地鐵站站廳低溫送風(fēng)方式對(duì)CO2濃度的影響研究

樓燕進(jìn)

（寧波市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司 寧波 315000）

0 引言

地鐵站作為一個(gè)較大的地下公共空間，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量會(huì)影響工作人員與乘客的身體健康和舒適性，良好的空氣品質(zhì)能夠給乘客帶來(lái)良好的體驗(yàn)感。地下軌道交通的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)地下空間，諸如地鐵站之類(lèi)的大型公共空間空氣品質(zhì)做了大量的研究。為了節(jié)約能耗，地鐵站通常采用低溫送風(fēng)[1]。

孫成才等利用Fluent 軟件研究工作區(qū)的溫濕度場(chǎng)及污染物濃度分布特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)采用低溫送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足室內(nèi)熱舒適要求[2]。其他學(xué)者也得出低溫送風(fēng)系統(tǒng)用于空調(diào)系統(tǒng)可行的結(jié)論[3,4]。李東東等通過(guò)數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)低溫送風(fēng)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的除濕能力，人員的熱舒適性也更好[5,6]。乘客呼吸是導(dǎo)致地鐵站內(nèi)部空氣中CO2濃度變化的主要原因，并且于客流量呈現(xiàn)正相關(guān)[7,8]，站廳和站臺(tái)單送單回的氣流組織形式有利于稀釋CO2[9]。地鐵站廳需要供給足夠的新鮮空氣來(lái)滿(mǎn)足乘客的需求，因此，地鐵站通風(fēng)條件越好，越有利于降低空氣中的污染物濃度[10-12]。通過(guò)分析相關(guān)的研究成果可以看出，低溫送風(fēng)系統(tǒng)能夠有效改善室內(nèi)空氣品質(zhì)和舒適性，地鐵站地下空間密閉，人員密度大，CO2是影響地鐵站內(nèi)部空氣品質(zhì)的重要因素。

眾多學(xué)者對(duì)低溫送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，主要偏向于探究低溫送風(fēng)系統(tǒng)對(duì)乘客熱舒適性的影響，然而，通過(guò)研究低溫送風(fēng)方式對(duì)CO2濃度的影響，進(jìn)而影響乘客熱舒適性的相關(guān)研究還不夠完善。因此，本文以某地鐵站空間為例，建立數(shù)值分析模型，對(duì)比分析低溫送風(fēng)系統(tǒng)和常規(guī)送風(fēng)系統(tǒng)下地鐵站內(nèi)豎直方向上（X=15m）和水平方向上（Z=1.5m）的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、濕度場(chǎng)以及CO2濃度場(chǎng)的分布特征。探究常規(guī)送風(fēng)系統(tǒng)和低溫送風(fēng)系統(tǒng)對(duì)地鐵站內(nèi)CO2濃度分布的影響，為進(jìn)一步改善地鐵站地下空間的空氣品質(zhì)和乘客舒適性的相關(guān)研究提供借鑒意義。

1 模型介紹

本文以某地鐵車(chē)站站廳為研究對(duì)象，根據(jù)站廳實(shí)際尺寸，建立三維計(jì)算模型。同時(shí)考慮到計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力有限，為保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，取站廳的五分之一作為模型模擬的研究對(duì)象。模型尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=30m×18m×4.8m。氣流組織方式：采用上送上回形式。風(fēng)口布置：送/回風(fēng)口沿站廳頂部長(zhǎng)度方向均勻布置，送風(fēng)口布置在兩側(cè)，回風(fēng)口居中布置。送風(fēng)口10 個(gè)（送風(fēng)溫度為9℃的風(fēng)口尺寸為200mm×200mm，送風(fēng)溫度為19℃的風(fēng)口尺寸為300mm×300mm），回風(fēng)口5 個(gè)（送風(fēng)溫度為9℃的風(fēng)口尺寸為570mm×570mm，送風(fēng)溫度為19℃的風(fēng)口尺寸為770mm×770mm）。送/回風(fēng)口間距均為6m。根據(jù)站廳實(shí)際情況，把室內(nèi)負(fù)荷均勻的等效到地板上，站廳四周壁面以及站廳頂部處理成絕熱壁面。建立站廳三維物理模型，劃分網(wǎng)格時(shí)，除了對(duì)整體三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分以外，為了增加模擬結(jié)果的可信度，還對(duì)送/回風(fēng)口物理模型進(jìn)行了局部加密處理，圖1 為站廳物理模型劃分網(wǎng)格后的效果圖。

