某地鐵站臺氣流組織模擬研究

1、0引言 隨著城市地鐵的大規(guī)模建設(shè)，地鐵車站的環(huán)境已日益引起人們的重視。當(dāng)前國內(nèi)外對地鐵通風(fēng)模擬的視線大多停留在“緊急狀況下”（如火災(zāi)）上13，而忽視了在正常運(yùn)行情況下氣流組織的情況。地鐵站臺區(qū)作為主要的候車區(qū)域，其環(huán)境問題尤為重要。因此有必要對地鐵站臺區(qū)氣流組織進(jìn)行模擬研究。送風(fēng)末端作為空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵，但目前人們主要是針對于地鐵氣流組織形式及狀況方面45，很少涉及到送風(fēng)末端的選取。 筆者曾參與過武漢某地鐵站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的過程中，我們嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范的要求來操作，但是實(shí)際效果還有待檢驗(yàn)。本文依據(jù)武漢某地鐵站臺空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，建立 CFD 模型，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，預(yù)測室內(nèi)氣流組織及熱舒適性

2、狀況，并探討四種方案下模擬結(jié)果，從而提出合理的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。1工程概況1.1地鐵車站介紹 該地鐵站是典型的地下雙線島式站臺，設(shè)有地面風(fēng)亭兩座，四處出入口。車站主體總長為223.7m，標(biāo)準(zhǔn)寬為 19.7m。具體站臺剖面圖如圖 1 所示。1.2室內(nèi)外設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù) 該地鐵車站位于湖北省武漢市，選取夏季空調(diào)室外空氣干球溫度為 32.2，相對濕度 64.25%；站臺公共區(qū)設(shè)計(jì)空氣狀態(tài)點(diǎn)為：干球溫度為 28，相對濕度 59.32%。1.3站臺公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)簡介 站臺公共區(qū)采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)，兩端各設(shè)一臺空氣處理機(jī)組，分別承擔(dān)公共區(qū)一半的空調(diào)通風(fēng)負(fù)荷。其中站臺公共區(qū)設(shè)送風(fēng)口（雙層百葉風(fēng)口或方形散流器

3、）共20 個(gè)，尺寸為500 ×360；設(shè)單層百葉回風(fēng)口共 12 個(gè)，尺寸為 630 × 500。送風(fēng)口及回風(fēng)口標(biāo)高為 3.2m。2模型建立 本文根據(jù)建筑物實(shí)際尺寸來建立 CFD 模型。車站內(nèi)乘客用長方體模塊來代替，均勻分布在站臺公共區(qū)；其中樓梯、電梯均簡化為模塊，依據(jù)實(shí)際位置布置；由于風(fēng)口模型對公共區(qū)氣流組織影響較大，本文將采用不同的末端模型來對應(yīng)不同種類的風(fēng)口，并按實(shí)際尺寸與具體位置來建立風(fēng)口模型（具體對應(yīng)關(guān)系如圖 2 4）。最后建立 CFD 三維模型如下圖 5 所示。3邊界條件3.1負(fù)荷邊界條件 該地鐵車站是典型的島式站臺，采用屏蔽門系統(tǒng)。站臺公共區(qū)空調(diào)負(fù)荷主要由人員負(fù)

4、荷、設(shè)備負(fù)荷、照明及廣告牌負(fù)荷、自動(dòng)扶梯及電梯負(fù)荷、通訊設(shè)備負(fù)荷、風(fēng)道及屏蔽門傳熱負(fù)荷等組成，具體數(shù)據(jù)及處理方式如下： 人員負(fù)荷共 27.0kw，平均到每個(gè)人體模型上，每個(gè)人體模型約為 964w；照明及廣告牌負(fù)荷共為63.34kw，平均到吊頂模型上，每平米約為 54w；自動(dòng)扶梯及電梯負(fù)荷分別為3×2=6kw，5×1=5kw；通訊設(shè)備負(fù)荷共為2.5kw，平均到每個(gè)立柱上，每立柱約為 250w。 根據(jù)風(fēng)道及屏蔽門傳熱特性，統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：由站廳層與站廳層的傳熱，得到站臺頂板熱流密度為3.9w/m2；由于屏蔽門傳熱和軌頂排熱風(fēng)道的傳熱，得到屏蔽門側(cè)面為35.9w/m2；因?yàn)檐壍着艧犸L(fēng)

5、道傳熱，將傳熱量平均到站臺底面，得到底板熱流密度為 9.5 w/m2。3.2風(fēng)口邊界條件3.2.1送風(fēng)口邊界條件 送風(fēng)溫度為 20，即送風(fēng)溫差為 8時(shí)，每個(gè)風(fēng)口的送風(fēng)量為 0.6m3/s，送風(fēng)速度為 3.3m/s；送風(fēng)溫度為 23，即送風(fēng)溫差為 5時(shí)，每個(gè)風(fēng)口的送風(fēng)量為 0.96m3/s，送風(fēng)速度為 5.3m/s。采用不同的送風(fēng)末端裝置時(shí)，將采用對應(yīng)的送風(fēng)口模型，具體如圖 24。3.2.2回風(fēng)口邊界條件 系統(tǒng)所有的回風(fēng)口均采用單層百葉風(fēng)口。送風(fēng)溫差為 8時(shí)，回風(fēng)量為 12m3/s；送風(fēng)溫差為 5時(shí)，回風(fēng)量為 19.2m3/s。4模擬結(jié)果及分析 完成上述設(shè)置之后，選取“室內(nèi)零方程湍流模型6”，同

