72FLUID MACHINERYVol. 43 ,No. 7 ,2015文章編號: 1005 -0329(2015)07 -0072 -05地下空間通風系統(tǒng)的優(yōu)化高超,陳梅珊,吳偉亮(_ 上海交通大學，上海200240)摘要:由于車輛出人車庫的頻率時刻都在變化,車庫內(nèi)單位時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量顯然是不合理的。過低的通風量將導致車庫內(nèi)空氣品質(zhì)不佳,過高的通風量將導致能源的浪費。本文以某車庫為研究對象,進行數(shù)值模擬分析,探索通風系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略。關鍵詞:空氣污染;CFD模擬;C0濃度場;地下空間;中圖分類號: 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(jù)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滿足要求[3.41。所以在地為解決汽車保有量上升帶來的停車緊張問下停車庫通風量的計算與控制中，通常以C0濃題,大型商業(yè)建筑和居住小區(qū)等人口密集區(qū)都配度 為依據(jù),因此本文將主要考察尾氣中的CO。有地下車庫,-般采用定風量運行的機械通風系根據(jù)相關文獻[5],由于本車庫位于人口密統(tǒng)來保證空氣品質(zhì)。由于汽車出人車庫的數(shù)量是集區(qū),需要考慮機械通風系統(tǒng)排出的污染物對周時刻變化的,車庫內(nèi)單位時間污染物發(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,定風量運行的機械通風系統(tǒng)將造成10-°。 地下車庫污染源物放量的計算采用經(jīng)驗公能源的浪費11。式法:本文針對某地下車庫,利用數(shù)值模擬的方法G = mrqt對不同時段地下車庫的污染物濃度場進行研究,式中G一地下空間CO總排放量,mg/s從而為通風系統(tǒng)的優(yōu)化控制提供參考意見。m-地下停車場的車位數(shù),輛r- - 汽車出人車庫頻率(1h內(nèi)進出車輛2研究對象描述數(shù)與停車位之比)中國煤化工付間內(nèi)C0排放量,mg/s2.1污染物濃度限值和釋放量的確定1HCN MH G車場平均運行時間,s地下車庫內(nèi)汽車排放的污染物中主要含有一結合本文研究對象,停車庫容納車位數(shù)為氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物等有害物質(zhì)(21。100 ;地下車庫內(nèi)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的時段內(nèi)不斷變化的,汽車出入車庫頻率峰值為換 ,圍護結構絕熱;1.4,平時為0.261 ;假定每輛車在車庫內(nèi)平均運(4)室內(nèi)除汽車排放的廢氣外，無其它熱源。行時間為90s;每輛汽車單位時間內(nèi)CO排放量為由于汽車在車庫內(nèi)的運行主要出于怠速狀態(tài),根200mg/s!",據(jù)相關文獻[8],尾氣溫度定義為400K;2.2物理模型(5)送排風口進出氣流恒定;某地下車庫長為90m,寬為80m,建筑面積(6)車庫送風中的有害物濃度為大氣污染濃7200m2 ,層高3. 6m,車庫平面如圖1所示。1個度限值， 取3.0mg/m'。新風管道位于遠離進出口的上部,4個排風管道為簡化問題,進行濃度場模擬計算時,忽略汽位于圖1中部和下部,大致呈左右對稱布置。車停放的隨機性,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 力學控制方程在計算中，車庫內(nèi)氣體流動假設為定常、粘性不可壓縮流動。需要研究空氣流動的速度場、溫度場、污染物濃度場情況,其流動過程要受物理守恒定律的支配，即:質(zhì)量守恒定律、動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行分析,建立各基本控制方程的圖1 車庫平面示意該地下停車場采用風管式機械通風系統(tǒng),風通用形式(9-15]:機型號為HTF-1No. 10,額定風量為45679m'/h。a( p中)+div (ρUφ) =div(Tgdφ) +S9τ送風機1臺,排風機4臺,即地下車庫的送風量為式中φ_ 通用變量, 可以代表u、v、w、T等求45679m’/h,排風量為182716 m'/h。解變量送風管道位于平面圖上方,有送風口8個;4T- -廣義擴散系數(shù).個排風管道,其中位于平面圖中間位置的兩個排S--廣義源項風管道各有風口10個,位于平面圖底部、近車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個排風管道各有風口12個。