圖1 站廳物理模型網(wǎng)格效果圖Fig.1 Station hall physical model grid effect drawing

當(dāng)送風(fēng)溫度為9 ℃時(shí)，系統(tǒng)總送風(fēng)量為32266.56m3/h；送風(fēng)溫度為19℃，系統(tǒng)總送風(fēng)量為59215.68m3/h。模型中四周墻面及頂板采用wall 邊界條件且絕熱壁面，站廳地板的等效熱流密度為76.815W/m2。研究站廳空氣品質(zhì)時(shí)，以站廳CO2濃度作為研究對(duì)象，把CO2作為站廳室內(nèi)空氣的污染源。因此，在站廳物理模型中沿著長(zhǎng)度中軸線(xiàn)方向設(shè)置了五個(gè)距離地面1.5m，間隔為6m，面積為1m×1m 的面作為室內(nèi)CO2的發(fā)生源。取CO2發(fā)生量為0.014m3/(人·h)。站廳室內(nèi)濕負(fù)荷主要來(lái)自乘客的散濕，研究站廳在不同送風(fēng)溫度下的濕度分布特征時(shí)，產(chǎn)濕量取212g/(h·人)。對(duì)散濕量的等效處理方式與CO2的等效處理方式相同。模擬的邊界條件設(shè)置如下：

（1）站廳設(shè)計(jì)溫度為29℃；

（2）送風(fēng)溫度為9℃時(shí)，入口邊界（inlet）設(shè)為速度進(jìn)口（velocity-inlet），風(fēng)速為4.5m/s。送風(fēng)溫度為19℃時(shí)，入口邊界（inlet）設(shè)為速度進(jìn)口（velocity-inlet），風(fēng)速為3.655m/s；

（3）出口邊界（outlet）為自由出流（outflow）；

（4）墻體和頂板設(shè)為絕熱壁面，熱通量為0；

（5）地板設(shè)為均勻分布的散熱熱源，熱傳遞方式設(shè)置為熱輻射，熱通量為76.815W/m2；

（6）CO2發(fā)生源設(shè)置為質(zhì)量入口，質(zhì)量流量為0.0001092kg/s；

（7）散濕量發(fā)生源設(shè)置為質(zhì)量入口，質(zhì)量流量為0.0008268kg/s。

2 模擬結(jié)果及原因分析

地鐵站廳屬于地下過(guò)渡空間且相對(duì)密閉，目前空調(diào)系統(tǒng)基本采用常規(guī)送風(fēng)方式。因此，考慮將低溫送風(fēng)技術(shù)應(yīng)用到地鐵站站廳。為了探索其與常規(guī)送風(fēng)方式的差別，對(duì)送風(fēng)溫度為9℃（下文稱(chēng)之為低溫送風(fēng)）和19℃（下文稱(chēng)之為常規(guī)送風(fēng)）兩種送風(fēng)工況進(jìn)行了數(shù)值模擬。對(duì)比分析兩種送風(fēng)工況下，豎直方向上（X=15m）和水平方向上（Z=1.5m）的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、CO2濃度場(chǎng)以及濕度場(chǎng)的分布特征。為低溫送風(fēng)技術(shù)應(yīng)用到地鐵站的可行性提供技術(shù)參考。

2.1 溫度場(chǎng)分布對(duì)比

取X=15m 和Z=1.5m 兩位置進(jìn)行分析。X=15m可以描述站廳空調(diào)工作區(qū)豎直方向上的溫度分布，Z=1.5m 可以描述站廳空調(diào)工作區(qū)水平方向上的溫度分布。

