摘 要

随着城市的飞速发展，城市空间不足的问题越来越严重，深地下空间开发应用也吸引了越来越多的关注。深地下空间建筑与地面建筑有许多不同之处，深地下空间建筑建立在地下40m以下的恒温层，内部环境受包覆岩石或者土壤层等极大影响。但深地下空间建筑同传统地面建筑一样具有储物、办公等用途，也就是有相同的热舒适性要求。为了更好的开发利用深地下空间，有必要对深地下空间建筑热环境进行研究。

本论文首先对深地下空间储物空间的种类、原理等进行了简单的理论分析，然后借助计算流体力学软件针对位于武汉市的深地下空间办公建筑建筑热环境进行了三维数值模拟，分析了深地下空间建筑两种送风方式下(上送下回和下送上回)热环境特点，及其热环境影响因素，对其热环境进行了评价。模拟时湍流模型采用双方程模型；热环境评价时采用Fanger热舒适方程和其热舒适评价指标PMV-PPD。

本文分析结果对于深地下空间的开发和利用具有一定的指导意义。 

关键词：深埋地下建筑；；热环境；热舒适；模拟

Abstract

With the rapid development of the city, the problem of insufficient urban space is becoming more and more serious. The development and application of deep underground space has attracted more and more attention. There are many differences between the deep underground space buildings and the ordinary ground buildings. The deep ground is the constant temperature layer under 40 meters below ground, which is greatly influenced by the coated rock or the soil layer.But deep underground space buildings also have storage, office and other purposes, that is, the same thermal comfort requirements as the ground engineering and buildings. In order to better develop and utilize deep underground space, people pay more and more attention to the research of thermal environment in deep underground space buildings.

This paper firstly makes a simple theoretical analysis of the types, principles, and thermal environments of deep underground space storage space, and then uses the computational fluid dynamics software Fluent Airpak 3.0 to target the thermal environment of office buildings in deep underground space in Wuhan in summer. Three-dimensional numerical simulation analyzes the characteristics of the thermal environment of deep underground space buildings, and analyzes the factors affecting the thermal environment, and studies the control strategies for the thermal and humid environment of the underground space.The thesis mainly studies the characteristics, influencing factors and optimization conditions of the thermal environment of deep underground space buildings. The research is based on two equation model theory, thermal comfort equation and thermal comfort evaluation index..

The results are instructive for the development and utilization of deep underground space.

Key Words：Deep underground engineering；Airpak；Thermal environment；thermal comfort； Humidity；Simulation

目 录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景 1

1.1.1 国内外地下空间利用现状 1

1.1.2 深地下空间建筑热环境研究现状 2

1.2 研究的目的 3

1.2.1 工作内容 3

1.2.2 论文特点 3

1.3 研究的意义 4

1.4 本章小结 4

第2章 理论与方法 5

2.1 相关概念及理论 5

2.1.1 深地下空间建筑概述 5

2.1.2 深地下空间建筑特点及应用 5

2.2 研究方法 5

2.2.1 Airpak技术简介 6

2.2.2 热舒适Fanger方程与PMV-PPD 6

2.2.3 k -ε双方程模型 7

2.2.4 有限体积法 9

2.3 本章小结 9

第3章 深地下储物理论浅析 10

3.1 深地下空间储物概述 10

3.2 源储库现状及研究意义 10

3.3 深地下空间能源储库——储气库 11

3.3.1 储气库工程 11

3.3.2 储物原理 12

3.3.3 热力学过程分析 13

3.4 本章小结 15

第4章 深地下空间建筑办公建筑热环境的模拟 16

4.1 模拟过程 16

4.1.1 工程概况与方法 16

4.1.2 物理模型建立与网格 17

4.1.3 壁面边界条件 19

4.1.4 送风参数确定 20

4.1.5 基本假设 20

4.2 模拟结果 21

4.3 结果分析讨论 22

4.3.1 温度分析 22

4.3.2 速度分析 24

4.3.3 热舒适分析 25

4.4 本章小结 27

第5章 总结与展望 29

5.1 总结 29

5.2 展望 29

参考文献 31

致谢 33

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1国内外地下空间利用现状

随着社会科学与技术迅速发展，世界各国城市发展水平已经达到了很高的水平，许多问题也伴随出现，其中尤为显著的是人口的膨胀与城市生活空间不足之间的矛盾。而这一矛盾与较高水平的城市经济、科学技术共同促进了地下空间的开发利用。国际上已经提出把人类开发利用地下空间作为新世纪城市发展的时代主题^[1]。城市土地竖向空间资源的充分开发利用，也必将缓解城市综合问题和推进城市空间的立体开发。并且随着浅中层地下空间开发利用趋于饱和，人们已经把越来越多的目光投向了深埋地下空间建筑开发和应用。

