地鐵站臺兩種送回風方式下熱環境對比分析

王麗慧劉卓李志玲王太晟

1上海理工大學環境與建筑學院

2上海東方延華節能技術有限公司

地鐵站臺兩種送回風方式下熱環境對比分析

王麗慧1劉卓1李志玲2王太晟1

1上海理工大學環境與建筑學院

2上海東方延華節能技術有限公司

本文使用計算流體力學（CFD）的方法，建立典型島式站臺的三維幾何模型，用標準k-ε湍流模型作為站臺氣流的物理模型，按實測的熱濕負荷、溫度速度等作為邊界條件，對地鐵閉式系統島式站臺環控系統中兩種典型送回風方式的氣流組織方案在夏季工況最不利情況下進行對比分析。結果表明：兩側送中間回的氣流組織方案在對站臺的溫度控制上要優于單送單回的氣流組織方案，而在氣流溫度速度均勻性和能耗系數上，后者更加滿足舒適性和能耗方面的要求。研究成果為地鐵環控系統設計運營提供參考。

地鐵 送回風方式 熱環境 CFD模擬

本文以站臺活塞風與空調射流耦合理論研究[1]、實驗研究[2]和CFD在地鐵站臺熱環境應用研究[3]為基礎。以上海一典型島式站臺為研究對象，主要采用CFD的模擬方法，建立全尺寸三維幾何模型，利用實測的邊界條件進行工況設定，采用適合的湍流物理模型進行數值計算。分析對比在夏季最不利工況下[3]活塞風進入站臺風速達到最大8m/s，持續時間約40s，約占整個行車周期1/3），單送單回與兩側送中間回兩種送回風方式在相同供冷量和送風溫差的前提下站臺的溫度場、速度場和能量利用率。限于篇幅，本文僅分析列車從靠近站臺送風側進站的情況。

1 物理模型

車站為雙柱島式結構。區間隧道直徑5.2m，車站總長度200m，車站標準段寬20.7m，站臺寬度12m，有效站臺長度186m，高4m。站臺兩側各設置23個柱子，樓梯4個。車站軌行區頂端設有上排熱，上下行線各80個，尺寸1000mm×500mm，在距站臺板底設下排風口，上下行線各96個，尺寸800mm×320mm。站臺層公共區空調送風量為984000m3/h。兩種氣流組織的空調送風口均采用雙層百葉風口，尺寸為600mm×400mm，有效面積系數取0.83。其中單送單回氣流組織方式中站臺送回風口各24個，分別均勻布置于站臺層天花板兩側，如圖1（a）所示；兩側送中間回氣流組織方式中送風口48個，均勻布置于站臺層天花板兩側，回風口16個，均勻布置于站臺層天花板中部，如圖1（b）所示。

圖1 站臺兩種送回風方式的氣流組織示意圖

2 數值模擬方法

2.1 數值計算方法

本文的模擬軟件為Fluent軟件，根據地鐵空氣流動一般為湍流的特性，模擬中采用Standard k-ε模型，用SIMPLE算法聯立求解各離散方程。Standard k-ε模型的質量守恒定律，動量守恒定律和能量守恒定律的通用控制方程如下[4]：

式中各項依次為瞬態項、對流項、擴散項和源項。φ代表通用變量，可以代表u，v，w，T等求解變量；Γ為廣義擴散系數；ρ，，Γφ，Sφ分別代表密度，速度矢量，擴散通量和源項。

2.2 模型假設

由于實際地鐵結構比較復雜，若完全按照實際情況進行三維湍流流動模擬，問題將十分復雜，且數值解可能發散。因此，在基本不影響計算結果的前提下，為有效提高計算效率，本文引入如下簡化假設：

