地下空間通風(fēng)系統的優(yōu)化

72FLUID MACHINERYVol. 43 ,No. 7 ,2015文章編號: 1005 -0329(2015)07 -0072 -05地下空間通風(fēng)系統的優(yōu)化高超,陳梅珊,吳偉亮(_ 上海交通大學(xué)，上海200240)摘要:由于車(chē)輛出人車(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。本文以某車(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;C0濃度場(chǎng);地下空間;中圖分類(lèi)號: TH43;X511文獻標志碼: 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前言據研究表明:如果CO濃度指標達到要求，那么其他污染物濃度也一定會(huì )滿(mǎn)足要求[3.41。所以在地為解決汽車(chē)保有量上升帶來(lái)的停車(chē)緊張問(wèn)下停車(chē)庫通風(fēng)量的計算與控制中，通常以C0濃題,大型商業(yè)建筑和居住小區等人口密集區都配度 為依據,因此本文將主要考察尾氣中的CO。有地下車(chē)庫,-般采用定風(fēng)量運行的機械通風(fēng)系根據相關(guān)文獻[5],由于本車(chē)庫位于人口密統來(lái)保證空氣品質(zhì)。由于汽車(chē)出人車(chē)庫的數量是集區,需要考慮機械通風(fēng)系統排出的污染物對周時(shí)刻變化的,車(chē)庫內單位時(shí)間污染物發(fā)生量也是圍環(huán)境的影響,本文CO污染物限值取為25x不斷變化的,定風(fēng)量運行的機械通風(fēng)系統將造成10-°。 地下車(chē)庫污染源物放量的計算采用經(jīng)驗公能源的浪費11。式法:本文針對某地下車(chē)庫,利用數值模擬的方法G = mrqt對不同時(shí)段地下車(chē)庫的污染物濃度場(chǎng)進(jìn)行研究,式中G一地下空間CO總排放量,mg/s從而為通風(fēng)系統的優(yōu)化控制提供參考意見(jiàn)。m-地下停車(chē)場(chǎng)的車(chē)位數,輛r- - 汽車(chē)出人車(chē)庫頻率(1h內進(jìn)出車(chē)輛2研究對象描述數與停車(chē)位之比)中國煤化工付間內C0排放量,mg/s2.1污染物濃度限值和釋放量的確定1HCN MH G車(chē)場(chǎng)平均運行時(shí)間,s地下車(chē)庫內汽車(chē)排放的污染物中主要含有一結合本文研究對象,停車(chē)庫容納車(chē)位數為氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物等有害物質(zhì)(21。100 ;地下車(chē)庫內空氣污染物的排放情況是在不同收稿日期: 2014-12-23 修稿日期: 2015-01 -09基金項目: 863 基金項目(2012AA062703)2015年第43卷第7期流體機械73的時(shí)段內不斷變化的,汽車(chē)出入車(chē)庫頻率峰值為換 ,圍護結構絕熱;1.4,平時(shí)為0.261 ;假定每輛車(chē)在車(chē)庫內平均運(4)室內除汽車(chē)排放的廢氣外，無(wú)其它熱源。行時(shí)間為90s;每輛汽車(chē)單位時(shí)間內CO排放量為由于汽車(chē)在車(chē)庫內的運行主要出于怠速狀態(tài),根200mg/s!",據相關(guān)文獻[8],尾氣溫度定義為400K;2.2物理模型(5)送排風(fēng)口進(jìn)出氣流恒定;某地下車(chē)庫長(cháng)為90m,寬為80m,建筑面積(6)車(chē)庫送風(fēng)中的有害物濃度為大氣污染濃7200m2 ,層高3. 6m,車(chē)庫平面如圖1所示。1個(gè)度限值， 取3.0mg/m'。新風(fēng)管道位于遠離進(jìn)出口的上部,4個(gè)排風(fēng)管道為簡(jiǎn)化問(wèn)題,進(jìn)行濃度場(chǎng)模擬計算時(shí),忽略汽位于圖1中部和下部,大致呈左右對稱(chēng)布置。車(chē)停放的隨機性,將CO視為面污染源釋放,認為污染物發(fā)生率恒定。2.4流體動(dòng) 力學(xué)控制方程在計算中，車(chē)庫內氣體流動(dòng)假設為定常、粘性不可壓縮流動(dòng)。