地鐵地下車站公共區衛生間通風氣流組織優化研究*

劉凱凱

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢)

0 引言

地鐵以安全可靠、準點高效、方便快捷、環保舒適等特點成為城市緩解交通擁堵的重要手段。隨著城市軌道交通的發展,人們對于地鐵環境的要求逐漸提高。地鐵地下車站環境作為特殊地下空間,具有濕度大、空氣混濁、封閉性、熱源多、產熱量大等特點;同時,在現有地鐵地下車站衛生間中存在通風差、異味明顯等問題。衛生間釋放的污染物主要包括硫化氫(H2S)、氨氣(NH3)、甲硫醇(CH4S)、吲哚(C8H7N)等,其中硫化氫、氨氣是目前影響大、范圍廣的污染物,直接影響人體健康。

在現有衛生間通風設計中,針對衛生間問題的重視程度不夠,設置頂部排風是常用方法,缺乏科學的通風設施布局和認知。針對此類問題,國內外學者進行了相關研究。Baba用煙霧代替空氣中的污染物進行了實驗研究,發現在衛生器具旁設置局部通風口的效果優于頂排風的通風方式[1]。Koji等人運用數值模擬方法研究了衛生間排風口位置對污染物濃度的影響,通過模擬局部通風、頂排風及局部通風與頂排風結合的混合通風,發現在通風量較小的情況下,局部通風效果最好,可明顯降低室內污染物質量濃度,同時發現人員呼吸區污染物的擴散范圍減小[2]。敖永安等人通過數值模擬方法研究了5種衛生間通風方案對衛生間污染物濃度場分布的影響,發現采用機械排風的衛生間污染物濃度遠低于無排風衛生間,采用坐便器側排風時污染物的擴散影響范圍明顯減小[3]。吉少杰等人采用數值模擬方法對教學樓公共衛生間室內污染物濃度進行了研究,通過改變門窗位置、側板高度、風壓大小等分析污染物濃度的變化,研究表明門窗側對衛生器具、隔板距地高度0.15 m、風壓較大條件下污染物濃度較低,可有效改善衛生間內空氣品質[4]。汪洋等人采用數值模擬方法對自然通風條件下高層建筑公共衛生間的通風進行了研究,通過改變送風口位置、排風口位置、換氣次數等模擬了污染物濃度的變化,結果表明在頂部送風、局部排風、換氣次數10 h-1條件下污染物濃度較低,具有較好的通風效果[5]。趙金罡等人對某鐵路站房衛生間展開了實地測試研究,結果表明采用上排風+下排風方式的已改造衛生間的最高污染物濃度為采用單獨上排風方式的未改造衛生間的17%～54%,具有較低的污染物濃度[6]。通過以上研究可以發現,公共衛生間采用傳統頂部通風方式存在污染物濃度高、換氣差的缺點,衛生間通風方式亟需改變。針對地鐵衛生間的研究少之又少,而其特殊的地下環境使通風換氣變得更為重要,地鐵環境品質亟需提升。

本文針對地鐵地下車站公共區衛生間進行通風氣流組織優化研究,針對不同的通風方式進行氣流組織模擬,討論不同排風口位置、換氣次數、風口高度、補風形式對衛生間污染物的影響,獲得地鐵地下車站公共區衛生間通風優化改進措施,并通過現場測試驗證實施效果。

1 研究方法

本次研究采用CFD數值模擬和現場試驗方法。根據某地鐵公共區衛生間平面圖,采用數值模擬方法對地鐵衛生間進行氣流組織研究,通過改變不同工況參數獲得污染物濃度、空氣齡等參數以評價室內空氣品質,研究優化通風方案;采用現場試驗方法對模擬結果進行驗證。

1.1 CFD模型

地鐵地下車站衛生間一般分為供車站工作人員使用的設備管理用房區衛生間與乘客使用的公共區衛生間,公共區衛生間因其人流量大、不可控因素多更值得關注。衛生間分為男衛生間、女衛生間,男衛生間因小便器的存在氣流組織更為復雜。公共區衛生間蹲位及小便器位置主要考慮視線遮擋、客流等因素,設置清掃間、無障礙衛生間進行遮擋,一般布置方式如圖1所示。

圖1 衛生間CFD模型平面圖

本文根據某地鐵地下車站公共區男衛生間實際尺寸進行建模,衛生間尺寸為3.65 m×2.85 m×4.00 m(長×寬×高),吊頂高度2.7 m,包括4個小便器、2個衛生隔間、門及風口等設施。在不影響計算的條件下,對蹲便器和小便器進行簡化,小便器污染源尺寸為80 mm×80 mm,污染源設置為氨氣;蹲便器污染源尺寸為100 mm×100 mm,污染源為硫化氫;門尺寸為1.0 m×2.1 m。