X=15m 截面溫度分布可以反映出站廳空調(diào)區(qū)域在豎直方向上的分布特征。從圖2（a）、（b）中可知，在兩種送風(fēng)工況下，站廳內(nèi)的溫度隨著高度的增加而增大。站廳空調(diào)區(qū)域溫度場(chǎng)在豎直方向上的分布均勻性較好。人體活動(dòng)區(qū)域溫度集中在29℃～30℃，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。與常規(guī)送風(fēng)方式相比，低溫送風(fēng)的站廳室內(nèi)溫度更低。

圖2 兩種送風(fēng)工況的溫度場(chǎng)分布Fig.2 Temperature distribution of two supply air conditions

Z=1.5m 截面溫度分布可以反映出站廳空調(diào)區(qū)域在水平方向上的分布特征且基本上是人體頭部所在的高度。因此可以較好的反映出人體所在空調(diào)區(qū)域的熱舒適感。從圖2（c）、（d）中可知，站廳中間區(qū)域存在局部高溫區(qū)，這是由于采用兩側(cè)送風(fēng)，中間回風(fēng)的側(cè)送上回方式，加之站廳屬于大跨度空間。因此只有少量低溫風(fēng)能達(dá)到站廳的中間位置。進(jìn)而導(dǎo)致站廳中間位置出現(xiàn)局部溫度略高于空調(diào)的設(shè)計(jì)溫度的情況。在水平方向上站廳溫度場(chǎng)分布相對(duì)均勻，低溫送風(fēng)工況下，人體活動(dòng)區(qū)域溫度集中在29℃～30℃。常規(guī)送風(fēng)工況下，人體活動(dòng)區(qū)域溫度集中在29.5℃～30.5℃?？紤]到站廳作為過(guò)渡空間，空調(diào)的設(shè)計(jì)精度可以略低，因此兩種送風(fēng)工況均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。低溫送風(fēng)方式下，站廳人體活動(dòng)區(qū)域溫度更低，有利于提高人體的熱舒適性。

2.2 速度場(chǎng)分布對(duì)比

從圖3（a）、（b）可知，在豎直方向上，兩種送風(fēng)工況的溫度場(chǎng)分布較為均勻。人體活動(dòng)區(qū)的送風(fēng)速度穩(wěn)定在0.2m/s，最大風(fēng)速都出現(xiàn)在站廳兩側(cè)。其中，低溫送風(fēng)的最大送風(fēng)速度為2.11m/s，常規(guī)送風(fēng)最大送風(fēng)速度為2.47m/s。最大風(fēng)速出現(xiàn)的位置都靠近送風(fēng)口。

圖3 兩種送風(fēng)工況的速度場(chǎng)分布Fig.3 The velocity distribution of two kinds of air supply conditions

從圖3（c）、（d）可以看出，在水平方向上，兩種送風(fēng)工況的速度場(chǎng)分布相對(duì)均勻，風(fēng)速較大的區(qū)域出現(xiàn)在站廳中間位置。最大風(fēng)速出現(xiàn)在兩側(cè)送風(fēng)口下方的位置。低溫送風(fēng)最大風(fēng)速為1.3m/s，常規(guī)送風(fēng)最大風(fēng)速為1.6m/s。

整體而言，兩種送風(fēng)方式下的空氣流速分布較為相似，空調(diào)工作區(qū)的送風(fēng)速度基本穩(wěn)定在0.1m/s ～0.3m/s。根據(jù)《室內(nèi)空氣品質(zhì)規(guī)范》（GB/T18883-2002）評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分析可以得出，兩者基本符合設(shè)計(jì)要求。

2.3 濕度場(chǎng)分布對(duì)比

從圖4（a）、（b）可知，低溫送風(fēng)工況下，站廳室內(nèi)空氣的平均相對(duì)濕度為45.2%；常規(guī)送風(fēng)工況下，站廳室內(nèi)空氣的平均相對(duì)濕度為60.6%。在豎直方向上，兩種送風(fēng)工況的平均相對(duì)濕度有著約15%的差距。

圖4 兩種送風(fēng)工況的濕度場(chǎng)分布Fig.4 The distribution of humidity field in two air supply conditions

從圖4（c）、（d）可知，低溫送風(fēng)工況下，站廳室內(nèi)空氣的平均相對(duì)濕度為44.6%；常規(guī)送風(fēng)工況下，站廳室內(nèi)空氣的平均相對(duì)濕度為59.8%。在水平方向上，兩種送風(fēng)工況的平均相對(duì)濕度有著約15%的差距。

