舒适节能策略在南京南站中的应用

舒适节能策略在南京南站中的应用摘要：本文通过对南京南站主站房的负荷特点及室内空调通风方案的设计分析，采用模拟软件进行辅助设计，并对自然通风系统和空调通风系统进行设计优化。提出既满足节能又满足室内舒适性的合理的设计方案，大大的节约了空调能耗，对节能减排有重大意义。关键词：自然通风舒适节能模拟设计空调能耗绪言在我国建筑能耗中，公共建筑能耗占有相当大的比例。我国大型公共建筑耗电量为每年每平方米70kwh～130kwh，是住宅的10～20倍，是建筑能耗的高密度领域。南京南站作为大型的交通枢纽建筑，在城市建筑环境中占据重要地位，具有节能技术要求高，节能潜力大等特点。本文主要以南京南站主站房候车大厅和出站大厅为研究对象，通过理论分析与数值模拟相结合的方法，对自然通风系统及空调通风系统进行设计优化分析，使制冷机在低负荷率条件下工作的时间变短，大大的节约了空调能耗。同时，通过模拟手段对候车层天窗的热辐射特性进行舒适性分析，综合考虑建筑采光效果，确保屋顶天窗的选取的合理性。经过与建筑师多方面的密切配合，使得南京南站主站房既能满足建筑效果的美观，又能保证舒适与节能策略得以合理的应用。背景特点随着公共建筑能耗的逐年递增，大空间的公共建筑的能耗更是增长惊人。南京南站作为交通枢纽其自身具有空间大、人员流动大、照明系统复杂、玻璃面积比较大、车站出入口的门开启频率高、变化多等特点，其空调系统的能耗较大，超过整体能耗的50％。因此，如何降低空调能耗对整个南京南站的节能有着重要作用，在满足节能的前提下又不能牺牲室内舒适性，这就对暖通空调专业提出要求。站房通风系统的分析与设计南京南站的楼层概况如下：首层(标高±0.000m)为出站层，二层(标高12.400m)为站台层，三层(标高22.400m)为高架候车层，地下层(－9.600m)包括地铁站厅层、设备用房及地下商业等。在通风的优化设计中主要针对出站层和候车层。1无组织渗透风量的确定由于车站交通建筑候车大厅外门频繁开启的特点及部分空间不封闭等特性，其无组织的渗透风量不仅关系着自然通风系统的效果，更对空调实际负荷值影响甚大，影响空调设备的实际选型及室内的舒适性。目前关于渗透风对建筑能耗影响的认识更多地是来自定性分析，设计人员无法准确确定渗透风对建筑内环境的影响程度。而在本项目设计过程中，首次对无组织渗风量进行了合理量化计算，采用cfd与多区域网络模型结合的方法，经过对2000多个工况的模拟，归纳整理得到出站层和候车层在不同温度和风速条件下的八个风向的拟合公式，并将其置入dest模拟软件中进行迭代计算，进而得出全年8760小时逐时渗透风量，如图1和图2所示。通过对无组织渗风量的合理量化计算，保证了对通风系统模拟的准确性，为通风系统的分析与设计提供了坚实的基础。2出站层通风系统的选择与设计首层出站大厅位于铁路站台下方，形成巨大的阴影区，太阳辐射的热量极小，其通过东西各15个站台通道与外界相通，属于一半开敞的室外空间，且出站大厅不属于铁路站房的付费区域，乘客在此处只做短暂停留，室内热舒适度要求并不高。但出站大厅人员稠密，内部发热量较大，如缺乏必要的通风空调系统。无法处理室内余热，将严重影响室内的舒适性。由于出站大厅受层高所限，缺少形成大规模热压通风的条件，如仅依靠以风压主导的自然通风，其通风效果缺乏稳定性，当室外风速很小时，可能无法带走室内余热而导致室内温度不断升高。为此，我们对出站大厅在自然渗风工况下的基础室温进行了模拟，通过模拟发现，如果仅依靠自然通风，全年约有2000小时其室内温度高于29℃，这种情况显然无法满足室内舒适度要求，因此有必要设置机械通风系统或冷风降温系统。