王麗慧劉卓李志玲王太晟

1上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院

2上海東方延華節(jié)能技術(shù)有限公司

地鐵站臺兩種送回風(fēng)方式下熱環(huán)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(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院

2上海東方延華節(jié)能技術(shù)有限公司

本文使用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的方法，建立典型島式站臺的三維幾何模型，用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型作為站臺氣流的物理模型，按實(shí)測的熱濕負(fù)荷、溫度速度等作為邊界條件，對地鐵閉式系統(tǒng)島式站臺環(huán)控系統(tǒng)中兩種典型送回風(fēng)方式的氣流組織方案在夏季工況最不利情況下進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：兩側(cè)送中間回的氣流組織方案在對站臺的溫度控制上要優(yōu)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(shù)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(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)營提供參考。

地鐵 送回風(fēng)方式 熱環(huán)境 CFD模擬

本文以站臺活塞風(fēng)與空調(diào)射流耦合理論研究[1]、實(shí)驗(yàn)研究[2]和CFD在地鐵站臺熱環(huán)境應(yīng)用研究[3]為基礎(chǔ)。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(shí)測的邊界條件進(jìn)行工況設(shè)定，采用適合的湍流物理模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。分析對比在夏季最不利工況下[3]活塞風(fēng)進(jìn)入站臺風(fēng)速達(dá)到最大8m/s，持續(xù)時(shí)間約40s，約占整個(gè)行車周期1/3），單送單回與兩側(cè)送中間回兩種送回風(fēng)方式在相同供冷量和送風(fēng)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(fēng)側(cè)進(jìn)站的情況。

1 物理模型

車站為雙柱島式結(jié)構(gòu)。區(qū)間隧道直徑5.2m，車站總長度200m，車站標(biāo)準(zhǔn)段寬20.7m，站臺寬度12m，有效站臺長度186m，高4m。站臺兩側(cè)各設(shè)置23個(gè)柱子，樓梯4個(gè)。車站軌行區(qū)頂端設(shè)有上排熱，上下行線各80個(gè)，尺寸1000mm×500mm，在距站臺板底設(shè)下排風(fēng)口，上下行線各96個(gè)，尺寸800mm×320mm。站臺層公共區(qū)空調(diào)送風(fēng)量為984000m3/h。兩種氣流組織的空調(diào)送風(fēng)口均采用雙層百葉風(fēng)口，尺寸為600mm×400mm，有效面積系數(shù)取0.83。其中單送單回氣流組織方式中站臺送回風(fēng)口各24個(gè)，分別均勻布置于站臺層天花板兩側(cè)，如圖1（a）所示；兩側(cè)送中間回氣流組織方式中送風(fēng)口48個(gè)，均勻布置于站臺層天花板兩側(cè)，回風(fēng)口16個(gè)，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(fēng)方式的氣流組織示意圖

2 數(shù)值模擬方法

2.1 數(shù)值計(jì)算方法

本文的模擬軟件為Fluent軟件，根據(jù)地鐵空氣流動(dòng)一般為湍流的特性，模擬中采用Standard k-ε模型，用SIMPLE算法聯(lián)立求解各離散方程。Standard k-ε模型的質(zhì)量守恒定律，動(dòng)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(xiàng)依次為瞬態(tài)項(xiàng)、對流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)。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(kuò)散系數(shù)；ρ，，Γφ，Sφ分別代表密度，速度矢量，擴(kuò)散通量和源項(xiàng)。

2.2 模型假設(shè)

由于實(shí)際地鐵結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，若完全按照實(shí)際情況進(jìn)行三維湍流流動(dòng)模擬，問題將十分復(fù)雜，且數(shù)值解可能發(fā)散。因此，在基本不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，為有效提高計(jì)算效率，本文引入如下簡化假設(shè)：

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

2）不考慮站臺公共區(qū)人員活動(dòng)而引起的局部氣流流動(dòng)對整個(gè)站臺區(qū)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(shù)法進(jìn)行處理。區(qū)間隧道，四周壁面按第一類邊界條件設(shè)置，壁面溫度均為27℃。

