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        柱壁貼附通風(fēng)在地鐵車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中的創(chuàng)新應(yīng)用

        2021-01-18 03:13:20孫心明余偉之
        關(guān)鍵詞:氣流組織靜壓車站

        孫心明,籃 杰,余偉之

        (中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

        建筑內(nèi)部的通風(fēng)氣流組織是營造室內(nèi)環(huán)境的主要手段之一,也是通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)最終體現(xiàn)和最直接的終端技術(shù),直接關(guān)系到環(huán)境保障的最終效果及系統(tǒng)的能量利用效率。

        常規(guī)地鐵車站公共區(qū)的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng),一般均采用傳統(tǒng)上送上回混合式通風(fēng)系統(tǒng),混合式通風(fēng)系統(tǒng)送、回風(fēng)口布置靈活,具有不占用人員活動空間的優(yōu)勢;但該氣流組織具有“大漫灌”特點,通風(fēng)效率較低,工作區(qū)空氣品質(zhì)趨近于回風(fēng)狀況,衛(wèi)生條件及人員舒適性相對較差。

        為進一步優(yōu)化地鐵車站公共區(qū)氣流組織,引入了貼附通風(fēng)模式。西安建筑科技大學(xué)李安桂教授團隊對貼附通風(fēng)進行了20余年的研究與實踐,提出了貼附通風(fēng)理論及氣流組織設(shè)計方法[1-5]。

        貼附通風(fēng)方式結(jié)合建筑內(nèi)部造型,融合混合式通風(fēng)和置換通風(fēng)兩種方式的優(yōu)勢,克服了混合通風(fēng)溫度效率低及置換通風(fēng)使用場合受限等一系列弊端。如圖1所示,貼附通風(fēng)以保障工作區(qū)環(huán)境為目標(biāo),將新鮮空氣和冷量最大限度地輸送到人員工作區(qū);人員工作區(qū)上部空間具有一定的溫度梯度,負擔(dān)的總冷負荷小于混合通風(fēng),具有較好的節(jié)能效果[6-9]。

        圖1 豎壁貼附射流通風(fēng)示意

        本文基于貼附通風(fēng)原理及設(shè)計方法,結(jié)合地鐵車站公共區(qū)普遍存在的結(jié)構(gòu)柱,對貼附通風(fēng)系統(tǒng)在地鐵車站公共區(qū)的適用性進行研究。以鄭州某地鐵站為例,對貼附通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢進行相關(guān)分析探討。

        1 柱壁貼附通風(fēng)原理及設(shè)計方法

        1.1 柱壁貼附通風(fēng)原理

        柱壁貼附通風(fēng)模式利用“康達”效應(yīng)及“擴展康達”效應(yīng)[10],空氣由位于結(jié)構(gòu)柱(或裝飾柱)上部的條縫送風(fēng)口射出后,立即與柱壁表面形成貼附流動。當(dāng)流動到接近地面高度時,在地面逆壓梯度的作用下射流主體與柱面分離,流動方向也由豎直向變?yōu)樗较?,此后氣流貼附地面流動,在工作區(qū)形成以結(jié)構(gòu)柱(或裝飾柱)為中心的均勻擴散流動分布[11-13]。

        柱壁貼附通風(fēng)理論模型如圖2所示,其射流流場可以劃分為3個區(qū)域:豎向柱面貼附區(qū)、射流沖擊偏轉(zhuǎn)區(qū)和水平向空氣湖區(qū)。

        圖2 柱壁貼附通風(fēng)理論模型示意

        西安建筑科技大學(xué)李安桂等人的研究成果[7]表明,柱面貼附通風(fēng)模式能夠在工作區(qū)形成類似置換通風(fēng)的空氣湖狀速度及溫度分布,且通風(fēng)效果、人員舒適性以及通風(fēng)效率均有所提高,適用于地鐵車站等大空間建筑通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)氣流組織設(shè)計。

