地鐵地下車(chē)站公共區(qū)衛(wèi)生間通風(fēng)氣流組織優(yōu)化研究*

劉凱凱

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢)

0 引言

地鐵以安全可靠、準(zhǔn)點(diǎn)高效、方便快捷、環(huán)保舒適等特點(diǎn)成為城市緩解交通擁堵的重要手段。隨著城市軌道交通的發(fā)展,人們對(duì)于地鐵環(huán)境的要求逐漸提高。地鐵地下車(chē)站環(huán)境作為特殊地下空間,具有濕度大、空氣混濁、封閉性、熱源多、產(chǎn)熱量大等特點(diǎn);同時(shí),在現(xiàn)有地鐵地下車(chē)站衛(wèi)生間中存在通風(fēng)差、異味明顯等問(wèn)題。衛(wèi)生間釋放的污染物主要包括硫化氫(H2S)、氨氣(NH3)、甲硫醇(CH4S)、吲哚(C8H7N)等,其中硫化氫、氨氣是目前影響大、范圍廣的污染物,直接影響人體健康。

在現(xiàn)有衛(wèi)生間通風(fēng)設(shè)計(jì)中,針對(duì)衛(wèi)生間問(wèn)題的重視程度不夠,設(shè)置頂部排風(fēng)是常用方法,缺乏科學(xué)的通風(fēng)設(shè)施布局和認(rèn)知。針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。Baba用煙霧代替空氣中的污染物進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)在衛(wèi)生器具旁設(shè)置局部通風(fēng)口的效果優(yōu)于頂排風(fēng)的通風(fēng)方式[1]。Koji等人運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究了衛(wèi)生間排風(fēng)口位置對(duì)污染物濃度的影響,通過(guò)模擬局部通風(fēng)、頂排風(fēng)及局部通風(fēng)與頂排風(fēng)結(jié)合的混合通風(fēng),發(fā)現(xiàn)在通風(fēng)量較小的情況下,局部通風(fēng)效果最好,可明顯降低室內(nèi)污染物質(zhì)量濃度,同時(shí)發(fā)現(xiàn)人員呼吸區(qū)污染物的擴(kuò)散范圍減小[2]。敖永安等人通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了5種衛(wèi)生間通風(fēng)方案對(duì)衛(wèi)生間污染物濃度場(chǎng)分布的影響,發(fā)現(xiàn)采用機(jī)械排風(fēng)的衛(wèi)生間污染物濃度遠(yuǎn)低于無(wú)排風(fēng)衛(wèi)生間,采用坐便器側(cè)排風(fēng)時(shí)污染物的擴(kuò)散影響范圍明顯減小[3]。吉少杰等人采用數(shù)值模擬方法對(duì)教學(xué)樓公共衛(wèi)生間室內(nèi)污染物濃度進(jìn)行了研究,通過(guò)改變門(mén)窗位置、側(cè)板高度、風(fēng)壓大小等分析污染物濃度的變化,研究表明門(mén)窗側(cè)對(duì)衛(wèi)生器具、隔板距地高度0.15 m、風(fēng)壓較大條件下污染物濃度較低,可有效改善衛(wèi)生間內(nèi)空氣品質(zhì)[4]。汪洋等人采用數(shù)值模擬方法對(duì)自然通風(fēng)條件下高層建筑公共衛(wèi)生間的通風(fēng)進(jìn)行了研究,通過(guò)改變送風(fēng)口位置、排風(fēng)口位置、換氣次數(shù)等模擬了污染物濃度的變化,結(jié)果表明在頂部送風(fēng)、局部排風(fēng)、換氣次數(shù)10 h-1條件下污染物濃度較低,具有較好的通風(fēng)效果[5]。趙金罡等人對(duì)某鐵路站房衛(wèi)生間展開(kāi)了實(shí)地測(cè)試研究,結(jié)果表明采用上排風(fēng)+下排風(fēng)方式的已改造衛(wèi)生間的最高污染物濃度為采用單獨(dú)上排風(fēng)方式的未改造衛(wèi)生間的17%～54%,具有較低的污染物濃度[6]。通過(guò)以上研究可以發(fā)現(xiàn),公共衛(wèi)生間采用傳統(tǒng)頂部通風(fēng)方式存在污染物濃度高、換氣差的缺點(diǎn),衛(wèi)生間通風(fēng)方式亟需改變。針對(duì)地鐵衛(wèi)生間的研究少之又少,而其特殊的地下環(huán)境使通風(fēng)換氣變得更為重要,地鐵環(huán)境品質(zhì)亟需提升。

