地铁站厅通风加冷却顶板系统的数值模拟.doc

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【摘 要】针对层高较高的地铁站厅提出了置换通风加冷却顶板的空调方案。通过数值模拟分析，考察了室内流场、温湿度分布及热舒适度分布情况。结果表明，该系统在不影响热舒适性问题的前提下，可满足站厅内的环控要求。
【关键词】地铁站厅；数值模拟；热舒适性

0引言
地铁站厅为较封闭的地下空间，具有空气流通性差，人流量大等特点，设计不合理的气流组织形式很容易造成站厅内空气环境恶化。目前。站厅空调常用的气流组织形式为上送下回或上送上回。若站厅层高较高，上送风形式容易造成冬季热风难以送达人员活动区，通风换气效率低下，且对全部室内环境控制的做法也会造成能源浪费。相对而言，置换通风分层空调的特性无疑具有明显的节能优势。
本文以天津地铁三号线解放北路站厅为研究对象，针对站厅的建筑特点，提出了置换通风加冷却顶板的空调方案，并通过数值计算对室内环境进行了考察。该站厅层高较高，属地下高大空间，在国内尚不多见。置换通风结合冷却顶板的系统在热湿负荷较大的场合，可弥补置换通风制冷能力小，辐射顶板不除湿、易结露的问题，实现优势互补[1]。为今后类似工程的空调设计提供了一个新思路。

1模型建立
该站厅（图 1）位于地下一层，面积约 4300m2，层高 8.65m，吊顶高度 7.4m。模型采用天津地区夏季室外参数为依据，空调室外干球温度 33.4℃，湿球温度 26.9℃。根据《地铁设计规范》（GB50157-2003）[2]，夏季室内设计温度 30℃，相对湿度 40%～65%。为便于计算及建模，对所建模型做了以下简化：
（1）一些面积较小的门洞及不规则轮廓忽略不计；
（2）出于计算成本考虑，人体热源简化为立方体代替，每个立方体代表两人；
（3）相距较近的送风口，合并为一个大风口考虑。

1.1风口
图 2 所示的出入口为站厅与外部的通道，这些风口为建筑本身的通风口。模型中按压力入口处理，入口参数同室外环境。站厅中部检票区内有两组自动扶梯接往地下站台层，该处通道的风量主要受地铁活塞风影响[3]，可按屏蔽门漏风量每站36000m3/h 折算[4]，入口空气参数为站台室内设计参数。
置换通风系统的送风口根据建筑特点，大部分布置于站厅四周壁面近地面处。考虑到站厅跨度较大，为保证室内中间区域的温度控制，设置 30 个高 1.2m、边长 0.6m 的多面出风散流柜于检票区周围，系统的回风口则位于站厅吊顶中部区域。具体布置如图 2 所示。

1.2冷却顶板
为达到均匀辐射效果，冷却顶板整体交错布置于站厅吊顶，冷顶板总面积 1050m2，表面温度 20℃。
1.3人体热源
人体散热是室内冷负荷的主要组成部分。但目前资料尚无权威的地铁站厅人员密度数据可查。根据文献[4]，上车客流在车站停留时间为 4 分钟，其中集散厅停留 1.5 分钟，站台停留 2.5 分钟。下车客流车站停留时间为 3 分钟，集散厅、站台各停留1.5 分钟。以地铁车站客流 12800 人/小时算，再考虑室内常驻的工作人员，乘以 1.2 的安全系数和0.89 的群集系数，则站厅内人员数为 342 人。人体全热散热量按 150W 计，散湿量 0.06g/s[5]。数值计算中，为节约计算成本，人体模型以每两人一个立方体代替，散湿量的模拟则以一置于立方体前的源项模块代替。站厅内人员分布基本随机布置，但根据常理，主要集中于检票机附近
1.4室内设备
室内发热设备主要为照明灯具、电梯和检票机。灯具置于站厅天花板处，照明总负荷 107.5kW。电梯发热量为 3000kW。检票机发热量 150kW，共28 台。具体布置如图 2。