1）以站臺公共區熱環境為主要研究對象，站臺層的管理用房和設備用房對站臺層熱濕環境影響較小，所以將其壁溫簡化為第一類邊界條件[5]，認為其溫度不變。

2）不考慮站臺公共區人員活動而引起的局部氣流流動對整個站臺區溫度場和速度場影響。

2.3 邊界條件

1）壁面邊界條件。固體壁面為無滑移邊界條件，在靠近壁面處采用壁面函數法進行處理。區間隧道，四周壁面按第一類邊界條件設置，壁面溫度均為27℃。

2）負荷邊界條件。站臺公共區空調負荷主要由設備負荷、照明及廣告牌負荷、人員負荷、自動扶梯、軌底排熱風道傳熱等組成，具體見表1。

表1 負荷邊界條件設置值

3）風口邊界條件。地鐵站臺內的空調送風量按照地鐵車站內旅客高峰期的最大負荷確定。本文研究的車站站臺送風口設置為速度進口邊界，其總的送風量為984000m3/h，隧道出口及樓梯口均為壓力出口邊界條件。另外進站端活塞風速度為8m/s，湍流強度10%，水力直徑5.2m，溫度為30℃，空調送風溫度為25℃。其中單送單回空調送風口速度為5.7m/s，回風速度為4m/s。兩側送中間回空調送風口速度為2.85m/s，回風速度為6m/s。

3 模擬結果及分析

3.1 站臺人員活動高度熱環境分析

對于閉式系統島式站臺，大量活塞風涌入站臺后直接破壞站臺原有氣流組織，并隨著站臺的深入影響逐漸減弱[6]，因此從氣流運動上分析，會形成一個充斥大量活塞風，氣流組織破壞嚴重，氣流運動劇烈無序的區域和一個氣流組織穩定，氣流運動穩定有序的區域。前者靠近進站端，后者遠離進站端，如圖2所示。本文把這兩個區分別定義為氣流過渡區和氣流平穩區。

由圖2（a）與圖2（b）可見，在活塞風與空調送風射流耦合影響下，由于單送單回系統中空調送風速度是兩側送中間回系統的兩倍，故相較于后者，前者能有效抑制活塞風在站臺的擴散，這主要體現在如下幾個方面：①氣流過渡區，速度變化梯度大，風速主要分布在1.2～5m/s之間。前者主要集中在第一個樓梯口之前，區域較小，耦合氣流均勻擴散、衰減。后者主要集中在第二個樓梯口之前，區域較大，且在站臺背風處會形成渦流，不利于站臺區域舒適性的控制；②氣流平穩區，風速較為均勻，風速主要分布在0～1.2m/s。單送單回系統中主要分布在第一個樓梯口之后，占整個站臺的4/5，風速主要在0～0.8m/s之間，吹風感弱。兩側送中間回系統中主要分布在第二個樓梯口之后，占整個站臺3/5。局部區域風速在1.2m/s左右，有一定吹風感。③從站臺全局來看，單送單回系統中，站臺風速均小于5m/s，而兩側送中間回系統中，列車進站端站臺局部區域風速大于5m/s，不滿足地鐵設計規范要求[7]。因此，從站臺氣流運動速度的角度分析，在活塞風速最大的最不利工況下單送單回的氣流組織方案要優于兩側送中間回的組織方案。

圖2 站臺距地面1.5m高平面速度場示意圖

從上文站臺氣流場的分布特性可知，在活塞風和空調送風射流耦合作用下的站臺在溫度分布上會形成三個典型區域，區域一的溫度主要受活塞風控制，溫度較高，主要分布在29.6～30℃，人體感覺燥熱；區域二和區域三是伴隨著活塞風的衰減形成，其中區域二的溫度主要受活塞風與空調送風射流綜合影響，溫度主要分布在27.6～29.6℃之間，人體感覺偏熱；區域三的溫度主要是受空調送風射流的影響，溫度主要分布在26.6～27.6℃之間，溫度適宜，熱舒適性較好。本文把這三個區分別定義為活塞風主導影響區、活塞風與空調送風射流綜合影響區、空調送風射流影響區。