本文針對(duì)地鐵地下車(chē)站公共區(qū)衛(wèi)生間進(jìn)行通風(fēng)氣流組織優(yōu)化研究,針對(duì)不同的通風(fēng)方式進(jìn)行氣流組織模擬,討論不同排風(fēng)口位置、換氣次數(shù)、風(fēng)口高度、補(bǔ)風(fēng)形式對(duì)衛(wèi)生間污染物的影響,獲得地鐵地下車(chē)站公共區(qū)衛(wèi)生間通風(fēng)優(yōu)化改進(jìn)措施,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證實(shí)施效果。

1 研究方法

本次研究采用CFD數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法。根據(jù)某地鐵公共區(qū)衛(wèi)生間平面圖,采用數(shù)值模擬方法對(duì)地鐵衛(wèi)生間進(jìn)行氣流組織研究,通過(guò)改變不同工況參數(shù)獲得污染物濃度、空氣齡等參數(shù)以評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣品質(zhì),研究?jī)?yōu)化通風(fēng)方案;采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1.1 CFD模型

地鐵地下車(chē)站衛(wèi)生間一般分為供車(chē)站工作人員使用的設(shè)備管理用房區(qū)衛(wèi)生間與乘客使用的公共區(qū)衛(wèi)生間,公共區(qū)衛(wèi)生間因其人流量大、不可控因素多更值得關(guān)注。衛(wèi)生間分為男衛(wèi)生間、女衛(wèi)生間,男衛(wèi)生間因小便器的存在氣流組織更為復(fù)雜。公共區(qū)衛(wèi)生間蹲位及小便器位置主要考慮視線遮擋、客流等因素,設(shè)置清掃間、無(wú)障礙衛(wèi)生間進(jìn)行遮擋,一般布置方式如圖1所示。

圖1 衛(wèi)生間CFD模型平面圖

本文根據(jù)某地鐵地下車(chē)站公共區(qū)男衛(wèi)生間實(shí)際尺寸進(jìn)行建模,衛(wèi)生間尺寸為3.65 m×2.85 m×4.00 m(長(zhǎng)×寬×高),吊頂高度2.7 m,包括4個(gè)小便器、2個(gè)衛(wèi)生隔間、門(mén)及風(fēng)口等設(shè)施。在不影響計(jì)算的條件下,對(duì)蹲便器和小便器進(jìn)行簡(jiǎn)化,小便器污染源尺寸為80 mm×80 mm,污染源設(shè)置為氨氣;蹲便器污染源尺寸為100 mm×100 mm,污染源為硫化氫;門(mén)尺寸為1.0 m×2.1 m。

1.2 網(wǎng)格劃分

全部采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分(如圖2所示),考慮到小便器、蹲便器、風(fēng)口等位置的影響,對(duì)相關(guān)位置進(jìn)行網(wǎng)格加密。網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證,網(wǎng)格數(shù)目確定為152萬(wàn)個(gè),最大網(wǎng)格體積為6.1 cm3,最小網(wǎng)格體積為1.3 cm3。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

1.3 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定

利用Fluent軟件模擬衛(wèi)生間通風(fēng)氣流組織,污染物源采用組分傳輸模型,湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型,壓力與流速之間耦合采用SIMPLEC算法,同時(shí)考慮擴(kuò)散過(guò)程中浮力驅(qū)動(dòng)的自然對(duì)流影響。蹲便器污染源設(shè)置為硫化氫,速度入口0.7 m/s,質(zhì)量濃度0.000 002 kg/m3;小便器污染源設(shè)置為氨氣,速度入口0.1 m/s,質(zhì)量濃度0.000 05 kg/m3;外墻設(shè)置為絕熱壁面。衛(wèi)生間排風(fēng)量按照換氣次數(shù)20 h-1進(jìn)行設(shè)計(jì),衛(wèi)生間排風(fēng)量為850 m3/h。

