柱壁贴附通风在地铁车站公共区通风空调系统中的创新应用

2021-01-18孙心明余伟之

铁道标准设计 2021年1期

孙心明,篮杰,余伟之

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

建筑内部的通风气流组织是营造室内环境的主要手段之一，也是通风空调系统最终体现和最直接的终端技术，直接关系到环境保障的最终效果及系统的能量利用效率。

常规地铁车站公共区的通风空调系统，一般均采用传统上送上回混合式通风系统，混合式通风系统送、回风口布置灵活，具有不占用人员活动空间的优势；但该气流组织具有“大漫灌”特点，通风效率较低，工作区空气品质趋近于回风状况，卫生条件及人员舒适性相对较差。

为进一步优化地铁车站公共区气流组织，引入了贴附通风模式。西安建筑科技大学李安桂教授团队对贴附通风进行了20余年的研究与实践，提出了贴附通风理论及气流组织设计方法[1-5]。

贴附通风方式结合建筑内部造型，融合混合式通风和置换通风两种方式的优势，克服了混合通风温度效率低及置换通风使用场合受限等一系列弊端。如图1所示，贴附通风以保障工作区环境为目标，将新鲜空气和冷量最大限度地输送到人员工作区；人员工作区上部空间具有一定的温度梯度，负担的总冷负荷小于混合通风，具有较好的节能效果[6-9]。

图1 竖壁贴附射流通风示意

本文基于贴附通风原理及设计方法，结合地铁车站公共区普遍存在的结构柱，对贴附通风系统在地铁车站公共区的适用性进行研究。以郑州某地铁站为例，对贴附通风系统的应用优势进行相关分析探讨。

1 柱壁贴附通风原理及设计方法

1.1 柱壁贴附通风原理

柱壁贴附通风模式利用“康达”效应及“扩展康达”效应[10]，空气由位于结构柱(或装饰柱)上部的条缝送风口射出后，立即与柱壁表面形成贴附流动。当流动到接近地面高度时，在地面逆压梯度的作用下射流主体与柱面分离，流动方向也由竖直向变为水平向，此后气流贴附地面流动，在工作区形成以结构柱(或装饰柱)为中心的均匀扩散流动分布[11-13]。

柱壁贴附通风理论模型如图2所示，其射流流场可以划分为3个区域：竖向柱面贴附区、射流冲击偏转区和水平向空气湖区。

图2 柱壁贴附通风理论模型示意

西安建筑科技大学李安桂等人的研究成果[7]表明，柱面贴附通风模式能够在工作区形成类似置换通风的空气湖状速度及温度分布，且通风效果、人员舒适性以及通风效率均有所提高，适用于地铁车站等大空间建筑通风空调系统气流组织设计。

1.2 贴附通风设计方法

贴附通风的设计过程是在满足工作区人员舒适性及节能或工艺要求的前提下，提出合适的送风参数，如风速、温度及风口尺寸等。西安建筑科技大学李安桂团队通过研究影响室内空气分布的诸多因素，总结出贴附通风气流组织设计方法，详见表1[14]。

表1 贴附通风设计方法

2 柱壁贴附通风在地铁车站的应用分析

2.1 地铁车站结构特点

按照线路分布情况，地铁车站可分为岛式车站、侧式车站和岛侧混合式车站。其中，岛式车站是指站台位于上下行车线路之间车站。侧式车站是指站台位于上下行车线路两侧的车站。岛侧混合式车站一般出现在两线平行换乘的车站中，由岛式站台和侧式站台共同组成。

从使用功能来说，地铁车站可分为公共区和设备区两部分，其中公共区是提供旅客乘降以及候车的场所，设备区是保证地铁运营的各类电气、信号、通风空调等设备集中场所以及运营管理人员工作的场所。

不论何种形式的地铁车站，在地铁车站公共区内均布置有大量结构柱，根据车站宽度的不同，又可分为单柱车站和双柱车站。其中，单柱车站是指沿车站长度方向，在公共区内仅布置有一排结构柱的车站，如图3所示。双柱车站是指沿车站长度方向，在车站公共区内布置有2排结构柱的车站，如图4所示。