需要研究空氣流動(dòng)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、污染物濃度場(chǎng)情況,其流動(dòng)過(guò)程要受物理守恒定律的支配，即:質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律能量守恒定律、組分質(zhì)量守恒定律。為了便于對各控制方程進(jìn)行分析,建立各基本控制方程的圖1 車(chē)庫平面示意該地下停車(chē)場(chǎng)采用風(fēng)管式機械通風(fēng)系統,風(fēng)通用形式(9-15]:機型號為HTF-1No. 10,額定風(fēng)量為45679m'/h。a( p中)+div (ρUφ) =div(Tgdφ) +S9τ送風(fēng)機1臺,排風(fēng)機4臺,即地下車(chē)庫的送風(fēng)量為式中φ_ 通用變量, 可以代表u、v、w、T等求45679m’/h,排風(fēng)量為182716 m'/h。解變量送風(fēng)管道位于平面圖上方,有送風(fēng)口8個(gè);4T- -廣義擴散系數.個(gè)排風(fēng)管道,其中位于平面圖中間位置的兩個(gè)排S--廣義源項風(fēng)管道各有風(fēng)口10個(gè),位于平面圖底部、近車(chē)庫式中各項依次為瞬態(tài)項、對流項、擴散項和源出入口的2個(gè)排風(fēng)管道各有風(fēng)口12個(gè)。送風(fēng)口項。對于特定的方程,φ T和S具有特定的形式,尺寸為800mmx320mm,排風(fēng)口尺寸為630mmx表1中給出了3個(gè)符號與各特定方程的對應的250mm ,送、排風(fēng)風(fēng)口位置距地面約3m。關(guān)系。車(chē)庫新風(fēng)管道的8個(gè)送風(fēng)口風(fēng)速分別為表1針對不同方 程各符號對應表達式6. 2m/s,中部的排風(fēng)管道的20個(gè)排風(fēng)口風(fēng)速為φ8. 1m/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)速為6. 7m/s。固體壁面采用無(wú)滑移壁面，質(zhì)量方程0動(dòng)量方程μp+s,壁面粗糙度定義為光滑壁面,傳熱類(lèi)型選為絕熱。x;2.3通風(fēng)系統模型簡(jiǎn)化假設能量方程k:/CS為了能夠滿(mǎn)足現有的計算條件，并能夠最大程組分方程D, ρ度地反映通風(fēng)的實(shí)際情況,在進(jìn)行數值計算前,我們要對物理模型做相應簡(jiǎn)化假設,滿(mǎn)足如下條件:3模擬計算方 法可行性驗證(1)室內空氣為理想氣體,滿(mǎn)足理想氣體狀態(tài)方程;中國煤化工，(CFD)方法解決問(wèn)題(2)忽略污染粒子的質(zhì)量,將CO視為固定污,MYHCNMHG性進(jìn)行驗證,而車(chē)庫內染源釋放,根據車(chē)輛出入車(chē)庫頻率隨時(shí)間變化規車(chē)輛行駛的隨機性和任意性給車(chē)庫內部污染源分律確定不同時(shí)段污染物發(fā)生率,認為同一時(shí)段室布的確定帶來(lái)了一定的難度。內污染物發(fā)生率恒定;本文根據已有的研究成果和合理假設，提出(3)室內外空氣不通過(guò)圍護結構發(fā)生熱交了幾種污染源分布策略,并針對這些污染源分布74FLUID MACHINERYVol. 43 ,No. 7 ,2015策略進(jìn)行數值模擬分析,通過(guò)模擬結果與試驗數出 人頻率約為0.5 ,測量高度約為距離地面2m的據的對比,選取最符合實(shí)際情況的污染源分布策位置,進(jìn)行試驗來(lái)驗證數值模擬的有效性,CO濃略?？紤]車(chē)道為污染物主要發(fā)生區域,因此在車(chē)度數據采集位置如圖3所示。庫內各條車(chē)道均設立獨立的污染源,各污染源相應位置如圖2所示。2122」 23"| 24°25243上，15.000圖3數據采集位置示意0_ 20000 40.0(m010.000 30.000測量點(diǎn)污染物濃度數值模擬結果與實(shí)際測量圖2污染源位置示意數據對比如表2所示。如圖2所示，污染源自上而下分別為:表2污染物濃度數值模擬結果與實(shí)際測量數據對比SOURCE1 , SOURCE21, SOURCE22, SOURCE23，序號試驗數據( x10-*)模擬數據( x10~*)| 誤差(%)SOURCE24, SOURCE25, SOURCE3, SOURCE41,1.81.821. 