地下空间通风优化

第15卷第12期2015年4月科学技术与工程Vol.15 No.12 Apr. 20151671- 1815(2015)12-0265-05Science Technology and EngineeringC 2015 Sci. Tech. Engrg地下空间通风优化高超陈梅珊吴伟亮(.上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240)摘要由于车辆出入车库的频率时刻都在变化,车库内单位时间污染物释放量相应发生变化,针对不同工况采取相同的通风量显然是不合理的。过低的通风量将导致车库内空气品质不佳,过高的通风量将导致能源的浪费。以某车库为研究对象，进行数值模拟分析,探索通风系统的优化控制策略。关键词空气污染CFD模拟地下空间中图法分类号X511;文献标志码A为解决汽车保有量上升带来的停车紧张问题，停车场平均运行时间,s;q为每辆汽车单位时间内大型商业建筑和居住小区等人口密集区都配有地下CO排放量，m/s。车库,-般采用定风量运行的机械通风系统来保证结合研究对象，停车库容纳车位数为100;地下空气品质"。由于汽车出人车库的数量是时刻变车库内空气污染物的排放情况是在不同的时段内不化的,车库内单位时间污染物发生量也是不断变化断变化的,汽车出人车库频率峰值为1.4, 平时为的，定风量运行的机械通风系统将造成能源的0.21];假定每辆车在车库内平均运行时间为90浪费[2]。s[12;每辆汽车单位时间内CO排放量为200本文针对某地下车库,利用数值模拟的方法对mg/s[13.14]。不同时段地下车库的污染物浓度场进行研究,从而1.2物理模型简介为通风系统的优化控制提供参考意见。某地下车库长为90m,宽为80m,建筑面积7 200 m2 ,层高3. 6 m,车库平面示意图如图1所示。1研究对象描述一个新风管道位于远离进出口的上部,四个排风管1.1污染物浓度限值和释 放量的确定道位于图1中部和下部,大致呈左右对称布置。地下车库内汽车排放的污染物中主要含有一-氧车库新风管道的8个送风口风速分别为6.2化碳、碳氢化合物、氮氧化合物等有害物质[)]。据m/s,中部的排风管道的20个排风口风速为8.1 m/研究表明:如果Co浓度指标达到要求,那么其他污s,车库进出口附近的排风管道的24个排风口风速染物浓度也- -定会满足要求(46]。所以在地下停车为6.7m/s。固体壁面采用无滑移壁面，壁面粗糙库通风量的计算与控制中，通常以CO浓度为依据,度定义为光滑壁面,传热类型选为绝热。因此将主要考察尾气中的CO。根据相关文献(7-9] ,由于本车库位于人口密集区,需要考虑机械通风系统排出的污染物对周围环境的影响,本文CO污染物限值取为25 x 10-6(ppm)。地下车库污染源物放量的计算采用经验公式法[0。G = mrqt。式中:G为地下空间CO总排放量, mg/s;m为地下停车场的车位数，(辆);r为汽车出入车库频率(一小时内进出车辆数与停车位之比);t为汽车在地下中国煤化工，2014年12月29日收到国家863计划(2012AA062703)资助CNMHGI garage第一作者简介:高超,男。 硕士。研究方向:动力机械及工程。E-.JYHmail: gaochaoveryeool@ 126. com。1.3 通风系统模型简化假设为了能够满足现有的计算条件,并能够最大程.12期高超,等:地下空间通风优化267数据,选取最符合实际情况的污染物分布策略。最由模拟值与实测值对比可以看出,除部分数据终得到结果如下所示:忽略污染源0的Co发生量，外,大多 数数据模拟值与实测值误差较小，充分验证即SOURCE1 =0;污染源1占总污染源的70% ;污染了模型选取与网格划分的合理性,以及模拟计算的源2占总污染源的20%;污染源3占总污染源有效性与准确性。根据对比结果,热量传输模型选的10%。择Total Energy 模型,湍流模型选择k-Omega模型，由于受条件所限,选取-一个工况进行实验,验证使用Automatic壁面函数,求解格式定义为高阶求解数值模拟的有效性。为了不影响车库正常工作,选格式[12],并确定污染源分布规律。取车库低峰运行时间段进行测量,对应车辆出人频3数值模拟结果与分析率约为0.5,测量高度约为距离地面2米的位置,进:行实验来验证数值模拟的有效性,CO浓度数据采车库各个时段的汽车出入车库频率是不同的,集位置如图3所示。汽车出人频率最高为1.4,而最低只有0.2。根据一天中车辆出人车库频率随时间变化关系,可以计算ANSYSr14.5出不同时间段车库内CO的发生量。根据研究报告表明,该车库车辆出人频率随时间变化曲线如图4所示。.1.412-k 1.0-安08-盟0.6-0.2468101214161820222430.000 m时间(时)一1500图4车辆出人车库频率随时间变化曲线图3数据采集位置示意图Fig. 