图3 典型单柱车站站厅层公共区平面

图4 典型双柱车站站厅层公共区平面

本文主要针对地铁车站公共区通风空调气流组织进行研究，并以典型双柱车站为例进行相关分析。

2.2 柱壁贴附通风末端送风装置

研究表明[15]，贴附通风模式的最终实现主要依靠末端的送风装置，该装置需要能够实现稳定气流、减小气流湍动性、降低气流噪声、保证出风口出风均匀性，使气流沿壁面贴附流动。

结合上述要求及地铁车站结构柱特点，研究并提出了3种柱壁贴附通风末端送风装置，分别为矩形柱回形贴附通风静压箱、圆形柱回形贴附通风静压箱及条形贴附通风静压箱[16]。3种贴附通风静压箱各有特点，其中条形贴附通风静压箱布置更灵活，适应性更广。下文主要针对条形贴附通风静压箱进行分析。

条形贴附通风静压箱送风口形式为条缝型送风口，送风口宽度一般为0.05～0.12 m，装置结构如图5所示。通过该末端送风装置送风时，空气由进风口进入静压箱的进风区域Ⅱ，高速气流撞击静压箱进风区域Ⅱ壁面后，动压逐渐转变为静压，区域内空气在静压作用下穿过孔板进入上部稳流区域Ⅰ，气流均匀性有所提高，随着空气不断由进风区域Ⅱ进入稳流区域Ⅰ，稳流区域Ⅰ内压力逐渐升高，区域内空气在压力作用下穿过孔板进入出风区域Ⅲ。上述过程延长了空气在静压箱内的流动距离，使得动压转化为静压的比例增加。均匀性较好的空气沿垂直导流段垂直向下送出，减弱了出风气流与室内热空气混合程度，同时提高了送风射流距离，降低送风气流对人员的吹风感。

图5 条形贴附通风静压箱结构示意

2.3 地铁车站贴附通风设计方法

贴附通风通过改变原送风系统中的末端送风口的位置及形式，将普通双层百叶送风口改为贴附通风末端送风装置。根据地铁车站结构特点选取合适的贴附通风末端送风装置，以典型双柱车站为例，选取条形贴附通风末端送风静压箱。

如图6所示，该条形贴附通风静压箱紧贴柱子装修面布置，并通过支管与送风主干管连接，送风装置的末端条缝型送风口紧贴吊顶设置。

图6 双柱车站站厅层公共区贴附通风布置剖面

如图7所示，地铁车站公共区内除楼扶梯、电梯、检票闸机等位置以外，在结构柱两侧均布置条形贴附通风静压箱。

图7 双柱车站站厅层公共区贴附通风布置平面

根据贴附通风设计方法计算送风量，并根据末端装置布置数量确定每个末端装置的送风量、送风口宽度、送风速度以及送风温度，并通过校核保证工作区内送风速度、送风温度以及水平射程满足设计要求。

3 柱壁贴附通风在地铁车站的应用分析

3.1 柱壁贴附通风温度场模拟分析

以郑州机场线至许昌市域铁路明港站为例，厅层公共区尺寸(长×宽×高)为105 m×14 m×3.5 m，分别建立地铁车站公共区柱壁贴附通风及混合式通风的CFD模型。

通过CFD模拟计算，双柱贴附通风和混合式通风模式下地铁车站站厅层公共区的温度场模拟结果如图8、图9所示。

图8 柱壁贴附通风温度场(y=1.7 m)

图9 混合式通风温度场(y=1.7 m)

图8、图9分别给出了两种方案距地面1.7 m高度处水平截面的温度分布云图。柱壁贴附通风公共区内大部分区域温度分布较为均匀，温度大小维持在28 ℃左右。混合式通风模式下，公共区两端的区域温度较高，达到32 ℃左右，其余位置整体温度维持在29～30 ℃，风口下方区域温度相对较低，温度约为29 ℃。

