【摘 要】 利用 CFD 技术，对武汉某地铁站台气流组织进行模拟研究，得到四种方案（两种送风温差、两种送风末端）下的温度场、速度场及 PMV 分布情况，分析并比较四种方案下的模拟结果，预测室内热舒适性，为选取合理的送风温差及送风末端提供依据，优化其空调通风系统的设计。

【关键词】 地铁站台 气流组织 送风温差 送风末端

 

      随着城市地铁的大规模建设，地铁车站的环境已日益引起人们的重视。当前国内外对地铁通风模拟的视线大多停留在“紧急状况下”（如火灾）上^[1~3]，而忽视了在正常运行情况下气流组织的情况。地铁站台区作为主要的候车区域，其环境问题尤为重要。因此有必要对地铁站台区气流组织进行模拟研究。送风末端作为空调系统的关键，但目前人们主要是针对于地铁气流组织形式及状况方面^[4~5]，很少涉及到送风末端的选取。

      笔者曾参与过武汉某地铁站的通风空调系统设计。在设计的过程中，我们严格按照相关规范的要求来操作，但是实际效果还有待检验。本文依据武汉某地铁站台空调通风系统，建立 CFD 模型，进行数值计算，预测室内气流组织及热舒适性状况，并探讨四种方案下模拟结果，从而提出合理的空调通风系统设计方案。

 

      该地铁站是典型的地下双线岛式站台，设有地面风亭两座，四处出入口。车站主体总长为223.7m，标准宽为 19.7m。具体站台剖面图如图 1 所示。

      该地铁车站位于湖北省武汉市，选取夏季空调室外空气干球温度为 32.2℃，相对湿度 64.25%；站台公共区设计空气状态点为：干球温度为 28℃，相对湿度 59.32%。

      站台公共区采用全空气空调系统，两端各设一台空气处理机组，分别承担公共区一半的空调通风负荷。其中站台公共区设送风口（双层百叶风口或方形散流器）共20 个，尺寸为500 ×360；设单层百叶回风口共 12 个，尺寸为 630 × 500。送风口及回风口标高为 3.2m。

 

      本文根据建筑物实际尺寸来建立 CFD 模型。车站内乘客用长方体模块来代替，均匀分布在站台公共区；其中楼梯、电梯均简化为模块，依据实际位置布置；由于风口模型对公共区气流组织影响较大，本文将采用不同的末端模型来对应不同种类的风口，并按实际尺寸与具体位置来建立风口模型（具体对应关系如图 2~ 4）。最后建立 CFD 三维模型如下图 5 所示。

      该地铁车站是典型的岛式站台，采用屏蔽门系统。站台公共区空调负荷主要由人员负荷、设备负荷、照明及广告牌负荷、自动扶梯及电梯负荷、通讯设备负荷、风道及屏蔽门传热负荷等组成，具体数据及处理方式如下：

      人员负荷共 27.0kw，平均到每个人体模型上，每个人体模型约为 964w；照明及广告牌负荷共为63.34kw，平均到吊顶模型上，每平米约为 54w；自动扶梯及电梯负荷分别为3×2=6kw，5×1=5kw；通讯设备负荷共为2.5kw，平均到每个立柱上，每立柱约为 250w。

      根据风道及屏蔽门传热特性，统计结果为：由站厅层与站厅层的传热，得到站台顶板热流密度为3.9w/m²；由于屏蔽门传热和轨顶排热风道的传热，得到屏蔽门侧面为35.9w/m²；因为轨底排热风道传热，将传热量平均到站台底面，得到底板热流密度为 9.5 w/m²。

      送风温度为 20℃，即送风温差为 8℃时，每个风口的送风量为 0.6m³/s，送风速度为 3.3m/s；送风温度为 23℃，即送风温差为 5℃时，每个风口的送风量为 0.96m³/s，送风速度为 5.3m/s。

采用不同的送风末端装置时，将采用对应的送风口模型，具体如图 2~4。

      系统所有的回风口均采用单层百叶风口。送风温差为 8℃时，回风量为 12m³/s；送风温差为 5℃时，回风量为 19.2m³/s。

 