人们开发利用地下空间具有悠久的历史。5000多年以前，勤劳而充满智慧的中国人已经知道利用地下空间储粮储物。1825年英国建成了世界上第一条铁路线后，全世界范围内兴起开发应用地下空间的新潮^[2]。浅中层地下空间的应用常见的几种有地铁、地下停车场、地下公园、地下建筑空间等；对于世界各国的发达城市而言在浅层地下空间的开发利用也已经接近饱和。以新加坡和日本为例，二者均为国土狭小的海岛国家，城市发展程度较高，且二者在城市浅中层及深地下空间的开发利用上均走在世界前列。自上世纪80年代开始，新加坡就已经先后开发建设了许多适应其各方面发展国情的地下空间建筑工程，目前依然有大量计划的地下项目将要投入施工，其中不仅有浅中层，更有深层空间利用范例。在日本，据资料显示，为了解决土地资源的不足问题，更早已经有了利用地下空间，把狭小土地面积扩大数倍的超前构想。日本上世纪30年代就开创了"地下街之端"。地下空间开发利用与城市改建，旧址应用也可以相结合。如图1.1、1.2美国纽约利用废弃地下有轨电车中转站,将光引入地下而在地下建立地下公园的Lowline项目。

图1.1 纽约地下公园 图1.2 把光引入地下

与国外先进国家相比，我国有关城市地下空间开发的立法、管理，技术运营等方面还有所不足，但有关地下空间的城市规划，一直是被市政部门重点关注的内容。总的来说，我国城市地下空间发展的开发利用规划正在普遍开展。我国地域辽阔，改革开放以来，城市发展水平差异较大。如图1.3我国地下空间利用以京津冀、长江三角洲和珠江三角洲城镇化地区的核心城市为代表，并沿东部沿海、长江中下游沿线和京广线发展。截至2015 年，许多城市，尤其是大型城市已经编制完成或正在编制地下空间详细规划^[3]。此外，由于城市土地和交通的制约，部分城市已在地下空间利用方面进行了实践。比如位于上海的地下空间深度已达48m的北横通道工程；武汉，接插有30m以下深度的地铁路段工程。如今，纵横交错的地铁已经可以让城市的交通得到了缓解，满足了人们的生活工作需求以及城市发展需求。

图1.3 我国城市地下空间开发利用分布图

对于某些大型城市，其城市地面和中浅层地下空间资源利用已趋饱和，人口压力与空间不足的矛盾进一步激化，因此深层地下空间资源开发成为较为迫切的问题。

综上所述，城市深层地下空间开发是城市发展规划中需要长远考虑，不可忽视的部分，也是城市未来发展方向，是值得研究的热点内容。

1.1.2建筑热环境研究现状

地下空间冬暖夏凉，但是却有不合适的的温湿度和空气品质。深地下空间开发利用时不能因噎废食，而应趋利避害。地下环境是一个人工环境，且与地面空气不通，必须施行人工温湿度、通风换气和采光等条件，为工作人员在地下工作创建一个适宜环境；从而建立比较完善的内部环境保障体系、内部环境设计标准和良好的内部环境保障技术措施^[4]。

