新广州火车站新风系统与空气品质研究

郭旭晖

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 ，湖北 武汉 430063)

随着人们对建筑室内环境要求的越来越高，暖通空调系统在现代建筑中的应用也越来越多，空调技术的推广应用大大改善了人们的生活质量，给人类创造了一个舒适的生存环境。然而，空调系统设计的不合理则可能会对室内空气品质造成极大的危害，进而成为污染物传播的通道和动力［1］。尤其是当建筑周围存在污染源时，新风取风口位置的选择显得至关重要，如果取风口位置取在污染源下风向且污染物浓度较高，则污染物会通过新风系统进入室内，造成室内空气中污染物浓度相应的增加［2］。

铁路客站属于人员密集场所，为旅客提供足够的室外新风，保证候车区域的空气品质显得尤为重要。新广州火车站候车层的新风系统从站台层顶部区域取风，为保证取得的新风质量不受站台层列车和人员等污染源的影响，本文通过与清华大学合作［3］，采用CFD数值计算的方法，模拟分析了新风取风口位置对候车层室内空气品质的影响，进而给出了适宜的新风取风口位置;同时考虑新风负荷对建筑能耗的影响，给出了最佳的人均新风量取值。

1 铁路客站污染物扩散建模

1.1 污染源的确定

铁路客站站台层为列车进出站和旅客上下车的交通枢纽地带，影响该区域空气品质的可能因素包括:站台和列车上人员释放的污染物、列车排放的尾气、餐车排放的气体等。

由于目前列车多为电力驱动，且餐车在停站期间使用率很低，两者对站台层的影响相对于整个空间基本可以忽略，因此模拟分析过程仅考虑人员对站台层空气品质的影响。在以人为主要污染源的场合中，CO2浓度指标可以作为衡量空气品质的评价指标。本模拟分析中采用 CO2浓度为指标，对新风口位置和人均新风量的选择做定量的分析，根据室内CO2浓度检测值，增加或减少新风量，使CO2浓度始终维持在卫生标准规定的限值内，在满足人员新风要求的前提下，最大限度的做到节能运行。

1.2 CFD计算模型的建立

采用英国CHAM公司开发的国际通用商用软件PHOENICS 3.5.1对整个火车站进行 CFD模拟计算，参考建筑设计图纸建立CFD模型，铁路客站整体模型如图1、2所示。计算过程采用湍流k－ε模型，按照 SIMPLE算法，进行三维稳态模拟计算，分析气流速度和 CO2浓度的空间分布。网格划分经过无关性验证，如图3所示。

1.3 模型参数的设定

站台层通风温度参考《空气调节设计手册》［4］，根据广州夏季气象参数，广州地区夏季主导风向为东南风占14%，静风几率为28%，平均风速为1.8 m/s，通风温度为31℃。考虑主导风向和静风对新风取风口浓度的影响，模拟过程分两种工况进行计算:

图1 总体模型图

图2 模型细部详图

图3 总体模型网格划分

工况1(夏季主导风):东南风，10 m高处风速为1.8 m/s;

工况2(静风):东南风，10 m高处风速为0.5 m/s(考虑列车进出站时引起气流流动的影响)。

站台人员密度根据高峰到达人数2.84万/h，每人平均在站台停留时间为10 min计算，则站台瞬时最高人数约为4 733人。根据参考文献［5］，人们静坐时CO2的生成量为0.31 L/min，即人均CO2发生量为0.01 g/s。根据以上数据得模拟计算参数设置如表1所示。

表1 站台空气品质模拟计算参数设置

2 模拟结果及分析

2.1 铁路客站周围CO2浓度分布

一般情况下，室外新风 CO2为 0.03% ～0.04%，但是站台区域存在一定的污染源，所以站台上部新风取风口附近的新风 CO2浓度会有所增加。在此首先分析考虑站台污染源后，站台区域18 m高处CO2浓度相对于室外新风浓度(取0.04%)的增加值。模拟计算得到的两个工况下18 m高度处风速分布和不同位置 CO2浓度增量分布如图4和图5所示。

图4 主导风工况下18 m高度处风速和CO2浓度增量分布

图5 静风工况下18m高度处风速和CO2浓度增量分布

由图4和图5可以看出，两种工况下站台北侧的CO2浓度增量大于其它地方，静风工况各处的CO2浓度增量都较主导风工况大。但总体来看站台污染源导致的CO2浓度增量较小，两种工况下CO2浓度增量都在0.002%以下，这主要是因为站台为室外开敞大空间，对污染物有较好的稀释作用。

将CO2浓度增量分布加上新风背景浓度0.04%，即可得到不同地点的新风取风浓度。候车室内CO2发生量的平衡式如公式1所示，其中CO2浓度用质量-体积浓度mg/m3表示，它与体积浓度%的换算关系如公式(2)所示。

式中:Gx1—新风量(m3/h);

Gx2—回风量(m3/h);

C1—新风中CO2浓度(mg/m3);

C2—候车室内CO2平均浓度(mg/m3);

