1、1某火车站过渡季节基于 CONTAMW 的自然通风模拟分析华中科技大学 张威 徐玉党 方进 姜涛 摘要：良好的自然通风设计，既可以达到 节能的目的，又有助于改善室内的空气品质。本文通过针对某火车站过渡季节的气候条件及建筑特征，利用 CONTAMW 软件进行过渡季节自然通风模拟计算与分析，对其通风效果 进行论证，并提出 设计方案。关键词：自然通风；节能；过渡季节；CONTAMW0 引言自然通风是暖通空调行业利用自然资源最直接的方式之一。合理的自然通风在降低公共建筑运行能耗，提高建筑内空气品质方面，起到至关重要的作用。公共建筑室内热源较大，全年有相当长的时期需要供冷，而室外温度仍然处于相对较低的温
2、度范围内，此时若引入室外的空气带走室内热量，将有效缩短空调设备运行时间，降低空调能耗。同时，公共建筑一般室内人员密度比较大，建筑室内空气流动，特别是自然、新鲜空气的流动，是保证建筑室内空气质量符合国家有关标准的关键。1 工程概况本工程位于西安市，车站分为高架层、站台层、出站层、地铁站台层四个主要层面，建成南北双向客运站房、双向站前广场，形成南主北辅、双进双出的规模格局。站型采用高架候车与线下出站的布局方式，旅客“上进下出” 。站房主体以钢结构为主，面积为 33.1 万平方米，车站全长 8.4km，其中车场部分 3.4km，动车所及走行线部分 5km，南北长 184m，东西长470m，车场为 3
3、 场 18 站台 34 股道。车站中部设置贯通站台和玻璃屋顶的中庭空间，绿色通道和候车室围绕中庭设置，整个屋顶由 11 个单元体组成，每个单元体在中间高起的屋脊处开以梭型的天窗。2 建筑设计参数2.1 过渡季节室外参数 室外气象数据包括室外空气温度、湿度及风速等。西安位于欧亚大陆桥的心脏和中国地理中心位置，属暖温带半湿润的季风气候区，四季分明，气候温和。一般以 4、5、9、10 月作为过渡季节。根据中国气象局陕西西安气象监测站对近 30 年来西安市的室外气象数据进行分析，得到月平均室外参数，如表 1 所示。表 1 西安(1971-2000 年)气候标准值月份 月平均气压Pa月平均气温0C月平均
4、相对湿度(%)月平均风速m/s4 96780 14.7 68 1.85 96470 19.8 68 1.89 96860 19.9 79 1.410 97470 13.9 77 1.3根据以上的温度、风速、风向统计结果，选择最不利情况进行计算，取 9 月份为计算月份：室外温度 19.90C 为室外计算温度，同时通过西安市的风玫瑰图，可以查出西安市 9 月份主导风向为北偏东 10，平均风速 1.4m/s。2.2 过渡季节太阳辐射过渡季节期间每天的太阳辐射值由 DeST 软件气象数据库中的数据生成，如图 1 所示。取其2间太阳辐射最大日 9 月 2 日 14：00 的总辐照度作为屋顶外表面获得的辐
5、射能量，其值为800W/m2。根据屋顶透明部分的遮阳系数 SC 值（按公共建筑节能设计标准GB50189-2005规定：西安属于寒冷地区，屋顶透明部分遮阳系数0.50）和透光部分面积比，计算建筑候车室层接受的辐射热量，如表 2 所示。图 1 自然通风日太阳总辐射强度的逐日分布表 2 太阳辐射得热平均值直射辐射W/m 2 散射辐射W/m 2 总辐射W/m 2太阳辐射 700 100 800遮阳系数 SC=0.35 245 35 280屋顶透光面积占候车室层面积的比例为 0.09 22.05 3.15 25.22.3 室内计算参数我国国家标准采暖通风与空气调节技术规范(CBJ1987)对舒适性空调
6、和采暖的舒适性室内温度都有概括性的规定，确定夏季空调季节季节室内设计温度为 26，冬季采暖温度为 18，但是由于自然通风室内温度紧随室外气象条件变化，而且是随机的、不稳定的，因此这样的标准显然是不适合采用自然通风的建筑。本文采用由 GailschillerBrager 发表在ASHRAEJournal 上的适合于办公建筑的自然通风标准。当室外计算温度为 19.9时，根据自然通风热舒适性标准确定室内设计温度为 24。同时根据不同房间的人员密度、灯光、设备发热量和太阳得热，计算得到各功能区域的负荷如表 3 所示.3 CONTAMW 自然通风模拟计算CONTAMW 是美国国家标准和技术研究院（NIS