送風口項。對于特定的方程,φ T和S具有特定的形式,尺寸為800mmx320mm,排風口尺寸為630mmx表1中給出了3個符號與各特定方程的對應的250mm ,送、排風風口位置距地面約3m。關系。車庫新風管道的8個送風口風速分別為表1針對不同方 程各符號對應表達式6. 2m/s,中部的排風管道的20個排風口風速為φ8. 1m/s,車庫進出口附近的排風管道的24個排風口風速為6. 7m/s。固體壁面采用無滑移壁面，質(zhì)量方程0動量方程μp+s,壁面粗糙度定義為光滑壁面,傳熱類型選為絕熱。x;2.3通風系統(tǒng)模型簡化假設能量方程k:/CS為了能夠滿足現(xiàn)有的計算條件，并能夠最大程組分方程D, ρ度地反映通風的實際情況,在進行數(shù)值計算前,我們要對物理模型做相應簡化假設,滿足如下條件:3模擬計算方 法可行性驗證(1)室內(nèi)空氣為理想氣體,滿足理想氣體狀態(tài)方程;中國煤化工，(CFD)方法解決問題(2)忽略污染粒子的質(zhì)量,將CO視為固定污,MYHCNMHG性進行驗證,而車庫內(nèi)染源釋放,根據(jù)車輛出入車庫頻率隨時間變化規(guī)車輛行駛的隨機性和任意性給車庫內(nèi)部污染源分律確定不同時段污染物發(fā)生率,認為同一時段室布的確定帶來了一定的難度。內(nèi)污染物發(fā)生率恒定;本文根據(jù)已有的研究成果和合理假設，提出(3)室內(nèi)外空氣不通過圍護結構發(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策略進行數(shù)值模擬分析,通過模擬結果與試驗數(shù)出 人頻率約為0.5 ,測量高度約為距離地面2m的據(jù)的對比,選取最符合實際情況的污染源分布策位置,進行試驗來驗證數(shù)值模擬的有效性,CO濃略?？紤]車道為污染物主要發(fā)生區(qū)域,因此在車度數(shù)據(jù)采集位置如圖3所示。庫內(nèi)各條車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(shù)據(jù)采集位置示意0_ 20000 40.0(m010.000 30.000測量點污染物濃度數(shù)值模擬結果與實際測量圖2污染源位置示意數(shù)據(jù)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(shù)值模擬結果與實際測量數(shù)據(jù)對比SOURCE1 , SOURCE21, SOURCE22, SOURCE23，序號試驗數(shù)據(jù)( x10-*)模擬數(shù)據(jù)( 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(jù)污染物釋放量進1.91.910.52行分類,將.上述污染源分為以下幾類:考慮到1.71. 721.16SOURCE1位于車庫最上方,車輛通過最少,設為1.221. 64污染源0;SOURCF41 ,SOURCE3 , SOURCE45位于3.43.420.58主車道區(qū)域,為污染物主要發(fā)生區(qū)域,設為污染源2.831.062. 634.941; SOURCE42 , SOURCE43 , SOURCE44 , SOURCE52.11. 93-8.10位于車庫下方,車輛通過率較高,設為污染源2;SOURCE21 , SOURCE22 , SOURCE23, SOURCE24 ,由模擬值與實測值對比可以看出,除部分數(shù)據(jù)SOURCE25位于車庫上方,車輛通過率相對較低,外,大多數(shù)數(shù)據(jù)模擬值與實測值誤差較小,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,以及模擬計算車庫工況確定的情況下,車庫內(nèi)污染物釋放的有效性與準確性。根據(jù)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(shù),求解格式定義為高階例進行研究。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(guī)律。這些假設情況進行數(shù)值模擬,通過比較數(shù)值模擬結果與試驗數(shù)據(jù)，選取最符合實際情況的污染物4數(shù)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(jù)一天中車輛出人車庫頻率隨時間變化關系,由于受條件所限,選取--個工況進行試驗,驗可以計算出不同時間段車庫內(nèi)CO的發(fā)生量。根證數(shù)值模擬的有效性。為了不影響車庫正常工據(jù)研究報告表明,該車庫車輛出人頻率隨時間變作,選取車庫低峰運行時間段進行測量,對應車輛化曲線如圖4所示。