10SOURCE42 , SOURCE43 , SOURCE44, SOURCE45,2.046.86SOURCE5。將上述污染源根據污染物釋放量進(jìn)1.91.910.52行分類(lèi),將.上述污染源分為以下幾類(lèi):考慮到1.71. 721.16SOURCE1位于車(chē)庫最上方,車(chē)輛通過(guò)最少,設為1.221. 64污染源0;SOURCF41 ,SOURCE3 , SOURCE45位于3.43.420.58主車(chē)道區域,為污染物主要發(fā)生區域,設為污染源2.831.062. 634.941; SOURCE42 , SOURCE43 , SOURCE44 , SOURCE52.11. 93-8.10位于車(chē)庫下方,車(chē)輛通過(guò)率較高,設為污染源2;SOURCE21 , SOURCE22 , SOURCE23, SOURCE24 ,由模擬值與實(shí)測值對比可以看出,除部分數據SOURCE25位于車(chē)庫上方,車(chē)輛通過(guò)率相對較低,外,大多數數據模擬值與實(shí)測值誤差較小,充分驗設為污染源3。證了模型選取與網(wǎng)格劃分的合理性,以及模擬計算車(chē)庫工況確定的情況下,車(chē)庫內污染物釋放的有效性與準確性。根據對比結果,熱量傳輸模型總量也已經(jīng)確定。為了確定污染源分布情況,需選擇Total Energy 模型,湍流模型選擇k-0mega模要對各污染源CO釋放量占總污染物釋放量的比型，使用Automatic壁面函數,求解格式定義為高階例進(jìn)行研究。提出幾種污染物分布假設,并針對求解格式,并確定污染源分布規律。這些假設情況進(jìn)行數值模擬,通過(guò)比較數值模擬結果與試驗數據，選取最符合實(shí)際情況的污染物4數值模擬結果與分析分布策略。最終得到結果如下所示:忽略污染源中國煤化工0的CO發(fā)生量,即SOURCE1 =0;污染源1占總出，人車(chē)庫頻率是不同污染源的70% ;污染源2占總污染源的20% ;污MYH. CNMHG.4,而最低只有0.2。染源3占總污染源的10%。根據一天中車(chē)輛出人車(chē)庫頻率隨時(shí)間變化關(guān)系,由于受條件所限,選取--個(gè)工況進(jìn)行試驗,驗可以計算出不同時(shí)間段車(chē)庫內CO的發(fā)生量。根證數值模擬的有效性。為了不影響車(chē)庫正常工據研究報告表明,該車(chē)庫車(chē)輛出人頻率隨時(shí)間變作,選取車(chē)庫低峰運行時(shí)間段進(jìn)行測量,對應車(chē)輛化曲線(xiàn)如圖4所示。2015年第43卷第7期流體機械75從圖6可見(jiàn),隨著(zhù)通風(fēng)流量的增加,CO體積.1.4-分數下降。而隨著(zhù)車(chē)庫出人頻率的增加,CO體積分數上升?？梢?jiàn)通風(fēng)流量相同的情況下，當車(chē)輛州0.8出人車(chē)庫頻率不同時(shí)，CO體積分數差別較大。當通風(fēng)流量降低到0.4Q以下時(shí),車(chē)庫內部空氣質(zhì)量急劇惡化。車(chē)庫內的通風(fēng)系統只需要保證車(chē)庫開(kāi)0.2- .內部空氣質(zhì)量滿(mǎn)足標準即可,過(guò)高的風(fēng)量必然帶4:0014:0024:00時(shí)間來(lái)能源的浪費。因此,針對不同的出人頻率,提出最優(yōu)的通風(fēng)系統風(fēng)量是有必要的。圖4車(chē)輛出人 車(chē)庫頻率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)根據上文討論的結果,車(chē)庫內CO濃度標準.汽車(chē)出入車(chē)庫頻率定義為1h內進(jìn)出車(chē)輛數25x10-6，由于本圖的CO體積分數為平均體積與停車(chē)位之比,Q為通風(fēng)系統全開(kāi)時(shí)的流量。根分數,污染物濃度分布往往是不均勻的,所以車(chē)庫據不同時(shí)段車(chē)庫運行工況,對應車(chē)輛出人車(chē)庫頻內可能存在局部區域CO體積分數超標，所以在率為0.2.0.5、1、1.4時(shí)，通風(fēng)流量分別為0.05Q、制定通風(fēng)流量的大小時(shí)，需要設置一定的余量。0. 10Q、0. 15Q、0. 2Q、0. 25Q、0. 