地铁地下车站公共区卫生间通风气流组织优化研究*

刘凯凯

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉)

0 引言

地铁以安全可靠、准点高效、方便快捷、环保舒适等特点成为城市缓解交通拥堵的重要手段。随着城市轨道交通的发展,人们对于地铁环境的要求逐渐提高。地铁地下车站环境作为特殊地下空间,具有湿度大、空气混浊、封闭性、热源多、产热量大等特点;同时,在现有地铁地下车站卫生间中存在通风差、异味明显等问题。卫生间释放的污染物主要包括硫化氢(H2S)、氨气(NH3)、甲硫醇(CH4S)、吲哚(C8H7N)等,其中硫化氢、氨气是目前影响大、范围广的污染物,直接影响人体健康。

在现有卫生间通风设计中,针对卫生间问题的重视程度不够,设置顶部排风是常用方法,缺乏科学的通风设施布局和认知。针对此类问题,国内外学者进行了相关研究。Baba用烟雾代替空气中的污染物进行了实验研究,发现在卫生器具旁设置局部通风口的效果优于顶排风的通风方式[1]。Koji等人运用数值模拟方法研究了卫生间排风口位置对污染物浓度的影响,通过模拟局部通风、顶排风及局部通风与顶排风结合的混合通风,发现在通风量较小的情况下,局部通风效果最好,可明显降低室内污染物质量浓度,同时发现人员呼吸区污染物的扩散范围减小[2]。敖永安等人通过数值模拟方法研究了5种卫生间通风方案对卫生间污染物浓度场分布的影响,发现采用机械排风的卫生间污染物浓度远低于无排风卫生间,采用坐便器侧排风时污染物的扩散影响范围明显减小[3]。吉少杰等人采用数值模拟方法对教学楼公共卫生间室内污染物浓度进行了研究,通过改变门窗位置、侧板高度、风压大小等分析污染物浓度的变化,研究表明门窗侧对卫生器具、隔板距地高度0.15 m、风压较大条件下污染物浓度较低,可有效改善卫生间内空气品质[4]。汪洋等人采用数值模拟方法对自然通风条件下高层建筑公共卫生间的通风进行了研究,通过改变送风口位置、排风口位置、换气次数等模拟了污染物浓度的变化,结果表明在顶部送风、局部排风、换气次数10 h-1条件下污染物浓度较低,具有较好的通风效果[5]。赵金罡等人对某铁路站房卫生间展开了实地测试研究,结果表明采用上排风+下排风方式的已改造卫生间的最高污染物浓度为采用单独上排风方式的未改造卫生间的17%～54%,具有较低的污染物浓度[6]。通过以上研究可以发现,公共卫生间采用传统顶部通风方式存在污染物浓度高、换气差的缺点,卫生间通风方式亟需改变。针对地铁卫生间的研究少之又少,而其特殊的地下环境使通风换气变得更为重要,地铁环境品质亟需提升。

本文针对地铁地下车站公共区卫生间进行通风气流组织优化研究,针对不同的通风方式进行气流组织模拟,讨论不同排风口位置、换气次数、风口高度、补风形式对卫生间污染物的影响,获得地铁地下车站公共区卫生间通风优化改进措施,并通过现场测试验证实施效果。

1 研究方法

本次研究采用CFD数值模拟和现场试验方法。根据某地铁公共区卫生间平面图,采用数值模拟方法对地铁卫生间进行气流组织研究,通过改变不同工况参数获得污染物浓度、空气龄等参数以评价室内空气品质,研究优化通风方案;采用现场试验方法对模拟结果进行验证。

1.1 CFD模型

地铁地下车站卫生间一般分为供车站工作人员使用的设备管理用房区卫生间与乘客使用的公共区卫生间,公共区卫生间因其人流量大、不可控因素多更值得关注。卫生间分为男卫生间、女卫生间,男卫生间因小便器的存在气流组织更为复杂。公共区卫生间蹲位及小便器位置主要考虑视线遮挡、客流等因素,设置清扫间、无障碍卫生间进行遮挡,一般布置方式如图1所示。

图1 卫生间CFD模型平面图

本文根据某地铁地下车站公共区男卫生间实际尺寸进行建模,卫生间尺寸为3.65 m×2.85 m×4.00 m(长×宽×高),吊顶高度2.7 m,包括4个小便器、2个卫生隔间、门及风口等设施。在不影响计算的条件下,对蹲便器和小便器进行简化,小便器污染源尺寸为80 mm×80 mm,污染源设置为氨气;蹲便器污染源尺寸为100 mm×100 mm,污染源为硫化氢;门尺寸为1.0 m×2.1 m。