1.2 網格劃分

全部采用結構化網格進行劃分(如圖2所示),考慮到小便器、蹲便器、風口等位置的影響,對相關位置進行網格加密。網格進行獨立性驗證,網格數目確定為152萬個,最大網格體積為6.1 cm3,最小網格體積為1.3 cm3。

圖2 網格劃分示意圖

1.3 數值模擬參數設定

利用Fluent軟件模擬衛生間通風氣流組織,污染物源采用組分傳輸模型,湍流模型為標準K-ε模型,壓力與流速之間耦合采用SIMPLEC算法,同時考慮擴散過程中浮力驅動的自然對流影響。蹲便器污染源設置為硫化氫,速度入口0.7 m/s,質量濃度0.000 002 kg/m3;小便器污染源設置為氨氣,速度入口0.1 m/s,質量濃度0.000 05 kg/m3;外墻設置為絕熱壁面。衛生間排風量按照換氣次數20 h-1進行設計,衛生間排風量為850 m3/h。

2 結果與討論

2.1 排風方式對污染物的影響

在地鐵衛生間通風設計中,公共區、設備與管理用房區域設置空調與通風系統,此區域可保持正壓,衛生間設置獨立的機械排風、自然進風系統[7]。衛生間排風方式主要有3種:頂部排風、局部分散排風、頂部與局部混合排風,在地鐵衛生間排風設計中常用頂部排風方式。本文針對3種排風方式進行模擬,風口及相關參數如表1所示。

表1 不同排風方式風口參數

表2給出了不同排風方式下相關評價參數的計算結果,3種通風情況下室內氨氣平均質量分數差距不大,而采用頂部排風方式時室內平均空氣齡、硫化氫平均質量分數最大,即空氣品質最差;對人員呼吸區平面(距地面高度z=1.5 m)處進行數據統計,發現呼吸區空氣品質評價指標與室內空氣評價指標具有相同規律。

表2 不同排風方式下相關評價參數計算結果

圖3顯示了z=1.5 m平面不同排風方式下氨氣質量分數分布。可以看出:小便器周圍氨氣質量分數較大,對人員影響范圍在0.5 m內,其他位置均滿足氨氣質量濃度標準限值;對比不同排風方式,氨氣質量分數差距不大,采用下排風口的局部排風方式中氨氣擴散范圍相對較大。圖4顯示了呼吸區平面不同排風方式下硫化氫質量分數分布。可以看出:由于隔板的影響,硫化氫主要分布在隔板內,排風方式對呼吸區硫化氫質量分數的影響較大,采用局部排風的下排風口靠近污染源,與其他排風方式相比,具有明顯的優勢;采用頂部排風方式人員呼吸區硫化氫質量分數最大,排除污染物性能最差。

圖3 z=1.5 m平面不同排風方式下氨氣質量分數分布

圖4 z=1.5 m平面不同排風方式下硫化氫質量分數分布

2.2 換氣次數對污染物的影響

GB 50517—2013《地鐵設計規范》規定:廁所排風量每坑位按100 m3/h計算,且小時換氣次數不宜少于10次[7]。在地鐵衛生間排風設計中,一般選擇換氣次數為15 h-1或20 h-1。選擇局部排風的下排風口方式進行換氣次數對污染物的影響模擬,換氣次數分別設置為10、15、20、25 h-1。

圖5顯示了換氣次數對室內空氣評價指標的影響。可以看出:評價指標與換氣次數成反比,即平均空氣齡、氨氣平均質量分數、硫化氫平均質量分數隨著換氣次數的增大而減小;同時,換氣次數為20 h-1與25 h-1時污染物濃度及平均空氣齡差距不大,空氣品質基本相同,為避免風機、管道等選型過大造成能量浪費,推薦換氣次數為20 h-1。

圖5 換氣次數對室內空氣評價指標的影響

圖6顯示了換氣次數20 h-1下z=1.5 m平面室內空氣評價指標分布。由圖6a可以看出:門及小便器處空氣齡較小,即門處因門外新鮮空氣的補充而空氣齡較小,小便器處因污染物的散發而空氣齡相對較小;在角落等地方因通風換氣較差,空氣齡較大。由圖6b可以看出:在門處自然補風影響下,氨氣平均質量分數范圍發生偏轉;小便器處氨氣平均質量分數較大,除小部分位置不滿足GB/T 18883—2022《室內空氣質量標準》[8]中氨氣質量濃度限值(0.2 mg/m3)要求,大部分位置滿足標準要求。由圖6c可以看出:由于隔板存在,室內硫化氫平均質量分數較小,隔板內硫化氫平均質量分數因門口補風及下排風口影響,在左部隔板處較大;同時通過計算可以發現,呼吸區硫化氫的濃度滿足GB/T 17217—2021《公共廁所衛生規范》[9]中硫化氫質量濃度限值(0.01 mg/m3)要求。