图10、图11分别给出了两种送风模式(柱壁贴附通风和混合通风模式)下纵向截面(z=47.5 m)处的温度场云图。

图10 贴附通风纵向截面温度分布(z=47.5 m)

图11 混合通风纵向截面温度分布(z=47.5 m)

柱壁贴附通风纵向截面温度场方面，竖直方向温度有明显的分层，温度随着高度增加而升高。在人员活动区域的温度分布均匀，维持在27～28 ℃，满足设计要求。混合通风模式下，靠近两侧区域人员活动区温度维持在28 ℃，但是在双列柱之间的区域温度较高，最高达到了30 ℃左右。整体温度呈现中间区域温度高，两侧区域温度低的现象，温度分布不均匀。

柱壁贴附通风和混合通风沿房间高度方向横向截面平均温度分布如图12所示。

图12 柱壁贴附通风和混合通风横向截面的平均温度分布

从图12可以看出，贴附通风模式下，在0.2

3.2 柱壁贴附通风速度场模拟分析

通过CFD模拟计算，双柱贴附通风和混合式通风模式下地铁车站站厅层公共区的速度场模拟结果分别如图13、图14所示。

图13 柱壁贴附通风速度场(y=1.7 m)

图14 混合式通风速度场(y=1.7 m)

图13、图14分别给出了两种方案距地面1.7 m高度处水平截面的速度分布云图。两种方案整体风速均维持在0.2 m/s，贴附通风中，送风从条缝风口射出，与周围空气掺混的同时沿柱面向下流动，其轴线速度不断衰减。在相邻两个矩形柱之间的对称面上，气流交汇现象明显。在交汇区域，风速增加至0.4 m/s，交汇区域以外，活动区内的风速维持在0.1～0.2 m/s，风速大小均满足要求。混合通风模式中送风从风口送出，与周围空气大量混合后，在风口正下方区域速度较大，最大可到0.7 m/s以上，风口正下方以外区域风速偏小。

图15、图16分别给出了两种送风模式(柱壁贴附通风和混合通风模式)下纵向截面(z=47.5 m)处的速度场云图。

图15 贴附通风纵向截面速度分布(z=47.5 m)

图16 混合通风纵向截面速度分布(z=47.5 m)

在贴附通风模式下，送风在贴附效应的作用下沿着矩形柱面向下运动，接近地面进入撞击区后方向由竖直变为水平方向，在活动区下方形成空气湖。人员在贴附通风模式下，活动周围风速不超过0.3 m/s，满足舒适要求。混合通风送风由分布在空间两侧的送风口送出后，与周围空气掺混，所以风速分布大小没有较强的规律。从图16可以看出，在0.1～1.0 m高度内，风速最高达到了0.6 m/s，最低达到了0.1 m/s，风速均匀性较差。通过两种通风方式形成的速度分布云图可以看出，贴附通风速度场均匀性更好，人员舒适性更高。

3.3 柱壁贴附通风热舒适性分析

相对热指标RWI(Relative Warmth Index)是美国运输部(United States Department of Transportation)的地铁环境设计手册中提出的一种热舒适指标[17]。地铁车站中，从进站到出站，乘客在车站内的停留时间一般为3～6 min，乘客大多处于短暂停留的过渡状态，利用相对热指标(RWI)可以有效地对地铁站内短暂停留的人员环境进行评价[18-20]。

RWI值表示了在比较温暖的环境条件下人员的热感觉状况。表2给出了RWI值与ASHRAE的不同级别的热感觉指标相对应的关系。

表2 RWI值与热感觉之间的对应关系

通过计算，柱壁贴附通风以及混合式通风的RWI值以及对应热舒适级别如图17所示。两种送风方式的RWI值分别为0.20和0.22，热舒适感均处于“微暖～暖”的范围内。其中混合通风模式的RWI最大，接近“暖”的级别，双列柱贴附通风模式RWI值最小，接近“微暖”的级别。与混合通风相比，贴附通风的RWI值较低，人体舒适性更好。当站内RWI<站外RWI，乘客在进站过程中即可逐渐感觉到凉爽。因此，双柱贴附通风可以提供更舒适的地铁车站公共区环境。