广州全封闭式屏蔽门地铁车站自然通风潜力研究

本文通过地铁车站实测以及车站多区域通风网络模型的建立，合理计算不同季节工况下地铁车站出入口自然风量、站厅与站台层的通风量以及屏蔽门漏风量，通过对不同工况下车站出入口自然通风特性的分析研究，得到不同影响因素对出入口自然通风的影响作用，同时考虑地铁车站客流量大小，对利用出入口新风满足车站近、远期工况下人员新风需求的有效性进行了研究与分析。

1 绪论

1.1 课题的研究背景及意义
当今世界正处于一个飞速发展的时期，城市轨道交通发展迅速，各发达国家拥有百万以上人口的大都市，均修建地铁来缓解和改善城市交通拥堵的现状。我国作为人口众多的大国，对于地铁的建设与运营也有着良好的应用前景。我国的城市化进程已经进入到加速发展阶段，随着城市人口剧增，城市中心区的高密度开发与人口的高度集中，使得交通拥堵的状况在我国大部分城市都可以见到。且随着城市边缘以及远郊城市化地区的发展，人们将出现大量的长距离出行需求，而修建地铁对于改善城市的交通环境则有着重大的意义。
地铁发展至今已有超过 100 年历史，在 19 世纪 60 年代，全世界第一条地铁在英国伦敦建成，就此拉开了城市轨道交通发展的序幕。如今全球共有 72 个国家以及地区，493 座城市开通城市轨道交通，总运营里程超过 26100 km，车站数量超过 26900 座。其中有 56 个国家和地区的 179 座城市均开通了地铁，总运营里程达到 14219.36 km，地铁车站数量超过 10631 座。城市轨道交通以其运输能力大、安全性高、舒适性良好、方便快捷等特点成为广大城市人出行方式的选择，并对整个城市的发展起到了极大的推进作用。
截止 2020 年 5 月 30 日，我国共有 39 个城市的地铁开通运营，轨道交通线路总计6333.3 公里，新增运营线路 571.9 公里。预计到 2020 年底，新增运营里程将达到 300公里，届时全国城市轨道交通运营里程总量将超过 6600 公里。其中 33 个城市累积开通了 142 条地铁线路，另有 43 个城市的地铁建设正在加紧筹备中。预计到 2020 年底，符合地铁建设标准的城市将增加到 55 个左右。
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1.2 国内外研究现状
由于地铁环控系统的投资及运行能耗巨大，国内外对于地铁环控系统节能的研究也在不断地开展，目前研究的重点在于地铁空调系统的优化、车站出入口进出风量的大小及其变化规律、车站出入口渗入新风与机械新风的关系、车站出入口新风对站内环境参数的影响以及出入口新风在站内的流通情况等等。
地铁车站一般深埋于地下，由于地下建筑的封闭性较强，故在目前的地铁设计中关于自然通风的考虑极少，只考虑了因列车活塞效应引起的屏蔽门漏风量。而在工程实际中，由于出入口进入站内的新风量较大，在冬季与过渡季，大量的室外新风可以提高站内空气品质，降低车站环控系统能耗，在空调季室外温度高于站内时，出入口新风带来的影响尚不明确，如何对出入口新风进行定性以及定量的分析是当前需要考虑的问题。
1.2.1 屏蔽门漏风量
全封闭式屏蔽门将车站隧道与站台分隔，为了保证轨行区的环控要求以及地铁设备的正常运行，则需要设置相应的通风排热系统（轨道排热风机）。由于轨道排热系统的作用以及列车活塞风的影响，在屏蔽门两侧会出现不断变化的压差，引起站台与隧道的空气交换，从而间接导致室外空气通过车站出入口与站厅发生空气交换，引入室外新风。列车停站时，隧道与站台的热质交换过程复杂，且影响因素众多。在列车开启屏蔽门关闭时，因为屏蔽门的气密性，屏蔽门关闭时站台与隧道仍有较大的风量变化。因此，在车站机械通风模式不变的情况下，屏蔽门漏风量的大小将直接导致出入口自然风量的变化。
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2 地铁车站自然通风影响因素的理论分析

