唐易達 韓書琪 楊銀燦

（西南科技大學土木工程與建筑學院 四川綿陽 621010）

地鐵環(huán)控系統(tǒng)作為地鐵運營系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，國內(nèi)外學者對其進行了大量研究，取得了許多研究成果。王春等［1］對地鐵環(huán)控系統(tǒng)的氣流組織進行了數(shù)值模擬分析，認為混合回／排風的方案較佳。李曉敏等［2］分析了地鐵站廳內(nèi)的流場情況及溫度分布規(guī)律，得出了送風速度和溫度對站廳內(nèi)速度場和溫度場的影響規(guī)律。張琛等［3］通過設計地鐵環(huán)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)裝置，優(yōu)化了地鐵環(huán)控系統(tǒng)的風量流量分配。武世強［4］對地鐵環(huán)控系統(tǒng)設計及施工常見問題進行了分析。李長勇［5］通過送回風等方式對室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)風速精準控制進行了研究。張之啟［6］通過研發(fā)閉式系統(tǒng)來節(jié)約地鐵站的空間。近年來，能耗問題受到了高度重視，運行能耗占到整個地鐵運營系統(tǒng)48%～50%的地鐵環(huán)控系統(tǒng)［7］是節(jié)能研究的關注焦點之一。由于低溫送風采用6～8℃的大溫差送風［8］，在滿足人體熱舒適感的條件下，它具有節(jié)約運行費用、節(jié)約初投資及安裝空間等優(yōu)勢［9］。低溫送風技術與冰蓄冷技術相結合能夠有效減輕電網(wǎng)負擔并減小碳排放［10］，因此，學者們對低溫送風進行了大量的研究，并提出了低溫送風的氣流組織評價標準［11］。在地鐵站廳空調(diào)系統(tǒng)領域，宋孝春等［12］和蘇立勇等［13］分別對北京交通樞紐工程及上海某地鐵空調(diào)系統(tǒng)進行了可行性分析，發(fā)現(xiàn)低溫送風技術與常規(guī)送風系統(tǒng)相比，可節(jié)約初投資和運行費用，節(jié)約的安裝層高可達15～80 cm。馬建榮等［14］、馮勁梅等［15］對低溫送風空調(diào)系統(tǒng)分析后建議應對表冷器進行針對性的設計。有研究發(fā)現(xiàn)，大空間采用混合送風方式較為耗能［16］，而置換通風會造成建筑空間的浪費，貼附壁面送風的溫度效率較高且節(jié)能［17］。文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，低溫送風技術在地鐵領域的應用研究不多見。本文以成都某地鐵站廳為例，通過改變送風傾角，分析低溫送風條件下大跨度地鐵站廳內(nèi)的速度場、溫度場和舒適感，以期為地鐵站廳低溫送風的氣流組織提供技術參考。

1 站廳概況及環(huán)控設計標準

1.1 站廳概況

本站為成都市地鐵6號線一、二期工程的第1個車站，位于望叢中路，車站總長385.80 m，標準段總寬20.60 m，有效站臺長186.00 m，車站總建筑面積19 064.67 m2（不含市政實施面積），其中主體建筑面積16 500.71 m2，附屬建筑面積2 563.96 m2。車站設置3個地鐵出入口和一個公共區(qū)緊急疏散口。本站設計早高峰總人流量為8 803人，晚高峰總人流量為8 924人。車站通風空調(diào)系統(tǒng)按站臺設置全封閉站臺門系統(tǒng)設計，公共區(qū)擬采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)，設備管理區(qū)按工藝要求采用通風或空調(diào)系統(tǒng)，冷源采用分站供冷。

1.2 環(huán)控設計標準

1.2.1 空氣計算參數(shù)

該站廳屬地下車站公共區(qū)，夏季晚高峰空調(diào)計算干球溫度為30.9℃，濕球溫度為26.5℃；夏季通風計算干球溫度為26.0℃，冬季為5.5℃；站廳內(nèi)空氣干球溫度為29℃，相對濕度為40%～70%；站臺內(nèi)空氣干球溫度為27℃相對濕度為40%～70%；出入口通道（60 m）干球溫度為30℃，濕度不做控制；與站廳連接的換乘通道干球溫度為29.0℃，相對濕度為40%～70%；與站臺連接的換乘通道干球溫度為28.0℃，相對濕度為40%～70%。

