华北电力大学 高月芬 刘兆
【摘 要】采用专门面向HVAC领域的Airpak软件对某地铁站台热环境进行了三维数值模拟，得到了地铁站台温度场、速度场、PMV-PPD及空气龄的分布。在分析室内流场分布的基础上，基于人体热舒适性指标PMV-PPD与衡量空气品质指标空气龄，对室内气流组织及空气品质进行预测与评价。模拟结果表明：站台区域温度场，速度场纵向梯度变化小，比较均匀。热感觉表现为微凉或凉。但右侧区域的平均空气龄最高达1460s，该处气流几乎停滞，通风换气效果较差。
【关键词】地铁站台；气流组织；空气品质；数值模拟
Abstract: The indoor thermal environment of a subway platform was simulated using Airpak software. The simulation results present the distribution of temperature, velocity, PMV-PPD and air age of the subway platform. Based on the analysis of the indoor air field, PMV-PPD and air age, indoor air distribution and air quality is predicted and evaluated. The simulation results show that the vertical gradient of the temperature field and the velocity field in the platform area is small and relatively uniform. The thermal sensation is a bit cool or cool. However, the average air age in the right-hand zone is up to 1460s, and the ventilation effect is poor.
Keywords: Subway platform; Air distribution; Screen door system; Air quality; Numerical simulation
1 引言
近年来，中国城市交通行业高速发展，而地铁交通在城市公共交通中所占的比重越来越大，与常规交通相比，地铁交通运量大，速度快，便于客流集散。在地铁运营高峰时段，站台客流量十分密集，涉及地铁室内空气品质问题层出不穷，易引发人体病态建筑综合症[1](SBS，Sick Building Syndrome)、建筑相关疾病(BRI，Building Relative Illness)等，常见的症状包括眼、鼻、头、喉咙疼痛、疲惫、精神不足、烦闷、皮肤发干、呼吸困难等。病态建筑综合症及建筑相关疾病等会妨碍人员正常工作，造成工作日的损失，因此地铁空气品质问题应引起足够的重视。
科研学者对室内空气环境已有相关的研究，提出了一些研究方法和评价指标，如温度场、速度场、PMV-PPD、空气龄等[2-5]。在地铁空气品质方面目前研究较少，本次通过数值模拟对地铁站台的气流组织进行分析，并计算像一个指标对室内环境进行评价。
2 模型概况
2.1物理模型
本文研究对象是某地铁屏蔽门系统岛式站台，该站台客流候车人员数为450人。由于人员负荷占总负荷比例最高，将人员简化为长方体以减少计算量。建立的站台为X×Z×Y模型，X轴为长度方向，Z轴为宽度方向，Y轴为高度方向。人员体积约为0.3ｍ×0.2ｍ×1.73ｍ，站台尺寸为140ｍ×16ｍ×5ｍ，屏蔽门（关闭状态）尺寸为2ｍ×0.4ｍ×2.8ｍ，支撑柱尺寸为1.2ｍ×5ｍ×1.2ｍ，共9根，站台出入口尺寸为7ｍ×3.6ｍ。站台层采用上送上回的气流组织形式，站台顶板分布有一定数量的送风口和回风口，送风口尺寸为0.5ｍ×0.4ｍ，数量为56个，沿Ｘ轴方向分两排均匀排列在顶板上两侧，回风口尺寸为0.5ｍ×0.5ｍ，数量为14个，沿X轴方向均匀排列在顶板中央。物理模型搭建如图1所示。
图1 地铁站台模型
2.2数学模型
本文采用被广泛使用的标准k-ε两方程湍流模型进行求解，描述空气运动过程的控制方程包括连续方程、动量方程、能量方程。上述方程均满足如下形式的通用方程：
其中φ、Γφ及Sφ和分别表示通用变量、广义扩散系数和广义源项。为了简化问题，作如下假设：室内气流为不可压缩常物性牛顿流体，稳态湍流流动，且符合Boussinesq假设。
3 评价指标
3.1 人员区的温度
按照国内的经济状况和人们的生活习俗，针对公共建筑和民用建筑室内空调温度的设定夏天通常在22到28℃，冬天通常在18到24℃。
3.2 人员区的速度
人员区的速度分布也是影响人体舒适性的一个重要指标。试验表明，风速低于0.5m/s时，大多数人没有明显的感觉，在舒适性空调房间内，夏季风速不应大于0.5m/s，冬季风速不应大于0.3m/s。
3.3 PMV
预测平均评价PMV（Predicted Mean Vote）是引入反映人体热平衡偏离程度的人体热负荷而提出的，其理论依据是当人体处于稳态的热环境下，人体的热负荷越大，人体偏离热舒适的状态就越远。人体热负荷为人体产热量与人体向外界散出的热量之间的差值，人体热负荷正值越大，人就觉得越热，负值越大，人就觉得越冷。PMV指标采用了七级分度[6]，见表1。
表1 PMV热感觉标尺
3.4 PPD