由圖3（a）知，在單送單回系統中溫度沿站臺縱向分區下降，三個區域依次主要分布在距進站端50m之前、50～70m之間、70m之后。而對于兩側送中間回系統，如圖3（b）所示，三個區域依次在距進站端70m之前站臺區右下側半站臺（其中約一半在區間隧道內）、距進站端70m之前站臺區左上側半站臺、距進站端70m之后。這主要是因為在單送單回系統中，活塞風攜帶的大量熱量受到空調送風射流阻力較大，造成部分熱量主要經歷一個橫向對流擴散過程，并隨著活塞風的深入而縱向衰減，而對于兩側送中間回系統，阻力較小，這部分熱量主要經歷一個以縱向對流擴散為主，伴隨橫向對流傳熱的過程。從整體看，兩側送中間回系統在距進站端70m之前站臺區具有優勢，其余部分站臺區兩者區別較小。

圖3 站臺距地面1.5m高平面溫度場示意圖

3.2 站臺縱向典型截面熱環境分析

本文在站臺區域活塞風初始段（距進站端20.3m），充分發展段（距進站端96.8m）選取2個典型截面進行分析[1]。由圖4和圖5可知，由于空調送風射流對活塞風抑制擴散程度不一樣，單送單回系統由于送風速度較大，所以對活塞風在站臺的擴散阻力較大。因此，在站臺活塞風初始段和充分發展段，單送單回系統中風速均明顯大于兩側送中間回。其中在站臺活塞風初始段，前者主要控制在2～2.4m/s之間，而后者速度變化梯度大，局部風速達到5m/s，候車區乘客有明顯吹風感，嚴重影響人員的舒適性，且不滿足地鐵設計規范。在站臺活塞風充分發展段前者站臺風速在0.4m/s，小于后者的0.8m/s，幾乎沒有吹風感。因此從速度云圖可見單送單回的氣流組織方式要明顯優于后者。

圖4 站臺初始段典型截面速度場示意圖

從圖6和圖7可見，兩種送回風方式的氣流組織區別較大，主要體現在如下兩個方面：①在初始段，單送單回系統中橫向截面溫度在29.8℃左右；而對于兩側送中間回系統，其橫向截面溫度變化梯度大，29.8℃左右高溫區主要集中在區間隧道，而站臺在27.4～28.6℃之間，溫度適中。②在充分發展段，單送單回系統中，在空調送風噴口下方形成局部低溫區，溫度在25.6～26.5℃之間，且空調送風氣流以約1.2m/s的速度沖擊地面而向周邊擴散，造成在噴口送風周邊區域人體上半身和下半身冷熱不均現象，而在兩側送中間回系統中，空調送風射流與活塞風混合均勻，溫度控制在27.1℃左右，有利于人的舒適性。造成以上現象的原因是初始段活塞風影響顯著，單送單回系統下空調送風射流抑制了活塞風縱向發展而導致橫向擴散，導致站臺截面溫度較高。而兩側送中間回系統中，活塞風主要是一個縱向流動的過程，因此主要影響區間隧道溫度而對站臺區影響相對較小。

圖5 站臺充分發展段典型截面速度場示意圖

圖6 站臺初始段典型截面溫度場示意圖

圖7 站臺充分發展段典型截面溫度場示意圖

3.3 均勻性及能耗分析

氣流組織的好壞直接影響通風的效果，下面分別從溫度/速度不均勻系數和能量利用系數[8]對兩種送回風方式的氣流組織進行對比分析。

3.3.1 不均勻系數

以溫度不均勻系數為例，同理速度不均勻系數。該方法是在工作區內選擇n個測點均勻布置于站臺距地面1.5m高平面。測點分兩組，即近進站端典型測點和遠進站端典型測點，分別為位于距進站端隧道壁面7.2m，13.5m處，各測點前后距離11.6m。詳見圖8，分別測得各點的溫度，求其算術平均值：