        1.2 貼附通風(fēng)設(shè)計方法

        貼附通風(fēng)的設(shè)計過程是在滿足工作區(qū)人員舒適性及節(jié)能或工藝要求的前提下,提出合適的送風(fēng)參數(shù),如風(fēng)速、溫度及風(fēng)口尺寸等。西安建筑科技大學(xué)李安桂團隊通過研究影響室內(nèi)空氣分布的諸多因素,總結(jié)出貼附通風(fēng)氣流組織設(shè)計方法,詳見表1[14]。

        表1 貼附通風(fēng)設(shè)計方法

        2 柱壁貼附通風(fēng)在地鐵車站的應(yīng)用分析

        2.1 地鐵車站結(jié)構(gòu)特點

        按照線路分布情況,地鐵車站可分為島式車站、側(cè)式車站和島側(cè)混合式車站。其中,島式車站是指站臺位于上下行車線路之間車站。側(cè)式車站是指站臺位于上下行車線路兩側(cè)的車站。島側(cè)混合式車站一般出現(xiàn)在兩線平行換乘的車站中,由島式站臺和側(cè)式站臺共同組成。

        從使用功能來說,地鐵車站可分為公共區(qū)和設(shè)備區(qū)兩部分,其中公共區(qū)是提供旅客乘降以及候車的場所,設(shè)備區(qū)是保證地鐵運營的各類電氣、信號、通風(fēng)空調(diào)等設(shè)備集中場所以及運營管理人員工作的場所。

        不論何種形式的地鐵車站,在地鐵車站公共區(qū)內(nèi)均布置有大量結(jié)構(gòu)柱,根據(jù)車站寬度的不同,又可分為單柱車站和雙柱車站。其中,單柱車站是指沿車站長度方向,在公共區(qū)內(nèi)僅布置有一排結(jié)構(gòu)柱的車站,如圖3所示。雙柱車站是指沿車站長度方向,在車站公共區(qū)內(nèi)布置有2排結(jié)構(gòu)柱的車站,如圖4所示。

        圖3 典型單柱車站站廳層公共區(qū)平面

        圖4 典型雙柱車站站廳層公共區(qū)平面

        本文主要針對地鐵車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)氣流組織進行研究,并以典型雙柱車站為例進行相關(guān)分析。

        2.2 柱壁貼附通風(fēng)末端送風(fēng)裝置

        研究表明[15],貼附通風(fēng)模式的最終實現(xiàn)主要依靠末端的送風(fēng)裝置,該裝置需要能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定氣流、減小氣流湍動性、降低氣流噪聲、保證出風(fēng)口出風(fēng)均勻性,使氣流沿壁面貼附流動。

        結(jié)合上述要求及地鐵車站結(jié)構(gòu)柱特點,研究并提出了3種柱壁貼附通風(fēng)末端送風(fēng)裝置,分別為矩形柱回形貼附通風(fēng)靜壓箱、圓形柱回形貼附通風(fēng)靜壓箱及條形貼附通風(fēng)靜壓箱[16]。3種貼附通風(fēng)靜壓箱各有特點,其中條形貼附通風(fēng)靜壓箱布置更靈活,適應(yīng)性更廣。下文主要針對條形貼附通風(fēng)靜壓箱進行分析。

        條形貼附通風(fēng)靜壓箱送風(fēng)口形式為條縫型送風(fēng)口,送風(fēng)口寬度一般為0.05~0.12 m,裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過該末端送風(fēng)裝置送風(fēng)時,空氣由進風(fēng)口進入靜壓箱的進風(fēng)區(qū)域Ⅱ,高速氣流撞擊靜壓箱進風(fēng)區(qū)域Ⅱ壁面后,動壓逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓,區(qū)域內(nèi)空氣在靜壓作用下穿過孔板進入上部穩(wěn)流區(qū)域Ⅰ,氣流均勻性有所提高,隨著空氣不斷由進風(fēng)區(qū)域Ⅱ進入穩(wěn)流區(qū)域Ⅰ,穩(wěn)流區(qū)域Ⅰ內(nèi)壓力逐漸升高,區(qū)域內(nèi)空氣在壓力作用下穿過孔板進入出風(fēng)區(qū)域Ⅲ。上述過程延長了空氣在靜壓箱內(nèi)的流動距離,使得動壓轉(zhuǎn)化為靜壓的比例增加。均勻性較好的空氣沿垂直導(dǎo)流段垂直向下送出,減弱了出風(fēng)氣流與室內(nèi)熱空氣混合程度,同時提高了送風(fēng)射流距離,降低送風(fēng)氣流對人員的吹風(fēng)感。

