叶 雷

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

地铁是解决城市交通问题的重要途径，也是体现一个城市经济实力、人们生活水平及现代化的重要标志。近年来，在我国如同雨后春笋般出现，各地掀起了新建地铁项目的高潮。在保证地铁安全、快速运行的同时，如何改善乘客的舒适性是学术界和工程界关注的热点问题。

近年来，众多学者对地铁环控系统进行了研究，钟星灿［1］分析了不同系统地铁空调负荷组成及估算方法;吴喜平［3］研究了活塞风对车站环控速度场的影响;朱颖心等［2］探讨了通风方案与车站空调负荷及空调能耗间的关系;常军［4］利用SES软件模拟了不同工况下隧道内温度场、速度场及新风量的变化规律。另外，地铁火灾烟气控制［5，6］、节能措施［7，8］也是研究的焦点。本文拟对宁波轨道交通1号线某站台环控系统进行研究，利用CFD软件模拟分析某岛式站台的热湿环境、CO2浓度及PMV-PPD分布规律，为环控系统设计提供理论参考和工程借鉴。

1 工程概况

宁波轨道交通1号线为东西向主干线，西起鄞州高桥，东连北仑城区，贯穿海曙区、三江口、江东区及东部新城，主要解决市区东西向客流需求。在建的1号线主线路全长21.3 km，其中地下线14 km，设车站15座，采用屏蔽门系统;高架线7.3 km，设车站5座，安装半高安全门。该线路于2009年6月开工，预计2014年竣工试运营。1号线车辆采用B2型车，初、近、远期均采用6辆编组，4动2拖，平均时速35 km/h，最高运行速度可达80 km/h。规划初期发车频率为5 min，晚高峰时发车密度可达30对/h，设计最大运能每小时4万人次～5万人次，将会极大缓解宁波交通拥堵之现状，提高城市品位与档次。

宁波地铁1号线某地下车站，为明暗结合的分离岛式站台型，右线为地下2层明挖，左线为单层暗挖，站台长度为145 m，宽度为12 m，总建筑面积为10489 m2。站台在轨道两侧纵向布置，距站台边缘200 mm处设有屏蔽门，站台东西两侧为设备管理房。

2 数值模拟

2.1 物理模型

地铁隧道结构复杂，影响因素较多，本文做出如下简化:1)假设乘客均匀分布在站台候车区;2)忽略屏蔽门渗风量的影响，隧道内热量从轨道上部和底部排风道排至外环境;3)忽略设备管理房与站台公共区之间的传热。图1为该站台三维模型示意图。

图1 地铁站台三维物理模型

2.2 数学模型

文献［9］［10］等提出，地铁车站内气流为三维不可压缩粘性流体的湍流流动。采用的控制方程如下:

其中，ρ为空气密度，kg/m3;mi为组分i的质量百分数;u为速度分量，m/s;Γ为广义扩散系数;Ri为单位容积内组分的产生率，kg/(s·m3)。

2.3 边界条件

车站有乘客出入口4个，客流早高峰预计出现在早7:00～8:00之间，高峰小时上下车总客流量为16000人左右;晚高峰出现在17:00～18:00，客流约为早高峰的80%左右，人体散热全热量取为180 W。照明灯具、广告灯箱、自动扶梯、自动检票机及其他内部设备散热量稳定，约230 kW。人均CO2散发量按40 g/h计算。

采用散流器下送风，送风温度20℃，送风速度3.2 m/s。环控系统所有回风口均采用单层百叶风口，回风量为12 m3/s。

3 结果与分析

3.1 温度场分布

图2模拟了该站台公共区Y=1.6 m处温度场的分布云图，可以看出，中间温度高，两端温度低，热空气沿着隧道方向向两侧轻微扩散的现象，这是因为冷热空气对流作用而产生的。另外，人员逗留区温度大多处于28.5℃左右，略微偏高，但考虑到人员是从炎热的地面环境进入站厅层，再进入站台层，是一个动态的热感觉过程，既考虑了节能的需求，又满足了地铁环控的规范性要求。

图2 Y=1.6 m处温度场分布

图3、图4分别给出了X=0和X=24 m处时站台的温度分布云图。

从图3可以看出，由于屏蔽门将隧道与站台分割开来，列车运行散热只有极少热量散发到站台，整个站台，特别是站厅的温度场分布比较均匀，整体处于26.8℃左右的水平，很好地满足了舒适性的要求。