本工程出站层设计机械通风风量为90万m3／h(折合3次换气)工况下，对基础室温进行模拟、统计，如图3及表1所示。可以看出，采用机械通风后室内舒适温度小时数大幅增加，但全年仍有1000小时以上温度超过29℃。同时对机械通风风量为120万m3／h(折合4次换气)工况下的出站层基础室温进行模拟、统计，结果仍不理想。考虑到南京地区高温高湿的特点，该结果显然难以满足室内舒适度要求，所以出站大厅仍需安装冷风降温系统(表1)。为确定过渡季节机械通风是否能够起到很好的冷却效果，我们对出站层过渡季的自然室温进行统计分析。以3次通风换气为例，如图4及表2所示。在气候条件适宜的情况下，机械通风可以起到很好冷却的效果。同时发现若以4次通风换气计算，其对舒适效果的提升并不明显，因此本设计机械通风系统采用3次换气，风量为90万m3／h。3高架候车层自然通风的分析与优化设计高架候车层长370m，宽156m，层高最高处36m。实际就是一个大空间大厅，大厅内功能分区很多，各功能分区上空完全连通，形成一个整体。设计人员分别对不同换气次数工况进行模拟，全年逐时室温分布统计如图5及表3、图6及表4：从以上结果可以看出，在过渡季期间，每小时2次左右的通风换气可以对候车大厅起到比较好的降温作用，有效缩短空调系统的运行时间，降低运行能耗。但是，由于候车大厅空间巨大，总容积超过150万m3，因此即使换气次数不大，如果完全依靠机械通风，其风机能耗也相当可观，因此应尽量采用自然通风的方式。候车大厅层高较高，具有形成稳定的自然通风的潜力。如在底部和顶部同时设置开口，在热压的作用下，室内外空气可以持续地互相流动，可及时带走室内产生的余热。根据消防性能化设计要求，候车层消防排烟采用自然排烟方式，经与建筑师沟通，在屋顶设置电动开启窗，使自然排烟与自然通风得到有机的结合。平时屋顶电动窗可用于自然通风，使自然风从高架候车层东西两侧自动门进入建筑，通过候车大厅顶部天窗排出室外。当室外温度在22.0℃以下时，自然通风可完全代替空调制冷系统，使室内环境满足舒适度要求。改进自然通风效果后，车站管理人员可以充分利用过渡季室外新风，减少空调季时间，从而直接减少冷机负荷。此外，在空调季期间，通过夜间利用自然通风，减少夜晚及凌晨的空调负荷，可进一步减少空调系统开启小时数，实现节能的目的。经计算，采用自然通风，全年累计冷负荷可降低131.84万kwh，相当于候车层全年空调负荷的14.5％，有效地降低了空调能耗。高架候车层空调系统的设计如前所述，火车站房建筑具有进出口众多、外门开启频率高及空间难以封闭等特点，因此高架候车层在进行负荷计算时必须充分考虑无组织渗风给空调负荷带来的影响。设计人员通过计算机模拟分析对无组织渗风进行了量化计算，并按照室内内区、外区以及室外空气的焓差，将渗风负荷分配到室内各个区域，带入到建筑冷热负荷模型中，得到空调负荷结果，从而保证了空调设备选型的准确性。高架候车层空调系统采用了三种送风末端形式：条形喷口及散流器顶送，喷口侧送和“多功能集成模块”送风单元侧送。在建筑空调设计中，采用了分区空调的设计理念，不同功能区域采用不同设计标准，从而达到舒适节能效果。东西侧候车区域人员密度大，停留时间长，设计中定位为重点保证区域，采用喷口侧送方式，空调送风充分覆盖，完全保证其效果。中央通道区域人员密度低，停留时间短，定义为过渡区域，采用“多功能集成模块“送风单元方式，适度进行空调降温，使旅客逐渐适应空调区域的温度。条形喷口及散流器顶送负责大厅东西两侧层高较低的检票闸口区域(图10)。选择其中一处典型区域(如图11中黑线区域)进行计算，其它区域的流场可认为与计算区域相似。