2）負(fù)荷邊界條件。站臺公共區(qū)空調(diào)負(fù)荷主要由設(shè)備負(fù)荷、照明及廣告牌負(fù)荷、人員負(fù)荷、自動(dòng)扶梯、軌底排熱風(fēng)道傳熱等組成，具體見表1。

表1 負(fù)荷邊界條件設(shè)置值

3）風(fēng)口邊界條件。地鐵站臺內(nèi)的空調(diào)送風(fēng)量按照地鐵車站內(nèi)旅客高峰期的最大負(fù)荷確定。本文研究的車站站臺送風(fēng)口設(shè)置為速度進(jìn)口邊界，其總的送風(fēng)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(jìn)站端活塞風(fēng)速度為8m/s，湍流強(qiáng)度10%，水力直徑5.2m，溫度為30℃，空調(diào)送風(fēng)溫度為25℃。其中單送單回空調(diào)送風(fēng)口速度為5.7m/s，回風(fēng)速度為4m/s。兩側(cè)送中間回空調(diào)送風(fēng)口速度為2.85m/s，回風(fēng)速度為6m/s。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 站臺人員活動(dòng)高度熱環(huán)境分析

對于閉式系統(tǒng)島式站臺，大量活塞風(fēng)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(yùn)動(dòng)上分析，會(huì)形成一個(gè)充斥大量活塞風(fēng)，氣流組織破壞嚴(yán)重，氣流運(yùn)動(dòng)劇烈無序的區(qū)域和一個(gè)氣流組織穩(wěn)定，氣流運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定有序的區(qū)域。前者靠近進(jìn)站端，后者遠(yuǎn)離進(jìn)站端，如圖2所示。本文把這兩個(gè)區(qū)分別定義為氣流過渡區(qū)和氣流平穩(wěn)區(qū)。

由圖2（a）與圖2（b）可見，在活塞風(fēng)與空調(diào)送風(fēng)射流耦合影響下，由于單送單回系統(tǒng)中空調(diào)送風(fēng)速度是兩側(cè)送中間回系統(tǒng)的兩倍，故相較于后者，前者能有效抑制活塞風(fēng)在站臺的擴(kuò)散，這主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：①氣流過渡區(qū)，速度變化梯度大，風(fēng)速主要分布在1.2～5m/s之間。前者主要集中在第一個(gè)樓梯口之前，區(qū)域較小，耦合氣流均勻擴(kuò)散、衰減。后者主要集中在第二個(gè)樓梯口之前，區(qū)域較大，且在站臺背風(fēng)處會(huì)形成渦流，不利于站臺區(qū)域舒適性的控制；②氣流平穩(wěn)區(qū)，風(fēng)速較為均勻，風(fēng)速主要分布在0～1.2m/s。單送單回系統(tǒng)中主要分布在第一個(gè)樓梯口之后，占整個(gè)站臺的4/5，風(fēng)速主要在0～0.8m/s之間，吹風(fēng)感弱。兩側(cè)送中間回系統(tǒng)中主要分布在第二個(gè)樓梯口之后，占整個(gè)站臺3/5。局部區(qū)域風(fēng)速在1.2m/s左右，有一定吹風(fēng)感。③從站臺全局來看，單送單回系統(tǒng)中，站臺風(fēng)速均小于5m/s，而兩側(cè)送中間回系統(tǒng)中，列車進(jìn)站端站臺局部區(qū)域風(fēng)速大于5m/s，不滿足地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范要求[7]。因此，從站臺氣流運(yùn)動(dòng)速度的角度分析，在活塞風(fēng)速最大的最不利工況下單送單回的氣流組織方案要優(yōu)于兩側(cè)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(fēng)和空調(diào)送風(fēng)射流耦合作用下的站臺在溫度分布上會(huì)形成三個(gè)典型區(qū)域，區(qū)域一的溫度主要受活塞風(fēng)控制，溫度較高，主要分布在29.6～30℃，人體感覺燥熱；區(qū)域二和區(qū)域三是伴隨著活塞風(fēng)的衰減形成，其中區(qū)域二的溫度主要受活塞風(fēng)與空調(diào)送風(fēng)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(qū)域三的溫度主要是受空調(diào)送風(fēng)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(gè)區(qū)分別定義為活塞風(fēng)主導(dǎo)影響區(qū)、活塞風(fēng)與空調(diào)送風(fēng)射流綜合影響區(qū)、空調(diào)送風(fēng)射流影響區(qū)。