通過(guò)對(duì)站廳在豎直方向和水平方向上的室內(nèi)濕度場(chǎng)的對(duì)比研究可以發(fā)現(xiàn)，低溫送風(fēng)工況下的室內(nèi)空氣相對(duì)濕度普遍都要低于常規(guī)送風(fēng)工況。這就意味著低溫送風(fēng)方式的除濕能力更強(qiáng)，在兩者都滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的情況下，低溫送風(fēng)方式有利于提高人體的熱舒適度。

2.4 CO2 濃度場(chǎng)分布對(duì)比

從圖5（a）、（b）可以看出常規(guī)送風(fēng)工況下，站廳CO2濃度穩(wěn)定在0.6%，整個(gè)站廳在豎直高度上的CO2濃度場(chǎng)分布均勻；低溫送風(fēng)工況下，站廳CO2濃度穩(wěn)定在0.57%，均滿(mǎn)足地下車(chē)站公共區(qū)CO2日平均濃度＜1.5%的設(shè)計(jì)要求。從圖5（c）、（d）可以看出，在水平方向上，站廳內(nèi)整體的CO2濃度較低。其中，低溫送風(fēng)CO2濃度穩(wěn)定在0.67%；常規(guī)送風(fēng)CO2濃度穩(wěn)定在0.7%。最大濃度出現(xiàn)在CO2源面上，約為2%。兩種送風(fēng)工況下的CO2濃度對(duì)比圖如圖6 所示。

圖5 兩種送風(fēng)工況的CO2 濃度場(chǎng)分布Fig.5 Distribution of CO2 concentration field in two air supply conditions

圖6 兩種送風(fēng)工況下CO2 濃度對(duì)比圖Fig.6 Comparison of CO2 concentration under two air supply conditions

由地鐵車(chē)站空氣品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)可知，要求地下車(chē)站公共區(qū)CO2日平均濃度＜1.5%。站廳空調(diào)工作區(qū)屬于地鐵站的公共區(qū)。整體而言，兩種送風(fēng)工況下站廳CO2濃度場(chǎng)分布相似且都符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。分析圖6 可以得出，相較而言，低溫送風(fēng)方式下站廳室內(nèi)CO2濃度較低，這是因?yàn)橄噍^于常規(guī)送風(fēng)方式而言，低溫送風(fēng)工況下系統(tǒng)總送風(fēng)量較小，則單位時(shí)間內(nèi)排出的CO2濃度也較低。

3 結(jié)論

本文主要研究了低溫送風(fēng)與常規(guī)送風(fēng)兩種送風(fēng)工況對(duì)站廳室內(nèi)CO2濃度分布的影響，得出以下主要結(jié)論：

（1）在兩種送風(fēng)工況都滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的情況下，低溫送風(fēng)方式下，站廳人體活動(dòng)區(qū)域溫度溫更低，有利于提高人體的熱舒適性。

（2）兩種送風(fēng)方式下的空氣流速分布較為相似，空調(diào)工作區(qū)的送風(fēng)速度基本穩(wěn)定在0.1m/s～0.3m/s。兩者均滿(mǎn)足《室內(nèi)空氣品質(zhì)規(guī)范》（GB/T18883-2002）評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）通過(guò)對(duì)比站廳在豎直方向和水平方向上的室內(nèi)濕度場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn)，低溫送風(fēng)工況下的室內(nèi)空氣相對(duì)濕度普遍低于常規(guī)送風(fēng)工況。說(shuō)明低溫送風(fēng)方式的除濕能力更強(qiáng)，更有利于提高人體的熱舒適度。

（4）兩種送風(fēng)工況下站廳CO2濃度場(chǎng)分布相似且都符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。低溫送風(fēng)方式下站廳室內(nèi)CO2濃度更低。

綜上，低溫送風(fēng)工況能夠保證站廳內(nèi)對(duì)溫度、空氣流速和濕度的要求，又能夠降低CO2濃度，可以獲得較高的室內(nèi)空氣品質(zhì)。