何垒 王帅 李瑞嘉
中铁二院华东勘察设计有限责任公司
摘要：柱面贴附送风模式是一种适用于地铁车站公共区的新型气流组织方式，该种气流组织方式下空气由位于矩形柱上部的回形条缝送风口射出后，立即与矩形柱面形成贴附流动，在地面逆压梯度的作用下流动方向也由竖直向变为水平向，此后气流贴附地面流动在靠近地面位置形成类似“空气湖”的区域，相对于传统混合型气流组织方式，贴附送风是一种接近置换通风的气流组织形式，兼顾了空气品质与节能性。地下车站站台层由于活塞风与轨行区排热风的影响，形成周期性变化的站台门漏风。本文将站台门漏风量简化为正弦函数，并采用数值模拟的方式，从温度、风速及气流组织评价三个方面研究了站台门漏风对站台贴附送风模式的影响。本研究结果表明，站台门漏风量对单列柱车站站台公共区柱面贴附送风工作区平均速度与温度产生的影响较小；站台门漏风量在波峰与波谷时，距地面0.1 m和1.7 m高度截面处的温差分别为1.21℃与1.39℃，通风效率分别为1.16与1.18。研究结果对柱面贴附送风模式的设计具有重要指导意义。
关键词 柱面贴附送风，站台门漏风，活塞风，气流组织评价
0 引言
地铁车站公共区通风空调系统一直是地铁中的耗能大项。尹海国等学者提出了一种基于方柱面贴附空气幕式送风模式[1]，即柱面贴附送风模式，是一种适用于地铁车站公共区的新型气流组织方式，该种气流组织方式下空气由位于矩形柱上部的回形条缝送风口射出后，立即与矩形柱面形成贴附流动，当流动到接近地面高度时，在地面逆压梯度的作用下射流主体与矩形柱面分离，流动方向也由竖直向变为水平向。此后气流贴附地面流动，在工作区形成以矩形柱为中心的扩散流动分布，在靠近地面位置形成类似“空气湖”的区域。
相对于传统上送上回的混合型气流组织方式，其优点在于可将新鲜空气更有效的送至人员活动区域，且在竖向空间形成一定的空气梯度，是一种接近置换通风的气流组织形式，兼顾了空气品质与节能性。但地下车站站台层由于活塞风与轨行区排热风的影响，在站台门门缝与滑动门开启时会出现空气流入与流出（一般称之为“站台门漏风”），其对站台层柱面贴附送风气流组织的影响目前尚无研究，本文利用CFD模拟软件，基于合肥某单柱地铁车站简化建立了模拟模型，对站台门漏风对站台层公共区柱面贴附送风气流组织的影响进行了研究。
1 模型的建立及参数设置
1.1物理模型参数
单列柱车站站台贴附送风气流组织主要参数如下表1.1所示。
表1.1 工程气流组织主要参数
站台滑动门与站台门的缝隙在7mm—10mm之间，本报告取缝隙值为10 mm, 站台门高度设置为2m，单列柱站台每侧均匀设置24个站台门缝隙。对站台门渗漏风的估算通常认为是站台门开启时由站台流入隧道的渗漏风量为8-10m3/s[2]，由于站台门安装与制造工艺的不断改进，最大漏风量取7m3/s。站台门漏风量受到列车活塞风影响，列车行车间隔一定时，活塞风的影响亦是周期性的，因此本文两侧站台门缝隙速度边界条件简化为正弦函数：
V1=4.6+7.41*sin(0.083*t-1.53);
V2=-3.37+10.72*sin(0.036*t+0.121).
