柱壁貼附通風(fēng)在地鐵車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中的創(chuàng)新應(yīng)用

孫心明,籃 杰,余偉之

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

建筑內(nèi)部的通風(fēng)氣流組織是營(yíng)造室內(nèi)環(huán)境的主要手段之一，也是通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)最終體現(xiàn)和最直接的終端技術(shù)，直接關(guān)系到環(huán)境保障的最終效果及系統(tǒng)的能量利用效率。

常規(guī)地鐵車站公共區(qū)的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，一般均采用傳統(tǒng)上送上回混合式通風(fēng)系統(tǒng)，混合式通風(fēng)系統(tǒng)送、回風(fēng)口布置靈活，具有不占用人員活動(dòng)空間的優(yōu)勢(shì)；但該氣流組織具有“大漫灌”特點(diǎn)，通風(fēng)效率較低，工作區(qū)空氣品質(zhì)趨近于回風(fēng)狀況，衛(wèi)生條件及人員舒適性相對(duì)較差。

為進(jìn)一步優(yōu)化地鐵車站公共區(qū)氣流組織，引入了貼附通風(fēng)模式。西安建筑科技大學(xué)李安桂教授團(tuán)隊(duì)對(duì)貼附通風(fēng)進(jìn)行了20余年的研究與實(shí)踐，提出了貼附通風(fēng)理論及氣流組織設(shè)計(jì)方法[1-5]。

貼附通風(fēng)方式結(jié)合建筑內(nèi)部造型，融合混合式通風(fēng)和置換通風(fēng)兩種方式的優(yōu)勢(shì)，克服了混合通風(fēng)溫度效率低及置換通風(fēng)使用場(chǎng)合受限等一系列弊端。如圖1所示，貼附通風(fēng)以保障工作區(qū)環(huán)境為目標(biāo)，將新鮮空氣和冷量最大限度地輸送到人員工作區(qū)；人員工作區(qū)上部空間具有一定的溫度梯度，負(fù)擔(dān)的總冷負(fù)荷小于混合通風(fēng)，具有較好的節(jié)能效果[6-9]。

圖1 豎壁貼附射流通風(fēng)示意

本文基于貼附通風(fēng)原理及設(shè)計(jì)方法，結(jié)合地鐵車站公共區(qū)普遍存在的結(jié)構(gòu)柱，對(duì)貼附通風(fēng)系統(tǒng)在地鐵車站公共區(qū)的適用性進(jìn)行研究。以鄭州某地鐵站為例，對(duì)貼附通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行相關(guān)分析探討。

1 柱壁貼附通風(fēng)原理及設(shè)計(jì)方法

1.1 柱壁貼附通風(fēng)原理

柱壁貼附通風(fēng)模式利用“康達(dá)”效應(yīng)及“擴(kuò)展康達(dá)”效應(yīng)[10]，空氣由位于結(jié)構(gòu)柱(或裝飾柱)上部的條縫送風(fēng)口射出后，立即與柱壁表面形成貼附流動(dòng)。當(dāng)流動(dòng)到接近地面高度時(shí)，在地面逆壓梯度的作用下射流主體與柱面分離，流動(dòng)方向也由豎直向變?yōu)樗较?，此后氣流貼附地面流動(dòng)，在工作區(qū)形成以結(jié)構(gòu)柱(或裝飾柱)為中心的均勻擴(kuò)散流動(dòng)分布[11-13]。

柱壁貼附通風(fēng)理論模型如圖2所示，其射流流場(chǎng)可以劃分為3個(gè)區(qū)域：豎向柱面貼附區(qū)、射流沖擊偏轉(zhuǎn)區(qū)和水平向空氣湖區(qū)。

圖2 柱壁貼附通風(fēng)理論模型示意

西安建筑科技大學(xué)李安桂等人的研究成果[7]表明，柱面貼附通風(fēng)模式能夠在工作區(qū)形成類似置換通風(fēng)的空氣湖狀速度及溫度分布，且通風(fēng)效果、人員舒適性以及通風(fēng)效率均有所提高，適用于地鐵車站等大空間建筑通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)氣流組織設(shè)計(jì)。