5Q .0.75Q、Q時(shí)根據這種情況,在選取通風(fēng)流量時(shí)將CO濃度標的各工況進(jìn)行數值模擬，對應不同車(chē)輛出入車(chē)庫準設定為20x 106的頻率,車(chē)庫內CO平均濃度隨通風(fēng)流量的變化當車(chē)庫出人頻率為1.4時(shí),根據通風(fēng)流量與曲線(xiàn)如圖5所示。CO體積分數曲線(xiàn),通風(fēng)流量為0.8Q時(shí)，即可滿(mǎn)足空氣質(zhì)量要求。當車(chē)庫出人頻率為1時(shí),通風(fēng)100出人頻率1.4流量為0.5Q時(shí),即可滿(mǎn)足空氣質(zhì)量要求。當車(chē). 出入數10庫出入頻率為0.5時(shí),通風(fēng)流量為0.3Q,即可滿(mǎn)t 出大數率0:2足空氣質(zhì)量要求。當車(chē)庫出入頻率為0.2時(shí),通風(fēng)流量為0.1Q,即可滿(mǎn)足空氣質(zhì)量要求。8根據車(chē)庫車(chē)輛出人頻率隨時(shí)間變化曲線(xiàn),就可以在滿(mǎn)足空氣質(zhì)量的條件下,制定出最佳的通0.00.50風(fēng)流量變化曲線(xiàn),節省電能。針對該車(chē)庫車(chē)輛出通風(fēng)系統流量人頻率隨時(shí)間變化曲線(xiàn),以及不同車(chē)輛出人頻率圖5不同出入頻率下 ,車(chē)庫內CO平均濃度對應的最佳通風(fēng)流量,可以推出最佳通風(fēng)流量隨隨通風(fēng)流量變化曲線(xiàn)時(shí)間變化曲線(xiàn)。根據這一曲線(xiàn),可以制定車(chē)庫通車(chē)庫內CO平均濃度反映了整個(gè)車(chē)庫的空氣風(fēng)的最佳策略。品質(zhì),下面針對1. 7m高度一成年人主要 呼吸通風(fēng)流量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖7所示。范圍的污染物濃度進(jìn)行分析。對應不同的出人頻率, 1. 7m高度CO平均濃1.0Q度隨通風(fēng)流量變化曲線(xiàn)如圖6所示。100-區0.50: 出個(gè)路率09區r出大賴(lài)率0:2中國煤化工)oMHCN MH GI駕圖7通 風(fēng)流量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)0.5Q1.00*6:00的通風(fēng)流量設置為0. 1Q,隨時(shí)間推移,通風(fēng)流量逐漸增大,8 :00通風(fēng)流量開(kāi)到0.3Q,上圖61.7m高度CO平均濃度隨通風(fēng)流量變化曲線(xiàn)午10點(diǎn)通風(fēng)流量設定為0.6Q,11 :00通風(fēng)流量為76FLUID MACHINERYVol. 43 ,No. 7 ,20150.8Q。12:00 半通風(fēng)流量調整到0.7Q,隨后of carbon monoxide level and thermal environment in14:00通風(fēng)流量開(kāi)大到0.8Q,隨著(zhù)通風(fēng)流量逐漸an undergound car park [ J]. Building and EnViron-降低,16:00通風(fēng)流量調整為0.6Q,18:00通風(fēng)流ment ,2004 ,39( 1) :67-75.[5]ASHRAE. ASHRAE HandbookHV AC application[ M].量調整為0. 3Q ,20:00通風(fēng)流量調整為0.1Q。Atlanta: ASHRAE,1999 :58-69.按照上述策略調整通風(fēng)系統流量時(shí),根據相關(guān)模擬結果可知，雖然局部區域CO濃度超過(guò)20[6Chow W K. On ventilation Design for Underground CarParks[J ]. Tunneling and Underground Space Technol-x10-°,但仍然在本文規定標準25 x10-以下,ogy, 1995 ,10(2) :225-245.可見(jiàn)通風(fēng)流量的選取具有合理性。[7] HKVersteeg, W Malalasekera. An Introduction to Com-putational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method5結語(yǔ)[M]. 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