自然通風條件下高架地鐵車站熱環境分析（其他）

                           趙衛平¹符泰然²史聰靈³

1合肥工業大學土木與水利工程學院 2清華大學熱能工程系熱科學與動力工程教育部重點實驗室3中國安全生產科學研究院交通安全研究所

摘要：本文結合廣州地區的某高架地鐵車站模型，分析自然通風狀況下地鐵站臺的熱環境以及圍護結構的結露風險，結果表明：內表面溫度與附近空氣露點溫度差異大于2℃，不存在結露風險；隨室外溫度升高，自然通風站臺的熱舒適性改善，室內平均溫度更接近最佳舒適溫度；自然通風所帶來的通風量可以滿足相關規范的要求。

關鍵詞：高架地鐵車站結露風險自然通風熱舒適

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周期短、投資小、運營成本低等優點，因此在北京13號線、廣州4號線等線路中獲得較多應用。而地鐵高架車站除設備、管理等用房外，站廳和站臺公共區域往往采用自然通風的形式，利用建筑側面百葉風口或頂部天窗進行自然通風和排煙。

    已有研究表明，建筑內部濕度過高或過低都會嚴重影響建筑物性能和人員舒適健康。而地鐵站人流密度大，自然通風能否有效控制建筑內部濕度并且防止圍護結構表面結露將是一個影響內部人員舒適和健康的重要問題。因此本文將結合一典型高架車站模型，分析其自然通風條件下內部舒適性和結露可能陛。

1  車站模型

    高架車站模型只考慮站臺公共區域，尺寸為80 mx18 mx8 m，車站兩側為玻璃幕墻，含可開啟通風窗口；兩端為地鐵列車進出口，為開放邊界；頂部采用鋁合金屋面板，并設有自然通風天窗，結構示意如圖1所示。

  綜合考慮人員、照明、設備和太陽輻射等因素，計算得到站臺人員、設備、廣告燈箱和照明等產生熱量為244.7 kW，列車啟停和剎車期間產生熱量為200 kW，人員散濕為45.5 g/s?？紤]車站所在區域為廣州地區，地處南亞熱帶，東經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%;冬季最多風向為靜風(34%)，冬季極端氣溫為0 ⁰C?？紤]車站受室外溫度、圍護結構傳熱系數和天窗開窗面積影響設置三個系列工況，詳細設置見表1。

  根據研究需要，對模型作如下簡化：1）考慮建筑對稱性，計算只取一半；2）只考慮站臺公共區，忽略站廳對站臺的影響；3）未考慮地鐵運行對開放邊界的影響；4）人員、太陽輻射、廣告燈箱等負荷簡化為站臺離地1.8 m高度內均勻分布的熱源。

2  結果分析

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高溫區域明顯增加、低濕度區域明顯減少，室內平均溫度從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，室內形成一個較大的環流，在開口附近有較強的摻混；隨室外溫度升高，換氣次數從1 1.5h^-1增加到16.51^-1，工況1.2和1.3換氣次數分別增加了11%和43%(如表2所示)，按《鐵路旅客車站建筑設計規范》的要求，滿足車站換氣次數大于2次/h^-1要求，因此自然通風完全可以滿足車站通風要求。

根據適應性模型，自然通風建筑內的用戶對溫度和室內舒適性的期望，隨室外溫度改變而改變，根據de Dear和Brager給出的公式：

平均溫度，℃。根據上述公式，從圖4可知，隨著室外溫度的升高，室內最優舒適溫度也逐漸升高，工況1.1、1.2和1.3室內最優舒適溫度與室內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。

    為防止結露，圍護結構內表面溫度相應要比附近空氣的露點溫度高1～2℃。如圖5所示，側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，大溫差區域減小，這是因為雖然相對濕度相同，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側壁內表面溫度與其附近空氣的露點溫度的最小溫差分別為3.5℃、3.6℃和3.6℃，皆不在結露風險范圍內。此三種工況中，屋頂內表面溫度與露點溫度差異大于側壁，其最小溫差分別為7.8℃、8.8℃和8.7℃，因此屋頂更沒有結露可能，這說明水蒸氣在到達屋頂前已經充分擴散，隨著氣流溫度升高、相對濕度下降，屋頂內表面無結露風險。

2.2傳熱系數的影響

    從圖6～7可知，圍護結構傳熱系數的變化對室內溫濕度影響較小，工況2.1、2.2和2.3室內平均溫度最大差異只有0.2℃，這是因為圍護結構的散熱量與整個站臺產熱量相比所占比例很小，如對于傳熱系數最大的工況2.1，其圍護結構散熱量大概只占內部產熱量的14%;改變圍護結構的傳熱系數，內部流動狀況仍保持基本相似；隨圍護結構傳熱系數變化，換氣次數始終在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；隨圍護結構保溫性能的增加，大溫差區域不斷增加，因此通過改善圍護結構的保溫性能可以有效降低結露風險；工況2.1、2.2和2.3側壁內表面溫度與附近空氣露點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，皆無結露風險。屋頂內表面溫度與露點溫度差異大，分別為6.2℃、7.8℃和10.0℃，隨保溫性能增加而增加，無結露風險。

2.3開窗面積的影響

  很多高鐵車站在頂部設置可開啟天窗，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平均溫濕度影響很小，室內平均溫度皆在13～14℃之間，室內熱舒適性類似。從圖9可知，熱空氣從靠近中間的兩個天窗流出，而同時從靠近外側自由開口的天窗流入，表明該位置熱空氣的浮升動力不足；隨著天窗開窗面積的增加，換氣次數略有增加，天窗開口面積為16m2和32m2時，比未開窗換氣次數分別增加7%和9%(如表2所示)。

    如圖11所示，隨開窗面積的增加，側壁內表面溫度與附近空氣的露點溫度差減小，即大溫差區域減??；工況3.1、3.2和3.3側壁內表面溫度與附近空氣露點溫度的最小溫差分別為3.5℃、3.1℃和3.4℃，沒有達到結露條件。三種工況屋頂內表面溫度與附近空氣露點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，但未存在結露風險。

3  結論

    由于地鐵站內部環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，分析其在自然通風條件下站臺的熱環境和結露風險性，研究發現：

    1)即使廣州地區靜風天氣狀況所占比例大，但自然通風所產生的通風量仍大于10次/h^-1，滿足相關規范要求；

    2)由于較大的自然通風量，人群散熱散濕能夠很快的擴散，因此所設9種工況下皆未出現結露風險；

    3)考慮到自然通風下建筑的適應性特征，隨室外溫度升高，室內平均溫度越接近最佳的舒適溫度；

    4)隨著圍護結構的保溫性能的增加，圍護結構結露風險降低，因此選擇合適熱工性能的圍護結構將是設計關鍵。

    文中未考慮地鐵運行夾帶氣流所產生的通風量，因此實際通風量還要增加，將會導致其內部平均溫度有所下降，即舒適性會有所降低；通風量增加將使散濕更快的擴散，壁面產生結露的風險進一步降低。