7、T）下属的建筑火灾研究实验室开发的用于建筑物内多区域空气流动模拟研究的软件。CONTAMW 的网络法把整个建筑物作为一个系统，其中每个房间作为一个区（或网络节点） ，认为各个区内空气具有恒定的温度、压力和污染物浓度。门、窗等气流路径视为阻力单元，各个区通过各种气流路径相连。网络法利用质量、能量守恒等方程计算风压和热的空气流动形态对自然通风效果的影响。表 3 各功能房间的发热量人数 人员负荷 设备负荷 照明负荷 太阳辐射 面积 体积 负荷总计房间名称 人w w w w/m2 m2 m3 w北向候车室 3478 189789 12874 98835 0 5191 51910 301498南向候车室
8、 3652 199298 17369 112106 0 5888 55395 328773高架候车厅 13569 740434 50230 385590 25.2 20252 390864 1686604高架进站厅 30312 1654096 112210 861390 25.2 45242 873171 3767795二层售票厅 4157 226836 11328 86972 0 4568 26038 325136休闲茶座层 1906 104008 49164 145156 25.2 7624 103686 490453总 计 57074 3114461 253175 1690049 - 8
9、8765 1501064 690025933.1 建立 CONTAMW 计算模型根据设计条件，在不影响计算结果的前提下，对模型进行如下简化：由于 CONTAMW 为平面网络模型，相同面上的任何区域视为均匀区域，同等考虑，所以在 CONTAMW 模型中，只要求门窗的尺寸及中心标高与设计尺寸相同，而门窗在同一面上的水平位置不必去追究，同时，将水平标高相同的开口进行合并；由于过渡季室外温度和室内温度相近，传热模拟时，只考虑通过自然通风带走房间内热源（包括人员、设备、照明）的发热量及太阳辐射的得热量；一层及其夹层的楼内附属办公室、卫生间，不参与自然通风，在模型中未考虑；建筑所有与室外连接的外门均开启参
10、与自然通风，包括进站电梯自动门。对该火车站建筑 CAD 图进行以上简化，并根据 CONTAMW 的相关要求，建立如下模型，下面各 CAD 图中的红色和绿色阴影区域为需要考虑的区域。按建筑每层的平面布置状况建立平面网络模型，划分并定义网络节点（房间区域）的面积、体积、温度。建筑开口方式：在建筑一、二层下部距地面 300m 高处各开一排高 300mm 的上悬窗，上部开一排高 600mm 的上悬窗，上悬窗开启角度为 15，二层通往站台的自动门开启，外门、天窗按建筑图纸中尺寸设计。图 2 北侧站台候车室平面图与 CONTAMW 模型 图 3 南侧站台候车室平面图与 CONTAMW 模型图 4 高架进站
11、候车层平面图与 CONTAMW 模型 图 5 屋顶天窗平面图与 CONTAMW 模型3.2 CONTAMW 模拟结果分析利用 CONTAMW 建立通风流通路径网络模型，进行模拟计算，下图显示了模拟结果，表 4 列出了各通风路径的各参数，数值前的“-”表示开口的风为离开该区域。图中红色线条代表压降，绿色线条代表通风换气量。图 6 北侧基本站台候车室模拟结果 图 7 南侧基本站台候车室模拟结果4图 8 高架层自然通风模拟结果 图 9 屋顶天窗自然通风模拟结果表 4 各模拟区可开启路径的流通面积及通风量、风速楼层位置类型面积m2150窗通风量（kg/s）风速(m/s)楼层位置类型面积m2150窗通风
12、量（kg/s）风速(m/s)北面外门 57.6 143.27 2.07 北面 上部窗 90 20.60 0.19北面下部窗 12 6.84 0.47 外门 123 196.41 1.33北面上部窗 39 18.78 0.40 下部窗 27 10.13 0.31南面外门 52.8 116.85 1.84西面上部窗 264 -44.63 0.14南面下部窗 12 6.11 0.42 外门 123 221.83 1.50北向候车室南面上部窗 39 15.92 0.34 下部窗 27 11.34 0.35北面外门 52.8 131.15 2.07东面上部窗 264 21.42 0.07北面下部窗 12
