庫內CO的發(fā)生量。根據研究報告表明,該車(chē)庫車(chē)輛出人頻率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖4所示。.1.412-k 1.0-安08-盟0.6-0.2468101214161820222430.000 m時(shí)間(時(shí))一1500圖4車(chē)輛出人車(chē)庫頻率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖3數據采集位置示意圖Fig. 4 The curve that car frequency changes with timeFig. 3 Data collection point of the underground garage汽車(chē)出入車(chē)庫頻率定義為一小時(shí)內進(jìn)出車(chē)輛數測量點(diǎn)污染物濃度數值模擬結果與實(shí)際測量數與停車(chē)位之比,Q為通風(fēng)系統全開(kāi)時(shí)的流量。根據據對比如表2所示, 10 -6(ppm)為體積分數單位,代不同時(shí)段車(chē)庫運行工況，對應車(chē)輛出人車(chē)庫頻率為表每百萬(wàn)體積空氣中所含污染物體積數。0.2.0.5、1、1.4時(shí),通風(fēng)流量分別為0. 05Q、0. 10Q、表2污染物濃度數值模擬結果與實(shí)際測量數據對比0.15Q、0.2Q、0. 25Q、0.5Q、0.75Q、Q時(shí)的各工況進(jìn)行數值模擬，車(chē)庫內CO平均體積分數如表3所示。Table 2The contrast between simulationresults and experimental data表3不同出入頻率,車(chē)庫內CO平均濃度( ppm)對比Table 3 The pollution concentration of the序號實(shí)驗數據 10 °(ppm)模擬數據10-6(ppm)誤差/%underground garage1.81. 821.101.92.046.86、通風(fēng)流量0.05Q 0.10Q 0.15Q 0.20Q 0.25Q 0.5Q 0.75Q 1Q出入頻率1. 910.52218.2 14.6 75.8 56.6 45.3 24.6 17.2 13.61.71.721.0156.1 83.0 55.4 42.1 33.1 18.3 13.0 10.41.21.221. 6479.0 42.6 28.9 22.2 18.1 10.3 7.76 6. 413.43. 420.580.3.2 18.6 13.1 10.4 8.68 5.69 4.65 4.122.82.831.062.52.634.94 .對應不中國煤化工車(chē)庫內CO平2. 11.93-8. 10均濃度隨通MHCNMHG所示?？偤?9. 319.521.13車(chē)庫內CO平均濃度反映了整個(gè)車(chē)庫的空氣品質(zhì),下面針對1.7 m高度一成年人主要 呼吸范圍268科學(xué)技術(shù)與工程15卷不同時(shí),CO體積分數差別較大。當通風(fēng)流量降低100.出入頻率1.4●出人期100到0.4Q以下時(shí),車(chē)庫內部空氣質(zhì)量急劇惡化。車(chē); 80-+出入頻率0.2庫內的通風(fēng)系統只需要保證車(chē)庫內部空氣質(zhì)量滿(mǎn)足標準即可,過(guò)高的風(fēng)量必然帶來(lái)能源的浪費。因此，黎60針對不同的出入頻率,提出最優(yōu)的通風(fēng)系統風(fēng)量是蓄4有必要的。8根據上文討論的結果,車(chē)庫內CO濃度標準二2025x10-6(ppm),由于本圖的CO體積分數為平均體積分數,污染物濃度分布往往是不均勻的,所以車(chē)0.0 02 040.8庫內可能存在局部區域CO體積分數超標,所以在通風(fēng)系統流量Q制定通風(fēng)流量的大小時(shí)，需要設置一定的余量。 根圖5不同出人頻率下 ,車(chē)庫內C0平均濃度據這種情況，在選取通風(fēng)流量時(shí)將CO濃度標準設隨通風(fēng)流量變化曲線(xiàn)定為20 x 10 -6( ppm)。Fig 5 The curve of pollution concentration當車(chē)庫出入頻率為1.4時(shí),根據通風(fēng)流量與CO的污染物濃度進(jìn)行分析。對應不同的出人頻率，體積分數曲線(xiàn),通風(fēng)流量為0.8Q時(shí),即可滿(mǎn)足空氣1.7 m高度CO平均濃度10 -°(ppm)如表4所示。質(zhì)量要求。當車(chē)庫出人頻率為1時(shí),通風(fēng)流量為0. 5Q時(shí),即可滿(mǎn)足空氣質(zhì)量要求。當車(chē)庫出入頻率表4不同出入頻率,1.7 m高度CO平均為0.5時(shí),通風(fēng)流量為0.3Q,即可滿(mǎn)足空氣質(zhì)量要濃度10-*(ppm)對比求。當車(chē)庫出人頻率為0.2時(shí),通風(fēng)流量為0.1Q,Table 4 The contrast of CO concentration at the即可滿(mǎn)足空氣質(zhì)量要求。height of 1. 