最大流入风量为6.88m3/s,流出风量为7.57m3/s,温度取值为隧道设计温度38℃，一个计算周期为180秒，站台初始化计算温度为28.5℃。
1.2模型模拟假设
（1）地铁站台空气为不可压缩流体，且满足Boussinesq假设；
（2）气流为紊态流动；
（3）气流为低速流动，可忽略由流体黏性力做功所引起的耗散热；
（4）假定流场具有高的紊流Re数，流体的紊流黏性具有各向同性。
（5）边界条件中与负荷相关的设定采用时均值。
2 模拟计算结果
2.1 一个计算周期内工作区平均速度温度
在站台初始计算温度为28.5℃时，通过计算一个周期内单列柱站台在距地面0.1 m、1.1 m和1.7 m高度的速度与温度，得到一个计算周期内单列柱站台工作区（工作区范围：距地面0.1-2.0 m高度，距柱1.0 m，距外墙1.0 m）平均速度与温度，如图2.1-1所示。由图可以看出，单列柱站台工作区平均温度整体保持在28.5℃（即站台初始化温度）左右，工作区平均速度保持在0.4 m/s左右，并呈现出较小的波动，说明了在一个计算周期内，单列柱站台门漏风量对贴附送风工作区平均速度与温度的影响较小。
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图2.1-1 一个计算周期内工作区平均速度与温度
2.2 速度场
图1.2-1.3为单列柱站台典型截面的速度云图，其中图2.2-1为贴附送风在单列柱站台YZ截面的速度云图，图2.2-2为贴附送风在单列柱站台距地面1.7 m高度截面的速度云图。
由图2.2-1（a）、（c）可以看出，贴附送风射流从送风口射出后，沿着柱面形成了较好的贴附效应，并在靠近地面时转换方向，在水平方向形成一层空气湖现象。在波谷与波峰时，考虑了站台门漏风量的影响后，站台公共区仍然形成了很好的贴附效应，贴附送风所形成的气流组织占主导作用，站台门漏风量对贴附送风在站台送风口截面的气流组织产生的影响较小。
由图2.2-1（b）单列柱站台站台门缝隙截面的速度云图(波谷)可以看出，在单列柱站台站台门缝隙处，Z=-5.2 m侧由隧道流向站台公共区，Z=5.2 m侧由站台公共区流向隧道，但是站台门缝隙所影响到的区域较小，站台公共区在此截面主要受到贴附送风所形成的气流组织的影响，站台公共区的速度整体保持在0.3 m/s以下。由图2.2-1（d）单列柱站台站台门缝隙截面的速度云图(波峰)可以看出，Z=-5.2 m与Z=5.2 m侧均是由隧道流向站台公共区，站台门缝隙所影响到的区域较大。除此之外，站台公共区的速度整体保持在0.3 m/s以下。
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（a） 单列柱站台送风口截面的速度云图(波谷)
（b） 单列柱站台站台门缝隙截面的速度云图(波谷)
（c） 单列柱站台送风口截面的速度云图(波峰)
（d） 单列柱站台站台门缝隙截面的速度云图(波峰)
图2.2-1 贴附送风在单列柱站台典型截面（YZ截面）的速度云图
由图2.2-2可以看出，在距离站台地面1.7 m高度时，贴附送风在站台公共区所形成的速度场保持较好的均匀性，贴附送风在双柱中间仍然产生了交汇区，站台门漏风量对站台公共区在此截面的速度场产生了一定的影响，波谷时站台门漏风量所影响到的区域较小，在站台门漏风量所影响到的区域（Z=-5 m左右），速度达到了0.4m/s。波峰时站台门漏风量所影响到的区域较大，在站台门漏风量所影响到的区域，速度较大。
（a）单列柱站台距地面1.7 m高度截面的速度云图(波谷)
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（b）单列柱站台距地面1.7 m高度截面的速度云图(波峰)
图2.2-2 贴附送风在单列柱站台距地面1.7 m高度截面的速度云图
2.3 温度场
图2.3-1~2为单列柱站台典型截面的温度云图，其中图1.4为贴附送风在单列柱站台YZ截面的温度云图，图1.5为贴附送风在单列柱站台距地面1.7 m高度截面的温度云图。
由图2.3-1（a）、（c）可以看出，在考虑了站台门漏风量的影响时，贴附送风在站台公共区仍然形成了很好的贴附效应，同时在站台高度方向上产生了一定的温度分层现象。站台工作区的温度保持在29℃以下，能够满足设计规范要求。由此可以看出，站台门漏风量对贴附送风在站台送风口截面的温度场产生的影响很小。由图2.3-1（b）可以看出,Z=-5.2 m侧站台门缝隙处温度较高，这是因为隧道内的高温气流通过站台门缝隙流向站台公共区，Z=5.2 m侧站台门缝隙处温度较低，这是因为站台公共区的冷气流通过站台门流向了隧道。但是站台公共区的温度整体保持在设计温度以下。由图2.3-1（d）可以看出，Z=5.2 m与Z=-5.2 m侧站台门缝隙处温度较高，这是因为在波峰时，站台门两侧都是隧道内的高温气流通过站台门缝隙流向站台公共区。
（a） 单列柱站台送风口截面的温度云图(波谷)
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（b） 单列柱站台站台门缝隙截面的温度云图(波谷)