13、 6.83 0.47 外门 36 60.97 1.41北面上部窗 39 18.74 0.40 下部窗 25.2 9.98 0.33北面侧门 4.5 11.18 2.072南面上部窗 90 -10.14 0.09南面外门 57.6 127.26 1.84 北向候车室电梯通道 480 -307.76 0.53南面下部窗 12 6.10 0.42 南向候车室电梯通道 480 -317.14 0.551南向候车室南面上部窗 39 15.88 0.34 二层左侧往站台外门 12 21.64 1.50外门 36 73.40 1.70 二层右侧往站台外门 12 19.16 1.332北面 下部窗 25.2
14、11.88 0.39 90上悬屋顶天窗 50.4 -88.30 1.46根据以上模拟结果可以分析得到，室外较冷空气从地面层外门和外窗进入室内，带走一层室内热量，由于一层引进的通风量远远大于消除一层余热所需通风量，所以空气被加热到一定程度，沿南北侧基本站台候车室的手扶电梯口向上流动进入二层大厅可以继续用来消除二层的余热，同时从二层大厅的外门及下部窗户也引进部分新风，从二层引进的新风与一层消除余热后的空气共同带走二层余热，通过顶部天窗和二层上部窗户排出室外。自然通风路径如图 10所示。5图 10 自然通风时建筑内部通风路径由表 4 可以看出，自然通风时，门窗的最大风速为 2.20m/s，经过实验研
15、究发现风口产生哨声的风速临界值为 4ms，所以本自然通风设计风速符合要求，不会产生哨声。3.3 自然通风量的理论校核以下通过自然通风的理论计算校核其模拟结果。全面通风换气量由消除室内余热和满足通风换气次数来决定，计算如下：根据室内负荷及自然通风进排风温度，得出为了排除余热所需要的通风换气量 G： =6900.31.01（25.3-19.9）=1265.2kg/spjQGct根据建筑体积，得出为了满足自然通风换气次数(按每小时 2 次取)所需通风换气量 G”：G”=nVf n/3600=（215010641.2）/3600=1000.7kg/s为了满足卫生条件所需通风量 （人员新风量取 10m3
16、/ph）：=57074101.2/3600=190.2kg/s/360pnGg确定最终的全面通风量为了使自然通风达到室内舒适的要求，必须同时满足以上三点。比较三者大小：GG ，因此，选取最大的作为计算所用的全面通风换气量。即最终的全面通风换气量为：=1265.2kg/smax,G由可开启窗户面积的空气流通量来校核按消除余热的计算通风量是否满足自然通风效果，模拟自然通风空气量与消除余热理论通风量对比如表 5 所示：表 5 自然通风空气量与消除余热理论通风量对比模拟区 消除余热通风量（kg/s） 模拟通风量 （kg/s） 是否满足北侧基本站台候车室 55.3 307.7 满足南侧基本站台候车室 6
17、0.3 317.1 满足高架层进站候车区域 1149.6 1372.5 满足模拟区域总风量 1265.2 1997.3 满足4 结论本研究在分析了建筑所处地域性气候条件后，根据建筑特点选取了合理的自然通风策略形式，并运用 CONTAMW 软件对该火车站过渡季节自然通风进行模拟计算及分析，得到以下结论：对该火车站在可利用自然通风的过渡季节，整个建筑模拟区域对外可开启面积为3100.5m2，外门和通往站台自动门全部敞开，上悬窗按 15，屋顶天窗按 90开启的方式，能达到的最大自然通风量为 1997.3 kg/s，可以很好的满足消除模拟区域余热的要求，且自然通风的余量较大，可以根据室内温度适当的关闭
18、部分门窗。6在该设计中，虽然从总风量上来说，下部 15上悬窗的风量相对于总风量比例非常小，但是对于空气品质却是起到非常大的作用，它使得新风气流的分布更为均匀。通过模拟分析，保证了该火车站通风策略的有效性和可靠性，使在过渡季节可以全部或部分用自然通风来代替空调制冷系统消除室内负荷，从而达到了节能的目的，并同时很好的改善了室内的空气品质。参考文献1 宋清弟.暖通空调技术在室内空气环境品质控制中的应用J.福建建筑,2008(1):95-962 龚波,余南阳,王磊.自然通风的策略形式及模拟分析J.制冷与空调,2004,3:8-123 孙一坚.简明通风设计手册M.北京:中国建筑工业出版社, 20054 王芳等.多区域空气流动网络模型用于室内空气品质和通风模拟研究J.暖通空调,2002,32(6):44-465 Dols W S, Walton G N. CONTAMW 1.0 user manual.NISTIR 6476. National Institute of Standards and Technology, 2000
