自然通風(fēng)條件下高架地鐵車站熱環(huán)境分析（其他）
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自然通風(fēng)條件下高架地鐵車站熱環(huán)境分析（其他）
趙衛(wèi)平1符泰然2史聰靈3
1合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院 2清華大學(xué)熱能工程系熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院交通安全研究所
摘要：本文結(jié)合廣州地區(qū)的某高架地鐵車站模型，分析自然通風(fēng)狀況下地鐵站臺的熱環(huán)境以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果表明：內(nèi)表面溫度與附近空氣露點(diǎn)溫度差異大于2℃，不存在結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)；隨室外溫度升高，自然通風(fēng)站臺的熱舒適性改善，室內(nèi)平均溫度更接近最佳舒適溫度；自然通風(fēng)所帶來的通風(fēng)量可以滿足相關(guān)規(guī)范的要求。
關(guān)鍵詞：高架地鐵車站結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)自然通風(fēng)熱舒適
0 引言
地鐵車站可采用淺埋、高架等形式，因高架車站具有建設(shè)周期短、投資小、運(yùn)營成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此在北京13號線、廣州4號線等線路中獲得較多應(yīng)用。而地鐵高架車站除設(shè)備、管理等用房外，站廳和站臺公共區(qū)域往往采用自然通風(fēng)的形式，利用建筑側(cè)面百葉風(fēng)口或頂部天窗進(jìn)行自然通風(fēng)和排煙。
已有研究表明，建筑內(nèi)部濕度過高或過低都會嚴(yán)重影響建筑物性能和人員舒適健康。而地鐵站人流密度大，自然通風(fēng)能否有效控制建筑內(nèi)部濕度并且防止圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面結(jié)露將是一個(gè)影響內(nèi)部人員舒適和健康的重要問題。因此本文將結(jié)合一典型高架車站模型，分析其自然通風(fēng)條件下內(nèi)部舒適性和結(jié)露可能陛。
1 車站模型
高架車站模型只考慮站臺公共區(qū)域，尺寸為80 mx18 mx8 m，車站兩側(cè)為玻璃幕墻，含可開啟通風(fēng)窗口；兩端為地鐵列車進(jìn)出口，為開放邊界；頂部采用鋁合金屋面板，并設(shè)有自然通風(fēng)天窗，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。
綜合考慮人員、照明、設(shè)備和太陽輻射等因素，計(jì)算得到站臺人員、設(shè)備、廣告燈箱和照明等產(chǎn)生熱量為244.7 kW，列車啟停和剎車期間產(chǎn)生熱量為200 kW，人員散濕為45.5 g/s。考慮車站所在區(qū)域?yàn)閺V州地區(qū)，地處南亞熱帶，東經(jīng)113020’，北緯23010’；累年最冷月平均溫度為13.6℃，累年最冷月平均相對濕度為72%;冬季最多風(fēng)向?yàn)殪o風(fēng)(34%)，冬季極端氣溫為0 0C。考慮車站受室外溫度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)和天窗開窗面積影響設(shè)置三個(gè)系列工況，詳細(xì)設(shè)置見表1。
根據(jù)研究需要，對模型作如下簡化：1）考慮建筑對稱性，計(jì)算只取一半；2）只考慮站臺公共區(qū)，忽略站廳對站臺的影響；3）未考慮地鐵運(yùn)行對開放邊界的影響；4）人員、太陽輻射、廣告燈箱等負(fù)荷簡化為站臺離地1.8 m高度內(nèi)均勻分布的熱源。
2 結(jié)果分析
2.1室外溫度的影響
從圖2～3可知，隨著室外溫度的升高，靠近中間對稱面的室內(nèi)高溫區(qū)域明顯增加、低濕度區(qū)域明顯減少，室內(nèi)平均溫度從13.5℃上升到19.2℃，工況1.2和1.3的平均溫度分別比工況1.1提高了16%和42%；室外空氣從自由開口中下部侵入，從上部流出，室內(nèi)形成一個(gè)較大的環(huán)流，在開口附近有較強(qiáng)的摻混；隨室外溫度升高，換氣次數(shù)從1 1.5h-1增加到16.51-1，工況1.2和1.3換氣次數(shù)分別增加了11%和43%(如表2所示)，按《鐵路旅客車站建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，滿足車站換氣次數(shù)大于2次/h-1要求，因此自然通風(fēng)完全可以滿足車站通風(fēng)要求。
根據(jù)適應(yīng)性模型，自然通風(fēng)建筑內(nèi)的用戶對溫度和室內(nèi)舒適性的期望，隨室外溫度改變而改變，根據(jù)de Dear和Brager給出的公式：
平均溫度，℃。根據(jù)上述公式，從圖4可知，隨著室外溫度的升高，室內(nèi)最優(yōu)舒適溫度也逐漸升高，工況1.1、1.2和1.3室內(nèi)最優(yōu)舒適溫度與室內(nèi)平均溫度的差距不斷減小，分別為4.3℃、4.2℃和2.8℃，舒適性狀況得到提高。
