華北電力大學(xué) 高月芬  劉兆

       【摘  要】采用專門面向HVAC領(lǐng)域的Airpak軟件對某地鐵站臺熱環(huán)境進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得到了地鐵站臺溫度場、速度場、PMV-PPD及空氣齡的分布。在分析室內(nèi)流場分布的基礎(chǔ)上，基于人體熱舒適性指標(biāo)PMV-PPD與衡量空氣品質(zhì)指標(biāo)空氣齡，對室內(nèi)氣流組織及空氣品質(zhì)進(jìn)行預(yù)測與評價。模擬結(jié)果表明：站臺區(qū)域溫度場，速度場縱向梯度變化小，比較均勻。熱感覺表現(xiàn)為微涼或涼。但右側(cè)區(qū)域的平均空氣齡最高達(dá)1460s，該處氣流幾乎停滯，通風(fēng)換氣效果較差。

       【關(guān)鍵詞】地鐵站臺；氣流組織；空氣品質(zhì)；數(shù)值模擬

Abstract: The indoor thermal environment of a subway platform was simulated using Airpak software. The simulation results present the distribution of temperature, velocity, PMV-PPD and air age of the subway platform. Based on the analysis of the indoor air field, PMV-PPD and air age, indoor air distribution and air quality is predicted and evaluated. The simulation results show that the vertical gradient of the temperature field and the velocity field in the platform area is small and relatively uniform. The thermal sensation is a bit cool or cool. However, the average air age in the right-hand zone is up to 1460s, and the ventilation effect is poor.

Keywords: Subway platform; Air distribution; Screen door system; Air quality; Numerical simulation

1 引言

       近年來，中國城市交通行業(yè)高速發(fā)展，而地鐵交通在城市公共交通中所占的比重越來越大，與常規(guī)交通相比，地鐵交通運量大，速度快，便于客流集散。在地鐵運營高峰時段，站臺客流量十分密集，涉及地鐵室內(nèi)空氣品質(zhì)問題層出不窮，易引發(fā)人體病態(tài)建筑綜合癥^[1](SBS，Sick Building Syndrome)、建筑相關(guān)疾病(BRI，Building Relative Illness)等，常見的癥狀包括眼、鼻、頭、喉嚨疼痛、疲憊、精神不足、煩悶、皮膚發(fā)干、呼吸困難等。病態(tài)建筑綜合癥及建筑相關(guān)疾病等會妨礙人員正常工作，造成工作日的損失，因此地鐵空氣品質(zhì)問題應(yīng)引起足夠的重視。

       科研學(xué)者對室內(nèi)空氣環(huán)境已有相關(guān)的研究，提出了一些研究方法和評價指標(biāo)，如溫度場、速度場、PMV-PPD、空氣齡等^[2-5]。在地鐵空氣品質(zhì)方面目前研究較少，本次通過數(shù)值模擬對地鐵站臺的氣流組織進(jìn)行分析，并計算像一個指標(biāo)對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行評價。

2 模型概況

       2.1物理模型

       本文研究對象是某地鐵屏蔽門系統(tǒng)島式站臺，該站臺客流候車人員數(shù)為450人。由于人員負(fù)荷占總負(fù)荷比例最高，將人員簡化為長方體以減少計算量。建立的站臺為X×Z×Y模型，X軸為長度方向，Z軸為寬度方向，Y軸為高度方向。人員體積約為0.3ｍ×0.2ｍ×1.73ｍ，站臺尺寸為140ｍ×16ｍ×5ｍ，屏蔽門（關(guān)閉狀態(tài)）尺寸為2ｍ×0.4ｍ×2.8ｍ，支撐柱尺寸為1.2ｍ×5ｍ×1.2ｍ，共9根，站臺出入口尺寸為7ｍ×3.6ｍ。站臺層采用上送上回的氣流組織形式，站臺頂板分布有一定數(shù)量的送風(fēng)口和回風(fēng)口，送風(fēng)口尺寸為0.5ｍ×0.4ｍ，數(shù)量為56個，沿Ｘ軸方向分兩排均勻排列在頂板上兩側(cè)，回風(fēng)口尺寸為0.5ｍ×0.5ｍ，數(shù)量為14個，沿X軸方向均勻排列在頂板中央。物理模型搭建如圖1所示。