1.2 网格划分

全部采用结构化网格进行划分(如图2所示),考虑到小便器、蹲便器、风口等位置的影响,对相关位置进行网格加密。网格进行独立性验证,网格数目确定为152万个,最大网格体积为6.1 cm3,最小网格体积为1.3 cm3。

图2 网格划分示意图

1.3 数值模拟参数设定

利用Fluent软件模拟卫生间通风气流组织,污染物源采用组分传输模型,湍流模型为标准K-ε模型,压力与流速之间耦合采用SIMPLEC算法,同时考虑扩散过程中浮力驱动的自然对流影响。蹲便器污染源设置为硫化氢,速度入口0.7 m/s,质量浓度0.000 002 kg/m3;小便器污染源设置为氨气,速度入口0.1 m/s,质量浓度0.000 05 kg/m3;外墙设置为绝热壁面。卫生间排风量按照换气次数20 h-1进行设计,卫生间排风量为850 m3/h。

2 结果与讨论

2.1 排风方式对污染物的影响

在地铁卫生间通风设计中,公共区、设备与管理用房区域设置空调与通风系统,此区域可保持正压,卫生间设置独立的机械排风、自然进风系统[7]。卫生间排风方式主要有3种:顶部排风、局部分散排风、顶部与局部混合排风,在地铁卫生间排风设计中常用顶部排风方式。本文针对3种排风方式进行模拟,风口及相关参数如表1所示。

表1 不同排风方式风口参数

表2给出了不同排风方式下相关评价参数的计算结果,3种通风情况下室内氨气平均质量分数差距不大,而采用顶部排风方式时室内平均空气龄、硫化氢平均质量分数最大,即空气品质最差;对人员呼吸区平面(距地面高度z=1.5 m)处进行数据统计,发现呼吸区空气品质评价指标与室内空气评价指标具有相同规律。

表2 不同排风方式下相关评价参数计算结果

图3显示了z=1.5 m平面不同排风方式下氨气质量分数分布。可以看出:小便器周围氨气质量分数较大,对人员影响范围在0.5 m内,其他位置均满足氨气质量浓度标准限值;对比不同排风方式,氨气质量分数差距不大,采用下排风口的局部排风方式中氨气扩散范围相对较大。图4显示了呼吸区平面不同排风方式下硫化氢质量分数分布。可以看出:由于隔板的影响,硫化氢主要分布在隔板内,排风方式对呼吸区硫化氢质量分数的影响较大,采用局部排风的下排风口靠近污染源,与其他排风方式相比,具有明显的优势;采用顶部排风方式人员呼吸区硫化氢质量分数最大,排除污染物性能最差。

图3 z=1.5 m平面不同排风方式下氨气质量分数分布

图4 z=1.5 m平面不同排风方式下硫化氢质量分数分布

2.2 换气次数对污染物的影响

GB 50517—2013《地铁设计规范》规定:厕所排风量每坑位按100 m3/h计算,且小时换气次数不宜少于10次[7]。在地铁卫生间排风设计中,一般选择换气次数为15 h-1或20 h-1。选择局部排风的下排风口方式进行换气次数对污染物的影响模拟,换气次数分别设置为10、15、20、25 h-1。

图5显示了换气次数对室内空气评价指标的影响。可以看出:评价指标与换气次数成反比,即平均空气龄、氨气平均质量分数、硫化氢平均质量分数随着换气次数的增大而减小;同时,换气次数为20 h-1与25 h-1时污染物浓度及平均空气龄差距不大,空气品质基本相同,为避免风机、管道等选型过大造成能量浪费,推荐换气次数为20 h-1。

图5 换气次数对室内空气评价指标的影响

图6显示了换气次数20 h-1下z=1.5 m平面室内空气评价指标分布。由图6a可以看出:门及小便器处空气龄较小,即门处因门外新鲜空气的补充而空气龄较小,小便器处因污染物的散发而空气龄相对较小;在角落等地方因通风换气较差,空气龄较大。由图6b可以看出:在门处自然补风影响下,氨气平均质量分数范围发生偏转;小便器处氨气平均质量分数较大,除小部分位置不满足GB/T 18883—2022《室内空气质量标准》[8]中氨气质量浓度限值(0.2 mg/m3)要求,大部分位置满足标准要求。由图6c可以看出:由于隔板存在,室内硫化氢平均质量分数较小,隔板内硫化氢平均质量分数因门口补风及下排风口影响,在左部隔板处较大;同时通过计算可以发现,呼吸区硫化氢的浓度满足GB/T 17217—2021《公共厕所卫生规范》[9]中硫化氢质量浓度限值(0.01 mg/m3)要求。

