葉 雷

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

地鐵是解決城市交通問(wèn)題的重要途徑，也是體現(xiàn)一個(gè)城市經(jīng)濟(jì)實(shí)力、人們生活水平及現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。近年來(lái)，在我國(guó)如同雨后春筍般出現(xiàn)，各地掀起了新建地鐵項(xiàng)目的高潮。在保證地鐵安全、快速運(yùn)行的同時(shí)，如何改善乘客的舒適性是學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)地鐵環(huán)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究，鐘星燦［1］分析了不同系統(tǒng)地鐵空調(diào)負(fù)荷組成及估算方法;吳喜平［3］研究了活塞風(fēng)對(duì)車站環(huán)控速度場(chǎng)的影響;朱穎心等［2］探討了通風(fēng)方案與車站空調(diào)負(fù)荷及空調(diào)能耗間的關(guān)系;常軍［4］利用SES軟件模擬了不同工況下隧道內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)及新風(fēng)量的變化規(guī)律。另外，地鐵火災(zāi)煙氣控制［5，6］、節(jié)能措施［7，8］也是研究的焦點(diǎn)。本文擬對(duì)寧波軌道交通1號(hào)線某站臺(tái)環(huán)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，利用CFD軟件模擬分析某島式站臺(tái)的熱濕環(huán)境、CO2濃度及PMV-PPD分布規(guī)律，為環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論參考和工程借鑒。

1 工程概況

寧波軌道交通1號(hào)線為東西向主干線，西起鄞州高橋，東連北侖城區(qū)，貫穿海曙區(qū)、三江口、江東區(qū)及東部新城，主要解決市區(qū)東西向客流需求。在建的1號(hào)線主線路全長(zhǎng)21.3 km，其中地下線14 km，設(shè)車站15座，采用屏蔽門系統(tǒng);高架線7.3 km，設(shè)車站5座，安裝半高安全門。該線路于2009年6月開(kāi)工，預(yù)計(jì)2014年竣工試運(yùn)營(yíng)。1號(hào)線車輛采用B2型車，初、近、遠(yuǎn)期均采用6輛編組，4動(dòng)2拖，平均時(shí)速35 km/h，最高運(yùn)行速度可達(dá)80 km/h。規(guī)劃初期發(fā)車頻率為5 min，晚高峰時(shí)發(fā)車密度可達(dá)30對(duì)/h，設(shè)計(jì)最大運(yùn)能每小時(shí)4萬(wàn)人次～5萬(wàn)人次，將會(huì)極大緩解寧波交通擁堵之現(xiàn)狀，提高城市品位與檔次。

寧波地鐵1號(hào)線某地下車站，為明暗結(jié)合的分離島式站臺(tái)型，右線為地下2層明挖，左線為單層暗挖，站臺(tái)長(zhǎng)度為145 m，寬度為12 m，總建筑面積為10489 m2。站臺(tái)在軌道兩側(cè)縱向布置，距站臺(tái)邊緣200 mm處設(shè)有屏蔽門，站臺(tái)東西兩側(cè)為設(shè)備管理房。

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

地鐵隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響因素較多，本文做出如下簡(jiǎn)化:1)假設(shè)乘客均勻分布在站臺(tái)候車區(qū);2)忽略屏蔽門滲風(fēng)量的影響，隧道內(nèi)熱量從軌道上部和底部排風(fēng)道排至外環(huán)境;3)忽略設(shè)備管理房與站臺(tái)公共區(qū)之間的傳熱。圖1為該站臺(tái)三維模型示意圖。

圖1 地鐵站臺(tái)三維物理模型

2.2 數(shù)學(xué)模型

文獻(xiàn)［9］［10］等提出，地鐵車站內(nèi)氣流為三維不可壓縮粘性流體的湍流流動(dòng)。采用的控制方程如下:

其中，ρ為空氣密度，kg/m3;mi為組分i的質(zhì)量百分?jǐn)?shù);u為速度分量，m/s;Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù);Ri為單位容積內(nèi)組分的產(chǎn)生率，kg/(s·m3)。

2.3 邊界條件

車站有乘客出入口4個(gè)，客流早高峰預(yù)計(jì)出現(xiàn)在早7:00～8:00之間，高峰小時(shí)上下車總客流量為16000人左右;晚高峰出現(xiàn)在17:00～18:00，客流約為早高峰的80%左右，人體散熱全熱量取為180 W。照明燈具、廣告燈箱、自動(dòng)扶梯、自動(dòng)檢票機(jī)及其他內(nèi)部設(shè)備散熱量穩(wěn)定，約230 kW。人均CO2散發(fā)量按40 g/h計(jì)算。

采用散流器下送風(fēng)，送風(fēng)溫度20℃，送風(fēng)速度3.2 m/s。環(huán)控系統(tǒng)所有回風(fēng)口均采用單層百葉風(fēng)口，回風(fēng)量為12 m3/s。

