地铁站站厅低温送风方式对CO2浓度的影响研究

楼燕进

（宁波市城建设计研究院有限公司 宁波 315000）

0 引言

地铁站作为一个较大的地下公共空间，室内环境质量会影响工作人员与乘客的身体健康和舒适性，良好的空气品质能够给乘客带来良好的体验感。地下轨道交通的迅猛发展，国内外一些学者对地下空间，诸如地铁站之类的大型公共空间空气品质做了大量的研究。为了节约能耗，地铁站通常采用低温送风[1]。

孙成才等利用Fluent 软件研究工作区的温湿度场及污染物浓度分布特点，发现采用低温送风空调系统能够满足室内热舒适要求[2]。其他学者也得出低温送风系统用于空调系统可行的结论[3,4]。李东东等通过数值模拟研究，发现低温送风系统具有较强的除湿能力，人员的热舒适性也更好[5,6]。乘客呼吸是导致地铁站内部空气中CO2浓度变化的主要原因，并且于客流量呈现正相关[7,8]，站厅和站台单送单回的气流组织形式有利于稀释CO2[9]。地铁站厅需要供给足够的新鲜空气来满足乘客的需求，因此，地铁站通风条件越好，越有利于降低空气中的污染物浓度[10-12]。通过分析相关的研究成果可以看出，低温送风系统能够有效改善室内空气品质和舒适性，地铁站地下空间密闭，人员密度大，CO2是影响地铁站内部空气品质的重要因素。

众多学者对低温送风系统进行了大量研究，主要偏向于探究低温送风系统对乘客热舒适性的影响，然而，通过研究低温送风方式对CO2浓度的影响，进而影响乘客热舒适性的相关研究还不够完善。因此，本文以某地铁站空间为例，建立数值分析模型，对比分析低温送风系统和常规送风系统下地铁站内竖直方向上（X=15m）和水平方向上（Z=1.5m）的温度场、速度场、湿度场以及CO2浓度场的分布特征。探究常规送风系统和低温送风系统对地铁站内CO2浓度分布的影响，为进一步改善地铁站地下空间的空气品质和乘客舒适性的相关研究提供借鉴意义。

1 模型介绍

本文以某地铁车站站厅为研究对象，根据站厅实际尺寸，建立三维计算模型。同时考虑到计算机的运算能力有限，为保证模拟结果的准确性，取站厅的五分之一作为模型模拟的研究对象。模型尺寸为：长×宽×高=30m×18m×4.8m。气流组织方式：采用上送上回形式。风口布置：送/回风口沿站厅顶部长度方向均匀布置，送风口布置在两侧，回风口居中布置。送风口10 个（送风温度为9℃的风口尺寸为200mm×200mm，送风温度为19℃的风口尺寸为300mm×300mm），回风口5 个（送风温度为9℃的风口尺寸为570mm×570mm，送风温度为19℃的风口尺寸为770mm×770mm）。送/回风口间距均为6m。根据站厅实际情况，把室内负荷均匀的等效到地板上，站厅四周壁面以及站厅顶部处理成绝热壁面。建立站厅三维物理模型，划分网格时，除了对整体三维模型进行网格划分以外，为了增加模拟结果的可信度，还对送/回风口物理模型进行了局部加密处理，图1 为站厅物理模型划分网格后的效果图。

图1 站厅物理模型网格效果图Fig.1 Station hall physical model grid effect drawing

当送风温度为9 ℃时，系统总送风量为32266.56m3/h；送风温度为19℃，系统总送风量为59215.68m3/h。模型中四周墙面及顶板采用wall 边界条件且绝热壁面，站厅地板的等效热流密度为76.815W/m2。研究站厅空气品质时，以站厅CO2浓度作为研究对象，把CO2作为站厅室内空气的污染源。因此，在站厅物理模型中沿着长度中轴线方向设置了五个距离地面1.5m，间隔为6m，面积为1m×1m 的面作为室内CO2的发生源。取CO2发生量为0.014m3/(人·h)。站厅室内湿负荷主要来自乘客的散湿，研究站厅在不同送风温度下的湿度分布特征时，产湿量取212g/(h·人)。对散湿量的等效处理方式与CO2的等效处理方式相同。模拟的边界条件设置如下：

（1）站厅设计温度为29℃；

（2）送风温度为9℃时，入口边界（inlet）设为速度进口（velocity-inlet），风速为4.5m/s。送风温度为19℃时，入口边界（inlet）设为速度进口（velocity-inlet），风速为3.655m/s；

（3）出口边界（outlet）为自由出流（outflow）；

（4）墙体和顶板设为绝热壁面，热通量为0；

（5）地板设为均匀分布的散热热源，热传递方式设置为热辐射，热通量为76.815W/m2；

（6）CO2发生源设置为质量入口，质量流量为0.0001092kg/s；

（7）散湿量发生源设置为质量入口，质量流量为0.0008268kg/s。

2 模拟结果及原因分析

地铁站厅属于地下过渡空间且相对密闭，目前空调系统基本采用常规送风方式。因此，考虑将低温送风技术应用到地铁站站厅。为了探索其与常规送风方式的差别，对送风温度为9℃（下文称之为低温送风）和19℃（下文称之为常规送风）两种送风工况进行了数值模拟。对比分析两种送风工况下，竖直方向上（X=15m）和水平方向上（Z=1.5m）的温度场、速度场、CO2浓度场以及湿度场的分布特征。为低温送风技术应用到地铁站的可行性提供技术参考。