图6 换气次数20 h-1下z=1.5 m平面室内空气评价指标分布

2.3 下排风口高度对污染物的影响

对局部排风方式的下排风口高度进行研究,换气次数采用20 h-1,通过改变下排风口高度(底标高),获得卫生间污染物的相关参数。图7显示了下排风口高度对室内空气评价指标的影响。可以看出:室内空气评价指标与z=1.5 m平面空气评价指标具有良好的一致性;随着下排风口高度的增加,硫化氢平均质量分数增大,随高度变化率大于1;随着下排风口高度增加,平均空气龄与氨气平均质量分数减小,但随高度的变化率小于5%。综上,为满足室内空气品质,较低风口高度可获得较低的硫化氢浓度,而空气龄及氨气浓度变化不大,在满足风口不影响人体舒适度的条件下,推荐较低的下排风口高度,本文推荐高度为0.3 m。

图7 下排风口高度对室内空气评价指标影响

重点关注人员呼吸区的空气品质,图8显示了不同风口高度下z=1.5 m平面氨气质量分数分布。可以看出,z=1.5 m平面氨气质量分数分布范围随下排风口高度变化较小,可认为不同下排风口高度(底标高0～0.5 m)下呼吸区氨气浓度相同。同理,可认为不同下排风口高度(底标高0～0.5 m)下呼吸区具有相同的换气次数。

图8 不同风口高度下呼吸区(z=1.5 m)氨气质量分数分布

2.4 补风形式对污染物的影响

GB 50517—2013《地铁设计规范》[7]中规定地铁卫生间设置独立的机械排风、自然进风系统,而在办公楼等新建建筑中为更好地排除污染物,同时设置机械排风与机械送风系统。本次针对补风形式进行研究,分别采用自然进风与机械送风,机械送风分别设置顶部送风与侧面送风,机械排风采用局部排风方式,具体参数见表3。

表3 不同补风方式风口参数

图9显示了补风方式对室内空气评价指标的影响。可以看出:3种补风方式下平均空气龄、氨气平均质量分数、硫化氢平均质量分数差距不大,均远低于规范要求的室内污染物限值水平;呼吸区空气品质评价指标与室内空气评价指标具有相同的规律;采用侧面机械送风方式平均空气龄最小,通风换气效果最好;采用顶部机械送风方式室内氨气平均质量分数、硫化氢平均质量分数最小,污染物浓度最低。综上,采用机械送风方式可以增强通风换气效果,降低污染物浓度,同时,设置机械送风系统增加了系统复杂程度、提高了投资,在采用自然进风可以满足规范中污染物浓度限值的条件下,选择自然进风也可以获得良好的室内空气品质。本文推荐补风方式为自然进风。

图9 补风形式对室内空气评价指标的影响

3 现场测试

对某地铁站公共区卫生间使用氨气检测仪、硫化氢检测仪进行现场测试,测点如图1所示。该车站为地下2层岛式站台车站,初期运营,公共卫生间位于站台层。初期上行站点全日预测客流量为6 105人次,下行站点全日预测客流量为6 150人次;远期上行站点全日预测客流量为12 290人次,下行站点全日预测客流量为12 031人次。卫生间门口安装红外客流计数仪对卫生间服务人数进行统计,测试阶段卫生间逐时服务人数如图10所示。

图10 测试阶段卫生间逐时服务人数

卫生间采用下排风口设计,下排风口高度0.3 m,设计换气次数20 h-1,采用自然送风方式。分别对男、女卫生间1.5 m高处测点进行逐时测量,结果如图11所示。可以看出,氨气质量浓度均低于0.1 mg/m3,满足GB/T 18883—2022《室内空气质量标准》[8]、GB 37488—2019《公共场所卫生指标及限值要求》[10]等国标中的限值(0.2 mg/m3)要求;硫化氢质量浓度均低于0.008 mg/m3,满足GB/T 17217—2021《公共厕所卫生规范》[9]中硫化氢质量浓度限值(0.01 mg/m3)要求。

图11 男、女卫生间污染物浓度随时间的变化

4 结论

1) 不同机械排风方式对室内空气品质影响不同,采用局部排风的下排风方式可有效降低室内污染物水平,提高空气品质。

2) 换气次数与室内空气评价指标成反比,在满足室内污染物限值及降低能耗条件下,推荐换气次数为20 h-1。

3) 下排风口高度与平均空气龄、氨气平均质量分数成反比,与硫化氢平均质量分数成正比,在满足人员舒适度的条件下,推荐下排风口高度为0.3 m。

4) 机械送风方式可提高室内空气品质,降低污染物水平。在自然进风可以满足规范中污染物浓度限值的条件下,推荐采用自然进风的方式。