嚴寒及寒冷地區軌道交通高大廠房風幕阻風特性研究

西安市軌道交通集團有限公司 車 凱

中鐵第一勘察設計院集團有限公司 南 碩△ 陳 敏

0 引言

近十幾年來，我國軌道交通行業迅速發展，截至2018年底，我國鐵路總里程達13.1萬km，高速鐵路營業里程達2.9萬多km，居世界首位[1]。我國已有33座城市開通地鐵，運行里程6 343.53 km[2]。在鐵路和地鐵建設的全面帶動下，與之配套的附屬建筑快速發展，其中，以高大廠房為代表的工業建筑面積占比超過60%。根據工藝和熱舒適的要求，現有的嚴寒、寒冷地區高大廠房需設置供暖系統，其單位面積的供暖熱負荷指標往往是民用建筑的2～3倍[3]，此類建筑的冬季供暖能耗通?？烧颊麄€車輛基地的70%以上，節能問題亟待解決。

與常規建筑相比，軌道交通高大廠房具有以下特點：建筑體量巨大，面積普遍在10 000～50 000 m2，且層高往往超過10 m，室內溫度梯度較大[4]，呈現顯著的“上熱下冷”現象，從而導致人員活動區域供暖效果差，溫度要求不高的上部空間溫度過高，造成大量熱量散失；圍護結構多采用輕質材料，側窗、天窗的面積較大；此類廠房的室內發熱量小，人員密度低，冬季列車會帶進大量吸熱物體，成為重要的熱負荷來源；由于車輛頻繁進出的工藝要求，廠房外門高度較高，開敞時間較長，且存在無法封閉的孔洞等，使得冬季冷風滲入、侵入量極大，造成供暖負荷激增。以上軌道交通高大廠房的特點，不僅為工程設計與日常運營帶來很多難點，也是降低供暖能耗的關鍵所在。

針對軌道交通高大廠房供暖的實測研究表明[3]，冷風侵入是影響此類建筑冬季供暖能耗的決定性因素。因此，本文將基于對嚴寒、寒冷地區軌道交通高大廠房供暖負荷特性的分析，通過數值模擬方法，系統探究以大門風幕為代表的降低冷風侵入措施，并提出相應節能建議，以期為軌道交通高大廠房的工程設計與運行維護提供指導。

1 軌道交通高大廠房冬季供暖負荷特性

1.1 供暖負荷分項計算

軌道交通高大廠房的熱負荷主要由外墻、外窗等圍護結構傳熱負荷，通過開啟的大門、破損的天窗的冷風侵入滲透負荷與冬季冰冷的列車進入室內帶來的冷源吸熱負荷組成。上述負荷最終轉化為供暖能耗。供暖負荷計算式為

Q=Qe+Qsw+Qo

(1)

Qe=Qw+Qow+Qr+Qs

(2)

Qe=KxAx(tx-tw)

(3)

Qsw=Gρc(tn-tw)

(4)

式(1)～(4)中Q為建筑總供暖負荷，W；Qe為圍護結構傳熱耗熱量，W；Qsw為通過門窗的冷風滲透、冷風侵入耗熱量，W；Qo為其他因素帶來的建筑耗熱量，W；Qw為通過外墻的傳熱耗熱量，W；Qow為通過外窗的傳熱耗熱量，W；Qr為通過屋面的傳熱耗熱量，W；Qs為通過天窗的傳熱耗熱量，W；Kx為圍護結構傳熱系數，W/(m2·℃)；Ax為圍護結構的面積，m2；tx為圍護結構附近的室內溫度，℃；tw為室外溫度，℃；G為滲風量，m3/s；ρ為空氣密度，kg/m3；c為空氣比熱容，J/(kg·℃)；tn為室內空氣溫度，℃。

1.2 供暖負荷特性分析

對嚴寒、寒冷地區典型鐵路客運段整備庫的供暖能耗、水系統供回水溫度、室內熱環境等進行現場實測，測試結果表明：高大廠房室內熱環境在水平方向與豎直方向呈現顯著的不均勻性。由于廠房大門常開，室外低溫空氣極易流入，靠近大門區域的溫度明顯低于室內其他區域，極端情況下可低至室外氣溫水平；而距大門較遠的中部區域明顯溫度較高，在散熱器的加熱作用下，該區域基本可達到16 ℃的室內設計溫度；廠房內豎直方向存在較大溫度梯度，最高可達7 ℃，廠房上部堆積的高溫空氣，不僅會造成其自身與室外環境的劇烈換熱，還會增強室內外熱壓差，從而使大門冷風侵入更加難以控制。