4 The curve that car frequency changes with timeFig. 3 Data collection point of the underground garage汽车出入车库频率定义为一小时内进出车辆数测量点污染物浓度数值模拟结果与实际测量数与停车位之比,Q为通风系统全开时的流量。根据据对比如表2所示, 10 -6(ppm)为体积分数单位,代不同时段车库运行工况，对应车辆出人车库频率为表每百万体积空气中所含污染物体积数。0.2.0.5、1、1.4时,通风流量分别为0. 05Q、0. 10Q、表2污染物浓度数值模拟结果与实际测量数据对比0.15Q、0.2Q、0. 25Q、0.5Q、0.75Q、Q时的各工况进行数值模拟，车库内CO平均体积分数如表3所示。Table 2The contrast between simulationresults and experimental data表3不同出入频率,车库内CO平均浓度( ppm)对比Table 3 The pollution concentration of the序号实验数据 10 °(ppm)模拟数据10-6(ppm)误差/%underground garage1.81. 821.101.92.046.86、通风流量0.05Q 0.10Q 0.15Q 0.20Q 0.25Q 0.5Q 0.75Q 1Q出入频率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 .对应不中国煤化工车库内CO平2. 11.93-8. 10均浓度随通MHCNMHG所示。总和19. 319.521.13车库内CO平均浓度反映了整个车库的空气品质,下面针对1.7 m高度一成年人主要 呼吸范围268科学技术与工程15卷不同时,CO体积分数差别较大。当通风流量降低100.出入频率1.4●出人期100到0.4Q以下时,车库内部空气质量急剧恶化。车; 80-+出入频率0.2库内的通风系统只需要保证车库内部空气质量满足标准即可,过高的风量必然带来能源的浪费。因此，黎60针对不同的出入频率,提出最优的通风系统风量是蓄4有必要的。8根据上文讨论的结果,车库内CO浓度标准二2025x10-6(ppm),由于本图的CO体积分数为平均体积分数,污染物浓度分布往往是不均匀的,所以车0.0 02 040.8库内可能存在局部区域CO体积分数超标,所以在通风系统流量Q制定通风流量的大小时，需要设置一定的余量。 根图5不同出人频率下 ,车库内C0平均浓度据这种情况，在选取通风流量时将CO浓度标准设随通风流量变化曲线定为20 x 10 -6( ppm)。Fig 5 The curve of pollution concentration当车库出入频率为1.4时,根据通风流量与CO的污染物浓度进行分析。对应不同的出人频率，体积分数曲线,通风流量为0.8Q时,即可满足空气1.7 m高度CO平均浓度10 -°(ppm)如表4所示。质量要求。当车库出人频率为1时,通风流量为0. 5Q时,即可满足空气质量要求。当车库出入频率表4不同出入频率,1.7 m高度CO平均为0.5时,通风流量为0.3Q,即可满足空气质量要浓度10-*(ppm)对比求。当车库出人频率为0.2时,通风流量为0.1Q,Table 4 The contrast of CO concentration at the即可满足空气质量要求。height of 1. 7 m in different frequency根据车库车辆出人频率随时间变化曲线,就可通风流量0.05Q 0.10Q 0.15Q 0.20 0.25Q 0.50 0.75Q 1Q以在满足空气质量的条件下,制定出最佳的通风流出人频率.4205.5 109.2 72.7 54.3 43.4 23.6 16.6 13.1量变化曲线,节省电能。下面,针对该车库车辆出人146.979.3 53.2 40.5 31.7 17.6 126 10.1频率随时间变化曲线,以及不同车辆出人频率对应1.574.5 40.8 27.8 21.4 17.4 9.94 7.53 6.23的最佳通风流量,可以推出最佳通风流量随时间变).231.417.9 12.7 10.1 8.40 5.56 4.56 4.06化曲线。根据这一-曲线,可以制定车库通风的最佳对应不同的出入频率,1.7 m高度CO平均浓度策略。随通风流量变化曲线如图6所示。