早在二十世纪初，一些发达国家的学者就已开始了对室内热环境的研究。早期的研究目的主要集中于军事领域；第二次世界大战后，随着科技的进步、生产的发展和生活水平的提高，研究目的已转向生产和生活领域。从而对室内热环境与人体热舒适的关系的研究更加深入。自1972年，Nielsen^[5]首次将CFD用于暖通空调工程领域，对通风房间内的空气流动进行模拟，模拟软件技术日益成熟，近年来CFD 技术已成为对室内热环境参数如空气温度、湿度、空气速度、污染物浓度进行数值模拟和预测的重要工具。日本开发了用于人体热舒适评价和室内空气品质评价的软件，并将 PMV、空气龄等参数指标的计算问题编入CFD软件^[6]。美国麻省理工学院 MIT开发了几个雷诺平均纳维 —— 斯托克斯RANS 方程模型 和大涡模拟LES。目前热环境模型建构理论等建立,热环境分析理论更早已标准化。1967年丹麦的 PO FaIlger^[9]教授基于人体热舒适平衡提出热环境舒适评价指标，据此国际上制定际标准化组织（ISO）提出了一种基于PMV-PPD指标的评价室内热湿环境的被广泛接受的分析方法。1971 年pierce 研究所的Gagge提出了新的对热环境研究具有深远意义的有效温度 ET指标，随后又综合考虑了不同活动水平和服装热阻的影响，提出了众所周知的标准有效温度指标SET^[7,8]。

不同于国外一些学者致力于揭示室内微气候的最佳参数方面研究，国内学者主要探究的是室内热环境热舒适的最佳经济方案，即是在保证人体热舒适的条件下，尽可能地节约建筑能耗。国内学者对建筑室内热环境的研究主要针对环境特点研究方法主要是问卷调查、现场实地测试及数值模拟分析等，研究内容主要集中在理论验证，节能改造，气流组织改善措施，热舒适改善等方面。从 上世纪80年代开始，魏润柏等率先展开了人体、环境和服装的关系及人体热舒适理论的研究^[10]；文学军将人、建筑热环境、暖通空调系统视为一 个动态热力系统，构建了稳态和动态热环境人的热感觉模糊预测模型^[11]；李百战等对重庆住宅室内热环境状况进行了调查与实测^[12]；孟庆林^[13]等分析探究了中国供暖临界地区的居住建筑室内热环境等。

1.2 研究目的

1.2.1工作内容

本文的研究内容主要有两个部分：从理论上上分析深地下空间储物环境和地下空间办公建筑的热环境特点，并采用CFD手段对不同送风条件下的建筑热环境进行了模拟和分析，进而提出了热环境改善建议。

1.2.2 论文特点

本文基于储物及办公等不同条件分析深埋地下空间建筑热环境特点，探究改造优化条件。希望为城市发展规划相关部门在地下工程通风、空调设计等的决策提供一定的实践依据。本文的特点是全文有两个主要工作部分，分别采用了理论分析与数值模拟的研究方法。

（1）通过对深地下空间储物从理论上进行概述浅析，以深地下空间储气为例，对其储物理论，深地下空间应用的优点与重大意义进行了综述。

（2）对武汉深地下空间建筑热环境模拟研究时，采用了两种不同的送风方式，对比分析了其热环境特点，总结了影响因素，提出了优化条件。

1.3 研究的意义

城市地下空间的开发使用能够在提高城市容量、缓解城市交通、改善城市环境等多个方面发挥重要作用^[16]。为缓解城市发展中人口、环境、资源之间越来越激烈的矛盾，在浅中层地下空间开发利用接近饱和的情况下，深地下空间的开发利用自然受到国内外越来越多的重视。如何创造一个良好，舒适并符合使用要求的深地下空间环境也成为建筑相关行业研究发展新方向。希望通过本课题的研究，从理论上对深地下空间建筑热环境特点与机理进行分析和简单的模拟，总结出能供实践借鉴和具有参考价值的操作案例及对策措施，为城市发展规划相关部门的决策提供一定的实践依据，为相关地下空间企业团体、研究单位、政府部门等准确、全面、迅速了解地下空间行业发展动向、制定发展战略尽绵薄之力。

1.4 本章小结

本章首先介绍了城市地下空间的开发利用背景，城市发展水平的提高，人口剧增与城市空间不足促进城市深地下空间开发利用，深地下空间建筑热环境研究越来越引起人们的关注；其次建筑热环境的研究现状做出了介绍，包括国内外学者对建筑目的和意义进行了介绍，具体包括对国内外研究现状、课题研究内容和；最后简述了本文的工作内容，目的及创新特点。