2.1 地铁车站自然通风的影响因素分析
自然通风是指利用建筑物内外空气的密度差引起的热压或室外大气运动引起的风压来引进室外新鲜空气达到通风换气作用的一种通风方式。一直以来，自然通风作为一项传统的建筑室内除热技术，在世界各地都得到了广泛的应用。然而随着空调技术的发展，空调的大量使用，使人们逐渐淡化了对自然通风技术的运用与重视。在空调技术得以普及的今天，为了节约能源以及提高室内空气质量，自然通风这一传统技术再次进入了人们的视野。在此前提下，将自然通风运用到现代建筑，特别是大型公共建筑中，有着比以往更为重要的意义。公共建筑人员密集，室内热源大，全年需要长时间的供冷，而在过渡季与冬季，若能将温度相对较低的室外空气引入室内，通过室内外空气的流动带走室内热量，将有效缩短室内空调设备的运行时间，降低室内空调能耗。且公共建筑中新鲜空气的流动，是保证建筑室内空气质量以及满足人体舒适性的关键所在。
2.1.1 风压对地铁车站自然通风的影响
当风流经建筑物时，由于建筑物的阻挡，使四周空气受阻，动压下降，静压升高；侧面和背面产生局部涡流，静压下降，动压升高，和远处未受干扰的气流相比，这种静压的升高和降低统称为风压。由于大气中压力差的存在，导致了风的形成。如果风在行进通道上遭遇了障碍物，则会产生能量的转换，部分动压转变为静压力，导致迎风面上产生正压，而背风面上产生负压。由于建筑表面的压力差促使空气从迎风面的开口流入室内，而室内空气则从背风面开口排出，就形成了全面换气的风压自然通风作用，图 2.1表示了风压自然通风的形成过程。
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2.2 自然通风的研究法
2.2.1 实验法
（1）风洞模型实验法
风洞模型实验法主要运用相似性原理，模拟建筑表面和建筑周围的压力场与速度场，确定风压系数以及预测自然通风效果。这种方法能够较为直观演示自然通风的效果，首先需要建立建筑物理模型，但是对于复杂的建筑结构处理较为困难。
（2）热浮力实验模型技术利用热浮力实验模型技术模拟热压驱动的自然通风效果，目前主要有四种技术：
① 气体模拟法：以空气或者其他气体作为流动介质，热浮力由固定的加热装置产生；② 水模型系统：以水作为介质，有固定的加热装置；③ 盐水模拟法：利用盐水的浓度差产生类似于热羽的流动，目前已被广泛接受，但需要大蓄水池以及不断补充盐水；④ 气泡技术：由电路的阴极产生气泡以模拟热羽流动，可以模拟点源、线源以及垂直热源的自然通风情况，但不能模拟建筑热特性对自然通风的影响。
（3）示踪气体测量法
示踪气体测量法能够预测建筑通风量和室内气流的分布情况。根据测量方法可以分为定浓度测量法以及衰减测量法。定浓度测量法：在测试时保持所有测试区域的示踪气体浓度不变，通过改变示踪气体的注射量来达到这一目标，它能用来处理渗透问题以及自然通风等驱动力发生改变的通风问题。衰减测量法：向测试区域注入一定量的示踪气体，示踪气体随着气流在测试区域内扩散，示踪气体浓度则表现为衰减的趋势。在自然通风中可用该方法来预测自然通风量、换气次数以及分析气体分布等。