100-: - 出入频率1.4 ]8-. +出入期率10”8C二二出入频率0.2届0.6-60贝0.4-40年2046810121416182022240.20.4 0.6.0时间(时)图7通风流量随时间变化曲线图61.7m高度CO平均浓度随通风流量变化曲线Fig 7 Relation between ventaliation quanitity and timeFig 6 Relation between CO concentration and ventaliation通风流量随时间变化曲线如图7所示，上午六quantity at the height of 1.7 m点的通风流量设置为010.随时间推移,通风流量可见随着通风流量的增加,CO体积分数下降。逐渐增大,上中国煤化工3Q,上午十点而随着车库出人频率的增加, CO体积分数上升。通风流量设fYHCN MH G通风流量为可见通风流量相同的情况下,当车辆出人车库频率0. 8Q。中午十二点半通风流量调整到0.7Q,随后下12期高超,等:地下空间通 风优化269午两点通风流量开大到0.8Q,随着通风流量逐渐降s ASHRAE. ASHRAE Handbook HVAC aplication. Atlanta: ASHRAE,低,下午四点通风流量调整为0.6Q,下午六点通风1999:58- 69中华人民共和国卫生部. CB Z2- -2002, 工作场所有害因素职业流量调整为0.3Q,下午八点通风流量调整为0.1Q。接触限值, 2002根据以上策略调整通风系统流量，不仅能够保The healh ministry of the People's Repubie of China. GB Z2- -2002 ,证车库内部空气质量,还将大大减少能耗,实现节能exposure limit of harmful facors in workplace ,2002的目的。8 DB 11/044- 1999. 汽油车双怠速污染物排放标准, 1994DB11/044- 1999 discharge standardsof Gasoline cars of double idle4结论pollutant, 1994传统的机械通风系统往往采取定风量运行模9中华 人民共和国卫生部室内空气质量卫生规范,2001The health ministry of the People's Republic of China. standards of In.式,在保证空气质量的前提下,往往会造成能源的浪door air quality ,2001费。本文针对该车库汽车出人车库频率随时间变化10 杨强,单敏.地下车库汽车尾气污染源强计算浅析.环境科学与管理2006;31(5):75-777曲线,对不同通风量和不同车库出人频率的情况进Yang Q, Shan M. The research about cars emission in the under-行数值模拟,提出一种优化的机械通风系统运行模ground garage. Enionnental Science and Management, 2006;31式。即在保证空气质量的前提下,尽量减少能源的(5):75-77消耗,为今后车库内机械通风系统的设计提供- -些1 陈国平.地下车库汽车废气污染状况调查.上海环境科学. 199;，参考。18(8) :374- -375Chen G P. 'The iovestigation about car gas in the underground gar~参考文献age. Shanghai Enionnental Science , 1999 ;18(8) :374- 375张寅平 ,张立志,刘晓华.建筑环境传质学.北京:中国建筑工业2陈刚.地下车库通风量的确定与控制.暖通空调, 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韩宗伟,王 嘉， 邵晓亮.城市典型地下空间的空气污染特征及and Undergound Space Technology , 195;10(2) :2252- 245其净化对策.暖通空调, 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 谢龙汉. ANSYS CFX流体分析及仿真.北京:电子工业出版社,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,谭洪卫. 地下车库诱导通风系统的数值模拟与6黄雪,张慎言.地下汽车库的通风系统和防排烟的设计问优化.流体机械，2004; 32(12) :27--30题.全国暖通空调制冷2002 年学术年会资料集，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中国煤化工。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