寧波地鐵1號線某車站環(huán)控系統(tǒng)的數值模擬

葉 雷

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

地鐵是解決城市交通問題的重要途徑，也是體現一個城市經濟實力、人們生活水平及現代化的重要標志。近年來，在我國如同雨后春筍般出現，各地掀起了新建地鐵項目的高潮。在保證地鐵安全、快速運行的同時，如何改善乘客的舒適性是學術界和工程界關注的熱點問題。

近年來，眾多學者對地鐵環(huán)控系統(tǒng)進行了研究，鐘星燦［1］分析了不同系統(tǒng)地鐵空調負荷組成及估算方法;吳喜平［3］研究了活塞風對車站環(huán)控速度場的影響;朱穎心等［2］探討了通風方案與車站空調負荷及空調能耗間的關系;常軍［4］利用SES軟件模擬了不同工況下隧道內溫度場、速度場及新風量的變化規(guī)律。另外，地鐵火災煙氣控制［5，6］、節(jié)能措施［7，8］也是研究的焦點。本文擬對寧波軌道交通1號線某站臺環(huán)控系統(tǒng)進行研究，利用CFD軟件模擬分析某島式站臺的熱濕環(huán)境、CO2濃度及PMV-PPD分布規(guī)律，為環(huán)控系統(tǒng)設計提供理論參考和工程借鑒。

1 工程概況

寧波軌道交通1號線為東西向主干線，西起鄞州高橋，東連北侖城區(qū)，貫穿海曙區(qū)、三江口、江東區(qū)及東部新城，主要解決市區(qū)東西向客流需求。在建的1號線主線路全長21.3 km，其中地下線14 km，設車站15座，采用屏蔽門系統(tǒng);高架線7.3 km，設車站5座，安裝半高安全門。該線路于2009年6月開工，預計2014年竣工試運營。1號線車輛采用B2型車，初、近、遠期均采用6輛編組，4動2拖，平均時速35 km/h，最高運行速度可達80 km/h。規(guī)劃初期發(fā)車頻率為5 min，晚高峰時發(fā)車密度可達30對/h，設計最大運能每小時4萬人次～5萬人次，將會極大緩解寧波交通擁堵之現狀，提高城市品位與檔次。

寧波地鐵1號線某地下車站，為明暗結合的分離島式站臺型，右線為地下2層明挖，左線為單層暗挖，站臺長度為145 m，寬度為12 m，總建筑面積為10489 m2。站臺在軌道兩側縱向布置，距站臺邊緣200 mm處設有屏蔽門，站臺東西兩側為設備管理房。

2 數值模擬

2.1 物理模型

地鐵隧道結構復雜，影響因素較多，本文做出如下簡化:1)假設乘客均勻分布在站臺候車區(qū);2)忽略屏蔽門滲風量的影響，隧道內熱量從軌道上部和底部排風道排至外環(huán)境;3)忽略設備管理房與站臺公共區(qū)之間的傳熱。圖1為該站臺三維模型示意圖。

圖1 地鐵站臺三維物理模型

2.2 數學模型

文獻［9］［10］等提出，地鐵車站內氣流為三維不可壓縮粘性流體的湍流流動。采用的控制方程如下:

其中，ρ為空氣密度，kg/m3;mi為組分i的質量百分數;u為速度分量，m/s;Γ為廣義擴散系數;Ri為單位容積內組分的產生率，kg/(s·m3)。

2.3 邊界條件

車站有乘客出入口4個，客流早高峰預計出現在早7:00～8:00之間，高峰小時上下車總客流量為16000人左右;晚高峰出現在17:00～18:00，客流約為早高峰的80%左右，人體散熱全熱量取為180 W。照明燈具、廣告燈箱、自動扶梯、自動檢票機及其他內部設備散熱量穩(wěn)定，約230 kW。人均CO2散發(fā)量按40 g/h計算。

采用散流器下送風，送風溫度20℃，送風速度3.2 m/s。環(huán)控系統(tǒng)所有回風口均采用單層百葉風口，回風量為12 m3/s。

3 結果與分析

3.1 溫度場分布

圖2模擬了該站臺公共區(qū)Y=1.6 m處溫度場的分布云圖，可以看出，中間溫度高，兩端溫度低，熱空氣沿著隧道方向向兩側輕微擴散的現象，這是因為冷熱空氣對流作用而產生的。另外，人員逗留區(qū)溫度大多處于28.5℃左右，略微偏高，但考慮到人員是從炎熱的地面環(huán)境進入站廳層，再進入站臺層，是一個動態(tài)的熱感覺過程，既考慮了節(jié)能的需求，又滿足了地鐵環(huán)控的規(guī)范性要求。

圖2 Y=1.6 m處溫度場分布

圖3、圖4分別給出了X=0和X=24 m處時站臺的溫度分布云圖。

從圖3可以看出，由于屏蔽門將隧道與站臺分割開來，列車運行散熱只有極少熱量散發(fā)到站臺，整個站臺，特別是站廳的溫度場分布比較均勻，整體處于26.8℃左右的水平，很好地滿足了舒適性的要求。

