地铁站台两种送回风方式下热环境对比分析

王丽慧刘卓李志玲王太晟

1上海理工大学环境与建筑学院

2上海东方延华节能技术有限公司

地铁站台两种送回风方式下热环境对比分析

王丽慧1刘卓1李志玲2王太晟1

1上海理工大学环境与建筑学院

2上海东方延华节能技术有限公司

本文使用计算流体力学（CFD）的方法，建立典型岛式站台的三维几何模型，用标准k-ε湍流模型作为站台气流的物理模型，按实测的热湿负荷、温度速度等作为边界条件，对地铁闭式系统岛式站台环控系统中两种典型送回风方式的气流组织方案在夏季工况最不利情况下进行对比分析。结果表明：两侧送中间回的气流组织方案在对站台的温度控制上要优于单送单回的气流组织方案，而在气流温度速度均匀性和能耗系数上，后者更加满足舒适性和能耗方面的要求。研究成果为地铁环控系统设计运营提供参考。

地铁 送回风方式 热环境 CFD模拟

本文以站台活塞风与空调射流耦合理论研究[1]、实验研究[2]和CFD在地铁站台热环境应用研究[3]为基础。以上海一典型岛式站台为研究对象，主要采用CFD的模拟方法，建立全尺寸三维几何模型，利用实测的边界条件进行工况设定，采用适合的湍流物理模型进行数值计算。分析对比在夏季最不利工况下[3]活塞风进入站台风速达到最大8m/s，持续时间约40s，约占整个行车周期1/3），单送单回与两侧送中间回两种送回风方式在相同供冷量和送风温差的前提下站台的温度场、速度场和能量利用率。限于篇幅，本文仅分析列车从靠近站台送风侧进站的情况。

1 物理模型

车站为双柱岛式结构。区间隧道直径5.2m，车站总长度200m，车站标准段宽20.7m，站台宽度12m，有效站台长度186m，高4m。站台两侧各设置23个柱子，楼梯4个。车站轨行区顶端设有上排热，上下行线各80个，尺寸1000mm×500mm，在距站台板底设下排风口，上下行线各96个，尺寸800mm×320mm。站台层公共区空调送风量为984000m3/h。两种气流组织的空调送风口均采用双层百叶风口，尺寸为600mm×400mm，有效面积系数取0.83。其中单送单回气流组织方式中站台送回风口各24个，分别均匀布置于站台层天花板两侧，如图1（a）所示；两侧送中间回气流组织方式中送风口48个，均匀布置于站台层天花板两侧，回风口16个，均匀布置于站台层天花板中部，如图1（b）所示。

图1 站台两种送回风方式的气流组织示意图

2 数值模拟方法

2.1 数值计算方法

本文的模拟软件为Fluent软件，根据地铁空气流动一般为湍流的特性，模拟中采用Standard k-ε模型，用SIMPLE算法联立求解各离散方程。Standard k-ε模型的质量守恒定律，动量守恒定律和能量守恒定律的通用控制方程如下[4]：

式中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项。φ代表通用变量，可以代表u，v，w，T等求解变量；Γ为广义扩散系数；ρ，，Γφ，Sφ分别代表密度，速度矢量，扩散通量和源项。

2.2 模型假设

由于实际地铁结构比较复杂，若完全按照实际情况进行三维湍流流动模拟，问题将十分复杂，且数值解可能发散。因此，在基本不影响计算结果的前提下，为有效提高计算效率，本文引入如下简化假设：