        圖5 條形貼附通風(fēng)靜壓箱結(jié)構(gòu)示意

        2.3 地鐵車站貼附通風(fēng)設(shè)計方法

        貼附通風(fēng)通過改變原送風(fēng)系統(tǒng)中的末端送風(fēng)口的位置及形式,將普通雙層百葉送風(fēng)口改為貼附通風(fēng)末端送風(fēng)裝置。根據(jù)地鐵車站結(jié)構(gòu)特點選取合適的貼附通風(fēng)末端送風(fēng)裝置,以典型雙柱車站為例,選取條形貼附通風(fēng)末端送風(fēng)靜壓箱。

        如圖6所示,該條形貼附通風(fēng)靜壓箱緊貼柱子裝修面布置,并通過支管與送風(fēng)主干管連接,送風(fēng)裝置的末端條縫型送風(fēng)口緊貼吊頂設(shè)置。

        圖6 雙柱車站站廳層公共區(qū)貼附通風(fēng)布置剖面

        如圖7所示,地鐵車站公共區(qū)內(nèi)除樓扶梯、電梯、檢票閘機等位置以外,在結(jié)構(gòu)柱兩側(cè)均布置條形貼附通風(fēng)靜壓箱。

        圖7 雙柱車站站廳層公共區(qū)貼附通風(fēng)布置平面

        根據(jù)貼附通風(fēng)設(shè)計方法計算送風(fēng)量,并根據(jù)末端裝置布置數(shù)量確定每個末端裝置的送風(fēng)量、送風(fēng)口寬度、送風(fēng)速度以及送風(fēng)溫度,并通過校核保證工作區(qū)內(nèi)送風(fēng)速度、送風(fēng)溫度以及水平射程滿足設(shè)計要求。

        3 柱壁貼附通風(fēng)在地鐵車站的應(yīng)用分析

        3.1 柱壁貼附通風(fēng)溫度場模擬分析

        以鄭州機場線至許昌市域鐵路明港站為例,廳層公共區(qū)尺寸(長×寬×高)為105 m×14 m×3.5 m,分別建立地鐵車站公共區(qū)柱壁貼附通風(fēng)及混合式通風(fēng)的CFD模型。

        通過CFD模擬計算,雙柱貼附通風(fēng)和混合式通風(fēng)模式下地鐵車站站廳層公共區(qū)的溫度場模擬結(jié)果如圖8、圖9所示。

        圖8 柱壁貼附通風(fēng)溫度場(y=1.7 m)

        圖9 混合式通風(fēng)溫度場(y=1.7 m)

        圖8、圖9分別給出了兩種方案距地面1.7 m高度處水平截面的溫度分布云圖。柱壁貼附通風(fēng)公共區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域溫度分布較為均勻,溫度大小維持在28 ℃左右?;旌鲜酵L(fēng)模式下,公共區(qū)兩端的區(qū)域溫度較高,達到32 ℃左右,其余位置整體溫度維持在29~30 ℃,風(fēng)口下方區(qū)域溫度相對較低,溫度約為29 ℃。

        圖10、圖11分別給出了兩種送風(fēng)模式(柱壁貼附通風(fēng)和混合通風(fēng)模式)下縱向截面(z=47.5 m)處的溫度場云圖。

        圖10 貼附通風(fēng)縱向截面溫度分布(z=47.5 m)

        圖11 混合通風(fēng)縱向截面溫度分布(z=47.5 m)

        柱壁貼附通風(fēng)縱向截面溫度場方面,豎直方向溫度有明顯的分層,溫度隨著高度增加而升高。在人員活動區(qū)域的溫度分布均勻,維持在27~28 ℃,滿足設(shè)計要求。混合通風(fēng)模式下,靠近兩側(cè)區(qū)域人員活動區(qū)溫度維持在28 ℃,但是在雙列柱之間的區(qū)域溫度較高,最高達到了30 ℃左右。整體溫度呈現(xiàn)中間區(qū)域溫度高,兩側(cè)區(qū)域溫度低的現(xiàn)象,溫度分布不均勻。