1.2 貼附通風(fēng)設(shè)計(jì)方法

貼附通風(fēng)的設(shè)計(jì)過程是在滿足工作區(qū)人員舒適性及節(jié)能或工藝要求的前提下，提出合適的送風(fēng)參數(shù)，如風(fēng)速、溫度及風(fēng)口尺寸等。西安建筑科技大學(xué)李安桂團(tuán)隊(duì)通過研究影響室內(nèi)空氣分布的諸多因素，總結(jié)出貼附通風(fēng)氣流組織設(shè)計(jì)方法，詳見表1[14]。

表1 貼附通風(fēng)設(shè)計(jì)方法

2 柱壁貼附通風(fēng)在地鐵車站的應(yīng)用分析

2.1 地鐵車站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

按照線路分布情況，地鐵車站可分為島式車站、側(cè)式車站和島側(cè)混合式車站。其中，島式車站是指站臺(tái)位于上下行車線路之間車站。側(cè)式車站是指站臺(tái)位于上下行車線路兩側(cè)的車站。島側(cè)混合式車站一般出現(xiàn)在兩線平行換乘的車站中，由島式站臺(tái)和側(cè)式站臺(tái)共同組成。

從使用功能來(lái)說，地鐵車站可分為公共區(qū)和設(shè)備區(qū)兩部分，其中公共區(qū)是提供旅客乘降以及候車的場(chǎng)所，設(shè)備區(qū)是保證地鐵運(yùn)營(yíng)的各類電氣、信號(hào)、通風(fēng)空調(diào)等設(shè)備集中場(chǎng)所以及運(yùn)營(yíng)管理人員工作的場(chǎng)所。

不論何種形式的地鐵車站，在地鐵車站公共區(qū)內(nèi)均布置有大量結(jié)構(gòu)柱，根據(jù)車站寬度的不同，又可分為單柱車站和雙柱車站。其中，單柱車站是指沿車站長(zhǎng)度方向，在公共區(qū)內(nèi)僅布置有一排結(jié)構(gòu)柱的車站，如圖3所示。雙柱車站是指沿車站長(zhǎng)度方向，在車站公共區(qū)內(nèi)布置有2排結(jié)構(gòu)柱的車站，如圖4所示。

圖3 典型單柱車站站廳層公共區(qū)平面

圖4 典型雙柱車站站廳層公共區(qū)平面

本文主要針對(duì)地鐵車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)氣流組織進(jìn)行研究，并以典型雙柱車站為例進(jìn)行相關(guān)分析。

2.2 柱壁貼附通風(fēng)末端送風(fēng)裝置

研究表明[15]，貼附通風(fēng)模式的最終實(shí)現(xiàn)主要依靠末端的送風(fēng)裝置，該裝置需要能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定氣流、減小氣流湍動(dòng)性、降低氣流噪聲、保證出風(fēng)口出風(fēng)均勻性，使氣流沿壁面貼附流動(dòng)。

結(jié)合上述要求及地鐵車站結(jié)構(gòu)柱特點(diǎn)，研究并提出了3種柱壁貼附通風(fēng)末端送風(fēng)裝置，分別為矩形柱回形貼附通風(fēng)靜壓箱、圓形柱回形貼附通風(fēng)靜壓箱及條形貼附通風(fēng)靜壓箱[16]。3種貼附通風(fēng)靜壓箱各有特點(diǎn)，其中條形貼附通風(fēng)靜壓箱布置更靈活，適應(yīng)性更廣。下文主要針對(duì)條形貼附通風(fēng)靜壓箱進(jìn)行分析。

條形貼附通風(fēng)靜壓箱送風(fēng)口形式為條縫型送風(fēng)口，送風(fēng)口寬度一般為0.05～0.12 m，裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過該末端送風(fēng)裝置送風(fēng)時(shí)，空氣由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入靜壓箱的進(jìn)風(fēng)區(qū)域Ⅱ，高速氣流撞擊靜壓箱進(jìn)風(fēng)區(qū)域Ⅱ壁面后，動(dòng)壓逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓，區(qū)域內(nèi)空氣在靜壓作用下穿過孔板進(jìn)入上部穩(wěn)流區(qū)域Ⅰ，氣流均勻性有所提高，隨著空氣不斷由進(jìn)風(fēng)區(qū)域Ⅱ進(jìn)入穩(wěn)流區(qū)域Ⅰ，穩(wěn)流區(qū)域Ⅰ內(nèi)壓力逐漸升高，區(qū)域內(nèi)空氣在壓力作用下穿過孔板進(jìn)入出風(fēng)區(qū)域Ⅲ。上述過程延長(zhǎng)了空氣在靜壓箱內(nèi)的流動(dòng)距離，使得動(dòng)壓轉(zhuǎn)化為靜壓的比例增加。均勻性較好的空氣沿垂直導(dǎo)流段垂直向下送出，減弱了出風(fēng)氣流與室內(nèi)熱空氣混合程度，同時(shí)提高了送風(fēng)射流距離，降低送風(fēng)氣流對(duì)人員的吹風(fēng)感。