第2章 理论与方法

2.1 相关概念及理论

2.1.1 深地下空间建筑概述

在地下空间的分类中，地表到地下15米为浅层，地下15米到40米为中层，地下40米到100米为深层。在对深地下空间工程开发利用进行规划时，深层地下空间和中浅层地下空间两者的协同发展不可忽视。深地下空间建筑被周围的岩石或者土壤覆盖，受到包围物温度影响，被覆盖表面温度往往与室内温度相差较大，使得人体辐射散热较大，从而引起不适^[16]。为创造满足人体热舒适的室内空间，研究深地下空间建筑热环境十分重要。

2.1.2 深地下空间建筑特点及应用

工程上常把建在等温层内的被周围的岩石或者土壤紧紧地覆盖的建筑称为深埋地下空间建筑。地下空间建筑的规划设计不同于地面建筑，在开发利用时应充分利用地下空间有利的环境特点。地下空间的特点主要体现在地下环境的特殊性上。其特殊性主要分为以下面三个方面:

1、深埋地下空间建筑难以接触到外界的阳光、风等，受到较少的自然因素影响，相对浅中层的建筑而言封闭性高，来往人员也极少,可供从事某一特定活动,产生的噪声、固液气体污染物垃圾对城市地表影响很弱；

2、热稳定性好，外扰少，而且大地相对温度的保持能力比较强。一年四季中,对于要保持热舒适性而需要更多调控技术的夏冬两季,地下空间与地表温度的差异性表现明显。从传热学角度来分析，深地下空间热稳定性更优于浅中层；

3、防护性能强，地下空间的防腐，防灾、防震 、抗磁扰、防辐射等方面的优点，让地下空间有着很强的防护性能。

从上述分析可知，地下空间建筑具有特殊的封闭性和热稳定性，此外能够阻挡外界电磁波和辐射的干扰，并能人为引导建筑内部的热环境^[17]，这使其能够免受阳光、自然风和很多自然灾害的直接影响，在一定程度上能够提升建筑的耐腐蚀性。在保证地下建筑稳定安全的前提下，对地下空间进行充分的开发和利用，可以改善目前地上建筑空间不足的状况。

2.2 研究方法

本文采用谐波反应法等方法分析围护结构热传递问题，并基于机械通风运行地下办公建筑室内热环境进行数值分析，进而进行室内温度影响因素分析，此外还有对地下储物理论浅析。具体采用的方法包括：理论分析，数值计算法，软件模拟法等。

2.2.1 Airpak技术简介

Fluent Aiepak3.0 的主要功能是能够较为精确地对空气流动、传热以及污染等现象进行模拟，在设置好的条件下可以较为精确地模拟空调送回风系统的空气流动过程，而且可以对空气品质和人体感知的舒适度等参数进行分析评估，并能做到按照ISO 7730标准提供舒适度等用来评估房间内空气质量(IAQ)的技术指标^[14]。Fluent Airpak 3.0 的工作原理是运用计算流体力学的理论方法，结合其自带的超强数值计算能力的计算机进行数值求解，所得解满足不同种类流体在运动与传热过程中遵循的三大守恒定律，以及附加的各种模型方程中所含的基本偏微分方程。其既具有理论性，又具有实践性。两个软件之间的关系是Airpak以Fluent为求解器，将建好的模型导入其中进行计算，并在其中显示出一些使用者需要的数据图像，十分直观方便。

2.2.2 热舒适Fanger方程与PMV-PPD

热舒适这一概念是根据人的主观感受是否满意来定义的。关于这一概念和热环境之间的关系，国际标准化组织(ISO)根据丹麦工业大学PO FaIlger教授的研究成果制定了ISO 7730标准。标准中使用PMV-PPD这一指标来描述和评估热环境，这一指标综合考虑了人体活动程度、衣服热阻、空气温湿度、平均辐射温度等因素，在满足人体热平衡方程的条件的前提下，通过主观感觉的实验确定了大多数人的冷暖感觉等级。这些可靠的研究结果及标准成为了之后舒适性热环境设计的基础依据^[18]。

基于人体热舒适，维持人体热平衡的Fanger热舒适方程基本热力学过程如式（2.1）、（2.2）：

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