由于列車頻繁進出的工藝需求，白天時廠房大門常開，加之圍護結構存在大量滲風孔洞，如大門接觸網留洞、墻體孔洞、未關閉的外窗及天窗等，導致此類建筑冷風滲透、侵入量極大，由此帶來的熱負荷占建筑供暖負荷的62.1%，為軌道交通高大廠房供暖能耗的決定性影響因素。另外，由于此類廠房建筑注重自然采光，設有大面積的側窗與天窗，外窗傳熱量占到了總圍護結構傳熱量的64.9%，明顯高于墻體及屋面的傳熱量。

2 大門風幕阻風特性模擬研究

2.1 風幕類型與阻風評價標準

為實現軌道交通高大廠房冬季高效供暖，有效阻擋、控制通過廠房大門的冷風侵入至關重要。風幕是目前應用最為廣泛的阻風措施，各類工程實例表明，風幕可有效削弱外門的冷風侵入。

大門風幕根據安裝位置與送風方向，可分為頂送風幕、單側送風幕與雙側送風幕；根據送風溫度，可分為熱風幕(通過熱媒或電加熱空氣)與常溫風幕(不加熱)。為探尋最適用于軌道交通高大廠房的大門風幕類型，本文將基于真實廠房模型，通過數值模擬方法，對不同類型大門風幕的阻風特性進行研究。

為量化評價風幕的阻風效果，定義阻風效率η：

(5)

式中Gc為使用風幕后的大門滲風量，m3/s；Go為無風幕下的大門滲風量，m3/s。

2.2 數值模擬模型

為探究不同類型大門風幕在實際工程中的應用效果，以CFD商用軟件ANSYS Fluent為平臺，基于嚴寒地區某典型鐵路客運段整備庫建立如圖1所示的數值模擬模型。根據軌道交通列車檢修工藝特點，此類建筑整體呈條狀特征，股道與廠房外門一一對應。模型主體的寬度為12.6 m，高度為8.5 m，廠房大門寬度為4.2 m，高度為5.5 m。模型采用結構化六面體網格，網格數量約110萬個；由于廠房大門、風幕風口、圍護結構壁面及其附近的流場、溫度場存在很大的速度梯度、溫度梯度，為更準確地反映空氣流動情況，對上述位置的網格進行局部加密，近壁面第1層網格高度不大于2 cm。根據空氣幕相關數值模擬研究結果[5-6]，選取標準K-ε模型為湍流模型。

圖1 軌道交通高大廠房數值模擬模型

選取嚴寒地區某典型城市氣象條件為室內外環境參數，冬季室外通風設計溫度為-11.4 ℃，冬季室內供暖設計溫度為16 ℃，冬季最多風向平均風速為3.2 m/s。模型邊界條件根據實際情況進行設置，軌道交通高大廠房各墻體及空氣幕表面均設置為無滑移壁面邊界；風幕送風口設置為進口邊界，送風風速、溫度、角度根據具體工況設置；風幕回風口設置為出口邊界，出口質量流量與送風口流量相同；為真實反映冬季冷風侵入大門的情況，綜合考慮熱壓與風壓的聯合影響，廠房大門設置為線性函數壓力邊界條件，如圖2所示。

圖2 廠房大門風壓熱壓聯合邊界條件

2.3 送風形式對風幕阻風特性的影響

目前，高大廠房應用較多的風幕形式為頂送風幕與雙側送風幕。依據國家建筑標準設計圖集13K312《空氣幕選用與安裝》，本文選取典型頂送空氣幕(型號RM-L-D)、側送空氣幕(型號RM-L-C-D)建立模型，風幕送回風口均采用單層百葉風口，送風角度可調；為保證在風量相同的條件下進行對比分析，頂送、側送風幕送風口均緊貼大門邊緣布置，總面積均為0.55 m2。本節對上述2種風幕在不同風速工況下的阻風特性進行模擬計算，對比分析送風速度(風量)、送風溫度相等時，頂送風幕與雙側送風幕的阻風效果。工況設置與計算結果如表1所示。

表1 不同送風形式下模擬工況設置與風幕阻風效率

數值模擬結果表明：送風速度越大，大門風幕的阻風效率越高；送風速度相等的情況下，雙側送風幕的阻風效率明顯高于頂送風幕，當送風速度為12 m/s時，頂送風幕的阻風效率為32.91%，而雙側送風幕的阻風效率為84.86%，冷風侵入量僅為頂送風幕工況下的1/4。圖3顯示了不同送風速度工況下頂送風幕與雙側送風幕大門冷風侵入速度分布，紅色區域越大，代表冷風侵入現象越強烈。如圖3所示，當送風速度低于4 m/s時，頂送風幕與雙側送風幕阻擋冷風侵入的效果均不明顯；當送風速度高于8 m/s時，雙側送風幕阻風效率顯著提高，可有效削弱冷風侵入對室內供暖效果的不利影響，而頂送風幕的效果不甚理想。