由圖3（a）知，在單送單回系統(tǒng)中溫度沿站臺縱向分區(qū)下降，三個(gè)區(qū)域依次主要分布在距進(jìn)站端50m之前、50～70m之間、70m之后。而對于兩側(cè)送中間回系統(tǒng)，如圖3（b）所示，三個(gè)區(qū)域依次在距進(jìn)站端70m之前站臺區(qū)右下側(cè)半站臺（其中約一半在區(qū)間隧道內(nèi)）、距進(jìn)站端70m之前站臺區(qū)左上側(cè)半站臺、距進(jìn)站端70m之后。這主要是因?yàn)樵趩嗡蛦位叵到y(tǒng)中，活塞風(fēng)攜帶的大量熱量受到空調(diào)送風(fēng)射流阻力較大，造成部分熱量主要經(jīng)歷一個(gè)橫向?qū)α鲾U(kuò)散過程，并隨著活塞風(fēng)的深入而縱向衰減，而對于兩側(cè)送中間回系統(tǒng)，阻力較小，這部分熱量主要經(jīng)歷一個(gè)以縱向?qū)α鲾U(kuò)散為主，伴隨橫向?qū)α鱾鳠岬倪^程。從整體看，兩側(cè)送中間回系統(tǒng)在距進(jìn)站端70m之前站臺區(qū)具有優(yōu)勢，其余部分站臺區(qū)兩者區(qū)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(huán)境分析

本文在站臺區(qū)域活塞風(fēng)初始段（距進(jìn)站端20.3m），充分發(fā)展段（距進(jìn)站端96.8m）選取2個(gè)典型截面進(jìn)行分析[1]。由圖4和圖5可知，由于空調(diào)送風(fēng)射流對活塞風(fēng)抑制擴(kuò)散程度不一樣，單送單回系統(tǒng)由于送風(fēng)速度較大，所以對活塞風(fēng)在站臺的擴(kuò)散阻力較大。因此，在站臺活塞風(fēng)初始段和充分發(fā)展段，單送單回系統(tǒng)中風(fēng)速均明顯大于兩側(cè)送中間回。其中在站臺活塞風(fēng)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(fēng)速達(dá)到5m/s，候車區(qū)乘客有明顯吹風(fēng)感，嚴(yán)重影響人員的舒適性，且不滿足地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范。在站臺活塞風(fēng)充分發(fā)展段前者站臺風(fēng)速在0.4m/s，小于后者的0.8m/s，幾乎沒有吹風(fēng)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(yōu)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(fēng)方式的氣流組織區(qū)別較大，主要體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：①在初始段，單送單回系統(tǒng)中橫向截面溫度在29.8℃左右；而對于兩側(cè)送中間回系統(tǒng)，其橫向截面溫度變化梯度大，29.8℃左右高溫區(qū)主要集中在區(qū)間隧道，而站臺在27.4～28.6℃之間，溫度適中。②在充分發(fā)展段，單送單回系統(tǒng)中，在空調(diào)送風(fēng)噴口下方形成局部低溫區(qū)，溫度在25.6～26.5℃之間，且空調(diào)送風(fēng)氣流以約1.2m/s的速度沖擊地面而向周邊擴(kuò)散，造成在噴口送風(fēng)周邊區(qū)域人體上半身和下半身冷熱不均現(xiàn)象，而在兩側(cè)送中間回系統(tǒng)中，空調(diào)送風(fēng)射流與活塞風(fēng)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(xiàn)象的原因是初始段活塞風(fēng)影響顯著，單送單回系統(tǒng)下空調(diào)送風(fēng)射流抑制了活塞風(fēng)縱向發(fā)展而導(dǎo)致橫向擴(kuò)散，導(dǎo)致站臺截面溫度較高。而兩側(cè)送中間回系統(tǒng)中，活塞風(fēng)主要是一個(gè)縱向流動(dòng)的過程，因此主要影響區(qū)間隧道溫度而對站臺區(qū)影響相對較小。

圖5 站臺充分發(fā)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(fā)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(fēng)的效果，下面分別從溫度/速度不均勻系數(shù)和能量利用系數(shù)[8]對兩種送回風(fēng)方式的氣流組織進(jìn)行對比分析。