3 結(jié)果與分析

3.1 溫度場(chǎng)分布

圖2模擬了該站臺(tái)公共區(qū)Y=1.6 m處溫度場(chǎng)的分布云圖，可以看出，中間溫度高，兩端溫度低，熱空氣沿著隧道方向向兩側(cè)輕微擴(kuò)散的現(xiàn)象，這是因?yàn)槔錈峥諝鈱?duì)流作用而產(chǎn)生的。另外，人員逗留區(qū)溫度大多處于28.5℃左右，略微偏高，但考慮到人員是從炎熱的地面環(huán)境進(jìn)入站廳層，再進(jìn)入站臺(tái)層，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的熱感覺(jué)過(guò)程，既考慮了節(jié)能的需求，又滿足了地鐵環(huán)控的規(guī)范性要求。

圖2 Y=1.6 m處溫度場(chǎng)分布

圖3、圖4分別給出了X=0和X=24 m處時(shí)站臺(tái)的溫度分布云圖。

從圖3可以看出，由于屏蔽門將隧道與站臺(tái)分割開(kāi)來(lái)，列車運(yùn)行散熱只有極少熱量散發(fā)到站臺(tái)，整個(gè)站臺(tái)，特別是站廳的溫度場(chǎng)分布比較均勻，整體處于26.8℃左右的水平，很好地滿足了舒適性的要求。

圖3 X=0處站臺(tái)溫度場(chǎng)分布

圖4展示了X=24 m處站臺(tái)溫度分布情況，不難發(fā)現(xiàn)，站廳層受入口氣流的干擾，而公共區(qū)平均溫度27.2℃，該斷面整體人員熱舒適較好。

3.2 速度場(chǎng)分布

圖5模擬的是站臺(tái)層人體呼吸區(qū)的速度分布云圖，可以看出，候車區(qū)的速度分布特別均勻，平均速度在0.2 m/s之下，僅在樓梯口和出入口處速度呈現(xiàn)了渦流現(xiàn)象，其主要原因是地下一層空氣在熱壓作用下進(jìn)入站臺(tái)層，造成該處速度達(dá)到近2.5 m/s。

圖4 X=24 m處站臺(tái)溫度場(chǎng)分布

圖5 X=1.6 m處速度分布

3.3 濃度場(chǎng)分布

地鐵乘客較多，高峰時(shí)段的人群更是擁擠，在地鐵環(huán)控系統(tǒng)優(yōu)化中，除了滿足人體熱舒適性因素外，其空氣品質(zhì)問(wèn)題也是當(dāng)前關(guān)注的焦點(diǎn)。

圖6給出了站臺(tái)層CO2濃度分布規(guī)律，可以看出，候車區(qū)域內(nèi)二氧化碳的濃度相對(duì)較高，平均值在400 ppm左右，不難發(fā)現(xiàn)最高值為900 ppm，低于《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的不應(yīng)大于1500 ppm的限值。這表明，車站內(nèi)的空氣品質(zhì)符合相關(guān)要求，新鮮空氣可以滿足健康、衛(wèi)生的需求。

圖6 X=1.6 m處CO2濃度分布

3.4 PMV-PPD 分布

PMV描述的是人們對(duì)同一環(huán)境的熱感覺(jué)，而PPD則是人們對(duì)這個(gè)環(huán)境的不滿意率。即使是PMV=0，也就是中性時(shí)候，也會(huì)有人對(duì)此環(huán)境表示不滿意的，PPD指標(biāo)更多的是體現(xiàn)出了不同人群的生理差別。因此，PMV和PPD指標(biāo)被廣泛應(yīng)用于環(huán)境熱感覺(jué)評(píng)價(jià)。根據(jù)最新的暖通規(guī)范(GB 50736-2012)的要求，1級(jí)舒適等級(jí)中，－0.5≤PMV≤0.5，PPD≤10%，2 級(jí)舒適等級(jí)中，－1≤PMV ＜0.5 或0.5 ＜PMV≤1，PPD≤27%。

圖7、圖8分別為站臺(tái)X=1.6 m處PMV，PPD分布情況。分析可知，該站臺(tái)中部地區(qū)PMV值比兩側(cè)高，乘客逗留區(qū)域PMV值處于0.3～0.6之間，而同一區(qū)域的PPD值在8%左右，顯然該區(qū)域?qū)儆?級(jí)舒適。同樣發(fā)現(xiàn)，在兩側(cè)樓梯附近的PMV值為－0.7左右，PPD則逼近15%，屬于2級(jí)舒適?？傊?，該車站熱環(huán)境適中，能保證乘客的舒適性。

圖7 X=1.6 m處PMV分布

圖8 X=1.6 m處PPD分布

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)寧波軌道交通1號(hào)線某島式站臺(tái)環(huán)控系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、PMV和PPD分布規(guī)律。研究表明，站廳的溫度場(chǎng)分布比較均勻，整體處于26.8℃左右的水平，很好地滿足了舒適性的要求。候車區(qū)域空氣流動(dòng)速率基本控制在0.2 m/s之下，僅在樓梯口和出入口處呈現(xiàn)了渦流現(xiàn)象。站臺(tái)層CO2濃度平均值為400 ppm左右，最高值為900 ppm，滿足地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范要求。PMV，PPD指標(biāo)均符合最新暖通規(guī)范要求，能保證乘客的舒適性。

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