圖3 頂送風幕與雙側送風幕大門冷風侵入速度分布

2.4 送風角度對風幕阻風特性的影響

相關研究表明，風幕送風向室外側傾斜一定角度時，阻風效果更佳。而根據上節研究，雙側送風幕的阻風效果明顯優于頂送風幕，因此本節通過數值模擬方法，對比分析雙側送風幕送風向外的偏斜角度對風幕阻風效果的影響。

工況設置與模擬結果如表2所示，結果表明：當送風速度低于10 m/s時，雙側送風幕的阻風效率隨送風速度的增大顯著提升，當送風速度高于10 m/s時，阻風效率維持在一個較高水平，可達80%～90%；在同一送風速度下，隨著向外送風角度的增大，與大門垂直方向上的風幕的氣流可減小侵入冷風的速度，大門的阻風效率逐漸增大，當出風角度為30°時，風幕的阻風效率最大可達91%，冷風侵入得到有效阻擋。圖4顯示了不同送風速度工況下，雙側送風幕大門送風角度分別為0°、15°、30°時的冷風侵入速度分布。如圖4所示，當送風速度相等時，送風角度30°工況下的雙側送風幕阻風效果優于0°與15°工況；上述情況在高風速情況下尤為顯著，風速超過12 m/s時，雙側送風幕以30°的角度向外送風，可基本實現對冷風侵入的完全阻隔，僅在大門中心、雙側氣流交匯處產生少量冷風滲透。

表2 不同送風角度下模擬工況設置與風幕阻風效率

圖4 不同送風角度、送風速度下冷風侵入速度分布

2.5 送風溫度對風幕阻風特性的影響

現有軌道交通高大廠房通常采用以熱水或電為熱源的熱風幕，但使用效果并不理想。本節通過數值模擬方法，對比分析送風速度、送風角度相同時，送風溫度對風幕阻風效果的影響。工況設置與模擬結果如表3所示。

表3 不同送風溫度下模擬工況設置與風幕阻風效率

數值模擬結果表明：對于雙側送風幕，當送風速度相等時，送風溫度越高，風幕的阻風效率越低；風幕保持10 m/s的送風速度不變時，送風溫度15 ℃(與室內設計溫度基本一致，常溫風幕)工況下的阻風效率為76.87%，當送風溫度升高至60 ℃時，風幕阻風效率僅為56.08%，阻風效率顯著下降。

圖5顯示了不同送風溫度下，雙側送風幕大門

冷風侵入速度分布。圖6顯示了不同送風溫度下，廠房中心縱截面速度分布。如圖5、6所示，對于本文選取工況，隨著送風溫度的升高，通過大門的冷風侵入量增大，風幕阻風效果變差，尤其對于送風溫度60 ℃的工況，阻風效果極不理想。究其原因，當風幕送風溫度較高時，其送出的熱空氣密度明顯低于室外冷空氣的密度，熱空氣送出后會在密度差的作用下出現明顯的“上浮”現象，迅速聚集在大門上部乃至廠房頂部，導致無法在大門區域形成完整、穩定的空氣幕以阻擋冷風侵入，尤其難以覆蓋大門下部；而在熱壓與風壓的聯合作用下，大門下部為冷風侵入的主要區域，更使得熱風幕的阻風效果難以保障。對同類軌道交通高大廠房的實測結果也表明，熱風幕開啟前后，大門區域的滲風速度無明顯變化，對大門冷風侵入的阻擋效果不明顯[7]。

圖5 不同送風溫度下冷風侵入速度分布

圖6 不同送風溫度下廠房中心縱截面速度分布

綜上所述，在風幕常規的送風溫度范圍內，隨著送風溫度的升高，風幕阻風效率呈現下降趨勢，其他送風條件相同時，常溫風幕的阻風效果優于熱風幕。

3 結論與建議

1) 由于車輛進出的工藝要求，軌道交通高大廠房的大門常處于開敞狀態，冷風滲透、侵入負荷是供暖熱負荷的主要組成部分，占比超過60%。為有效控制由大門常開導致的熱量損失，在無列車進出時，應采取手動或自動的方式及時關閉大門；在有列車進出時，應開啟大門風幕阻擋冷風侵入，降低供暖能耗。

2) 風幕的阻風效率隨著送風速度的升高而提升，隨著室內外壓差增大而下降；相同的送風速度下，雙側送風幕阻風效果優于頂送風幕；相同的送風速度下，常溫風幕阻風效果優于熱風幕，且常溫風幕向外偏一定角度時阻風效果優于直接對吹。

3) 針對嚴寒、寒冷地區軌道交通領域的高大廠房，采用雙側送常溫風幕替代常規頂送熱風幕，可有效阻擋冬季冷風侵入，提升室內供暖效果，緩解豎直與水平方向的溫度梯度，在為庫內人員創造舒適熱環境的同時，降低供暖系統能耗。