（c） 单列柱站台送风口截面的温度云图(波峰)
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（d） 单列柱站台站台门缝隙截面的温度云图(波峰)
图2.3-1 贴附送风在单列柱站台典型截面（YZ截面）的温度云图
由图2.3-2可以看出，在距离站台地面1.7 m高度时，贴附送风在站台公共区所形成的温度具有较好的均匀性。站台公共区在此截面的温度能保持在29℃以下，满足设计规范要求。同时可以看出，波谷时，站台门漏风量对站台公共区在此截面的温度场产生的影响较小，受到隧道内高温气流从站台门缝隙渗漏处的风量的影响，在站台门漏风量所影响到的部分区域（Z=-5 m左右），温度达到了31℃。但是在贴附送风冷气流的作用下，站台公共区整体温度在29℃以下，站台门漏风量所影响到的区域较小。波峰时，站台门漏风量对站台公共区在此截面的温度场产生的影响较大，在漏风量所影响到的区域，温度较高。
（a） 单列柱站台距地面1.7 m高度截面的温度云图(波谷)
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（b） 单列柱站台距地面1.7 m高度截面的温度云图(波峰)
图2.3-2 贴附送风在单列柱站台距地面1.7 m高度截面的温度云图
2.4 气流组织评价指标
1）站姿下垂直温差
站台公共区采用不同的送风方式可能会使室内温度分布不均匀，当垂直温差梯度很大时，即使整个人员活动区处于热中性，也可能因脚部和头部高度垂直温差过大而感到不舒适。图2.4-1和图2.4-2为单列柱贴附送风方式下，距地面0.1 m高度和距地面1.7 m高度截面处的温度分布。从距地面0.1 m高度处的温度分布图可以看出，由于受到贴附射流及水平方向空气湖的影响，结构柱附近的温度较低；在站台四周温度较高，这是由于模拟时将地面设置为第二类边界条件，即固定热流密度，同时也受到了站台门漏风量的影响。总体而言，单列柱贴附送风站台层头部与及脚部高度温差较小。
（a） 单列柱站台距地面0.1 m高度截面的温度云图(波谷)
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（b） 单列柱站台距地面0.1 m高度截面的温度云图(波峰)
图2.4-1 贴附送风在单列柱站台距地面0.1 m高度截面的温度云图
（a） 单列柱站台距地面1.7 m高度截面的温度云图(波谷)
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（b） 单列柱站台距地面1.7 m高度截面的温度云图(波峰)
图2.4-2 贴附送风在单列柱站台距地面1.7 m高度截面的温度云图
通过进一步提取模拟计算数据，各截面平均温度以及垂直温差如表1.2所示。从表中可以看出，贴附送风方式的垂直温差小于3℃，满足规范要求。
表2.4-1 站姿下头部和脚部高度截面垂直温差
2）通风效率
贴附射流模式是介于混合通风和置换通风之间的一种气流组织形式，它在工作区的通风效果接近置换通风，但由于送风口位于房间上部，送风在进入工作区之前与室内环境存在一定量的掺混，因此又具有混合通风的特性。不同气流组织形式下通风效果的优劣主要采用通风效率来进行评测。
通风效率是表示送风排除热和污染物能力的指标，它又可细分为瞬态通风效率和稳态通风效率，前者主要应用于室内具有污染源时通风排除污染物快慢能力的评价。对于空调送风排除工作区余热来说，室内冷负荷相对稳定，主要采用稳态通风效率评价通风的排热性能，此时通风效率又可称为温度效率，定义如下：
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式中te为排风温度，t0为送风温度，tn为工作区平均温度。
提取单列柱站台贴附送风模式下人员活动区不同高度截面的温度值，得到人员活动区平均温度tn（波谷）为28.34℃，排风温度te（波谷）为29.75℃，送风温度t0为20.3℃，因此通风效率（波谷）为1.18。人员活动区平均温度tn（波峰）为28.37℃，排风温度te（波峰）为29.69℃，送风温度t0为20.3℃，因此通风效率（波峰）为1.16。
3 结论
站台门缝隙漏风量在实际工程中很难准确计算，本报告将站台两侧站台门缝隙漏风量简化为两个随时间变化的正弦函数，通过模拟计算可以得出：在一个计算周期内，站台门缝隙漏风量对单列柱车站站台公共区柱面贴附送风工作区平均速度与温度产生的影响较小。
通过分析某一时刻（波谷与波峰）单列柱车站站台公共区贴附送风气流组织在典型截面的速度场、温度场以及气流组织评价指标（站姿头脚温差和通风效率），得到单列柱车站公共区柱面贴附送风计算结果，结果表明，站台门漏风量对柱面贴附射流的影响在可接受范围内。计算结果汇总如下表3.1所示。
表3.1 模拟计算结果汇总表
参考文献
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