2 結(jié)果與討論

2.1 排風(fēng)方式對(duì)污染物的影響

在地鐵衛(wèi)生間通風(fēng)設(shè)計(jì)中,公共區(qū)、設(shè)備與管理用房區(qū)域設(shè)置空調(diào)與通風(fēng)系統(tǒng),此區(qū)域可保持正壓,衛(wèi)生間設(shè)置獨(dú)立的機(jī)械排風(fēng)、自然進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)[7]。衛(wèi)生間排風(fēng)方式主要有3種:頂部排風(fēng)、局部分散排風(fēng)、頂部與局部混合排風(fēng),在地鐵衛(wèi)生間排風(fēng)設(shè)計(jì)中常用頂部排風(fēng)方式。本文針對(duì)3種排風(fēng)方式進(jìn)行模擬,風(fēng)口及相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 不同排風(fēng)方式風(fēng)口參數(shù)

表2給出了不同排風(fēng)方式下相關(guān)評(píng)價(jià)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果,3種通風(fēng)情況下室內(nèi)氨氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)差距不大,而采用頂部排風(fēng)方式時(shí)室內(nèi)平均空氣齡、硫化氫平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大,即空氣品質(zhì)最差;對(duì)人員呼吸區(qū)平面(距地面高度z=1.5 m)處進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)呼吸區(qū)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)與室內(nèi)空氣評(píng)價(jià)指標(biāo)具有相同規(guī)律。

表2 不同排風(fēng)方式下相關(guān)評(píng)價(jià)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖3顯示了z=1.5 m平面不同排風(fēng)方式下氨氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布?？梢钥闯?小便器周?chē)睔赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)較大,對(duì)人員影響范圍在0.5 m內(nèi),其他位置均滿足氨氣質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)限值;對(duì)比不同排風(fēng)方式,氨氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)差距不大,采用下排風(fēng)口的局部排風(fēng)方式中氨氣擴(kuò)散范圍相對(duì)較大。圖4顯示了呼吸區(qū)平面不同排風(fēng)方式下硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布?？梢钥闯?由于隔板的影響,硫化氫主要分布在隔板內(nèi),排風(fēng)方式對(duì)呼吸區(qū)硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響較大,采用局部排風(fēng)的下排風(fēng)口靠近污染源,與其他排風(fēng)方式相比,具有明顯的優(yōu)勢(shì);采用頂部排風(fēng)方式人員呼吸區(qū)硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大,排除污染物性能最差。

圖3 z=1.5 m平面不同排風(fēng)方式下氨氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖4 z=1.5 m平面不同排風(fēng)方式下硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

2.2 換氣次數(shù)對(duì)污染物的影響

GB 50517—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:廁所排風(fēng)量每坑位按100 m3/h計(jì)算,且小時(shí)換氣次數(shù)不宜少于10次[7]。在地鐵衛(wèi)生間排風(fēng)設(shè)計(jì)中,一般選擇換氣次數(shù)為15 h-1或20 h-1。選擇局部排風(fēng)的下排風(fēng)口方式進(jìn)行換氣次數(shù)對(duì)污染物的影響模擬,換氣次數(shù)分別設(shè)置為10、15、20、25 h-1。

圖5顯示了換氣次數(shù)對(duì)室內(nèi)空氣評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響?？梢钥闯?評(píng)價(jià)指標(biāo)與換氣次數(shù)成反比,即平均空氣齡、氨氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硫化氫平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著換氣次數(shù)的增大而減小;同時(shí),換氣次數(shù)為20 h-1與25 h-1時(shí)污染物濃度及平均空氣齡差距不大,空氣品質(zhì)基本相同,為避免風(fēng)機(jī)、管道等選型過(guò)大造成能量浪費(fèi),推薦換氣次數(shù)為20 h-1。

圖5 換氣次數(shù)對(duì)室內(nèi)空氣評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響