為防止結(jié)露，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度相應(yīng)要比附近空氣的露點(diǎn)溫度高1～2℃。如圖5所示，側(cè)壁底部的溫差小于頂部位置，靠近自由出口處的溫差小于中心位置，隨著室外溫度的升高，大溫差區(qū)域減小，這是因?yàn)殡m然相對濕度相同，但侵入空氣的含濕量隨溫度升高而升高；工況1.1、1.2和1.3側(cè)壁內(nèi)表面溫度與其附近空氣的露點(diǎn)溫度的最小溫差分別為3.5℃、3.6℃和3.6℃，皆不在結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)范圍內(nèi)。此三種工況中，屋頂內(nèi)表面溫度與露點(diǎn)溫度差異大于側(cè)壁，其最小溫差分別為7.8℃、8.8℃和8.7℃，因此屋頂更沒有結(jié)露可能，這說明水蒸氣在到達(dá)屋頂前已經(jīng)充分?jǐn)U散，隨著氣流溫度升高、相對濕度下降，屋頂內(nèi)表面無結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。
2.2傳熱系數(shù)的影響
從圖6～7可知，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的變化對室內(nèi)溫濕度影響較小，工況2.1、2.2和2.3室內(nèi)平均溫度最大差異只有0.2℃，這是因?yàn)閲o(hù)結(jié)構(gòu)的散熱量與整個(gè)站臺產(chǎn)熱量相比所占比例很小，如對于傳熱系數(shù)最大的工況2.1，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量大概只占內(nèi)部產(chǎn)熱量的14%;改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，內(nèi)部流動(dòng)狀況仍保持基本相似；隨圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)變化，換氣次數(shù)始終在11～12 h-1之間，變化很小，變化率不超過4%(如表2所示)；由于室外溫度固定，室內(nèi)平均溫度接近，因此三種工況下舒適性狀況基本一致。
如圖8所示，側(cè)壁底部的溫差小于頂部，開口附近溫差小于站臺中心位置；隨圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的增加，大溫差區(qū)域不斷增加，因此通過改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能可以有效降低結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)；工況2.1、2.2和2.3側(cè)壁內(nèi)表面溫度與附近空氣露點(diǎn)溫度的最小溫差分別為2.9℃、3.5℃和3.8℃，隨保溫性能增加而增加，皆無結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。屋頂內(nèi)表面溫度與露點(diǎn)溫度差異大，分別為6.2℃、7.8℃和10.0℃，隨保溫性能增加而增加，無結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。
2.3開窗面積的影響
很多高鐵車站在頂部設(shè)置可開啟天窗，用于排除頂部積蓄的熱量，因此考慮三種不同開窗面積工況：0 m2、16 m2和32m2。從表2可知，改變天窗開口面積對室內(nèi)平均溫濕度影響很小，室內(nèi)平均溫度皆在13～14℃之間，室內(nèi)熱舒適性類似。從圖9可知，熱空氣從靠近中間的兩個(gè)天窗流出，而同時(shí)從靠近外側(cè)自由開口的天窗流入，表明該位置熱空氣的浮升動(dòng)力不足；隨著天窗開窗面積的增加，換氣次數(shù)略有增加，天窗開口面積為16m2和32m2時(shí)，比未開窗換氣次數(shù)分別增加7%和9%(如表2所示)。
如圖11所示，隨開窗面積的增加，側(cè)壁內(nèi)表面溫度與附近空氣的露點(diǎn)溫度差減小，即大溫差區(qū)域減小；工況3.1、3.2和3.3側(cè)壁內(nèi)表面溫度與附近空氣露點(diǎn)溫度的最小溫差分別為3.5℃、3.1℃和3.4℃，沒有達(dá)到結(jié)露條件。三種工況屋頂內(nèi)表面溫度與附近空氣露點(diǎn)溫度最小差值分別為7.8℃、3.6℃和3,6 ℃，可見開窗后最小溫差下降明顯，但未存在結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。
3 結(jié)論
由于地鐵站內(nèi)部環(huán)境對于人員舒適和健康的重要性，本文建立了一高架地鐵站臺模型，分析其在自然通風(fēng)條件下站臺的熱環(huán)境和結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)性，研究發(fā)現(xiàn)：
1)即使廣州地區(qū)靜風(fēng)天氣狀況所占比例大，但自然通風(fēng)所產(chǎn)生的通風(fēng)量仍大于10次/h-1，滿足相關(guān)規(guī)范要求；
2)由于較大的自然通風(fēng)量，人群散熱散濕能夠很快的擴(kuò)散，因此所設(shè)9種工況下皆未出現(xiàn)結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)；
3)考慮到自然通風(fēng)下建筑的適應(yīng)性特征，隨室外溫度升高，室內(nèi)平均溫度越接近最佳的舒適溫度；
4)隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)降低，因此選擇合適熱工性能的圍護(hù)結(jié)構(gòu)將是設(shè)計(jì)關(guān)鍵。
文中未考慮地鐵運(yùn)行夾帶氣流所產(chǎn)生的通風(fēng)量，因此實(shí)際通風(fēng)量還要增加，將會導(dǎo)致其內(nèi)部平均溫度有所下降，即舒適性會有所降低；通風(fēng)量增加將使散濕更快的擴(kuò)散，壁面產(chǎn)生結(jié)露的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步降低。