圖5 條形貼附通風(fēng)靜壓箱結(jié)構(gòu)示意

2.3 地鐵車站貼附通風(fēng)設(shè)計(jì)方法

貼附通風(fēng)通過改變?cè)惋L(fēng)系統(tǒng)中的末端送風(fēng)口的位置及形式，將普通雙層百葉送風(fēng)口改為貼附通風(fēng)末端送風(fēng)裝置。根據(jù)地鐵車站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取合適的貼附通風(fēng)末端送風(fēng)裝置，以典型雙柱車站為例，選取條形貼附通風(fēng)末端送風(fēng)靜壓箱。

如圖6所示，該條形貼附通風(fēng)靜壓箱緊貼柱子裝修面布置，并通過支管與送風(fēng)主干管連接，送風(fēng)裝置的末端條縫型送風(fēng)口緊貼吊頂設(shè)置。

圖6 雙柱車站站廳層公共區(qū)貼附通風(fēng)布置剖面

如圖7所示，地鐵車站公共區(qū)內(nèi)除樓扶梯、電梯、檢票閘機(jī)等位置以外，在結(jié)構(gòu)柱兩側(cè)均布置條形貼附通風(fēng)靜壓箱。

圖7 雙柱車站站廳層公共區(qū)貼附通風(fēng)布置平面

根據(jù)貼附通風(fēng)設(shè)計(jì)方法計(jì)算送風(fēng)量，并根據(jù)末端裝置布置數(shù)量確定每個(gè)末端裝置的送風(fēng)量、送風(fēng)口寬度、送風(fēng)速度以及送風(fēng)溫度，并通過校核保證工作區(qū)內(nèi)送風(fēng)速度、送風(fēng)溫度以及水平射程滿足設(shè)計(jì)要求。

3 柱壁貼附通風(fēng)在地鐵車站的應(yīng)用分析

3.1 柱壁貼附通風(fēng)溫度場(chǎng)模擬分析

以鄭州機(jī)場(chǎng)線至許昌市域鐵路明港站為例，廳層公共區(qū)尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為105 m×14 m×3.5 m，分別建立地鐵車站公共區(qū)柱壁貼附通風(fēng)及混合式通風(fēng)的CFD模型。

通過CFD模擬計(jì)算，雙柱貼附通風(fēng)和混合式通風(fēng)模式下地鐵車站站廳層公共區(qū)的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 柱壁貼附通風(fēng)溫度場(chǎng)(y=1.7 m)

圖9 混合式通風(fēng)溫度場(chǎng)(y=1.7 m)

圖8、圖9分別給出了兩種方案距地面1.7 m高度處水平截面的溫度分布云圖。柱壁貼附通風(fēng)公共區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域溫度分布較為均勻，溫度大小維持在28 ℃左右。混合式通風(fēng)模式下，公共區(qū)兩端的區(qū)域溫度較高，達(dá)到32 ℃左右，其余位置整體溫度維持在29～30 ℃，風(fēng)口下方區(qū)域溫度相對(duì)較低，溫度約為29 ℃。

圖10、圖11分別給出了兩種送風(fēng)模式(柱壁貼附通風(fēng)和混合通風(fēng)模式)下縱向截面(z=47.5 m)處的溫度場(chǎng)云圖。

圖10 貼附通風(fēng)縱向截面溫度分布(z=47.5 m)

圖11 混合通風(fēng)縱向截面溫度分布(z=47.5 m)

柱壁貼附通風(fēng)縱向截面溫度場(chǎng)方面，豎直方向溫度有明顯的分層，溫度隨著高度增加而升高。在人員活動(dòng)區(qū)域的溫度分布均勻，維持在27～28 ℃，滿足設(shè)計(jì)要求?；旌贤L(fēng)模式下，靠近兩側(cè)區(qū)域人員活動(dòng)區(qū)溫度維持在28 ℃，但是在雙列柱之間的區(qū)域溫度較高，最高達(dá)到了30 ℃左右。整體溫度呈現(xiàn)中間區(qū)域溫度高，兩側(cè)區(qū)域溫度低的現(xiàn)象，溫度分布不均勻。