1）以站台公共区热环境为主要研究对象，站台层的管理用房和设备用房对站台层热湿环境影响较小，所以将其壁温简化为第一类边界条件[5]，认为其温度不变。

2）不考虑站台公共区人员活动而引起的局部气流流动对整个站台区温度场和速度场影响。

2.3 边界条件

1）壁面边界条件。固体壁面为无滑移边界条件，在靠近壁面处采用壁面函数法进行处理。区间隧道，四周壁面按第一类边界条件设置，壁面温度均为27℃。

2）负荷边界条件。站台公共区空调负荷主要由设备负荷、照明及广告牌负荷、人员负荷、自动扶梯、轨底排热风道传热等组成，具体见表1。

表1 负荷边界条件设置值

3）风口边界条件。地铁站台内的空调送风量按照地铁车站内旅客高峰期的最大负荷确定。本文研究的车站站台送风口设置为速度进口边界，其总的送风量为984000m3/h，隧道出口及楼梯口均为压力出口边界条件。另外进站端活塞风速度为8m/s，湍流强度10%，水力直径5.2m，温度为30℃，空调送风温度为25℃。其中单送单回空调送风口速度为5.7m/s，回风速度为4m/s。两侧送中间回空调送风口速度为2.85m/s，回风速度为6m/s。

3 模拟结果及分析

3.1 站台人员活动高度热环境分析

对于闭式系统岛式站台，大量活塞风涌入站台后直接破坏站台原有气流组织，并随着站台的深入影响逐渐减弱[6]，因此从气流运动上分析，会形成一个充斥大量活塞风，气流组织破坏严重，气流运动剧烈无序的区域和一个气流组织稳定，气流运动稳定有序的区域。前者靠近进站端，后者远离进站端，如图2所示。本文把这两个区分别定义为气流过渡区和气流平稳区。

由图2（a）与图2（b）可见，在活塞风与空调送风射流耦合影响下，由于单送单回系统中空调送风速度是两侧送中间回系统的两倍，故相较于后者，前者能有效抑制活塞风在站台的扩散，这主要体现在如下几个方面：①气流过渡区，速度变化梯度大，风速主要分布在1.2～5m/s之间。前者主要集中在第一个楼梯口之前，区域较小，耦合气流均匀扩散、衰减。后者主要集中在第二个楼梯口之前，区域较大，且在站台背风处会形成涡流，不利于站台区域舒适性的控制；②气流平稳区，风速较为均匀，风速主要分布在0～1.2m/s。单送单回系统中主要分布在第一个楼梯口之后，占整个站台的4/5，风速主要在0～0.8m/s之间，吹风感弱。两侧送中间回系统中主要分布在第二个楼梯口之后，占整个站台3/5。局部区域风速在1.2m/s左右，有一定吹风感。③从站台全局来看，单送单回系统中，站台风速均小于5m/s，而两侧送中间回系统中，列车进站端站台局部区域风速大于5m/s，不满足地铁设计规范要求[7]。因此，从站台气流运动速度的角度分析，在活塞风速最大的最不利工况下单送单回的气流组织方案要优于两侧送中间回的组织方案。

图2 站台距地面1.5m高平面速度场示意图

从上文站台气流场的分布特性可知，在活塞风和空调送风射流耦合作用下的站台在温度分布上会形成三个典型区域，区域一的温度主要受活塞风控制，温度较高，主要分布在29.6～30℃，人体感觉燥热；区域二和区域三是伴随着活塞风的衰减形成，其中区域二的温度主要受活塞风与空调送风射流综合影响，温度主要分布在27.6～29.6℃之间，人体感觉偏热；区域三的温度主要是受空调送风射流的影响，温度主要分布在26.6～27.6℃之间，温度适宜，热舒适性较好。本文把这三个区分别定义为活塞风主导影响区、活塞风与空调送风射流综合影响区、空调送风射流影响区。

由图3（a）知，在单送单回系统中温度沿站台纵向分区下降，三个区域依次主要分布在距进站端50m之前、50～70m之间、70m之后。而对于两侧送中间回系统，如图3（b）所示，三个区域依次在距进站端70m之前站台区右下侧半站台（其中约一半在区间隧道内）、距进站端70m之前站台区左上侧半站台、距进站端70m之后。这主要是因为在单送单回系统中，活塞风携带的大量热量受到空调送风射流阻力较大，造成部分热量主要经历一个横向对流扩散过程，并随着活塞风的深入而纵向衰减，而对于两侧送中间回系统，阻力较小，这部分热量主要经历一个以纵向对流扩散为主，伴随横向对流传热的过程。从整体看，两侧送中间回系统在距进站端70m之前站台区具有优势，其余部分站台区两者区别较小。