2.1 温度场分布对比

取X=15m 和Z=1.5m 两位置进行分析。X=15m可以描述站厅空调工作区竖直方向上的温度分布，Z=1.5m 可以描述站厅空调工作区水平方向上的温度分布。

X=15m 截面温度分布可以反映出站厅空调区域在竖直方向上的分布特征。从图2（a）、（b）中可知，在两种送风工况下，站厅内的温度随着高度的增加而增大。站厅空调区域温度场在竖直方向上的分布均匀性较好。人体活动区域温度集中在29℃～30℃，均满足设计要求。与常规送风方式相比，低温送风的站厅室内温度更低。

图2 两种送风工况的温度场分布Fig.2 Temperature distribution of two supply air conditions

Z=1.5m 截面温度分布可以反映出站厅空调区域在水平方向上的分布特征且基本上是人体头部所在的高度。因此可以较好的反映出人体所在空调区域的热舒适感。从图2（c）、（d）中可知，站厅中间区域存在局部高温区，这是由于采用两侧送风，中间回风的侧送上回方式，加之站厅属于大跨度空间。因此只有少量低温风能达到站厅的中间位置。进而导致站厅中间位置出现局部温度略高于空调的设计温度的情况。在水平方向上站厅温度场分布相对均匀，低温送风工况下，人体活动区域温度集中在29℃～30℃。常规送风工况下，人体活动区域温度集中在29.5℃～30.5℃。考虑到站厅作为过渡空间，空调的设计精度可以略低，因此两种送风工况均满足设计要求。低温送风方式下，站厅人体活动区域温度更低，有利于提高人体的热舒适性。

2.2 速度场分布对比

从图3（a）、（b）可知，在竖直方向上，两种送风工况的温度场分布较为均匀。人体活动区的送风速度稳定在0.2m/s，最大风速都出现在站厅两侧。其中，低温送风的最大送风速度为2.11m/s，常规送风最大送风速度为2.47m/s。最大风速出现的位置都靠近送风口。

图3 两种送风工况的速度场分布Fig.3 The velocity distribution of two kinds of air supply conditions

从图3（c）、（d）可以看出，在水平方向上，两种送风工况的速度场分布相对均匀，风速较大的区域出现在站厅中间位置。最大风速出现在两侧送风口下方的位置。低温送风最大风速为1.3m/s，常规送风最大风速为1.6m/s。

整体而言，两种送风方式下的空气流速分布较为相似，空调工作区的送风速度基本稳定在0.1m/s ～0.3m/s。根据《室内空气品质规范》（GB/T18883-2002）评价标准分析可以得出，两者基本符合设计要求。

2.3 湿度场分布对比

从图4（a）、（b）可知，低温送风工况下，站厅室内空气的平均相对湿度为45.2%；常规送风工况下，站厅室内空气的平均相对湿度为60.6%。在竖直方向上，两种送风工况的平均相对湿度有着约15%的差距。

图4 两种送风工况的湿度场分布Fig.4 The distribution of humidity field in two air supply conditions

从图4（c）、（d）可知，低温送风工况下，站厅室内空气的平均相对湿度为44.6%；常规送风工况下，站厅室内空气的平均相对湿度为59.8%。在水平方向上，两种送风工况的平均相对湿度有着约15%的差距。

通过对站厅在竖直方向和水平方向上的室内湿度场的对比研究可以发现，低温送风工况下的室内空气相对湿度普遍都要低于常规送风工况。这就意味着低温送风方式的除湿能力更强，在两者都满足设计要求的情况下，低温送风方式有利于提高人体的热舒适度。

2.4 CO2 浓度场分布对比

从图5（a）、（b）可以看出常规送风工况下，站厅CO2浓度稳定在0.6%，整个站厅在竖直高度上的CO2浓度场分布均匀；低温送风工况下，站厅CO2浓度稳定在0.57%，均满足地下车站公共区CO2日平均浓度＜1.5%的设计要求。从图5（c）、（d）可以看出，在水平方向上，站厅内整体的CO2浓度较低。其中，低温送风CO2浓度稳定在0.67%；常规送风CO2浓度稳定在0.7%。最大浓度出现在CO2源面上，约为2%。两种送风工况下的CO2浓度对比图如图6 所示。

图5 两种送风工况的CO2 浓度场分布Fig.5 Distribution of CO2 concentration field in two air supply conditions

图6 两种送风工况下CO2 浓度对比图Fig.6 Comparison of CO2 concentration under two air supply conditions

由地铁车站空气品质标准可知，要求地下车站公共区CO2日平均浓度＜1.5%。站厅空调工作区属于地铁站的公共区。整体而言，两种送风工况下站厅CO2浓度场分布相似且都符合设计标准。分析图6 可以得出，相较而言，低温送风方式下站厅室内CO2浓度较低，这是因为相较于常规送风方式而言，低温送风工况下系统总送风量较小，则单位时间内排出的CO2浓度也较低。

3 结论

本文主要研究了低温送风与常规送风两种送风工况对站厅室内CO2浓度分布的影响，得出以下主要结论：

（1）在两种送风工况都满足设计要求的情况下，低温送风方式下，站厅人体活动区域温度温更低，有利于提高人体的热舒适性。

（2）两种送风方式下的空气流速分布较为相似，空调工作区的送风速度基本稳定在0.1m/s～0.3m/s。两者均满足《室内空气品质规范》（GB/T18883-2002）评价标准。

（3）通过对比站厅在竖直方向和水平方向上的室内湿度场可以发现，低温送风工况下的室内空气相对湿度普遍低于常规送风工况。说明低温送风方式的除湿能力更强，更有利于提高人体的热舒适度。

（4）两种送风工况下站厅CO2浓度场分布相似且都符合设计标准。低温送风方式下站厅室内CO2浓度更低。

综上，低温送风工况能够保证站厅内对温度、空气流速和湿度的要求，又能够降低CO2浓度，可以获得较高的室内空气品质。