自然通风条件下高架地铁车站热环境分析（其他）

                           赵卫平¹符泰然²史聪灵³

1合肥工业大学土木与水利工程学院 2清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室3中国安全生产科学研究院交通安全研究所

摘要：本文结合广州地区的某高架地铁车站模型，分析自然通风状况下地铁站台的热环境以及围护结构的结露风险，结果表明：内表面温度与附近空气露点温度差异大于2℃，不存在结露风险；随室外温度升高，自然通风站台的热舒适性改善，室内平均温度更接近最佳舒适温度；自然通风所带来的通风量可以满足相关规范的要求。

关键词：高架地铁车站结露风险自然通风热舒适

0  引言

    地铁车站可采用浅埋、高架等形式，因高架车站具有建设周期短、投资小、运营成本低等优点，因此在北京13号线、广州4号线等线路中获得较多应用。而地铁高架车站除设备、管理等用房外，站厅和站台公共区域往往采用自然通风的形式，利用建筑侧面百叶风口或顶部天窗进行自然通风和排烟。

    已有研究表明，建筑内部湿度过高或过低都会严重影响建筑物性能和人员舒适健康。而地铁站人流密度大，自然通风能否有效控制建筑内部湿度并且防止围护结构表面结露将是一个影响内部人员舒适和健康的重要问题。因此本文将结合一典型高架车站模型，分析其自然通风条件下内部舒适性和结露可能陛。

1  车站模型

    高架车站模型只考虑站台公共区域，尺寸为80 mx18 mx8 m，车站两侧为玻璃幕墙，含可开启通风窗口；两端为地铁列车进出口，为开放边界；顶部采用铝合金屋面板，并设有自然通风天窗，结构示意如图1所示。

  综合考虑人员、照明、设备和太阳辐射等因素，计算得到站台人员、设备、广告灯箱和照明等产生热量为244.7 kW，列车启停和刹车期间产生热量为200 kW，人员散湿为45.5 g/s。考虑车站所在区域为广州地区，地处南亚热带，东经113⁰20’，北纬23⁰10’；累年最冷月平均温度为13.6℃，累年最冷月平均相对湿度为72%;冬季最多风向为静风(34%)，冬季极端气温为0 ⁰C。考虑车站受室外温度、围护结构传热系数和天窗开窗面积影响设置三个系列工况，详细设置见表1。

  根据研究需要，对模型作如下简化：1）考虑建筑对称性，计算只取一半；2）只考虑站台公共区，忽略站厅对站台的影响；3）未考虑地铁运行对开放边界的影响；4）人员、太阳辐射、广告灯箱等负荷简化为站台离地1.8 m高度内均匀分布的热源。

2  结果分析

2.1室外温度的影响

    从图2～3可知，随着室外温度的升高，靠近中间对称面的室内高温区域明显增加、低湿度区域明显减少，室内平均温度从13.5℃上升到19.2℃，工况1.2和1.3的平均温度分别比工况1.1提高了16%和42%；室外空气从自由开口中下部侵入，从上部流出，室内形成一个较大的环流，在开口附近有较强的掺混；随室外温度升高，换气次数从1 1.5h^-1增加到16.51^-1，工况1.2和1.3换气次数分别增加了11%和43%(如表2所示)，按《铁路旅客车站建筑设计规范》的要求，满足车站换气次数大于2次/h^-1要求，因此自然通风完全可以满足车站通风要求。

根据适应性模型，自然通风建筑内的用户对温度和室内舒适性的期望，随室外温度改变而改变，根据de Dear和Brager给出的公式：

平均温度，℃。根据上述公式，从图4可知，随着室外温度的升高，室内最优舒适温度也逐渐升高，工况1.1、1.2和1.3室内最优舒适温度与室内平均温度的差距不断减小，分别为4.3℃、4.2℃和2.8℃，舒适性状况得到提高。