圖8 地鐵車站典型測點示意圖

圖9，圖10分別為兩種送回風方式下站臺1.5m高人員活動區典型測點溫度和速度分布情況。經過計算得出兩種氣流組織方案下溫度不均勻系數基本相同，約0.04。而速度不均勻系數相差較大，單送單回氣流組織方式為1.05，兩側送中間回的氣流組織為1.25。由此可見，從均勻性分析可知單送單回要略優于兩側送中間回的氣流組織。

圖9 站臺典型測點溫度分布示意圖

圖10 站臺典型測點溫度分布示意圖

3.3.2 能量利用系數

兩種送回風方式下的空調送風溫度均為25℃，根據Fluent后處理數據計算得到單送單回氣流組織排風口溫度為28.01℃，工作區溫度為27.99℃；兩側送中間回的氣流組織排風口溫度為27.61℃，工作區的溫度為27.82℃。由式（5）可得，單送單回的能量利用系數η為1.01，兩側送中間回的能量利用系數η為0.92。可見從能量利用系數分析可知單送單回略優于兩側送中間回的氣流組織，這主要是區間隧道內的上下排熱系統毗鄰于空調送風噴口，部分空調送風氣流在上下排熱的卷吸作用下直接流失，而沒有有效利用這部分冷量，因此，空調送風噴口越多會造成冷量的流失越嚴重，增大地鐵通風空調系統的能耗。

式中：tp，tn，to分別是工作區空氣排風溫度，工作區平均溫度和送風溫度。

4 結論

1）在空調總送冷量一定和相同送風溫差的情況下，兩側送中間回的氣流組織方式對站臺溫度控制要優于單送單回的氣流組織方式，主要體現在距列車進站端70m內站臺區域溫度上前者明顯低于后者，站臺其他區域兩者并無明顯區別。

2）在對整個站臺氣流速度場的控制來看，單送單回的氣流組織方式能較好控制站臺風速在0～1.2m/s，局部氣流在1.2～5m/s。而兩側送中間回的氣流組織下在列車進站端站臺局部區域氣流大于5m/s的情況，會造成候車人員強烈的燥熱吹風感，不滿足地鐵設計規范要求。

3）從整個站臺均勻性和空調系統冷量有效利用率來看，單送單回氣流組織方式要略好于兩側送中間回。主要體現在兩者溫度均勻系數無明顯區別，而速度均勻系數和能耗利用系數上前者以1.05，1.01略優于后者的1.25，0.92。

4）對于閉式系統中兩側送中間回的氣流組織，合理地布置安全門，同時通過適當減少送風口數量，減小送風溫差等方式增加空調送風速度能較大地改善地鐵站臺熱環境。

[1]杜曉明.地鐵活塞風與站臺送風射流等溫耦合速度場特性研究[D].上海:上海理工大學,2011

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Ana lys is Subw a y Pla tform The rm a l Environm e nta l in Tw o Kinds of Air Orga niza tion

WANG Li-hui1,LIU Zhuo1,LI Zhi-ling2,WANG Tai-sheng1
1 School of Environment and Architecture,University of Shanghai for Science and Technology
2 Shanghai DFYH Tech Services

The article used CFD to build a typical three-dimensional geometric model of subway island-platform. Standard k-ε turbulence model be used as airflow physical model,the boundary conditions used measured data,such as thermal and moisture load,temperature,velocity,etc.A comparison and analysis was carried about two typical kinds of air organization of subway island platform with the most unfavorable conditions in summer.The results show that air organization plan of air supply both sides and back in middle is better in temperature control than air organization plan of air supply one side and back on other side.But,consider in airflow temperaturevelocity uniformity and energy coefficent,the latter is more comfortable and less energy too.The results can provide reference to subway environmental control system’s design and operation.

subway,mode of air distribution,CFD simulation

1003-0344（2015）02-032-5

2013-12-12

王麗慧（1978～），女，博士，副教授；上海市楊浦區軍工路516號上海理工大學環境與建筑學院（200093）；E-mail:463696204@qq.com