圖3 X=0處站臺溫度場分布

圖4展示了X=24 m處站臺溫度分布情況，不難發(fā)現，站廳層受入口氣流的干擾，而公共區(qū)平均溫度27.2℃，該斷面整體人員熱舒適較好。

3.2 速度場分布

圖5模擬的是站臺層人體呼吸區(qū)的速度分布云圖，可以看出，候車區(qū)的速度分布特別均勻，平均速度在0.2 m/s之下，僅在樓梯口和出入口處速度呈現了渦流現象，其主要原因是地下一層空氣在熱壓作用下進入站臺層，造成該處速度達到近2.5 m/s。

圖4 X=24 m處站臺溫度場分布

圖5 X=1.6 m處速度分布

3.3 濃度場分布

地鐵乘客較多，高峰時段的人群更是擁擠，在地鐵環(huán)控系統(tǒng)優(yōu)化中，除了滿足人體熱舒適性因素外，其空氣品質問題也是當前關注的焦點。

圖6給出了站臺層CO2濃度分布規(guī)律，可以看出，候車區(qū)域內二氧化碳的濃度相對較高，平均值在400 ppm左右，不難發(fā)現最高值為900 ppm，低于《地鐵設計規(guī)范》規(guī)定的不應大于1500 ppm的限值。這表明，車站內的空氣品質符合相關要求，新鮮空氣可以滿足健康、衛(wèi)生的需求。

圖6 X=1.6 m處CO2濃度分布

3.4 PMV-PPD 分布

PMV描述的是人們對同一環(huán)境的熱感覺，而PPD則是人們對這個環(huán)境的不滿意率。即使是PMV=0，也就是中性時候，也會有人對此環(huán)境表示不滿意的，PPD指標更多的是體現出了不同人群的生理差別。因此，PMV和PPD指標被廣泛應用于環(huán)境熱感覺評價。根據最新的暖通規(guī)范(GB 50736-2012)的要求，1級舒適等級中，－0.5≤PMV≤0.5，PPD≤10%，2 級舒適等級中，－1≤PMV ＜0.5 或0.5 ＜PMV≤1，PPD≤27%。

圖7、圖8分別為站臺X=1.6 m處PMV，PPD分布情況。分析可知，該站臺中部地區(qū)PMV值比兩側高，乘客逗留區(qū)域PMV值處于0.3～0.6之間，而同一區(qū)域的PPD值在8%左右，顯然該區(qū)域屬于1級舒適。同樣發(fā)現，在兩側樓梯附近的PMV值為－0.7左右，PPD則逼近15%，屬于2級舒適?？傊?，該車站熱環(huán)境適中，能保證乘客的舒適性。

圖7 X=1.6 m處PMV分布

圖8 X=1.6 m處PPD分布

4 結語

本文對寧波軌道交通1號線某島式站臺環(huán)控系統(tǒng)進行了數值模擬，分析了溫度場、濕度場、濃度場、PMV和PPD分布規(guī)律。研究表明，站廳的溫度場分布比較均勻，整體處于26.8℃左右的水平，很好地滿足了舒適性的要求。候車區(qū)域空氣流動速率基本控制在0.2 m/s之下，僅在樓梯口和出入口處呈現了渦流現象。站臺層CO2濃度平均值為400 ppm左右，最高值為900 ppm，滿足地鐵設計規(guī)范要求。PMV，PPD指標均符合最新暖通規(guī)范要求，能保證乘客的舒適性。

［1］鐘星燦.地鐵空調負荷分析及估算［J］.流體機械，2006，36(6):72-76.

［2］朱培根，朱穎心，李曉峰.地鐵通風與熱模擬方案及其分析［J］.流體機械，2004，32(11):39-42.

［3］王麗慧，吳喜平.地鐵活塞風對車站環(huán)控速度場的影響［J］.地下空間與工程學報，2007，3(1):161-163.

［4］常 軍.北京新建地鐵通風空調系統(tǒng)模擬分析［J］.建筑科學，2006，22(5A):27-33.

［5］馮 煉，劉應清.地鐵火災煙氣控制的數值模擬地下空間［J］.地下空間，2002，22(1):61-64.

［6］那艷玲，黃桂興，涂光備，等.地鐵車站火災的煙氣流動狀況研究［J］.暖通空調，2006，36(6):24-28.

［7］蔡 偉.不同送風方式下地鐵蓄冷空調系統(tǒng)的經濟性分析［J］.節(jié)能與環(huán)保，2008(11):33-35.

［8］張巨光，蔡 偉.空調列車室內微環(huán)境空氣品質評價分析［J］.山西建筑，2012，38(8):218-220.

［9］臧運蕾，陳淑玲，曹建偉.城軌空調客車客室內溫度場和流場的數值模擬［J］.都市快軌交通，2005，18(6):42-45.

［10］袁鳳東，由世俊，楊向勁.地鐵側式站臺空調氣流CFD模擬［J］.西南交通大學學報，2005，40(3):303-307.