      完成上述设置之后，选取“室内零方程湍流模型^[6]”，同时考虑辐射换热作用，应用“FLUENT”求解器进行计算。本文将讨论四种方案，具体参数设置如下表 1。

      方案一的温度场、速度场及PMV^[7]分布图如图6~8。

      本文选取人员活动区域特征截面Y=1.65m来分析（下同）。由温度场图可以看出大部分区域的温度都在28℃以下，其中靠近送风口的一侧温度在25℃附近，而远离送风口的一侧温度则在 27.5℃左右，温度场分布并不均匀。速度场显示：在人体活动区域尤其是送风口下方区域，速度达到了0.5m/s，吹风感强烈，不符合夏季空调风速不大于 0.3m/s的要求，但在送风口另一侧风速均在 0.25m/s以下，满足要求。通过 PMV 分布云图，看到整个区域的 PMV值在-1~1 之间，基本上满足舒适性的要求，在送风口附近区域 PMV 值较小（在-1 左右）。

      下图 9~11 给出了方案二的温度场、速度场及PMV 分布情况。

      方案二和方案一均采用双层百叶送风口，只是送风温差不同。对比方案二和方案一温度分布结果，可以看出温度场分布没有大的变化，只是温度略有升高（0.5℃左右），这可能是方案二的送风温度（23℃）高于方案一（20℃）的缘故。总体上温度均在 28℃附近，基本满足设计要求。相对于方案一的速度场，方案二在送风口下方区域风速增大了，达到了 0.6m/s 左右，吹风感有所增强，更不满足设计要求。对比 PMV 分布情况，方案一和方案二基本类似。

      在方案三模拟结果如图 12~14 所示。

      和方案一相同，方案三也采用8℃的送风温差。对比温度场发现，两方案温度场类似，均能满足设计要求。相对于方案一的速度场，我们发现采用散流器风口之后，速度场有明显的改善，大部分区域风速均在 0.3m/s 以下，满足夏季空调风速要求。通过PMV分布云图，可以看到：对比方案一，PMV值范围为-0.75~0.75 之间，有所改善。

      图 15~17 分别给出了方案的温度场、速度场及PMV 分布情况。

      方案四和方案二均采用 5℃的送风温差，只是送风末端不一样。采用散流器送风口之后，相对于方案二，方案四特征截面的温度略有所增加，但绝大部分区域均在 28.3℃附近，符合设计要求。对比方案四和方案二的速度场，可以看到速度有明显的减小，大多数区域速度在 0.3m/s以下，只是局部区域风速达到了0.4m/s。方案四的PMV值范围在-0.75~0.75之间，相对于方案二（-1~0.75）有所改善。

      方案四和方案三送风温差不同，但是同是采用散流器送风口。对比温度场，看到方案四和方案三的温度分布类似，温度稍有偏高，同样也在设计温度 28℃附近。相对于方案三，方案四风速偏高，不符合空调设计的要求。方案四和方案二的 PMV 分布都在-0.75~0.75 之间，没太大的变化。

      结合四种方案的模拟结果，分别对比四种方案下温度场、速度场及 PMV 分布情况，我们对四种方案进行星级评定，具体结果如下表 2。其中“ ”

      由表 2 可知，方案三为最优方案，即送风末端采用散流器送风口，并选择送风温差为8℃，可以得到最好的气流组织，完全满足室内热舒适性的要求；方案四也采用散流器送风口，但送风温差为5℃，温度场可以满足要求，但是速度场部分区域速度达到0.4m/s，略大于夏季空调室内风速不大于 0.3m/s 的要求，尽量不要采用方案四；采用方案一或方案二后，虽然温度场基本符合要求，但由于均采用双层百叶送风，在人员活动部分区域风速大于 0.5m/s，有不同程度的吹风感，不满足空调室内风速的要求，所以不宜采用。

 

      本文通过对武汉某地铁车站站台公共区进行CFD 模拟计算，并分析了四种方案下的气流组织及热舒适性状况，得出如下结论：

      （1）该地铁站台公共区采用全空气空调系统，利用 CFD 技术预测室内热舒适性，模拟结果可以满足室内舒适性的要求；

      （2）通过对两种送风温差（8℃和5℃）方案进行模拟，分析并比较计算结果，发现均能满足室内温度场的要求，但是送风温差为5℃时，室内人员活动的部分区域风速达到了 0.4 m/s，气流组织不理想，所以建议采用 8℃的送风温差；

      （3）通过对双层百叶送风口和散流器送风口两种方案的模拟，对比结果，发现温度分布均可以满足要求，但采用双层百叶送风口，会导致人员活动区域风速大于0.5m/s，不能满足室内速度场的要求，因此建议不宜采用双层百叶送风口，而应该采用散流器送风口。