        柱壁貼附通風(fēng)和混合通風(fēng)沿房間高度方向橫向截面平均溫度分布如圖12所示。

        圖12 柱壁貼附通風(fēng)和混合通風(fēng)橫向截面的平均溫度分布

        從圖12可以看出,貼附通風(fēng)模式下,在0.2

        3.2 柱壁貼附通風(fēng)速度場模擬分析

        通過CFD模擬計算,雙柱貼附通風(fēng)和混合式通風(fēng)模式下地鐵車站站廳層公共區(qū)的速度場模擬結(jié)果分別如圖13、圖14所示。

        圖13 柱壁貼附通風(fēng)速度場(y=1.7 m)

        圖14 混合式通風(fēng)速度場(y=1.7 m)

        圖13、圖14分別給出了兩種方案距地面1.7 m高度處水平截面的速度分布云圖。兩種方案整體風(fēng)速均維持在0.2 m/s,貼附通風(fēng)中,送風(fēng)從條縫風(fēng)口射出,與周圍空氣摻混的同時沿柱面向下流動,其軸線速度不斷衰減。在相鄰兩個矩形柱之間的對稱面上,氣流交匯現(xiàn)象明顯。在交匯區(qū)域,風(fēng)速增加至0.4 m/s,交匯區(qū)域以外,活動區(qū)內(nèi)的風(fēng)速維持在0.1~0.2 m/s,風(fēng)速大小均滿足要求?;旌贤L(fēng)模式中送風(fēng)從風(fēng)口送出,與周圍空氣大量混合后,在風(fēng)口正下方區(qū)域速度較大,最大可到0.7 m/s以上,風(fēng)口正下方以外區(qū)域風(fēng)速偏小。

        圖15、圖16分別給出了兩種送風(fēng)模式(柱壁貼附通風(fēng)和混合通風(fēng)模式)下縱向截面(z=47.5 m)處的速度場云圖。

        圖15 貼附通風(fēng)縱向截面速度分布(z=47.5 m)

        圖16 混合通風(fēng)縱向截面速度分布(z=47.5 m)

        在貼附通風(fēng)模式下,送風(fēng)在貼附效應(yīng)的作用下沿著矩形柱面向下運動,接近地面進入撞擊區(qū)后方向由豎直變?yōu)樗椒较?,在活動區(qū)下方形成空氣湖。人員在貼附通風(fēng)模式下,活動周圍風(fēng)速不超過0.3 m/s,滿足舒適要求?;旌贤L(fēng)送風(fēng)由分布在空間兩側(cè)的送風(fēng)口送出后,與周圍空氣摻混,所以風(fēng)速分布大小沒有較強的規(guī)律。從圖16可以看出,在0.1~1.0 m高度內(nèi),風(fēng)速最高達到了0.6 m/s,最低達到了0.1 m/s,風(fēng)速均勻性較差。通過兩種通風(fēng)方式形成的速度分布云圖可以看出,貼附通風(fēng)速度場均勻性更好,人員舒適性更高。

        3.3 柱壁貼附通風(fēng)熱舒適性分析

        相對熱指標(biāo)RWI(Relative Warmth Index)是美國運輸部(United States Department of Transportation)的地鐵環(huán)境設(shè)計手冊中提出的一種熱舒適指標(biāo)[17]。地鐵車站中,從進站到出站,乘客在車站內(nèi)的停留時間一般為3~6 min,乘客大多處于短暫停留的過渡狀態(tài),利用相對熱指標(biāo)(RWI)可以有效地對地鐵站內(nèi)短暫停留的人員環(huán)境進行評價[18-20]。

        RWI值表示了在比較溫暖的環(huán)境條件下人員的熱感覺狀況。表2給出了RWI值與ASHRAE的不同級別的熱感覺指標(biāo)相對應(yīng)的關(guān)系。