7 m in different frequency根據車(chē)庫車(chē)輛出人頻率隨時(shí)間變化曲線(xiàn),就可通風(fēng)流量0.05Q 0.10Q 0.15Q 0.20 0.25Q 0.50 0.75Q 1Q以在滿(mǎn)足空氣質(zhì)量的條件下,制定出最佳的通風(fēng)流出人頻率.4205.5 109.2 72.7 54.3 43.4 23.6 16.6 13.1量變化曲線(xiàn),節省電能。下面,針對該車(chē)庫車(chē)輛出人146.979.3 53.2 40.5 31.7 17.6 126 10.1頻率隨時(shí)間變化曲線(xiàn),以及不同車(chē)輛出人頻率對應1.574.5 40.8 27.8 21.4 17.4 9.94 7.53 6.23的最佳通風(fēng)流量,可以推出最佳通風(fēng)流量隨時(shí)間變).231.417.9 12.7 10.1 8.40 5.56 4.56 4.06化曲線(xiàn)。根據這一-曲線(xiàn),可以制定車(chē)庫通風(fēng)的最佳對應不同的出入頻率,1.7 m高度CO平均濃度策略。隨通風(fēng)流量變化曲線(xiàn)如圖6所示。100-: - 出入頻率1.4 ]8-. +出入期率10”8C二二出入頻率0.2屆0.6-60貝0.4-40年2046810121416182022240.20.4 0.6.0時(shí)間(時(shí))圖7通風(fēng)流量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖61.7m高度CO平均濃度隨通風(fēng)流量變化曲線(xiàn)Fig 7 Relation between ventaliation quanitity and timeFig 6 Relation between CO concentration and ventaliation通風(fēng)流量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖7所示，上午六quantity at the height of 1.7 m點(diǎn)的通風(fēng)流量設置為010.隨時(shí)間推移,通風(fēng)流量可見(jiàn)隨著(zhù)通風(fēng)流量的增加,CO體積分數下降。逐漸增大,上中國煤化工3Q,上午十點(diǎn)而隨著(zhù)車(chē)庫出人頻率的增加, CO體積分數上升。通風(fēng)流量設fYHCN MH G通風(fēng)流量為可見(jiàn)通風(fēng)流量相同的情況下,當車(chē)輛出人車(chē)庫頻率0. 8Q。中午十二點(diǎn)半通風(fēng)流量調整到0.7Q,隨后下12期高超,等:地下空間通 風(fēng)優(yōu)化269午兩點(diǎn)通風(fēng)流量開(kāi)大到0.8Q,隨著(zhù)通風(fēng)流量逐漸降s ASHRAE. ASHRAE Handbook HVAC aplication. Atlanta: ASHRAE,低,下午四點(diǎn)通風(fēng)流量調整為0.6Q,下午六點(diǎn)通風(fēng)1999:58- 69中華人民共和國衛生部. CB Z2- -2002, 工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)流量調整為0.3Q,下午八點(diǎn)通風(fēng)流量調整為0.1Q。接觸限值, 2002根據以上策略調整通風(fēng)系統流量，不僅能夠保The healh ministry of the People's Repubie of China. GB Z2- -2002 ,證車(chē)庫內部空氣質(zhì)量,還將大大減少能耗,實(shí)現節能exposure limit of harmful facors in workplace ,2002的目的。8 DB 11/044- 1999. 汽油車(chē)雙怠速污染物排放標準, 1994DB11/044- 1999 discharge standardsof Gasoline cars of double idle4結論pollutant, 1994傳統的機械通風(fēng)系統往往采取定風(fēng)量運行模9中華 人民共和國衛生部室內空氣質(zhì)量衛生規范,2001The health ministry of the People's Republic of China. standards of In.式,在保證空氣質(zhì)量的前提下,往往會(huì )造成能源的浪door air quality ,2001費。本文針對該車(chē)庫汽車(chē)出人車(chē)庫頻率隨時(shí)間變化10 楊強,單敏.地下車(chē)庫汽車(chē)尾氣污染源強計算淺析.環(huán)境科學(xué)與管理2006;31(5):75-777曲線(xiàn),對不同通風(fēng)量和不同車(chē)庫出人頻率的情況進(jìn)Yang Q, Shan M. The research about cars emission in the under-行數值模擬,提出一種優(yōu)化的機械通風(fēng)系統運行模ground garage. Enionnental Science and Management, 2006;31式。即在保證空氣質(zhì)量的前提下,盡量減少能源的(5):75-77消耗,為今后車(chē)庫內機械通風(fēng)系統的設計提供- -些1 陳國平.地下車(chē)庫汽車(chē)廢氣污染狀況調查.上海環(huán)境科學(xué). 199;，參考。18(8) :374- -375Chen G P. 