圖6 換氣次數20 h-1下z=1.5 m平面室內空氣評價指標分布

2.3 下排風口高度對污染物的影響

對局部排風方式的下排風口高度進行研究,換氣次數采用20 h-1,通過改變下排風口高度(底標高),獲得衛生間污染物的相關參數。圖7顯示了下排風口高度對室內空氣評價指標的影響。可以看出:室內空氣評價指標與z=1.5 m平面空氣評價指標具有良好的一致性;隨著下排風口高度的增加,硫化氫平均質量分數增大,隨高度變化率大于1;隨著下排風口高度增加,平均空氣齡與氨氣平均質量分數減小,但隨高度的變化率小于5%。綜上,為滿足室內空氣品質,較低風口高度可獲得較低的硫化氫濃度,而空氣齡及氨氣濃度變化不大,在滿足風口不影響人體舒適度的條件下,推薦較低的下排風口高度,本文推薦高度為0.3 m。

圖7 下排風口高度對室內空氣評價指標影響

重點關注人員呼吸區的空氣品質,圖8顯示了不同風口高度下z=1.5 m平面氨氣質量分數分布。可以看出,z=1.5 m平面氨氣質量分數分布范圍隨下排風口高度變化較小,可認為不同下排風口高度(底標高0～0.5 m)下呼吸區氨氣濃度相同。同理,可認為不同下排風口高度(底標高0～0.5 m)下呼吸區具有相同的換氣次數。

圖8 不同風口高度下呼吸區(z=1.5 m)氨氣質量分數分布

2.4 補風形式對污染物的影響

GB 50517—2013《地鐵設計規范》[7]中規定地鐵衛生間設置獨立的機械排風、自然進風系統,而在辦公樓等新建建筑中為更好地排除污染物,同時設置機械排風與機械送風系統。本次針對補風形式進行研究,分別采用自然進風與機械送風,機械送風分別設置頂部送風與側面送風,機械排風采用局部排風方式,具體參數見表3。

表3 不同補風方式風口參數

圖9顯示了補風方式對室內空氣評價指標的影響。可以看出:3種補風方式下平均空氣齡、氨氣平均質量分數、硫化氫平均質量分數差距不大,均遠低于規范要求的室內污染物限值水平;呼吸區空氣品質評價指標與室內空氣評價指標具有相同的規律;采用側面機械送風方式平均空氣齡最小,通風換氣效果最好;采用頂部機械送風方式室內氨氣平均質量分數、硫化氫平均質量分數最小,污染物濃度最低。綜上,采用機械送風方式可以增強通風換氣效果,降低污染物濃度,同時,設置機械送風系統增加了系統復雜程度、提高了投資,在采用自然進風可以滿足規范中污染物濃度限值的條件下,選擇自然進風也可以獲得良好的室內空氣品質。本文推薦補風方式為自然進風。

圖9 補風形式對室內空氣評價指標的影響

3 現場測試

對某地鐵站公共區衛生間使用氨氣檢測儀、硫化氫檢測儀進行現場測試,測點如圖1所示。該車站為地下2層島式站臺車站,初期運營,公共衛生間位于站臺層。初期上行站點全日預測客流量為6 105人次,下行站點全日預測客流量為6 150人次;遠期上行站點全日預測客流量為12 290人次,下行站點全日預測客流量為12 031人次。衛生間門口安裝紅外客流計數儀對衛生間服務人數進行統計,測試階段衛生間逐時服務人數如圖10所示。

圖10 測試階段衛生間逐時服務人數

衛生間采用下排風口設計,下排風口高度0.3 m,設計換氣次數20 h-1,采用自然送風方式。分別對男、女衛生間1.5 m高處測點進行逐時測量,結果如圖11所示。可以看出,氨氣質量濃度均低于0.1 mg/m3,滿足GB/T 18883—2022《室內空氣質量標準》[8]、GB 37488—2019《公共場所衛生指標及限值要求》[10]等國標中的限值(0.2 mg/m3)要求;硫化氫質量濃度均低于0.008 mg/m3,滿足GB/T 17217—2021《公共廁所衛生規范》[9]中硫化氫質量濃度限值(0.01 mg/m3)要求。

圖11 男、女衛生間污染物濃度隨時間的變化

4 結論

1) 不同機械排風方式對室內空氣品質影響不同,采用局部排風的下排風方式可有效降低室內污染物水平,提高空氣品質。

2) 換氣次數與室內空氣評價指標成反比,在滿足室內污染物限值及降低能耗條件下,推薦換氣次數為20 h-1。

3) 下排風口高度與平均空氣齡、氨氣平均質量分數成反比,與硫化氫平均質量分數成正比,在滿足人員舒適度的條件下,推薦下排風口高度為0.3 m。

4) 機械送風方式可提高室內空氣品質,降低污染物水平。在自然進風可以滿足規范中污染物濃度限值的條件下,推薦采用自然進風的方式。