1.2.2 新風量標準

地下車站公共區(qū)空調(diào)季節(jié)新風量按照下面兩者取大值：（1）每人按20 m3／人·h計；（2）新風量不小于系統(tǒng)總送風量的10%。公共區(qū)非空調(diào)季節(jié)全新風工況每個乘客每小時需供應的新鮮空氣量不小于30 m3／人·h。

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型及簡化

該站廳設計尺寸長×寬×高為149.4 m×18.0 m×4.8 m，站廳內(nèi)布置有各種設備用房，如配電室、蓄電池室、辦公用房等，設有一個上下樓梯，站臺上均勻布置座椅。本站廳采用低溫送風空調(diào)系統(tǒng)，送風溫度為6℃，系統(tǒng)總冷負荷為259.5 kW，系統(tǒng)總送風量為48 455 m3／h，送風口50個（225 mm×225 mm），在站廳長度方向兩側布置，排風口25個（696 mm×696 mm），在站廳長度方向中間的頂部布置，送風口及回風口的間距都為6 m。為了計算方便，筆者對該模型尺寸進行了簡化，布置方式不變，簡化模型的尺寸約為原有模型的1／5，即：長、寬、高分別為30，18，4.8 m，冷負荷為51.9 kW，送風量為9 691 m3／h，送風口為10個，排風口為5個，簡化后的物理模型如圖1所示。

圖1 地鐵站廳物理模型Fig.1 Physical model of subway station hall

2.2 邊界條件及相關假設

為了便于數(shù)值計算，本文進行了如下假設：負荷均勻分布在地板上；空氣為黏性不可壓縮；空氣射流及匯流皆為湍流；流體的密度變化只對浮升力產(chǎn)生影響，空氣基準密度取1.225 kg／m3；室內(nèi)氣密性良好，不考慮漏風影響。邊界條件設置如下：

（1）室內(nèi)設計溫度為29℃；

（2）入口邊界（inlet）設為速度進口（velocityinlet），風速為3.5 m／s，溫度為6℃，送風傾角與天花板方向的夾角分別為30°，60°和90°；

（3）出口邊界（outlet）為自由出流（outflow）；

（4）墻體和天花板設為恒溫絕熱壁面，熱通量為0 W／m2；

（5）地板設為均勻分布的散熱熱源，熱傳遞方式設置為熱輻射，熱通量為96.1 W／m2。

2.3 數(shù)學描述及湍流模型的選取

流體的流動用連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程來進行描述。其表達式為：

式中：S為源項；?為通用變量；Γ為擴散系數(shù)。

標準k-ε模型使用廣泛，計算的精度較高，計算的量也較為適中，適用于低強度湍流。由于本站廳的送風射流速度低，屬于輕微擴散范疇，站廳空間大，網(wǎng)格數(shù)量多，導致計算量高，綜合考慮計算精度及計算量，本文選擇標準k-ε模型進行數(shù)值模擬，其控制方程為：

式中：Gb為浮力產(chǎn)生的湍動能；Gk為速度梯度產(chǎn)生的湍動能；YM為總耗散率；μt＝ρCμk2／ε，Cμ＝0.09，C2ε＝1.92，C1ε＝1.44；耗散率ε與湍動能k的湍流普朗特數(shù)分別為σε＝1.3，σk＝1.0。

3 模擬結果及分析

本站廳寬度為18 m，屬于大跨度空間，為了探究低溫空調(diào)送風（送風溫度為6℃）在大跨度空間氣流組織的合理方案，本文采用常規(guī)的兩側送風、中間回風的側送上回方式，通過改變送風口的送風傾角（與天花板之間的夾角，分別為30°，60°和90°）工況進行數(shù)值模擬，分析不同傾角條件下的溫度場和速度場的不均勻系數(shù)以及不同送風傾角對人體熱舒適性的影響等，以便探究低溫送風技術在地鐵站廳應用的合理方案。

