基于烟囱效应的地下空间竖井通风系统特性研究

来源 :西南交通大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:fuqiang1986
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随着能源短缺与环境污染等问题的不断加剧,自然通风技术和太阳能等可再生能源的开发应用已受到人们的极大重视,这也是实现建筑节能的主要技术手段,同时契合我国目前大力倡导的可持续发展战略目标。本文结合太阳能烟囱的思想,提出了“基于烟囱效应的地下空间竖井通风系统”形式,主要应用于因“生存空间危机”所造成的大力发展的地下空间建筑通风需求,该技术可通过太阳能PV/T集热器进行预热回收,将产生的热水送至竖井内的环形通道,与空气进行热交换,空气经热水加热后密度减小,产生向上的浮力,诱导地下空间内污浊空气进入竖井通道并从顶部排出,从而实现其通风效果。本文借助FLUENT数值模拟软件,对所提出的系统建立了二维稳态流动与传热的单、双通道竖井通风数理模型,然后选取Realizable k-?湍流模型,并结合增强壁面函数法模拟研究了该系统在不同结构尺寸及运行参数下的诱导通风量、温度场和速度场分布特性。首先,根据本文所选取的计算方法对文献[12]中的实验模型结构进行数值模拟研究,然后将模拟数据与文献[12]中的实验数据作对比,结果表明误差在容许范围之内,从而验证了计算方法的合理性;并以竖井通道直径D=1m,高H=30m,水流量Qw=1kg/s为设计参数,对不同入口水温下的单通道竖井通风系统进行了模拟研究,详细分析了不同断面高度处沿水平方向上的竖井内部空气流场的分布特点。其次,基于单因素分析方法对竖井高度、入口水温、水流量及环境温度对竖井通风系统的通风效果及换热性能的影响规律进行了分析;然后,在满足相同通风需求下,对传统机械排风和本文提出的“基于烟囱效应下的地下空间竖井通风系统”进行了能耗对比,说明了本文所用系统的优越性。最后,结合单通道竖井通风系统中内部空气的温度场、速度场分布特点,由于热壁面仅对附近的空气具有明显的加热作用,导致热壁面附近存在较大的温度及速度梯度,而远离热壁面处的空气被加热程度相当微弱,故提出了双通道竖井通风系统形式。该竖井结构是在原先单通道竖井结构的基础上又增设了一层环形水区域,从而将整个空气流道分割成了两个流通通道,其目的是通过增加空气与水耦合传热面积来强化竖井自然通风效果。首先,根据双通道竖井结构特点,模拟研究了内层区域通道直径的取值对其诱导通风量的变化规律,选取了不同设计参数下的最优设计尺寸为d=0.35m;然后,以竖井通道直径D=1m,内层区域通道直径d=0.35m(最优值)、水流量Qw=1kg/s为设计参数,对不同高度下的双通道竖井通风系统进行了模拟,并与相同工况下单通道竖井的诱导通风量进行了对比,计算了优化后的双通道竖井通风系统诱导通风量的增长百分比,其中当竖井高度H=15m,入口水温Tw1=50℃时,其优化效果最好,可以达到59.43%;最后,对该工况下的单、双通道竖井内部空气的温度场、速度场分布进行了对比分析,结果显示,双通道竖井内部温度场、速度场分布更加均匀,而且因中间区域热压效果增强,其出口回流现象也会减弱;且通过运行能耗分析,双通道竖井通风系统的能耗更小,从而进一步说明了优化后双通道竖井通风系统的优点。
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