采用phoenics计算流体力学软件，对其进行温度、速度场的模拟，调整送风单元的风口的角度，从而满足大厅的舒适度要求。“多功能集成模块”的风口垂直送风角度为0°、15°和30°时三种工况下的模拟结果如图7～9所示：根据模拟结果比较可以得到：送风角度为0°、15°和30°时的人行高度平均温度分别为26.5℃、26.4℃和26.6℃，送风角度为向上15°时大部分区域温度适中，温度分布更加均匀一些，故采用沿垂直方向向上15°的送风方式。高架候车层热舒适性分析评价室内热舒适的指标很多，目前应用最广泛的是预测平均评价(pmv，predictedmeanvote)和标准有效温度(set，standardeffectivetemperature)。由于站厅内有部分区域受到太阳辐射的影响，可能存在偏离舒适区较远的情况，因此本节采用标准有效温度对高架候车厅的热舒适状况进行分析评价。标准有效温度反映了人体对环境干球温度、湿度、空气流速以及辐射的综合感受。当标准有效温度在20℃～30℃范围内时，人体感觉舒适，身体处于正常健康状态。综合考虑室内自然采光和室内热舒适性的要求，取遮阳系数sc值0.2、0.3的情况以6月25日正午12时太阳辐射强度最强为例进行模拟得到标准有效温度分布图(图12～图14)。采用ecotect软件模拟得到天窗玻璃sc值为0.2时室内的自然采光照度值，如图12所示。由图中可以看出，在最不利全阴天的情况下，室内自然采光照度值绝大多都在100lux左右，室内采光条件非常好，天窗采用sc值为0.2的玻璃不会对室内采光造成影响。采用phoenics模拟室内的气流场，用ecotect模拟室内太阳辐射分布情况，计算得到正午12时候车大厅内的set分布图，如图15、图16所示。由图可知，sc值为0.2时，大厅内的set值绝大多数在30度以内，局部最高为30.5度，而在sc值为0.3时，大厅内的标准有效温度值绝大多数同样在30度以内，局部最高为31度，室内绝大多数区域达到了舒适度要求。根据上述分析，通过与建筑专业密切协商与积极配合，最终得到屋顶天窗的平均总结在能源危机和环境污染的大环境下，随着人类活动对建筑规模、功能等多方面不断的提出新的要求，只有暖通空调专业与建筑专业的密切配合，才能使所设计的建筑既能满足人们的舒适要求，又能满足建筑节能和当今社会的发展要求。本工程采用dest、phoenics、ecotect等模拟软件的辅助设计，在与建筑师进行紧密沟通的同时，对空调通风系统进行了设计优化，使候车层全年累计冷负荷降低了131.84万kwh，相当于候车层全年空调负荷的14.5％，制冷机在低负荷率条件下工作的时间变短，大大地节约了空调能耗。同时，通过模拟手段对“多功能集成模块”的室内气流组织可及性进行分析，确定得到空调季送风角度，从而完成了室内高大空间分层气流组织的研究，对空调方案进行了校核及优化。最后利用phoenics、ecotect等模拟软件分析了候车层天窗热辐射舒适性，对屋顶天窗的sc值提出要求，使得屋顶天窗的选取既满足建筑采光要求，又满足室内热舒适性的要求，达到了建筑效果与节能的统一。参考又献1陆耀庆，实用供热空调设计手册，第二版，中国建筑工业出版社，20082李传成，大空间建筑通风节能策略中国建筑工业出版社，20113孙敏生，王威，万水娥国家大剧院观众厅空调系统和气流组织方式的设计与分析，暖通空调，2003.33(3)4薛志峰，江亿北京市建筑用能现状与节能潜力分析暖通空调，2005.34(09)；7－105范存养，大空间建筑空调设计与工程实录，北京，中国建筑工业出版社，2001