3.1 不同傾角條件下站廳的溫度場分布

圖2顯示了送風溫度6℃時3個不同送風傾角不同豎直高度平面的溫度場云圖。溫度調(diào)節(jié)是空調(diào)的主要任務之一，其不均勻系數(shù)能較為客觀地反映氣流在房間內(nèi)溫度場均勻性的好壞，對人體熱舒適性具有直接的影響。溫度不均勻系數(shù)的計算式為式中：kt為溫度不均勻系數(shù)；δt為室內(nèi)各溫度測點的均方根偏差，其中tp為平均溫度，ti為第i測點溫度；t為室內(nèi)各溫度測點的算術平均值。不均勻系數(shù)越小，表明房間內(nèi)的溫度場均勻性越好。

地鐵站廳距地板2 m范圍內(nèi)為工作區(qū)域，筆者分別截取高度z＝0.5，1.0，1.5，2.0 m時的水平面溫度場，在每個截取平面提取均勻分布的40個測點的溫度，分析不同送風傾角條件下溫度場的不均勻系數(shù)。同時，將每個水平面的溫度場的平均溫度作為該高度水平面的溫度，用于分析房間豎直溫度梯度，以此了解房間溫度分布特性，并為低溫送風人體熱舒適性分析提供參考數(shù)據(jù)。

從圖2（a）-圖2（d）可知，當送風傾角為30°時，工作區(qū)的最大溫度梯度約為1.9℃，滿足工作區(qū)溫度梯度為2℃以下的要求，但是已經(jīng)達到上限；高度z從0.5 m至2.0 m變化過程中，各平面溫度場的溫度不均勻性隨高度增高而增大，在1.0 m至2.0 m范圍內(nèi)（處于人的上半身區(qū)域）的不均勻性系數(shù)最大，最大溫度不均勻系數(shù)為0.009 8。從圖2（e）-圖2（h）可以發(fā)現(xiàn)，當送風傾角為60°時，工作區(qū)的溫度梯度約為0.8℃，溫度場不均勻性與送風傾角為30°時相反，溫度場隨高度增加而變得更加均勻，最大溫度不均勻系數(shù)為0.006 3。圖2（z）-圖2（l）表明，當送風傾角為90°時，工作區(qū)的溫度梯度約為0.5℃，廳內(nèi)地板附近的中間區(qū)域出現(xiàn)了較高溫度區(qū)，該區(qū)域之外的溫度場分布均勻，溫度不均勻系數(shù)為0.002 5左右，隨著高度的增加，在人的腹部以上（即1.5～2.0 m）溫度場的高溫區(qū)域逐漸消失。

圖2 不同傾角不同高度的溫度場分布Fig.2 Temperature field distribution at different inclination angles and heights

縱觀不同送風傾角的整個情況，我們不難發(fā)現(xiàn)，隨著送風傾角的增大，工作區(qū)的溫度梯度逐漸減小，廳內(nèi)溫度場的不均勻性逐漸降低，且廳內(nèi)工作區(qū)的溫度也出現(xiàn)下降趨勢。但是，隨著送風傾角增加，出現(xiàn)了中間區(qū)域溫度高的現(xiàn)象，表明中間區(qū)域獲得冷量較少。究其原因，是由于傾角加大后，送風射流能較快地將冷量輸送到工作區(qū)，且越來越接近置換通風空調(diào)方式，但是由于廳的寬度較大，致使到達地板附近的低速空氣很難到達中間區(qū)域，因此出現(xiàn)中間區(qū)域的高溫區(qū)。

3.2 不同傾角條件下站廳的速度場分布

圖3顯示了送風溫度6℃時3個不同送風傾角不同豎直高度平面的速度場云圖。風速對人體熱舒適性具有重要影響。通常情況下，在保證人體的熱舒適性不變的條件下，提高風速可以適當提高空調(diào)設計溫度，從而達到節(jié)能的目的。但是，在避免吹風感的同時應盡可能地提高風速分布的均勻性。風速不均勻系數(shù)能較為客觀地反映氣流風速分布均勻性的好壞，其計算式為式中：ku為風速不均勻系數(shù)；δu為室內(nèi)各風速測點的均方根偏差，即，其中up為平均風速，ui為第i測點風速；u為室內(nèi)各風速測點的算術平均值。不均勻系數(shù)越小，表明房間內(nèi)的速度場均勻性越好。