PMV指标代表了同一环境下绝大多数人的感觉，但是人与人之间存在生理差别，因此PMV指标并不一定能够代表所有个人的感觉。为此，Fanger又提出了预测不满意百分比PPD（Predicted Percent Dissatisfied）指标来表示人群对热环境不满意的百分数。1984年国际标准化组织提出了室内热环境评价与测量的新标准化ISO7730，在该标准中采用PMV-PPD指标来描述评价热环境。其中提出室内热环境标准对PMV-PPD指标规定：-0.5≤PMV≤+0.5，PPD≤10%。两者的关系可以表示为[7]
3.5 空气龄
空气龄是指空气质点自进入房间至到达室内某点所经历的时间[8]。在空间内污染源分布均匀且送风为全新风时，某点的空气龄越小，说明该点的空气越新鲜，空气品质就越好。空气龄评价了空气流动状态的合理性，因此作为衡量空调房间空气新鲜程度与换气能力的重要指标。
4 数值模拟结果及分析
气流组织的描述参数可以作为气流组织好坏的评价指标，这些评价指标对气流组织的设计有着重要的指导意义。
4.1 温度场、速度场分布
选取z=-1m的纵向平面，对其温度场及速度场进行模拟分析，如图2、图3。
图2 z=-1m温度场分布
图3 z=-1m速度场分布
从图 2、图3可以看出，温度纵向分布在20.9～21.1℃之间，速度值纵向分布在0.04～0.25m/s之间。说明站台区域温度场，速度场纵向梯度变化小，比较均匀。
4.2 PMV-PPD分布
选取典型截面Y=1.1m（人员静坐高度水平面）、Y=1.65m（人员站立呼吸高度水平面）、Y=3m（送风垂直面），分别对这三个水平面下的气流组织进行了模拟计算，重点比较了其评价指标PMV、PPD和空气龄。图4、图5给出了PMV、PPD的分布值。
图4 PMV分布 （Y=1.1m、1.65m、3m）
图5 PPD分布（Y=1.1m、1.65m、3m）
从图 4、图5可以看出，房间的大多数区域的PMV值在-2～0之间，对照表1中热感觉标尺，热感觉表现为适中或微凉。从垂直方向来看，PMV值及对应的PPD值为下方大于上方区间。从图2中温度场分布得知，因为在垂直方向存在温度分层现象，越靠近天花板其温度越低。这与实际需要是相符的。此外，站台候车人员活动一般为站立，活动区域为2m高度以下。在2m高度以下，PMV为-1～0之间。PPD为15%左右，不满足国际标准化组织ISO7730中-0.5≤PMV≤+0.5，PPD≤10%的热舒适要求。在送风口周围，PMV值在-1.65～-0.85之间，不满意度PPD为5%左右，热感觉为凉。在人员附近和窗户周围处，PMV在-1～-0.5之间，不满意度PPD在16%之间，热感觉为微凉。从图4、图5相互对照，随着垂直高度的增加，PMV减小，PPD增大。说明脱离人员呼吸区后凉感明显增强，热舒适不满意度增大。
4.3 空气龄分布
图6模拟了Y=1.1m、1.65m、3m空间平均空气龄分布。
图6 平均空气龄分布（Y=1.1m、1.65m、3m）
从图6三个截面情况的平均空气龄分布中可以看出，平均空气龄整体在800～1460s之间。站台空间右侧区域的平均空气龄最高达到了1460s，说明该处气流几乎停滞，气流循环困难，因此空气龄大。当室内冷空气经过较长的时间与热空气进行热湿交换时，表现为气流分布不太均匀，室内通风换气效果较差。因此从数值大小可以形象直观地预测了室内空气品质。
5 结论
（1）本文用Airpak3.0.16模拟软件对某地铁站台区域的气流组织进行了数值模拟，得到站台区域内速度场、温度场、PMV-PPD及空气龄分布的直观形象的数据和图形。
（2）该站台区域纵向温度分布在20.9～21.1℃之间，速度值纵向分布在0.04～0.25m/s之间。说明站台区域温度场，速度场纵向梯度变化小，气流较均匀。
（3）通过模拟比对三种横向水平截面（Y=1.1m、1.65m、3m）可以发现，随着纵向高度的增加，PMV逐渐减小，PPD增大。说明脱离人员呼吸区后凉感明显增强，热舒适不满意度增大。
（4）站台右侧区域的平均空气龄最高达到了1460s，表现为气流分布不太均匀，室内通风换气效果较差。
参考文献
[1] 朱颖心,彦启森.建筑环境学[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.
[2] 孙胜,李杰林.室内空气品质的数值模拟及评价[J].环境科学与管理,2007,32(11):66-69.
[3] 姚润明,陈启高,李百战,等.通风降温建筑室内热环境模拟与热舒适研究[J].暖通空调,1999,27(6):5-9.
[4] 李先庭,王欣,李晓锋,等.用示踪气体方法研究通风房间的空气龄[J].暖通空调,2001,31(4):79-81.
[5] 王伟晗,黄志甲,许强生.不同气流组织形式下空气龄的实验研究[J].建筑热能通风空调,2006,25(2):79-82.
[6] 黄寿元,张奕君,申培文,等.基于PMV-PPD与空气龄的空调办公室内热环境数值预测与评价[J].制冷与空调,2010,24(6):80-85.
[7] Fanger P O. Thermal Comfort-Analysis and Applications in Environmental Engineering[M]. Mc Graw-Hill, New York,1972.
[8] 陆亚俊,马最良,邹平华. 暖通空调[M].中国建筑工业出版社,2007
备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会论文集。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
