郭旭暉

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 ，湖北 武漢 430063)

隨著人們對建筑室內(nèi)環(huán)境要求的越來越高，暖通空調(diào)系統(tǒng)在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用也越來越多，空調(diào)技術(shù)的推廣應(yīng)用大大改善了人們的生活質(zhì)量，給人類創(chuàng)造了一個舒適的生存環(huán)境。然而，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的不合理則可能會對室內(nèi)空氣品質(zhì)造成極大的危害，進(jìn)而成為污染物傳播的通道和動力［1］。尤其是當(dāng)建筑周圍存在污染源時，新風(fēng)取風(fēng)口位置的選擇顯得至關(guān)重要，如果取風(fēng)口位置取在污染源下風(fēng)向且污染物濃度較高，則污染物會通過新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入室內(nèi)，造成室內(nèi)空氣中污染物濃度相應(yīng)的增加［2］。

鐵路客站屬于人員密集場所，為旅客提供足夠的室外新風(fēng)，保證候車區(qū)域的空氣品質(zhì)顯得尤為重要。新廣州火車站候車層的新風(fēng)系統(tǒng)從站臺層頂部區(qū)域取風(fēng)，為保證取得的新風(fēng)質(zhì)量不受站臺層列車和人員等污染源的影響，本文通過與清華大學(xué)合作［3］，采用CFD數(shù)值計算的方法，模擬分析了新風(fēng)取風(fēng)口位置對候車層室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響，進(jìn)而給出了適宜的新風(fēng)取風(fēng)口位置;同時考慮新風(fēng)負(fù)荷對建筑能耗的影響，給出了最佳的人均新風(fēng)量取值。

1 鐵路客站污染物擴散建模

1.1 污染源的確定

鐵路客站站臺層為列車進(jìn)出站和旅客上下車的交通樞紐地帶，影響該區(qū)域空氣品質(zhì)的可能因素包括:站臺和列車上人員釋放的污染物、列車排放的尾氣、餐車排放的氣體等。

由于目前列車多為電力驅(qū)動，且餐車在停站期間使用率很低，兩者對站臺層的影響相對于整個空間基本可以忽略，因此模擬分析過程僅考慮人員對站臺層空氣品質(zhì)的影響。在以人為主要污染源的場合中，CO2濃度指標(biāo)可以作為衡量空氣品質(zhì)的評價指標(biāo)。本模擬分析中采用 CO2濃度為指標(biāo)，對新風(fēng)口位置和人均新風(fēng)量的選擇做定量的分析，根據(jù)室內(nèi)CO2濃度檢測值，增加或減少新風(fēng)量，使CO2濃度始終維持在衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值內(nèi)，在滿足人員新風(fēng)要求的前提下，最大限度的做到節(jié)能運行。

1.2 CFD計算模型的建立

采用英國CHAM公司開發(fā)的國際通用商用軟件PHOENICS 3.5.1對整個火車站進(jìn)行 CFD模擬計算，參考建筑設(shè)計圖紙建立CFD模型，鐵路客站整體模型如圖1、2所示。計算過程采用湍流k－ε模型，按照 SIMPLE算法，進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)模擬計算，分析氣流速度和 CO2濃度的空間分布。網(wǎng)格劃分經(jīng)過無關(guān)性驗證，如圖3所示。

1.3 模型參數(shù)的設(shè)定

站臺層通風(fēng)溫度參考《空氣調(diào)節(jié)設(shè)計手冊》［4］，根據(jù)廣州夏季氣象參數(shù)，廣州地區(qū)夏季主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)占14%，靜風(fēng)幾率為28%，平均風(fēng)速為1.8 m/s，通風(fēng)溫度為31℃?？紤]主導(dǎo)風(fēng)向和靜風(fēng)對新風(fēng)取風(fēng)口濃度的影響，模擬過程分兩種工況進(jìn)行計算:

圖1 總體模型圖

圖2 模型細(xì)部詳圖

圖3 總體模型網(wǎng)格劃分

工況1(夏季主導(dǎo)風(fēng)):東南風(fēng)，10 m高處風(fēng)速為1.8 m/s;

工況2(靜風(fēng)):東南風(fēng)，10 m高處風(fēng)速為0.5 m/s(考慮列車進(jìn)出站時引起氣流流動的影響)。

站臺人員密度根據(jù)高峰到達(dá)人數(shù)2.84萬/h，每人平均在站臺停留時間為10 min計算，則站臺瞬時最高人數(shù)約為4 733人。根據(jù)參考文獻(xiàn)［5］，人們靜坐時CO2的生成量為0.31 L/min，即人均CO2發(fā)生量為0.01 g/s。根據(jù)以上數(shù)據(jù)得模擬計算參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 站臺空氣品質(zhì)模擬計算參數(shù)設(shè)置