图3 X=0处站台温度场分布

图4展示了X=24 m处站台温度分布情况，不难发现，站厅层受入口气流的干扰，而公共区平均温度27.2℃，该断面整体人员热舒适较好。

3.2 速度场分布

图5模拟的是站台层人体呼吸区的速度分布云图，可以看出，候车区的速度分布特别均匀，平均速度在0.2 m/s之下，仅在楼梯口和出入口处速度呈现了涡流现象，其主要原因是地下一层空气在热压作用下进入站台层，造成该处速度达到近2.5 m/s。

图4 X=24 m处站台温度场分布

图5 X=1.6 m处速度分布

3.3 浓度场分布

地铁乘客较多，高峰时段的人群更是拥挤，在地铁环控系统优化中，除了满足人体热舒适性因素外，其空气品质问题也是当前关注的焦点。

图6给出了站台层CO2浓度分布规律，可以看出，候车区域内二氧化碳的浓度相对较高，平均值在400 ppm左右，不难发现最高值为900 ppm，低于《地铁设计规范》规定的不应大于1500 ppm的限值。这表明，车站内的空气品质符合相关要求，新鲜空气可以满足健康、卫生的需求。

图6 X=1.6 m处CO2浓度分布

3.4 PMV-PPD 分布

PMV描述的是人们对同一环境的热感觉，而PPD则是人们对这个环境的不满意率。即使是PMV=0，也就是中性时候，也会有人对此环境表示不满意的，PPD指标更多的是体现出了不同人群的生理差别。因此，PMV和PPD指标被广泛应用于环境热感觉评价。根据最新的暖通规范(GB 50736-2012)的要求，1级舒适等级中，－0.5≤PMV≤0.5，PPD≤10%，2 级舒适等级中，－1≤PMV ＜0.5 或0.5 ＜PMV≤1，PPD≤27%。

图7、图8分别为站台X=1.6 m处PMV，PPD分布情况。分析可知，该站台中部地区PMV值比两侧高，乘客逗留区域PMV值处于0.3～0.6之间，而同一区域的PPD值在8%左右，显然该区域属于1级舒适。同样发现，在两侧楼梯附近的PMV值为－0.7左右，PPD则逼近15%，属于2级舒适。总之，该车站热环境适中，能保证乘客的舒适性。

图7 X=1.6 m处PMV分布

图8 X=1.6 m处PPD分布

4 结语

本文对宁波轨道交通1号线某岛式站台环控系统进行了数值模拟，分析了温度场、湿度场、浓度场、PMV和PPD分布规律。研究表明，站厅的温度场分布比较均匀，整体处于26.8℃左右的水平，很好地满足了舒适性的要求。候车区域空气流动速率基本控制在0.2 m/s之下，仅在楼梯口和出入口处呈现了涡流现象。站台层CO2浓度平均值为400 ppm左右，最高值为900 ppm，满足地铁设计规范要求。PMV，PPD指标均符合最新暖通规范要求，能保证乘客的舒适性。

［1］钟星灿.地铁空调负荷分析及估算［J］.流体机械，2006，36(6):72-76.

［2］朱培根，朱颖心，李晓峰.地铁通风与热模拟方案及其分析［J］.流体机械，2004，32(11):39-42.

［3］王丽慧，吴喜平.地铁活塞风对车站环控速度场的影响［J］.地下空间与工程学报，2007，3(1):161-163.

［4］常 军.北京新建地铁通风空调系统模拟分析［J］.建筑科学，2006，22(5A):27-33.

［5］冯 炼，刘应清.地铁火灾烟气控制的数值模拟地下空间［J］.地下空间，2002，22(1):61-64.

［6］那艳玲，黄桂兴，涂光备，等.地铁车站火灾的烟气流动状况研究［J］.暖通空调，2006，36(6):24-28.

［7］蔡 伟.不同送风方式下地铁蓄冷空调系统的经济性分析［J］.节能与环保，2008(11):33-35.

［8］张巨光，蔡 伟.空调列车室内微环境空气品质评价分析［J］.山西建筑，2012，38(8):218-220.

［9］臧运蕾，陈淑玲，曹建伟.城轨空调客车客室内温度场和流场的数值模拟［J］.都市快轨交通，2005，18(6):42-45.

［10］袁凤东，由世俊，杨向劲.地铁侧式站台空调气流CFD模拟［J］.西南交通大学学报，2005，40(3):303-307.