图3 站台距地面1.5m高平面温度场示意图

3.2 站台纵向典型截面热环境分析

本文在站台区域活塞风初始段（距进站端20.3m），充分发展段（距进站端96.8m）选取2个典型截面进行分析[1]。由图4和图5可知，由于空调送风射流对活塞风抑制扩散程度不一样，单送单回系统由于送风速度较大，所以对活塞风在站台的扩散阻力较大。因此，在站台活塞风初始段和充分发展段，单送单回系统中风速均明显大于两侧送中间回。其中在站台活塞风初始段，前者主要控制在2～2.4m/s之间，而后者速度变化梯度大，局部风速达到5m/s，候车区乘客有明显吹风感，严重影响人员的舒适性，且不满足地铁设计规范。在站台活塞风充分发展段前者站台风速在0.4m/s，小于后者的0.8m/s，几乎没有吹风感。因此从速度云图可见单送单回的气流组织方式要明显优于后者。

图4 站台初始段典型截面速度场示意图

从图6和图7可见，两种送回风方式的气流组织区别较大，主要体现在如下两个方面：①在初始段，单送单回系统中横向截面温度在29.8℃左右；而对于两侧送中间回系统，其横向截面温度变化梯度大，29.8℃左右高温区主要集中在区间隧道，而站台在27.4～28.6℃之间，温度适中。②在充分发展段，单送单回系统中，在空调送风喷口下方形成局部低温区，温度在25.6～26.5℃之间，且空调送风气流以约1.2m/s的速度冲击地面而向周边扩散，造成在喷口送风周边区域人体上半身和下半身冷热不均现象，而在两侧送中间回系统中，空调送风射流与活塞风混合均匀，温度控制在27.1℃左右，有利于人的舒适性。造成以上现象的原因是初始段活塞风影响显著，单送单回系统下空调送风射流抑制了活塞风纵向发展而导致横向扩散，导致站台截面温度较高。而两侧送中间回系统中，活塞风主要是一个纵向流动的过程，因此主要影响区间隧道温度而对站台区影响相对较小。

图5 站台充分发展段典型截面速度场示意图

图6 站台初始段典型截面温度场示意图

图7 站台充分发展段典型截面温度场示意图

3.3 均匀性及能耗分析

气流组织的好坏直接影响通风的效果，下面分别从温度/速度不均匀系数和能量利用系数[8]对两种送回风方式的气流组织进行对比分析。

3.3.1 不均匀系数

以温度不均匀系数为例，同理速度不均匀系数。该方法是在工作区内选择n个测点均匀布置于站台距地面1.5m高平面。测点分两组，即近进站端典型测点和远进站端典型测点，分别为位于距进站端隧道壁面7.2m，13.5m处，各测点前后距离11.6m。详见图8，分别测得各点的温度，求其算术平均值：

图8 地铁车站典型测点示意图

图9，图10分别为两种送回风方式下站台1.5m高人员活动区典型测点温度和速度分布情况。经过计算得出两种气流组织方案下温度不均匀系数基本相同，约0.04。而速度不均匀系数相差较大，单送单回气流组织方式为1.05，两侧送中间回的气流组织为1.25。由此可见，从均匀性分析可知单送单回要略优于两侧送中间回的气流组织。