圖6顯示了換氣次數(shù)20 h-1下z=1.5 m平面室內(nèi)空氣評(píng)價(jià)指標(biāo)分布。由圖6a可以看出:門(mén)及小便器處空氣齡較小,即門(mén)處因門(mén)外新鮮空氣的補(bǔ)充而空氣齡較小,小便器處因污染物的散發(fā)而空氣齡相對(duì)較小;在角落等地方因通風(fēng)換氣較差,空氣齡較大。由圖6b可以看出:在門(mén)處自然補(bǔ)風(fēng)影響下,氨氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍發(fā)生偏轉(zhuǎn);小便器處氨氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大,除小部分位置不滿足GB/T 18883—2022《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[8]中氨氣質(zhì)量濃度限值(0.2 mg/m3)要求,大部分位置滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。由圖6c可以看出:由于隔板存在,室內(nèi)硫化氫平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小,隔板內(nèi)硫化氫平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)因門(mén)口補(bǔ)風(fēng)及下排風(fēng)口影響,在左部隔板處較大;同時(shí)通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn),呼吸區(qū)硫化氫的濃度滿足GB/T 17217—2021《公共廁所衛(wèi)生規(guī)范》[9]中硫化氫質(zhì)量濃度限值(0.01 mg/m3)要求。

圖6 換氣次數(shù)20 h-1下z=1.5 m平面室內(nèi)空氣評(píng)價(jià)指標(biāo)分布

2.3 下排風(fēng)口高度對(duì)污染物的影響

對(duì)局部排風(fēng)方式的下排風(fēng)口高度進(jìn)行研究,換氣次數(shù)采用20 h-1,通過(guò)改變下排風(fēng)口高度(底標(biāo)高),獲得衛(wèi)生間污染物的相關(guān)參數(shù)。圖7顯示了下排風(fēng)口高度對(duì)室內(nèi)空氣評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響?？梢钥闯?室內(nèi)空氣評(píng)價(jià)指標(biāo)與z=1.5 m平面空氣評(píng)價(jià)指標(biāo)具有良好的一致性;隨著下排風(fēng)口高度的增加,硫化氫平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,隨高度變化率大于1;隨著下排風(fēng)口高度增加,平均空氣齡與氨氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小,但隨高度的變化率小于5%。綜上,為滿足室內(nèi)空氣品質(zhì),較低風(fēng)口高度可獲得較低的硫化氫濃度,而空氣齡及氨氣濃度變化不大,在滿足風(fēng)口不影響人體舒適度的條件下,推薦較低的下排風(fēng)口高度,本文推薦高度為0.3 m。

圖7 下排風(fēng)口高度對(duì)室內(nèi)空氣評(píng)價(jià)指標(biāo)影響

重點(diǎn)關(guān)注人員呼吸區(qū)的空氣品質(zhì),圖8顯示了不同風(fēng)口高度下z=1.5 m平面氨氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布?？梢钥闯?z=1.5 m平面氨氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布范圍隨下排風(fēng)口高度變化較小,可認(rèn)為不同下排風(fēng)口高度(底標(biāo)高0～0.5 m)下呼吸區(qū)氨氣濃度相同。同理,可認(rèn)為不同下排風(fēng)口高度(底標(biāo)高0～0.5 m)下呼吸區(qū)具有相同的換氣次數(shù)。

圖8 不同風(fēng)口高度下呼吸區(qū)(z=1.5 m)氨氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

2.4 補(bǔ)風(fēng)形式對(duì)污染物的影響

GB 50517—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中規(guī)定地鐵衛(wèi)生間設(shè)置獨(dú)立的機(jī)械排風(fēng)、自然進(jìn)風(fēng)系統(tǒng),而在辦公樓等新建建筑中為更好地排除污染物,同時(shí)設(shè)置機(jī)械排風(fēng)與機(jī)械送風(fēng)系統(tǒng)。本次針對(duì)補(bǔ)風(fēng)形式進(jìn)行研究,分別采用自然進(jìn)風(fēng)與機(jī)械送風(fēng),機(jī)械送風(fēng)分別設(shè)置頂部送風(fēng)與側(cè)面送風(fēng),機(jī)械排風(fēng)采用局部排風(fēng)方式,具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 不同補(bǔ)風(fēng)方式風(fēng)口參數(shù)