2模拟结果与分析
本例设计工况为送风量 114796m3/h，送风温度为 24℃，相对湿度 54%，送风风速 0.25m/s。模型采用 HEX 结构化网格，网格数 1109623。湍流模型为零方程模型[6]。
2.1温度分布
由图 3 可看出，室内温度分布热分层明显，基本实现了置换通风的效果。人员活动区温度基本控制在 28℃以内。通往地下站台层的扶梯口处有一股较热空气（28℃）进入站厅，该热气流进入室内后，受热浮升力作用直接到达室内上部区域，并未在人员活动区扩散。

在站厅通往首层的通道口处，由于压差的作用，室外的热空气被引入室内。热空气进入室内后，升入上部区域，并在天花板附近扩散开来。因风量较大，通道口附近温度明显高于室内其他区域，对人员活动区也有一定影响。可考虑在出入口设置空气幕以减少室外空气对站厅温度的影响。
2.2速度分布

图 4 为离地 0.1m 处速度分布。在近地处，除风口附近，水平方向上的气流无明显趋势，进入站厅的气流对人员活动区的影响基本不大。由云图还可看出，在 0.1m 水平面上，风速基本小于 0.15m/s。根据热舒适性的研究结果[7]，在 24℃的送风下，该风速对室内人体舒适性不会产生影响。

图 5 为离地 6m 处站厅流速分布云图，站厅上部区域的气流明显受出入口通风气流的影响，相对人员活动区，上部空气流动相对较剧烈，流动主要受通风气流影响。从出入口侧剖面图可以看出（图6），从通道口进入到站厅的热空气，在垂直热压差的影响下直接上升到室内上部区域，大大减小了其对站厅人员活动区的干扰。

2.3湿度分布
图 7 为站厅内相对湿度分布图，因室内余湿主要来源于人体，余湿散发后即被人体产生的热羽流带入室内上部区域，使得相对湿度分层分布。而人员稀少的站厅角落，因缺少热羽流带动，湿气聚集，相对湿度大，但仍主要集中于上部区域，对人员活动区无影响。人员活动区相对湿度平均值为 52%。满足规范设计要求。

2.4热舒适性分分析
PMV 指标代表对同一环境大多数人的冷热感觉，PMV=0 时意味着室内热环境为最佳热舒适状态[8]。数值越小，冷感觉越强。图 8 给出了离地 0.1m和 2m 处室内 PMV 分布，在 0.1m 的高度上（脚踝处）PMV 值基本不超过 1，属于适中偏微暖感觉，而在 2m 高度上 PMV 值增幅不大，受温度分布的影响，图中左侧 PMV 稍高。整个平面基本在 1 左右浮动，属于微暖感觉。作为夏季工况，人体感觉微暖并不是最理想的状态，但是地铁站厅作为乘客从外界进入地铁站的一个过渡区，停留时间较短，这样的环境是可以接受的。

由于每个人对冷热程度的感知不同，PMV 不能作为唯一的指标评价室内热舒适性。还应引入PPD 指标来表示对环境不满意的百分数。ISO7730标准对 PPD 指标的推荐值为 PPD<10%[9]，相当于在人群中允许有 10%的人感觉不满意。
图 9 为离地 0.1m 和 2m 处室内 PPD 分布。在两个不同高度的水平面上，受温度的影响，检票区和靠近通道口的区域 PPD 值较高，而其他区域如靠近送风口的部位则较小。PPD 值总体较高。但由于站厅环境要求本身不是太高，PPD 要求等级可以相应提高。如需达到更好的室内环境，可在靠近通道口和检票区周围增设送风口，或适当降低送风温度来达到。

3结论
通过对站厅在置换通风加冷却顶板系统下的环境模拟。可以得出以下结论：
（1）站厅内温度分层现象明显，可达到分层空调的节能效果。人员活动区平均温度控制在 28℃以内，下部的低速送风（0.25m/s）对人员活动区无明显影响。
（2）站厅通道口处的自然通风对室内温湿度有不可忽略的影响，但对于夏季工况的置换通风系统，其影响主要存在于室内上部区域，可增设空气幕来减小其对室内环境的影响
（3）PPD-PMV 指标总体满足 ISO7730 标准，检票区等热源密集处热舒适性相对较差，超出ISO7730 标准的推荐值。可通过局部增设散流柜或适当降低送风温度来提高热舒适性。

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