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3 地铁车站实际测试及结果分析..........................33
3.1 广州市某地铁车站基本资料.................................33
3.1.1 地铁车站土建资料........................33
3.1.2 地铁车站公共区环控要求........................33
4 地铁车站 ContamW 模型描述及自然通风模拟.............................58
4.1 地铁车站 ContamW 计算模型的建立.............................58
4.1.1 地铁车站基本建筑参数.........................58
4.1.2 ContamW 通风网络模型的建立.......................58
5 全封闭式屏蔽门地铁车站出入口新风有效性分析......................91
5.1 人体污染物散发率...........................91
5.2 出入口新风有效性分析..............93

5 全封闭式屏蔽门地铁车站出入口新风有效性分析

5.1 人体污染物散发率人体散发污染物
通过呼吸、皮肤代谢以及吸烟等其它途径实现的，其中 149 种污染物通过呼吸道排出，如 CO2、氨、苯、甲苯、苯乙烯、氯仿等污染物。通常条件下一个人在门窗密闭的 10m2的房间内静坐阅读 3 个小时后室内 CO2浓度将增加 3 倍，氨气浓度将增加 2 倍。在人群密闭的环境内，人体散发出来的污染物是造成室内空气品质下降的主要影响因素。皮肤是人体主要的污染源，经皮肤排泄的污染物多达 271 种，液体 151种，成分包括 CO2、CO、丙酮、苯、甲烷气体和毛发等（详情见表 5.1）。每天脱落的死亡细胞是室内灰尘的重要来源，英国科学家的研究发现，由皮肤脱落的污染物约占室内灰尘的 90％左右。

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6 结论与展望

6.1 研究总结
本文通过地铁车站实测以及车站多区域通风网络模型的建立，合理计算不同季节工况下地铁车站出入口自然风量、站厅与站台层的通风量以及屏蔽门漏风量，通过对不同工况下车站出入口自然通风特性的分析研究，得到不同影响因素对出入口自然通风的影响作用，同时考虑地铁车站客流量大小，对利用出入口新风满足车站近、远期工况下人员新风需求的有效性进行了研究与分析，从而提出地铁车站设备运行管理方法与其节能潜力，并得出如下几条结论：
（1）对广州某岛式地铁车站进行现场实测，得到不同季节工况下室外 CO2浓度变化，地铁车站出入口进出风量以及车站公共区的热湿环境数据。通过实测发现，在相同的测试时段，站厅层的温度总是高于站台层，站台层的 CO2浓度则要高于站厅层。在所有测试时段中，车站公共区 CO2浓度均未超过规定限值 1500ppm。车站出入口的进风次数整体大于出风次数，经过换算后的出入口净风量也表现为进风，且各个季节工况下计算得到的出入口总进风量都在站内人员新风需求的数倍以上，出入口进风量完全可以满足站内人员的新风需求。
（2）结合地铁车站实测数据，利用 CONTAM 软件建立地铁车站多区域通风网络模型，选取适合站内各个空气流通路径的数学模型，适当简化 CONTAM 模型，使其更为符合工程实际，并使用 ContamW 求解器对模型进行多种季节工况下地铁车站公共区空气流动的动态模拟，得到在室外风压、热压以及屏蔽门负压综合作用下各个车站出入口以及站内的空气流通规律，并将模拟计算结果与实测结果进行对比，进一步验证模型的准确性。
对某标准岛式地铁车站进行多区域通风网络模拟计算，得出在近期高峰客流，地铁列车行车对数为 15 对/h，车站隧道活塞风速为 1.5m/s，隧道排热风机排风量为 60m3/s的情况下，空调季车站出入口总进风量为 9.28kg/s，净风量为 2.82kg/s，屏蔽门平均漏风量为 9.2kg/s。过渡季车站出入口总进风量为 8.62kg/s，净风量为 2.64kg/s，屏蔽门平均漏风量为 10.13kg/s。冬季车站出入口总进风量为 13.44kg/s，净风量为 13.44kg/s，屏蔽门平均漏风量为-8.48kg/s。出入口通风量方向以室外流入站内为正，屏蔽门漏风量方向以站台流向隧道为正。
参考文献（略）