    为防止结露，围护结构内表面温度相应要比附近空气的露点温度高1～2℃。如图5所示，侧壁底部的温差小于顶部位置，靠近自由出口处的温差小于中心位置，随着室外温度的升高，大温差区域减小，这是因为虽然相对湿度相同，但侵入空气的含湿量随温度升高而升高；工况1.1、1.2和1.3侧壁内表面温度与其附近空气的露点温度的最小温差分别为3.5℃、3.6℃和3.6℃，皆不在结露风险范围内。此三种工况中，屋顶内表面温度与露点温度差异大于侧壁，其最小温差分别为7.8℃、8.8℃和8.7℃，因此屋顶更没有结露可能，这说明水蒸气在到达屋顶前已经充分扩散，随着气流温度升高、相对湿度下降，屋顶内表面无结露风险。

2.2传热系数的影响

    从图6～7可知，围护结构传热系数的变化对室内温湿度影响较小，工况2.1、2.2和2.3室内平均温度最大差异只有0.2℃，这是因为围护结构的散热量与整个站台产热量相比所占比例很小，如对于传热系数最大的工况2.1，其围护结构散热量大概只占内部产热量的14%;改变围护结构的传热系数，内部流动状况仍保持基本相似；随围护结构传热系数变化，换气次数始终在11～12 h-1之间，变化很小，变化率不超过4%(如表2所示)；由于室外温度固定，室内平均温度接近，因此三种工况下舒适性状况基本一致。

    如图8所示，侧壁底部的温差小于顶部，开口附近温差小于站台中心位置；随围护结构保温性能的增加，大温差区域不断增加，因此通过改善围护结构的保温性能可以有效降低结露风险；工况2.1、2.2和2.3侧壁内表面温度与附近空气露点温度的最小温差分别为2.9℃、3.5℃和3.8℃，随保温性能增加而增加，皆无结露风险。屋顶内表面温度与露点温度差异大，分别为6.2℃、7.8℃和10.0℃，随保温性能增加而增加，无结露风险。

2.3开窗面积的影响

  很多高铁车站在顶部设置可开启天窗，用于排除顶部积蓄的热量，因此考虑三种不同开窗面积工况：0 m²、16 m²和32m²。从表2可知，改变天窗开口面积对室内平均温湿度影响很小，室内平均温度皆在13～14℃之间，室内热舒适性类似。从图9可知，热空气从靠近中间的两个天窗流出，而同时从靠近外侧自由开口的天窗流入，表明该位置热空气的浮升动力不足；随着天窗开窗面积的增加，换气次数略有增加，天窗开口面积为16m2和32m2时，比未开窗换气次数分别增加7%和9%(如表2所示)。

    如图11所示，随开窗面积的增加，侧壁内表面温度与附近空气的露点温度差减小，即大温差区域减小；工况3.1、3.2和3.3侧壁内表面温度与附近空气露点温度的最小温差分别为3.5℃、3.1℃和3.4℃，没有达到结露条件。三种工况屋顶内表面温度与附近空气露点温度最小差值分别为7.8℃、3.6℃和3,6 ℃，可见开窗后最小温差下降明显，但未存在结露风险。

3  结论

    由于地铁站内部环境对于人员舒适和健康的重要性，本文建立了一高架地铁站台模型，分析其在自然通风条件下站台的热环境和结露风险性，研究发现：

    1)即使广州地区静风天气状况所占比例大，但自然通风所产生的通风量仍大于10次/h^-1，满足相关规范要求；

    2)由于较大的自然通风量，人群散热散湿能够很快的扩散，因此所设9种工况下皆未出现结露风险；

    3)考虑到自然通风下建筑的适应性特征，随室外温度升高，室内平均温度越接近最佳的舒适温度；

    4)随着围护结构的保温性能的增加，围护结构结露风险降低，因此选择合适热工性能的围护结构将是设计关键。

    文中未考虑地铁运行夹带气流所产生的通风量，因此实际通风量还要增加，将会导致其内部平均温度有所下降，即舒适性会有所降低；通风量增加将使散湿更快的扩散，壁面产生结露的风险进一步降低。