柱壁貼附通風(fēng)和混合通風(fēng)沿房間高度方向橫向截面平均溫度分布如圖12所示。

圖12 柱壁貼附通風(fēng)和混合通風(fēng)橫向截面的平均溫度分布

從圖12可以看出，貼附通風(fēng)模式下，在0.2

3.2 柱壁貼附通風(fēng)速度場(chǎng)模擬分析

通過CFD模擬計(jì)算，雙柱貼附通風(fēng)和混合式通風(fēng)模式下地鐵車站站廳層公共區(qū)的速度場(chǎng)模擬結(jié)果分別如圖13、圖14所示。

圖13 柱壁貼附通風(fēng)速度場(chǎng)(y=1.7 m)

圖14 混合式通風(fēng)速度場(chǎng)(y=1.7 m)

圖13、圖14分別給出了兩種方案距地面1.7 m高度處水平截面的速度分布云圖。兩種方案整體風(fēng)速均維持在0.2 m/s，貼附通風(fēng)中，送風(fēng)從條縫風(fēng)口射出，與周圍空氣摻混的同時(shí)沿柱面向下流動(dòng)，其軸線速度不斷衰減。在相鄰兩個(gè)矩形柱之間的對(duì)稱面上，氣流交匯現(xiàn)象明顯。在交匯區(qū)域，風(fēng)速增加至0.4 m/s，交匯區(qū)域以外，活動(dòng)區(qū)內(nèi)的風(fēng)速維持在0.1～0.2 m/s，風(fēng)速大小均滿足要求?；旌贤L(fēng)模式中送風(fēng)從風(fēng)口送出，與周圍空氣大量混合后，在風(fēng)口正下方區(qū)域速度較大，最大可到0.7 m/s以上，風(fēng)口正下方以外區(qū)域風(fēng)速偏小。

圖15、圖16分別給出了兩種送風(fēng)模式(柱壁貼附通風(fēng)和混合通風(fēng)模式)下縱向截面(z=47.5 m)處的速度場(chǎng)云圖。

圖15 貼附通風(fēng)縱向截面速度分布(z=47.5 m)

圖16 混合通風(fēng)縱向截面速度分布(z=47.5 m)

在貼附通風(fēng)模式下，送風(fēng)在貼附效應(yīng)的作用下沿著矩形柱面向下運(yùn)動(dòng)，接近地面進(jìn)入撞擊區(qū)后方向由豎直變?yōu)樗椒较颍诨顒?dòng)區(qū)下方形成空氣湖。人員在貼附通風(fēng)模式下，活動(dòng)周圍風(fēng)速不超過0.3 m/s，滿足舒適要求?；旌贤L(fēng)送風(fēng)由分布在空間兩側(cè)的送風(fēng)口送出后，與周圍空氣摻混，所以風(fēng)速分布大小沒有較強(qiáng)的規(guī)律。從圖16可以看出，在0.1～1.0 m高度內(nèi)，風(fēng)速最高達(dá)到了0.6 m/s，最低達(dá)到了0.1 m/s，風(fēng)速均勻性較差。通過兩種通風(fēng)方式形成的速度分布云圖可以看出，貼附通風(fēng)速度場(chǎng)均勻性更好，人員舒適性更高。

3.3 柱壁貼附通風(fēng)熱舒適性分析

相對(duì)熱指標(biāo)RWI(Relative Warmth Index)是美國(guó)運(yùn)輸部(United States Department of Transportation)的地鐵環(huán)境設(shè)計(jì)手冊(cè)中提出的一種熱舒適指標(biāo)[17]。地鐵車站中，從進(jìn)站到出站，乘客在車站內(nèi)的停留時(shí)間一般為3～6 min，乘客大多處于短暫停留的過渡狀態(tài)，利用相對(duì)熱指標(biāo)(RWI)可以有效地對(duì)地鐵站內(nèi)短暫停留的人員環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)[18-20]。

RWI值表示了在比較溫暖的環(huán)境條件下人員的熱感覺狀況。表2給出了RWI值與ASHRAE的不同級(jí)別的熱感覺指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