'The iovestigation about car gas in the underground gar~參考文獻age. Shanghai Enionnental Science , 1999 ;18(8) :374- 375張寅平 ,張立志,劉曉華.建筑環(huán)境傳質(zhì)學(xué).北京:中國建筑工業(yè)2陳剛.地下車(chē)庫通風(fēng)量的確定與控制.暖通空調, 2002;32(1):62- 63出版社,2006: 149- -156Chen G. The control of ventilation quantity in the undergroundZhang Y P, Zhang L z, Liu X H. Buiding enironment and massgarage. HVAC, 2002 ;32(1):62- 63transfer. Beijing: China Building Industry Press ,2006: 149--15613 Chow W K. On ventilation design for underground car Parks. Tunneling韓宗偉,王 嘉， 邵曉亮.城市典型地下空間的空氣污染特征及and Undergound Space Technology , 195;10(2) :2252- 245其凈化對策.暖通空調, 2009; 39(11):37-494 Verstee H K, Malasekera w. An intoduction to computationalHanZ w, Wang J, Shao X L Characteristics and eliminating strate-fluid dynamics: the finite volume method. New York Wiley , 1995 :gies of contaminants in urban underground spaces. HVAC , 2009 ;3929- -37(11) :37- 4915 謝龍漢. ANSYS CFX流體分析及仿真.北京:電子工業(yè)出版社,3 Krarti M, Ayari A M. Overiew of existing regulaions for ventilation2012:58--79requirements of enclosed vehicular parking facilities. ASHRAE Trans-Xie L H. Flow analysis and simuation in ANSYS CFX. Beijing:actions, 1999 ;105(2):18- -26Electronic Industry Press ,2012 :58--793 蔡浩，朱培根,譚洪衛. 地下車(chē)庫誘導通風(fēng)系統的數值模擬與6黃雪,張慎言.地下汽車(chē)庫的通風(fēng)系統和防排煙的設計問(wèn)優(yōu)化.流體機械，2004; 32(12) :27--30題.全國暖通空調制冷2002 年學(xué)術(shù)年會(huì )資料集，2002; 10:Cai H, Zhu P C, Tan H W. Numerical simulation and optimization of130-133the inductive ventilation system. Fluid Machinery, 2004;32(12) :Huang X, Zhang s Y. The design of the ventilation system of under-27- -30ground garage. The Data Sets of the National Hvac Refrigeration Aca-demic Annual Meeting, 2002 ;10:130--133monoxide level and thermnal environment in an undergound carpark. Building and En vironment, 2004;39(1):67- -75The Optimization of Flow Field in the Underground GarageGAO Chao , CHEN Mei-shan, WU Wei-liang( Shanghai Jiaolong Unversity School of Mechanical Engineering,Shanghai 200240 ,P. R. China)[ Abstract] Because the frequency that cars enter the garage is changing, so it is unreasonable that applying thesame ventilation quantity to different situations. Low ventilation quantitynd i ol, however high中國煤化工。ventilation quantity will cause waste of energy. Based on a real undergroun:of flow field bysimulation is discussed..TYHCNMH G[ Key words] air pollution CFD simulationCO concentration fieldunderground garage