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 鐵路客站周圍CO2濃度分布

一般情況下，室外新風(fēng) CO2為 0.03% ～0.04%，但是站臺區(qū)域存在一定的污染源，所以站臺上部新風(fēng)取風(fēng)口附近的新風(fēng) CO2濃度會有所增加。在此首先分析考慮站臺污染源后，站臺區(qū)域18 m高處CO2濃度相對于室外新風(fēng)濃度(取0.04%)的增加值。模擬計算得到的兩個工況下18 m高度處風(fēng)速分布和不同位置 CO2濃度增量分布如圖4和圖5所示。

圖4 主導(dǎo)風(fēng)工況下18 m高度處風(fēng)速和CO2濃度增量分布

圖5 靜風(fēng)工況下18m高度處風(fēng)速和CO2濃度增量分布

由圖4和圖5可以看出，兩種工況下站臺北側(cè)的CO2濃度增量大于其它地方，靜風(fēng)工況各處的CO2濃度增量都較主導(dǎo)風(fēng)工況大。但總體來看站臺污染源導(dǎo)致的CO2濃度增量較小，兩種工況下CO2濃度增量都在0.002%以下，這主要是因為站臺為室外開敞大空間，對污染物有較好的稀釋作用。

將CO2濃度增量分布加上新風(fēng)背景濃度0.04%，即可得到不同地點的新風(fēng)取風(fēng)濃度。候車室內(nèi)CO2發(fā)生量的平衡式如公式1所示，其中CO2濃度用質(zhì)量-體積濃度mg/m3表示，它與體積濃度%的換算關(guān)系如公式(2)所示。

式中:Gx1—新風(fēng)量(m3/h);

Gx2—回風(fēng)量(m3/h);

C1—新風(fēng)中CO2濃度(mg/m3);

C2—候車室內(nèi)CO2平均濃度(mg/m3);

C3—室內(nèi)人員CO2散發(fā)量［mg/(h·人)］;

n—候車室內(nèi)人數(shù)。

式中:X—污染物以mg/m3表示的濃度值;

C—污染物以%表示的濃度值;

M—污染物的分子量，CO2的分子量為44。

2.2 候車層室內(nèi)CO2平均濃度分布

根據(jù)新廣州站候車層空調(diào)負(fù)荷計算的設(shè)定參數(shù)可知，整個候車層的最高聚集人數(shù)為14 495人，CO2發(fā)生量為0.01 g/(s·人)。參照《鐵路旅客車站建筑設(shè)計規(guī)范》(GB50226—2007)的規(guī)定［6］，候車層的初始設(shè)計人均新風(fēng)量為10 m3/h。利用以上各式并考慮新風(fēng)取風(fēng)濃度分布，可計算得到新風(fēng)口設(shè)在不同位置時候車層室內(nèi)CO2平均濃度，如圖6和圖7所示。

圖6 靜風(fēng)工況人均新風(fēng)量10 m3/h的室內(nèi)CO2濃度

圖7 主導(dǎo)風(fēng)工況人均新風(fēng)量10 m3/h的室內(nèi)CO2濃度

由圖6和圖7可以看出，當(dāng)將新風(fēng)取風(fēng)口設(shè)置在站臺北部時，候車室內(nèi)CO2濃度高于在其它地方取新風(fēng)時的濃度。但總體來看，不同取風(fēng)點的新風(fēng)取風(fēng)濃度差別較小，因此新風(fēng)口在站臺上部的具體設(shè)置地點對候車室內(nèi)CO2濃度的影響較小，候車室內(nèi)CO2濃度主要受人均新風(fēng)量的影響。此外，由于目前新風(fēng)系統(tǒng)人均新風(fēng)量按10 m3/h設(shè)計，兩工況條件下候車室內(nèi)CO2濃度均達(dá)到了0.223%以上，根據(jù)《公共交通等候室衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 9672－1996)的要求［7］(以下簡稱衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn))，室內(nèi)CO2濃度日平均值必須低于0.15%，因此新風(fēng)量按10 m3/h設(shè)計不能滿足室內(nèi)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求，需適當(dāng)增大人均新風(fēng)量。