表2 RWI值與熱感覺之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過計(jì)算，柱壁貼附通風(fēng)以及混合式通風(fēng)的RWI值以及對(duì)應(yīng)熱舒適級(jí)別如圖17所示。兩種送風(fēng)方式的RWI值分別為0.20和0.22，熱舒適感均處于“微暖～暖”的范圍內(nèi)。其中混合通風(fēng)模式的RWI最大，接近“暖”的級(jí)別，雙列柱貼附通風(fēng)模式RWI值最小，接近“微暖”的級(jí)別。與混合通風(fēng)相比，貼附通風(fēng)的RWI值較低，人體舒適性更好。當(dāng)站內(nèi)RWI<站外RWI，乘客在進(jìn)站過程中即可逐漸感覺到?jīng)鏊?。因此，雙柱貼附通風(fēng)可以提供更舒適的地鐵車站公共區(qū)環(huán)境。

圖17 兩種送風(fēng)方式的RWI值對(duì)比

3.4 柱壁貼附通風(fēng)節(jié)能效果分析

以鄭州地鐵17號(hào)線車站為例，分別對(duì)傳統(tǒng)采用混合式通風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)和采用柱壁貼附通風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)送風(fēng)量、冷負(fù)荷進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖18、圖19所示。

圖18 貼附通風(fēng)與混合式通風(fēng)送風(fēng)量對(duì)比

圖19 貼附通風(fēng)與混合式通風(fēng)冷負(fù)荷對(duì)比

從圖18和圖19可以看出，與傳統(tǒng)混合通風(fēng)模式對(duì)比，貼附通風(fēng)模式下，送風(fēng)量約減少20.0%，冷負(fù)荷約減少16.2%，具有較好的節(jié)能效果。

4 結(jié)論

柱壁貼附通風(fēng)的氣流組織模式是繼傳統(tǒng)混合式通風(fēng)、置換通風(fēng)等氣流組織之后的一種新型送風(fēng)模式。以鄭州17號(hào)線地鐵站為例，對(duì)柱壁貼附通風(fēng)和上送上回式混合式通風(fēng)進(jìn)行CFD模擬計(jì)算及對(duì)比分析，得到以下結(jié)論。

(1)柱壁貼附通風(fēng)方式結(jié)合建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)柱特點(diǎn)，利用“康達(dá)”效應(yīng)及“擴(kuò)展康達(dá)”效應(yīng)，將新鮮空氣直接送至人員工作區(qū)，保障了工作區(qū)的舒適度，適用于地鐵車站等大空間建筑通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)氣流組織設(shè)計(jì)。

(2)地鐵車站的結(jié)構(gòu)柱形式多樣，可根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)柱造型及吊頂空間要求，選取相應(yīng)的貼附通風(fēng)末端送風(fēng)裝置，以達(dá)到最佳的通風(fēng)空調(diào)效果。

(3)與混合式通風(fēng)相比，同等風(fēng)量下，柱壁貼附通風(fēng)在豎直方向溫度產(chǎn)生明顯分層，在人員活動(dòng)區(qū)域的溫度分布均勻，平均溫度維持在27～28 ℃，氣流組織性能優(yōu)于混合式通風(fēng)。

(4)柱壁貼附通風(fēng)模式的相對(duì)熱指標(biāo)RWI值為0.20，上送上回式混合通風(fēng)RWI值為0.22，柱壁貼附通風(fēng)模式下地鐵車站公共區(qū)的人員舒適性較高。

(5)與傳統(tǒng)混合通風(fēng)模式節(jié)能效果進(jìn)行對(duì)比，采用柱壁貼附通風(fēng)模式的送風(fēng)量約減少20.0%，冷負(fù)荷約減少16.2%，具有較好的節(jié)能效果。

隨著國(guó)內(nèi)地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，改善地鐵環(huán)境、提升能源利用效率已經(jīng)引起高度關(guān)注。貼附通風(fēng)作為已通過實(shí)際工程檢驗(yàn)的送風(fēng)技術(shù)，具有更均勻的溫度場(chǎng)分布效果、更舒適的人體感受、更高的通風(fēng)效率等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在地鐵車站公共區(qū)具有合適的設(shè)置條件，非常值得在地鐵車站進(jìn)行研究、應(yīng)用、推廣。