图9 站台典型测点温度分布示意图

图10 站台典型测点温度分布示意图

3.3.2 能量利用系数

两种送回风方式下的空调送风温度均为25℃，根据Fluent后处理数据计算得到单送单回气流组织排风口温度为28.01℃，工作区温度为27.99℃；两侧送中间回的气流组织排风口温度为27.61℃，工作区的温度为27.82℃。由式（5）可得，单送单回的能量利用系数η为1.01，两侧送中间回的能量利用系数η为0.92。可见从能量利用系数分析可知单送单回略优于两侧送中间回的气流组织，这主要是区间隧道内的上下排热系统毗邻于空调送风喷口，部分空调送风气流在上下排热的卷吸作用下直接流失，而没有有效利用这部分冷量，因此，空调送风喷口越多会造成冷量的流失越严重，增大地铁通风空调系统的能耗。

式中：tp，tn，to分别是工作区空气排风温度，工作区平均温度和送风温度。

4 结论

1）在空调总送冷量一定和相同送风温差的情况下，两侧送中间回的气流组织方式对站台温度控制要优于单送单回的气流组织方式，主要体现在距列车进站端70m内站台区域温度上前者明显低于后者，站台其他区域两者并无明显区别。

2）在对整个站台气流速度场的控制来看，单送单回的气流组织方式能较好控制站台风速在0～1.2m/s，局部气流在1.2～5m/s。而两侧送中间回的气流组织下在列车进站端站台局部区域气流大于5m/s的情况，会造成候车人员强烈的燥热吹风感，不满足地铁设计规范要求。

3）从整个站台均匀性和空调系统冷量有效利用率来看，单送单回气流组织方式要略好于两侧送中间回。主要体现在两者温度均匀系数无明显区别，而速度均匀系数和能耗利用系数上前者以1.05，1.01略优于后者的1.25，0.92。

4）对于闭式系统中两侧送中间回的气流组织，合理地布置安全门，同时通过适当减少送风口数量，减小送风温差等方式增加空调送风速度能较大地改善地铁站台热环境。

[1]杜晓明.地铁活塞风与站台送风射流等温耦合速度场特性研究[D].上海:上海理工大学,2011

[2]孙云雷,王丽慧.地铁活塞风与空调送风耦合的温度场的实验研究[J].流体机械,2012,40(11):54-58

[3 李志玲.活塞风作用下站台空调送风射流刘场特性模拟研究[D].上海:上海理工大学,2011

[4]Parsons M,Brinckerhoff J A,Quade I A,et al.Subway environmental simulation computer program[M].New York:Transit Deve -lopment Corporation,1975

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[6]沈翔,吴喜平.地铁活塞风特性的测试研究[J].暖通空调,2005, (3):103-106

[7]北京城建设计研究总院.地铁设计规范(GB 50157-2003)[S].北京:中国建筑工业出版社,2003

[8]连之伟,戚大海.气流组织评价指标的修正[J].重庆大学学报, 2009,32(8):937-942

Ana lys is Subw a y Pla tform The rm a l Environm e nta l in Tw o Kinds of Air Orga niza tion

WANG Li-hui1,LIU Zhuo1,LI Zhi-ling2,WANG Tai-sheng1
1 School of Environment and Architecture,University of Shanghai for Science and Technology
2 Shanghai DFYH Tech Services

The article used CFD to build a typical three-dimensional geometric model of subway island-platform. Standard k-ε turbulence model be used as airflow physical model,the boundary conditions used measured data,such as thermal and moisture load,temperature,velocity,etc.A comparison and analysis was carried about two typical kinds of air organization of subway island platform with the most unfavorable conditions in summer.The results show that air organization plan of air supply both sides and back in middle is better in temperature control than air organization plan of air supply one side and back on other side.But,consider in airflow temperaturevelocity uniformity and energy coefficent,the latter is more comfortable and less energy too.The results can provide reference to subway environmental control system’s design and operation.

subway,mode of air distribution,CFD simulation

1003-0344（2015）02-032-5

2013-12-12

王丽慧（1978～），女，博士，副教授；上海市杨浦区军工路516号上海理工大学环境与建筑学院（200093）；E-mail:463696204@qq.com