        表2 RWI值與熱感覺之間的對應(yīng)關(guān)系

        通過計算,柱壁貼附通風(fēng)以及混合式通風(fēng)的RWI值以及對應(yīng)熱舒適級別如圖17所示。兩種送風(fēng)方式的RWI值分別為0.20和0.22,熱舒適感均處于“微暖~暖”的范圍內(nèi)。其中混合通風(fēng)模式的RWI最大,接近“暖”的級別,雙列柱貼附通風(fēng)模式RWI值最小,接近“微暖”的級別。與混合通風(fēng)相比,貼附通風(fēng)的RWI值較低,人體舒適性更好。當(dāng)站內(nèi)RWI<站外RWI,乘客在進站過程中即可逐漸感覺到?jīng)鏊R虼?,雙柱貼附通風(fēng)可以提供更舒適的地鐵車站公共區(qū)環(huán)境。

        圖17 兩種送風(fēng)方式的RWI值對比

        3.4 柱壁貼附通風(fēng)節(jié)能效果分析

        以鄭州地鐵17號線車站為例,分別對傳統(tǒng)采用混合式通風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)和采用柱壁貼附通風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)進行計算,對系統(tǒng)送風(fēng)量、冷負荷進行對比分析,結(jié)果如圖18、圖19所示。

        圖18 貼附通風(fēng)與混合式通風(fēng)送風(fēng)量對比

        圖19 貼附通風(fēng)與混合式通風(fēng)冷負荷對比

        從圖18和圖19可以看出,與傳統(tǒng)混合通風(fēng)模式對比,貼附通風(fēng)模式下,送風(fēng)量約減少20.0%,冷負荷約減少16.2%,具有較好的節(jié)能效果。

        4 結(jié)論

        柱壁貼附通風(fēng)的氣流組織模式是繼傳統(tǒng)混合式通風(fēng)、置換通風(fēng)等氣流組織之后的一種新型送風(fēng)模式。以鄭州17號線地鐵站為例,對柱壁貼附通風(fēng)和上送上回式混合式通風(fēng)進行CFD模擬計算及對比分析,得到以下結(jié)論。

        (1)柱壁貼附通風(fēng)方式結(jié)合建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)柱特點,利用“康達”效應(yīng)及“擴展康達”效應(yīng),將新鮮空氣直接送至人員工作區(qū),保障了工作區(qū)的舒適度,適用于地鐵車站等大空間建筑通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)氣流組織設(shè)計。

        (2)地鐵車站的結(jié)構(gòu)柱形式多樣,可根據(jù)實際結(jié)構(gòu)柱造型及吊頂空間要求,選取相應(yīng)的貼附通風(fēng)末端送風(fēng)裝置,以達到最佳的通風(fēng)空調(diào)效果。

        (3)與混合式通風(fēng)相比,同等風(fēng)量下,柱壁貼附通風(fēng)在豎直方向溫度產(chǎn)生明顯分層,在人員活動區(qū)域的溫度分布均勻,平均溫度維持在27~28 ℃,氣流組織性能優(yōu)于混合式通風(fēng)。

        (4)柱壁貼附通風(fēng)模式的相對熱指標(biāo)RWI值為0.20,上送上回式混合通風(fēng)RWI值為0.22,柱壁貼附通風(fēng)模式下地鐵車站公共區(qū)的人員舒適性較高。

        (5)與傳統(tǒng)混合通風(fēng)模式節(jié)能效果進行對比,采用柱壁貼附通風(fēng)模式的送風(fēng)量約減少20.0%,冷負荷約減少16.2%,具有較好的節(jié)能效果。

        隨著國內(nèi)地鐵建設(shè)的快速發(fā)展,改善地鐵環(huán)境、提升能源利用效率已經(jīng)引起高度關(guān)注。貼附通風(fēng)作為已通過實際工程檢驗的送風(fēng)技術(shù),具有更均勻的溫度場分布效果、更舒適的人體感受、更高的通風(fēng)效率等優(yōu)點,同時在地鐵車站公共區(qū)具有合適的設(shè)置條件,非常值得在地鐵車站進行研究、應(yīng)用、推廣。

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