圖1 地鐵站臺模型

       2.2數(shù)學(xué)模型

       本文采用被廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型進(jìn)行求解，描述空氣運動過程的控制方程包括連續(xù)方程、動量方程、能量方程。上述方程均滿足如下形式的通用方程：

       其中φ、Γφ及Sφ和分別表示通用變量、廣義擴(kuò)散系數(shù)和廣義源項。為了簡化問題，作如下假設(shè)：室內(nèi)氣流為不可壓縮常物性牛頓流體，穩(wěn)態(tài)湍流流動，且符合Boussinesq假設(shè)。

3 評價指標(biāo)

       3.1 人員區(qū)的溫度

       按照國內(nèi)的經(jīng)濟(jì)狀況和人們的生活習(xí)俗，針對公共建筑和民用建筑室內(nèi)空調(diào)溫度的設(shè)定夏天通常在22到28℃，冬天通常在18到24℃。

       3.2 人員區(qū)的速度

       人員區(qū)的速度分布也是影響人體舒適性的一個重要指標(biāo)。試驗表明，風(fēng)速低于0.5m/s時，大多數(shù)人沒有明顯的感覺，在舒適性空調(diào)房間內(nèi)，夏季風(fēng)速不應(yīng)大于0.5m/s，冬季風(fēng)速不應(yīng)大于0.3m/s。

       3.3 PMV

       預(yù)測平均評價PMV（Predicted Mean Vote）是引入反映人體熱平衡偏離程度的人體熱負(fù)荷而提出的，其理論依據(jù)是當(dāng)人體處于穩(wěn)態(tài)的熱環(huán)境下，人體的熱負(fù)荷越大，人體偏離熱舒適的狀態(tài)就越遠(yuǎn)。人體熱負(fù)荷為人體產(chǎn)熱量與人體向外界散出的熱量之間的差值，人體熱負(fù)荷正值越大，人就覺得越熱，負(fù)值越大，人就覺得越冷。PMV指標(biāo)采用了七級分度^[6]，見表1。

表1 PMV熱感覺標(biāo)尺

       3.4 PPD

       PMV指標(biāo)代表了同一環(huán)境下絕大多數(shù)人的感覺，但是人與人之間存在生理差別，因此PMV指標(biāo)并不一定能夠代表所有個人的感覺。為此，F(xiàn)anger又提出了預(yù)測不滿意百分比PPD（Predicted Percent Dissatisfied）指標(biāo)來表示人群對熱環(huán)境不滿意的百分?jǐn)?shù)。1984年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出了室內(nèi)熱環(huán)境評價與測量的新標(biāo)準(zhǔn)化ISO7730，在該標(biāo)準(zhǔn)中采用PMV-PPD指標(biāo)來描述評價熱環(huán)境。其中提出室內(nèi)熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)對PMV-PPD指標(biāo)規(guī)定：-0.5≤PMV≤+0.5，PPD≤10%。兩者的關(guān)系可以表示為^[7]

       3.5 空氣齡

       空氣齡是指空氣質(zhì)點自進(jìn)入房間至到達(dá)室內(nèi)某點所經(jīng)歷的時間[8]。在空間內(nèi)污染源分布均勻且送風(fēng)為全新風(fēng)時，某點的空氣齡越小，說明該點的空氣越新鮮，空氣品質(zhì)就越好。空氣齡評價了空氣流動狀態(tài)的合理性，因此作為衡量空調(diào)房間空氣新鮮程度與換氣能力的重要指標(biāo)。

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

       氣流組織的描述參數(shù)可以作為氣流組織好壞的評價指標(biāo)，這些評價指標(biāo)對氣流組織的設(shè)計有著重要的指導(dǎo)意義。

       4.1 溫度場、速度場分布

       選取z=-1m的縱向平面，對其溫度場及速度場進(jìn)行模擬分析，如圖2、圖3。

圖2 z=-1m溫度場分布

圖3 z=-1m速度場分布

       從圖 2、圖3可以看出，溫度縱向分布在20.9～21.1℃之間，速度值縱向分布在0.04～0.25m/s之間。說明站臺區(qū)域溫度場，速度場縱向梯度變化小，比較均勻。