2.3 人均新風(fēng)量對室內(nèi)CO2濃度的影響

為了保證候車層室內(nèi)衛(wèi)生要求，本節(jié)分析了增大人均新風(fēng)量時，室內(nèi) CO2濃度的分布情況。當(dāng)人均新風(fēng)量為30 m3/h時，新風(fēng)口位置和室內(nèi)CO2濃度分布如圖8和圖9所示，由圖可以看出，此時主導(dǎo)風(fēng)和靜風(fēng)工況都可保證新風(fēng)口位置和候車室內(nèi)CO2濃度在0.1%左右，滿足衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于室內(nèi)CO2濃度日平均值低于0.15%的要求。

圖8 靜風(fēng)工況人均新風(fēng)量30 m3/h的室內(nèi)CO2濃度

由于新風(fēng)負(fù)荷是建筑負(fù)荷的重要組成部分，在鐵路客站的總負(fù)荷中，新風(fēng)負(fù)荷常常占到候車區(qū)空調(diào)總負(fù)荷的20%以上［8］。因此控制和正確使用新風(fēng)量是空調(diào)系統(tǒng)最有效的節(jié)能措施之一，在候車廳室內(nèi)空氣品質(zhì)滿足衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的前提下應(yīng)盡可能降低新風(fēng)量，以降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，使得空氣品質(zhì)、舒適性和節(jié)能性三者兼顧［9］。在此將人均新風(fēng)量由30 m3/h降低為17 m3/h，重新進(jìn)行模擬計算，計算結(jié)果如圖10和圖11所示。

由圖10和圖11可以看出，只要新風(fēng)口不設(shè)置在站臺北側(cè)，主導(dǎo)風(fēng)和靜風(fēng)工況下都可保證候車室內(nèi)CO2濃度剛好滿足0.15%的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求，因此候車層新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計時人均新風(fēng)量不得低于17 m3/h。

圖9 主導(dǎo)風(fēng)工況人均新風(fēng)量30 m3/h的室內(nèi)CO2濃度

圖10 靜風(fēng)工況人均新風(fēng)量17 m3/h的室內(nèi)CO2濃度

圖11 主導(dǎo)風(fēng)工況人均新風(fēng)量17 m3/h的室內(nèi)CO2濃度

3 結(jié)論

本文通過對新廣州火車站站臺層和候車層CO2濃度分布進(jìn)行CFD數(shù)值模擬得出:

(1)考慮站臺層污染源后，站臺上部新風(fēng)取風(fēng)濃度有所增加，北側(cè)區(qū)域的CO2濃度增量大于其它區(qū)域，靜風(fēng)工況各處的CO2濃度增量都高于對應(yīng)的主導(dǎo)風(fēng)工況。但總體來看各處CO2濃度增量都較小，因此新風(fēng)口位置對候車層室內(nèi) CO2濃度影響較小。盡管如此，仍建議新風(fēng)口盡量避免設(shè)置在站臺北側(cè)，因為一旦出現(xiàn)較強的污染源，北側(cè)受影響將更大。

(2)人均新風(fēng)量對候車層室內(nèi)CO2濃度分布影響顯著，當(dāng)人均新風(fēng)量為10 m3/h時，候車室內(nèi)CO2濃度不能滿足衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求;為了滿足衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求，又盡可能降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，建議人均新風(fēng)量取17 m3/h。

［1］ 劉帥，袁文華.HVAC系統(tǒng)對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響及改進(jìn)措施［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2005，24(3):92－95.

［2］ Green N E，Etheridge D W，Riffat S B.Location of air intakes to avoid contamination of indoor air:a wind tunnel investigation［J］.Building and Environment，2001，36(1):1－14.

［3］ 清華大學(xué)建筑學(xué)院.新廣州火車站節(jié)能設(shè)計與建筑內(nèi)熱環(huán)境研究報告［R］.2009.

［4］ 電子工業(yè)部第十設(shè)計研究院.空氣調(diào)節(jié)設(shè)計手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［5］ 陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊［M］.第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［6］ GB50226—2007，鐵路旅客車站建筑設(shè)計規(guī)范［S］.

［7］ GB9672—1996，公共交通等候室衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［8］ 王鑫，柯瑩.火車站新風(fēng)需求控制的節(jié)能性分析［J］.制冷與空調(diào)，2009，23(2):68－71.

［9］ 耿世彬，李永，韓旭.室內(nèi)空氣品質(zhì)與新風(fēng)節(jié)能研究進(jìn)展［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2009，28(5):32－38.