2015年第43卷第7期流體機械75從圖6可見,隨著通風流量的增加,CO體積.1.4-分數(shù)下降。而隨著車庫出人頻率的增加,CO體積分數(shù)上升。可見通風流量相同的情況下，當車輛州0.8出人車庫頻率不同時，CO體積分數(shù)差別較大。當通風流量降低到0.4Q以下時,車庫內(nèi)部空氣質(zhì)量急劇惡化。車庫內(nèi)的通風系統(tǒng)只需要保證車庫開0.2- .內(nèi)部空氣質(zhì)量滿足標準即可,過高的風量必然帶4:0014:0024:00時間來能源的浪費。因此,針對不同的出人頻率,提出最優(yōu)的通風系統(tǒng)風量是有必要的。圖4車輛出人 車庫頻率隨時間變化曲線根據(jù)上文討論的結果,車庫內(nèi)CO濃度標準.汽車出入車庫頻率定義為1h內(nèi)進出車輛數(shù)25x10-6，由于本圖的CO體積分數(shù)為平均體積與停車位之比,Q為通風系統(tǒng)全開時的流量。根分數(shù),污染物濃度分布往往是不均勻的,所以車庫據(jù)不同時段車庫運行工況,對應車輛出人車庫頻內(nèi)可能存在局部區(qū)域CO體積分數(shù)超標，所以在率為0.2.0.5、1、1.4時，通風流量分別為0.05Q、制定通風流量的大小時，需要設置一定的余量。0. 10Q、0. 15Q、0. 2Q、0. 25Q、0. 5Q .0.75Q、Q時根據(jù)這種情況,在選取通風流量時將CO濃度標的各工況進行數(shù)值模擬，對應不同車輛出入車庫準設定為20x 106的頻率,車庫內(nèi)CO平均濃度隨通風流量的變化當車庫出人頻率為1.4時,根據(jù)通風流量與曲線如圖5所示。CO體積分數(shù)曲線,通風流量為0.8Q時，即可滿足空氣質(zhì)量要求。當車庫出人頻率為1時,通風100出人頻率1.4流量為0.5Q時,即可滿足空氣質(zhì)量要求。當車. 出入數(shù)10庫出入頻率為0.5時,通風流量為0.3Q,即可滿t 出大數(shù)率0:2足空氣質(zhì)量要求。當車庫出入頻率為0.2時,通風流量為0.1Q,即可滿足空氣質(zhì)量要求。8根據(jù)車庫車輛出人頻率隨時間變化曲線,就可以在滿足空氣質(zhì)量的條件下,制定出最佳的通0.00.50風流量變化曲線,節(jié)省電能。針對該車庫車輛出通風系統(tǒng)流量人頻率隨時間變化曲線,以及不同車輛出人頻率圖5不同出入頻率下 ,車庫內(nèi)CO平均濃度對應的最佳通風流量,可以推出最佳通風流量隨隨通風流量變化曲線時間變化曲線。根據(jù)這一曲線,可以制定車庫通車庫內(nèi)CO平均濃度反映了整個車庫的空氣風的最佳策略。品質(zhì),下面針對1. 7m高度一成年人主要 呼吸通風流量隨時間變化曲線如圖7所示。范圍的污染物濃度進行分析。對應不同的出人頻率, 1. 7m高度CO平均濃1.0Q度隨通風流量變化曲線如圖6所示。100-區(qū)0.50: 出個路率09區(qū)r出大賴率0:2中國煤化工)oMHCN MH GI駕圖7通 風流量隨時間變化曲線0.5Q1.00*6:00的通風流量設置為0. 1Q,隨時間推移,通風流量逐漸增大,8 :00通風流量開到0.3Q,上圖61.7m高度CO平均濃度隨通風流量變化曲線午10點通風流量設定為0.6Q,11 :00通風流量為76FLUID MACHINERYVol. 43 ,No. 7 ,20150.8Q。12:00 半通風流量調(diào)整到0.7Q,隨后of carbon monoxide level and thermal environment in14:00通風流量開大到0.8Q,隨著通風流量逐漸an undergound car park [ J]. Building and EnViron-降低,16:00通風流量調(diào)整為0.6Q,18:00通風流ment ,2004 ,39( 1) :67-75.[5]ASHRAE. ASHRAE HandbookHV AC application[ M].量調(diào)整為0. 3Q ,20:00通風流量調(diào)整為0.1Q。Atlanta: ASHRAE,1999 :58-69.按照上述策略調(diào)整通風系統(tǒng)流量時,根據(jù)相關模擬結果可知，雖然局部區(qū)域CO濃度超過20[6Chow W K. On ventilation Design for Underground CarParks[J ]. Tunneling and Underground Space Technol-x10-°,但仍然在本文規(guī)定標準25 x10-以下,ogy, 1995 ,10(2) :225-245.可見通風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[M]. 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