3.3.1 不均勻系數(shù)

以溫度不均勻系數(shù)為例，同理速度不均勻系數(shù)。該方法是在工作區(qū)內(nèi)選擇n個(gè)測點(diǎn)均勻布置于站臺距地面1.5m高平面。測點(diǎn)分兩組，即近進(jìn)站端典型測點(diǎn)和遠(yuǎn)進(jìn)站端典型測點(diǎn)，分別為位于距進(jìn)站端隧道壁面7.2m，13.5m處，各測點(diǎn)前后距離11.6m。詳見圖8，分別測得各點(diǎn)的溫度，求其算術(shù)平均值：

圖8 地鐵車站典型測點(diǎn)示意圖

圖9，圖10分別為兩種送回風(fēng)方式下站臺1.5m高人員活動(dòng)區(qū)典型測點(diǎn)溫度和速度分布情況。經(jīng)過計(jì)算得出兩種氣流組織方案下溫度不均勻系數(shù)基本相同，約0.04。而速度不均勻系數(shù)相差較大，單送單回氣流組織方式為1.05，兩側(cè)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(yōu)于兩側(cè)送中間回的氣流組織。

圖9 站臺典型測點(diǎn)溫度分布示意圖

圖10 站臺典型測點(diǎn)溫度分布示意圖

3.3.2 能量利用系數(shù)

兩種送回風(fēng)方式下的空調(diào)送風(fēng)溫度均為25℃，根據(jù)Fluent后處理數(shù)據(jù)計(jì)算得到單送單回氣流組織排風(fēng)口溫度為28.01℃，工作區(qū)溫度為27.99℃；兩側(cè)送中間回的氣流組織排風(fēng)口溫度為27.61℃，工作區(qū)的溫度為27.82℃。由式（5）可得，單送單回的能量利用系數(shù)η為1.01，兩側(cè)送中間回的能量利用系數(shù)η為0.92?？梢姀哪芰坷孟禂?shù)分析可知單送單回略優(yōu)于兩側(cè)送中間回的氣流組織，這主要是區(qū)間隧道內(nèi)的上下排熱系統(tǒng)毗鄰于空調(diào)送風(fēng)噴口，部分空調(diào)送風(fēng)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(diào)送風(fēng)噴口越多會(huì)造成冷量的流失越嚴(yán)重，增大地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

式中：tp，tn，to分別是工作區(qū)空氣排風(fēng)溫度，工作區(qū)平均溫度和送風(fēng)溫度。

4 結(jié)論

1）在空調(diào)總送冷量一定和相同送風(fēng)溫差的情況下，兩側(cè)送中間回的氣流組織方式對站臺溫度控制要優(yōu)于單送單回的氣流組織方式，主要體現(xiàn)在距列車進(jìn)站端70m內(nèi)站臺區(qū)域溫度上前者明顯低于后者，站臺其他區(qū)域兩者并無明顯區(qū)別。

2）在對整個(gè)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(fēng)速在0～1.2m/s，局部氣流在1.2～5m/s。而兩側(cè)送中間回的氣流組織下在列車進(jìn)站端站臺局部區(qū)域氣流大于5m/s的情況，會(huì)造成候車人員強(qiáng)烈的燥熱吹風(fēng)感，不滿足地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3）從整個(gè)站臺均勻性和空調(diào)系統(tǒng)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(cè)送中間回。主要體現(xiàn)在兩者溫度均勻系數(shù)無明顯區(qū)別，而速度均勻系數(shù)和能耗利用系數(shù)上前者以1.05，1.01略優(yōu)于后者的1.25，0.92。

4）對于閉式系統(tǒng)中兩側(cè)送中間回的氣流組織，合理地布置安全門，同時(shí)通過適當(dāng)減少送風(fēng)口數(shù)量，減小送風(fēng)溫差等方式增加空調(diào)送風(fēng)速度能較大地改善地鐵站臺熱環(huán)境。

[1]杜曉明.地鐵活塞風(fēng)與站臺送風(fēng)射流等溫耦合速度場特性研究[D].上海:上海理工大學(xué),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(qū)軍工路516號上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院（200093）；E-mail:463696204@qq.com