圖9顯示了補(bǔ)風(fēng)方式對(duì)室內(nèi)空氣評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響?？梢钥闯?3種補(bǔ)風(fēng)方式下平均空氣齡、氨氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硫化氫平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)差距不大,均遠(yuǎn)低于規(guī)范要求的室內(nèi)污染物限值水平;呼吸區(qū)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)與室內(nèi)空氣評(píng)價(jià)指標(biāo)具有相同的規(guī)律;采用側(cè)面機(jī)械送風(fēng)方式平均空氣齡最小,通風(fēng)換氣效果最好;采用頂部機(jī)械送風(fēng)方式室內(nèi)氨氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硫化氫平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小,污染物濃度最低。綜上,采用機(jī)械送風(fēng)方式可以增強(qiáng)通風(fēng)換氣效果,降低污染物濃度,同時(shí),設(shè)置機(jī)械送風(fēng)系統(tǒng)增加了系統(tǒng)復(fù)雜程度、提高了投資,在采用自然進(jìn)風(fēng)可以滿足規(guī)范中污染物濃度限值的條件下,選擇自然進(jìn)風(fēng)也可以獲得良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)。本文推薦補(bǔ)風(fēng)方式為自然進(jìn)風(fēng)。

圖9 補(bǔ)風(fēng)形式對(duì)室內(nèi)空氣評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

對(duì)某地鐵站公共區(qū)衛(wèi)生間使用氨氣檢測(cè)儀、硫化氫檢測(cè)儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,測(cè)點(diǎn)如圖1所示。該車(chē)站為地下2層島式站臺(tái)車(chē)站,初期運(yùn)營(yíng),公共衛(wèi)生間位于站臺(tái)層。初期上行站點(diǎn)全日預(yù)測(cè)客流量為6 105人次,下行站點(diǎn)全日預(yù)測(cè)客流量為6 150人次;遠(yuǎn)期上行站點(diǎn)全日預(yù)測(cè)客流量為12 290人次,下行站點(diǎn)全日預(yù)測(cè)客流量為12 031人次。衛(wèi)生間門(mén)口安裝紅外客流計(jì)數(shù)儀對(duì)衛(wèi)生間服務(wù)人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),測(cè)試階段衛(wèi)生間逐時(shí)服務(wù)人數(shù)如圖10所示。

圖10 測(cè)試階段衛(wèi)生間逐時(shí)服務(wù)人數(shù)

衛(wèi)生間采用下排風(fēng)口設(shè)計(jì),下排風(fēng)口高度0.3 m,設(shè)計(jì)換氣次數(shù)20 h-1,采用自然送風(fēng)方式。分別對(duì)男、女衛(wèi)生間1.5 m高處測(cè)點(diǎn)進(jìn)行逐時(shí)測(cè)量,結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯?氨氣質(zhì)量濃度均低于0.1 mg/m3,滿足GB/T 18883—2022《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[8]、GB 37488—2019《公共場(chǎng)所衛(wèi)生指標(biāo)及限值要求》[10]等國(guó)標(biāo)中的限值(0.2 mg/m3)要求;硫化氫質(zhì)量濃度均低于0.008 mg/m3,滿足GB/T 17217—2021《公共廁所衛(wèi)生規(guī)范》[9]中硫化氫質(zhì)量濃度限值(0.01 mg/m3)要求。

圖11 男、女衛(wèi)生間污染物濃度隨時(shí)間的變化

4 結(jié)論

1) 不同機(jī)械排風(fēng)方式對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)影響不同,采用局部排風(fēng)的下排風(fēng)方式可有效降低室內(nèi)污染物水平,提高空氣品質(zhì)。

2) 換氣次數(shù)與室內(nèi)空氣評(píng)價(jià)指標(biāo)成反比,在滿足室內(nèi)污染物限值及降低能耗條件下,推薦換氣次數(shù)為20 h-1。

3) 下排風(fēng)口高度與平均空氣齡、氨氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)成反比,與硫化氫平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正比,在滿足人員舒適度的條件下,推薦下排風(fēng)口高度為0.3 m。

4) 機(jī)械送風(fēng)方式可提高室內(nèi)空氣品質(zhì),降低污染物水平。在自然進(jìn)風(fēng)可以滿足規(guī)范中污染物濃度限值的條件下,推薦采用自然進(jìn)風(fēng)的方式。