從圖3（a）-圖3（d）可知，當送風傾角為30°時，高度z從0.5 m至2.0 m高度范圍內(nèi)，各平面風速場的風速不均勻性的變化規(guī)律與溫度場趨于一致，即：隨不均勻性高度增高而增大，在1.0 m至2.0 m高度范圍內(nèi)不均勻性系數(shù)最大，最高風速出現(xiàn)在廳內(nèi)的中間區(qū)域，達到0.8 m／s，而最低風速接近于0 m／s，出現(xiàn)的風速“死角”較多。從圖3（e）-圖3（h）可以發(fā)現(xiàn)，當送風傾角為60°時，房間內(nèi)的速度分布較為均勻，風速基本處于0.3 m／s以下，在墻體附近出現(xiàn)較高的風速，約0.4 m／s，但是依然有“死角”存在。圖3（i）-圖3（l）表明，當送風傾角為90°時，速度場分布均勻，不均勻系數(shù)小，風速在0.15～0.30 m／s的范圍波動，0.5～2.0 m工作區(qū)高度范圍內(nèi)未出現(xiàn)風速“死角”。

圖3 不同傾角不同高度的速度場分布Fig.3 Distribution of velocity field at different inclination angles and heights

結合3個傾角進行綜合分析發(fā)現(xiàn)，送風溫度為6℃時，隨著送風傾角的增大，風速的均勻性能得到較為明顯的改善，房間內(nèi)的風速“死角”逐漸減少，送風傾角為90°時風速“死角”消失。

3.3 傾角對速度衰減的影響

圖4給出了不同送風傾角對送風射流軸心速度的影響。由圖4（a）可知，當風速度為3.5 m／s，送風傾角為30°時，射流軸心速度衰減最快，到達地面時的速度約為0.22 m／s，當送風傾角為90°時的速度衰減最慢，到達地面時的速度約為0.5 m／s。由圖4（b）-圖4（d）可知，射流在流動過程中未能完全衰減，射流末端速度依然大于環(huán)境空氣流速。隨著送風傾角的增加，射流末端射流的著地點從站廳中心區(qū)域向墻體移動，當送風傾角達到90°時，送風射流形成貼附射流，席卷的環(huán)境空氣量最小，相當于在地板附近設置了送風口，接近于置換空調(diào)送風形式。

圖4 傾角對送風射流軸心速度的影響Fig.4 Influence of inclination angle on axial velocity of supply air jet

4 舒適性分析

4.1 評價指標

（1）有效風感溫度（EDT）。EDT是反映氣流組織下冷熱舒適感覺的指標。EDT＝0為熱中性；EDT＜0為冷感；EDT＞0為熱感。當-1.7＜EDT＜＋1.1時，同時風速v小于規(guī)定要求的 0.35 m／s時，認為多數(shù)人感覺舒適；當EDT＜-1.7為冷吹風感；當EDT＞＋1.1為熱吹風感。其計算式為：

式中：ti為測點溫度，℃；tn為室內(nèi)溫度，℃；ui為測點的氣流流速，m／s。v

（2）空氣分布特性指標（ADPI）。ADPI將空氣溫度、空氣流速與人對環(huán)境熱舒適感覺三者聯(lián)系起來，是空氣分布系統(tǒng)評價的一個僅有的單個數(shù)據(jù)指標。ADPI數(shù)值越高，工作區(qū)內(nèi)人員對該環(huán)境的熱舒適度就越滿意，當ADPI≥80%時認為該環(huán)境的氣流組織是令人滿意的［18］。ADPI計算式為：

4.2 EDT分析

分別在距地板高度為0.5，1.0，1.5，2.0 m的平面上均勻選取18個測點（共3排，每排6個測點，編號1-6及編號13-18分別距墻體2.0 m，編號7-12居于中心位置），根據(jù)每個測點的溫度及速度計算EDT和ADPI。不同送風傾角各高度的EDT值如圖5所示。

圖5 不同送風傾角各高度的EDT值Fig.5 EDT values of different air supply inclination angles and heights