6、時(shí)考慮輻射換熱作用，應(yīng)用“FLUENT”求解器進(jìn)行計(jì)算。本文將討論四種方案，具體參數(shù)設(shè)置如下表 1。4.1方案一模擬結(jié)果及分析 方案一的溫度場、速度場及PMV7分布圖如圖68。 本文選取人員活動(dòng)區(qū)域特征截面Y=1.65m來分析（下同）。由溫度場圖可以看出大部分區(qū)域的溫度都在28以下，其中靠近送風(fēng)口的一側(cè)溫度在25附近，而遠(yuǎn)離送風(fēng)口的一側(cè)溫度則在 27.5左右，溫度場分布并不均勻。速度場顯示：在人體活動(dòng)區(qū)域尤其是送風(fēng)口下方區(qū)域，速度達(dá)到了0.5m/s，吹風(fēng)感強(qiáng)烈，不符合夏季空調(diào)風(fēng)速不大于 0.3m/s的要求，但在送風(fēng)口另一側(cè)風(fēng)速均在 0.25m/s以下，滿足要求。通過 PMV 分布云圖，看到整個(gè)

7、區(qū)域的 PMV值在-11 之間，基本上滿足舒適性的要求，在送風(fēng)口附近區(qū)域 PMV 值較小（在-1 左右）。4.2方案二模擬結(jié)果及分析 下圖 911 給出了方案二的溫度場、速度場及PMV 分布情況。 方案二和方案一均采用雙層百葉送風(fēng)口，只是送風(fēng)溫差不同。對比方案二和方案一溫度分布結(jié)果，可以看出溫度場分布沒有大的變化，只是溫度略有升高（0.5左右），這可能是方案二的送風(fēng)溫度（23）高于方案一（20）的緣故。總體上溫度均在 28附近，基本滿足設(shè)計(jì)要求。相對于方案一的速度場，方案二在送風(fēng)口下方區(qū)域風(fēng)速增大了，達(dá)到了 0.6m/s 左右，吹風(fēng)感有所增強(qiáng)，更不滿足設(shè)計(jì)要求。對比 PMV 分布情況，方案一和

8、方案二基本類似。4.3方案三模擬結(jié)果及分析 在方案三模擬結(jié)果如圖 1214 所示。 和方案一相同，方案三也采用8的送風(fēng)溫差。對比溫度場發(fā)現(xiàn)，兩方案溫度場類似，均能滿足設(shè)計(jì)要求。相對于方案一的速度場，我們發(fā)現(xiàn)采用散流器風(fēng)口之后，速度場有明顯的改善，大部分區(qū)域風(fēng)速均在 0.3m/s 以下，滿足夏季空調(diào)風(fēng)速要求。通過PMV分布云圖，可以看到：對比方案一，PMV值范圍為-0.750.75 之間，有所改善。4.4方案四模擬結(jié)果及分析 圖 1517 分別給出了方案的溫度場、速度場及PMV 分布情況。 方案四和方案二均采用 5的送風(fēng)溫差，只是送風(fēng)末端不一樣。采用散流器送風(fēng)口之后，相對于方案二，方案四特征截面

9、的溫度略有所增加，但絕大部分區(qū)域均在 28.3附近，符合設(shè)計(jì)要求。對比方案四和方案二的速度場，可以看到速度有明顯的減小，大多數(shù)區(qū)域速度在 0.3m/s以下，只是局部區(qū)域風(fēng)速達(dá)到了0.4m/s。方案四的PMV值范圍在-0.750.75之間，相對于方案二（-10.75）有所改善。 方案四和方案三送風(fēng)溫差不同，但是同是采用散流器送風(fēng)口。對比溫度場，看到方案四和方案三的溫度分布類似，溫度稍有偏高，同樣也在設(shè)計(jì)溫度 28附近。相對于方案三，方案四風(fēng)速偏高，不符合空調(diào)設(shè)計(jì)的要求。方案四和方案二的 PMV 分布都在-0.750.75 之間，沒太大的變化。4.5小結(jié)及建議 結(jié)合四種方案的模擬結(jié)果，分別對比四種

10、方案下溫度場、速度場及 PMV 分布情況，我們對四種方案進(jìn)行星級評定，具體結(jié)果如下表 2。其中“” 由表 2 可知，方案三為最優(yōu)方案，即送風(fēng)末端采用散流器送風(fēng)口，并選擇送風(fēng)溫差為8，可以得到最好的氣流組織，完全滿足室內(nèi)熱舒適性的要求；方案四也采用散流器送風(fēng)口，但送風(fēng)溫差為5，溫度場可以滿足要求，但是速度場部分區(qū)域速度達(dá)到0.4m/s，略大于夏季空調(diào)室內(nèi)風(fēng)速不大于 0.3m/s 的要求，盡量不要采用方案四；采用方案一或方案二后，雖然溫度場基本符合要求，但由于均采用雙層百葉送風(fēng)，在人員活動(dòng)部分區(qū)域風(fēng)速大于 0.5m/s，有不同程度的吹風(fēng)感，不滿足空調(diào)室內(nèi)風(fēng)速的要求，所以不宜采用。5結(jié)論 本文通過對武漢某地鐵車站站臺公共區(qū)進(jìn)行CFD 模擬計(jì)算，并分析了四種方案下的氣流組織及熱舒適性狀況，得出如下結(jié)論： （1）該地鐵站臺公共區(qū)采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)，利用 CFD 技術(shù)預(yù)測室內(nèi)熱舒適性，模擬結(jié)果可以滿足室內(nèi)舒適性的要求； （2）通過對兩種送風(fēng)溫差（8和5）方案進(jìn)行模擬，分析并比較計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)均能滿足室內(nèi)溫度場的要求，但是送風(fēng)溫差為5時(shí)，室