C3—室内人员CO2散发量［mg/(h·人)］;

n—候车室内人数。

式中:X—污染物以mg/m3表示的浓度值;

C—污染物以%表示的浓度值;

M—污染物的分子量，CO2的分子量为44。

2.2 候车层室内CO2平均浓度分布

根据新广州站候车层空调负荷计算的设定参数可知，整个候车层的最高聚集人数为14 495人，CO2发生量为0.01 g/(s·人)。参照《铁路旅客车站建筑设计规范》(GB50226—2007)的规定［6］，候车层的初始设计人均新风量为10 m3/h。利用以上各式并考虑新风取风浓度分布，可计算得到新风口设在不同位置时候车层室内CO2平均浓度，如图6和图7所示。

图6 静风工况人均新风量10 m3/h的室内CO2浓度

图7 主导风工况人均新风量10 m3/h的室内CO2浓度

由图6和图7可以看出，当将新风取风口设置在站台北部时，候车室内CO2浓度高于在其它地方取新风时的浓度。但总体来看，不同取风点的新风取风浓度差别较小，因此新风口在站台上部的具体设置地点对候车室内CO2浓度的影响较小，候车室内CO2浓度主要受人均新风量的影响。此外，由于目前新风系统人均新风量按10 m3/h设计，两工况条件下候车室内CO2浓度均达到了0.223%以上，根据《公共交通等候室卫生标准》(GB 9672－1996)的要求［7］(以下简称卫生标准)，室内CO2浓度日平均值必须低于0.15%，因此新风量按10 m3/h设计不能满足室内卫生标准要求，需适当增大人均新风量。

2.3 人均新风量对室内CO2浓度的影响

为了保证候车层室内卫生要求，本节分析了增大人均新风量时，室内 CO2浓度的分布情况。当人均新风量为30 m3/h时，新风口位置和室内CO2浓度分布如图8和图9所示，由图可以看出，此时主导风和静风工况都可保证新风口位置和候车室内CO2浓度在0.1%左右，满足卫生标准中关于室内CO2浓度日平均值低于0.15%的要求。

图8 静风工况人均新风量30 m3/h的室内CO2浓度

由于新风负荷是建筑负荷的重要组成部分，在铁路客站的总负荷中，新风负荷常常占到候车区空调总负荷的20%以上［8］。因此控制和正确使用新风量是空调系统最有效的节能措施之一，在候车厅室内空气品质满足卫生标准的前提下应尽可能降低新风量，以降低空调系统能耗，使得空气品质、舒适性和节能性三者兼顾［9］。在此将人均新风量由30 m3/h降低为17 m3/h，重新进行模拟计算，计算结果如图10和图11所示。

由图10和图11可以看出，只要新风口不设置在站台北侧，主导风和静风工况下都可保证候车室内CO2浓度刚好满足0.15%的卫生标准要求，因此候车层新风系统设计时人均新风量不得低于17 m3/h。

图9 主导风工况人均新风量30 m3/h的室内CO2浓度

图10 静风工况人均新风量17 m3/h的室内CO2浓度

图11 主导风工况人均新风量17 m3/h的室内CO2浓度

3 结论

本文通过对新广州火车站站台层和候车层CO2浓度分布进行CFD数值模拟得出:

(1)考虑站台层污染源后，站台上部新风取风浓度有所增加，北侧区域的CO2浓度增量大于其它区域，静风工况各处的CO2浓度增量都高于对应的主导风工况。但总体来看各处CO2浓度增量都较小，因此新风口位置对候车层室内 CO2浓度影响较小。尽管如此，仍建议新风口尽量避免设置在站台北侧，因为一旦出现较强的污染源，北侧受影响将更大。

(2)人均新风量对候车层室内CO2浓度分布影响显著，当人均新风量为10 m3/h时，候车室内CO2浓度不能满足卫生标准要求;为了满足卫生标准要求，又尽可能降低空调系统能耗，建议人均新风量取17 m3/h。

［1］ 刘帅，袁文华.HVAC系统对室内空气品质的影响及改进措施［J］.建筑热能通风空调，2005，24(3):92－95.

［2］ Green N E，Etheridge D W，Riffat S B.Location of air intakes to avoid contamination of indoor air:a wind tunnel investigation［J］.Building and Environment，2001，36(1):1－14.

［3］ 清华大学建筑学院.新广州火车站节能设计与建筑内热环境研究报告［R］.2009.

［4］ 电子工业部第十设计研究院.空气调节设计手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［5］ 陆耀庆.实用供热空调设计手册［M］.第2版.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［6］ GB50226—2007，铁路旅客车站建筑设计规范［S］.

［7］ GB9672—1996，公共交通等候室卫生标准［S］.

［8］ 王鑫，柯莹.火车站新风需求控制的节能性分析［J］.制冷与空调，2009，23(2):68－71.

［9］ 耿世彬，李永，韩旭.室内空气品质与新风节能研究进展［J］.建筑热能通风空调，2009，28(5):32－38.