從圖5（a）-圖5（d）可知，當送風傾角為30°時，在0.5至2.0 m高度范圍內(nèi)，總體呈現(xiàn)廳內(nèi)中間位置有冷吹風感或冷感，偏離中心位置的區(qū)域有熱吹風感，隨著高度的增加，EDT逐漸趨于舒適值。當送風傾角為60°時，在0.5～1.0 m高度范圍內(nèi)，廳內(nèi)中間位置處于舒適區(qū)域，偏離中心位置的區(qū)域有冷感，并出現(xiàn)部分的冷吹風感，當高度為1.5～2.0 m時，整個廳內(nèi)的EDT值小于0，但大于-1.7，有冷感，但未出現(xiàn)冷吹風感。當送風傾角為90°時，在0.5至1.0 m高度范圍內(nèi)，廳內(nèi)中間位置有熱吹風感，偏離中心位置的其他區(qū)域的EDT值接近于0，人體的舒適性高，當高度為1.5～2.0 m時，整個廳內(nèi)的EDT值分布均勻并均趨近于0。同時發(fā)現(xiàn)，當送風傾角為30°時，測點7-12的EDT值突然降低，原因是由于送風傾角過小導致更多的冷空氣被送到站廳的中心區(qū)域。

4.3 ADPI分析

站廳內(nèi)空氣分布特性指標（ADPI）數(shù)值統(tǒng)計見表1。從表1可知，當送風傾角為30°時，高度為2.0 m時的ADPI最大，但也僅為44.44%，氣流組織不能讓人滿意。當送風傾角為60°時，隨著高度的增加ADPI隨之增大，1.5 m高度以上時ADPI即可達到100%，該高度上的氣流組織讓人滿意。當送風傾角為90°時，ADPI的最低值為66.67%，1.5 m高度以上時與60°時一樣，ADPI達到100%，1.5 m高度以上的氣流組織讓人滿意。

4.4 送風傾角與舒適性

從EDT和ADPI分析可知，送風傾角為90°時，廳內(nèi)的熱舒適性最高，通常情況下墻體會帶來一定的冷負荷，也即是墻體會向室內(nèi)輻射熱量，人體的溫感往往會比氣溫更高，由于本文在數(shù)值計算時假設墻體的熱通量為0 W／m2，忽略了墻體熱輻射的影響。由于90°為沿墻體進行的貼附射流，墻體會被低溫的送風射流降溫，因此墻體的溫度會比其他傾角更低，某種程度上甚至可以向人體輻射一定的冷量，結合表1中ADPI的值分析發(fā)現(xiàn)，傾角為90°時，在0.5～1.0 m高度范圍時，EDT＞＋1.1的測點個數(shù)占比為27.78%～33.33%，并表現(xiàn)為熱吹風感，如果考慮墻體輻射冷量的影響，其舒適性將會有一定的提高，ADPI值有大于80%的可能。通過綜合分析，進行低溫送風時，90°送風傾角具有更大的舒適性優(yōu)勢。

表1 空氣分布特性指標（ADPI）數(shù)值統(tǒng)計表Table 1 Numerical statistics table of air distribution characteristic index（ADPI） 個

5 結論

當采用6℃的低溫送風時，送風傾角對地鐵站廳的氣流組織有顯著影響：（1）無論送風傾角大小，隨著距地板高度增加，廳內(nèi)的速度場及溫度場更均勻，90°送風傾角時的溫度和速度不均勻系數(shù)最小，60°送風傾角次之，30°送風傾角最差，其不均勻系數(shù)最大。（2）當送風傾角為90°時，送風射流與墻體之間形成貼附射流，速度衰減慢，在墻角處形成類似于置換通風的射流形式，此時的空氣分布特性指標值最優(yōu)，空氣分布特性指標值最低的位置處于地板附近，可達到66.67%，隨著高度增加，當高度為1.0 m以上時，空氣分布特性指標值可以達到100%以上，考慮到地鐵站的人群為行走狀態(tài)，人體的主要發(fā)熱部位位于上半身，因此1.0 m以上區(qū)域為主要要考慮的區(qū)域?？諝夥植继匦灾笜诵Ч判蛞来螢?0°＞60°＞30°。（3）將送風傾角設計為90°時，送風冷量難以達到離墻較遠的中間位置，因此，在進行空調(diào)設計時，應重點考慮地鐵站廳的跨度，然后合理設計送風速度。（4）緊貼墻體的90°送風傾角可以近似替代置換通風，有效克服置換通風占用建筑使用空間的缺點。