       4.2 PMV-PPD分布

       選取典型截面Y=1.1m（人員靜坐高度水平面）、Y=1.65m（人員站立呼吸高度水平面）、Y=3m（送風(fēng)垂直面），分別對這三個水平面下的氣流組織進(jìn)行了模擬計算，重點比較了其評價指標(biāo)PMV、PPD和空氣齡。圖4、圖5給出了PMV、PPD的分布值。

圖4 PMV分布 （Y=1.1m、1.65m、3m）

圖5 PPD分布（Y=1.1m、1.65m、3m）

       從圖 4、圖5可以看出，房間的大多數(shù)區(qū)域的PMV值在-2～0之間，對照表1中熱感覺標(biāo)尺，熱感覺表現(xiàn)為適中或微涼。從垂直方向來看，PMV值及對應(yīng)的PPD值為下方大于上方區(qū)間。從圖2中溫度場分布得知，因為在垂直方向存在溫度分層現(xiàn)象，越靠近天花板其溫度越低。這與實際需要是相符的。此外，站臺候車人員活動一般為站立，活動區(qū)域為2m高度以下。在2m高度以下，PMV為-1～0之間。PPD為15%左右，不滿足國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO7730中-0.5≤PMV≤+0.5，PPD≤10%的熱舒適要求。在送風(fēng)口周圍，PMV值在-1.65～-0.85之間，不滿意度PPD為5%左右，熱感覺為涼。在人員附近和窗戶周圍處，PMV在-1～-0.5之間，不滿意度PPD在16%之間，熱感覺為微涼。從圖4、圖5相互對照，隨著垂直高度的增加，PMV減小，PPD增大。說明脫離人員呼吸區(qū)后涼感明顯增強(qiáng)，熱舒適不滿意度增大。

       4.3 空氣齡分布

       圖6模擬了Y=1.1m、1.65m、3m空間平均空氣齡分布。

圖6 平均空氣齡分布（Y=1.1m、1.65m、3m）

       從圖6三個截面情況的平均空氣齡分布中可以看出，平均空氣齡整體在800～1460s之間。站臺空間右側(cè)區(qū)域的平均空氣齡最高達(dá)到了1460s，說明該處氣流幾乎停滯，氣流循環(huán)困難，因此空氣齡大。當(dāng)室內(nèi)冷空氣經(jīng)過較長的時間與熱空氣進(jìn)行熱濕交換時，表現(xiàn)為氣流分布不太均勻，室內(nèi)通風(fēng)換氣效果較差。因此從數(shù)值大小可以形象直觀地預(yù)測了室內(nèi)空氣品質(zhì)。

5 結(jié)論

       （1）本文用Airpak3.0.16模擬軟件對某地鐵站臺區(qū)域的氣流組織進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到站臺區(qū)域內(nèi)速度場、溫度場、PMV-PPD及空氣齡分布的直觀形象的數(shù)據(jù)和圖形。

       （2）該站臺區(qū)域縱向溫度分布在20.9～21.1℃之間，速度值縱向分布在0.04～0.25m/s之間。說明站臺區(qū)域溫度場，速度場縱向梯度變化小，氣流較均勻。

       （3）通過模擬比對三種橫向水平截面（Y=1.1m、1.65m、3m）可以發(fā)現(xiàn)，隨著縱向高度的增加，PMV逐漸減小，PPD增大。說明脫離人員呼吸區(qū)后涼感明顯增強(qiáng)，熱舒適不滿意度增大。

       （4）站臺右側(cè)區(qū)域的平均空氣齡最高達(dá)到了1460s，表現(xiàn)為氣流分布不太均勻，室內(nèi)通風(fēng)換氣效果較差。

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       備注：本文收錄于第21屆暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會論文集。版權(quán)歸論文作者所有，任何形式轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者。