1、综合交通枢纽中半封闭公交换乘站的空气质量研究李炎锋，赵梦，林欣欣 （北京工业大学建筑工程学院，北京，100124）摘要：以北京某综合交通枢纽的半封闭的公交换乘站为对象研究内部空气质量。选取CO 为描述空气质量的主要污染物。通过对枢纽内不同时期通风系统、车流、人流量及空气质量进行现场调研，以实测数据为边界条件，运用大涡模拟技术对不用通风运行模式下交通客流高峰期和低谷期的枢纽内的 0.8m 和 1.6m 高度处的空气质量进行分析。研究结果表明：除了车辆尾部区域相同位置在上班高峰时期的 CO 浓度值是低谷期浓度值的两倍; 在通风系统不运行情况下，枢纽内空气质量在 5-10min 时间会达到对人体有害
2、的程度。因此，为达到室内空气质量相关标准要求，枢纽内通风系统必须在高峰期连续运行而低谷期可以采取间歇运行的方式。关键词：公交换乘站；空气质量，大涡模拟，通风Study on Air Quality in a Semi-enclosed Public Transport Interchange Station in a Comprehensive Transit HubLi Yanfeng, Zhao Meng, Lin Xinxin(College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology,
3、Beijing, 100124 )Abstract: Indoor air quality of a public transport interchange station in a comprehensive transit hub has been studied. Carbon monoxide is selected as the main pollutant for description of air quality. Ventilation systems, bus traffic and passenger flow, air quality have been invest
4、igated by on-site survey. Large eddy simulation technology has been used to analyze indoor air quality of public transport interchange station. The boundary conditions are determined according to the measured date. Indoor air quality results at heights of 0.8m and 1.6m under different time periods a
5、nd operating conditions of public transport interchange station are calculated. Time periods include the peak hour and trough hour. Results have shown carbon monoxide concentration in peak hour is about twice than that in trough hour in most area except the rear area of the vehicle. Air quality woul
6、d reach the harmful degree within 5min to 10min if the ventilation system is not operating. The ventilation system 作者简介：李炎锋，教授，博导，从事基于建筑节能以及室内空气质量的楼宇控制技术研究，；赵梦，硕士研究生，从事建筑节能、通风及建筑火灾安全技术方向的研究。 基金项目：国家自然科学基金（51378040）should be operated during the peak hour and intermittent operation mode can be adopted
7、 during trough hour in order to meet the requirement of air quality standards. Key words: Public transport interchange station, air quality, large eddy simulation, ventilation 0 引 言随着城市交通体系的发展，地铁与公交枢纽实现换乘越来越普遍。其中部分公交枢纽由于要与地铁相通的设计为半地下或者半封闭空间。这类公交枢纽的主要特点包括：1) 与外界基本上处于隔离状态，停放在其内部的汽车排放出有害的废气容易引起空气质量问题；2
8、）高峰期和低谷期情况枢纽内人流密度和车流密度变化大；3）虽然安装有机械通风系统，考虑经济因素和枢纽内温度，实际中冬季通风系统基本上没有正常运行；4）公交车流和人流密度远远大于普通地下车库，简单按照地下车库相关规范进行通风设计有局限性。公交枢纽内空气环境质量的衡量和评价标准有舒适度标准和卫生标准。一般情况下，通常人员公交枢纽中在其中活动和停留的时间不长，具有与类似室内环境污染 1的特殊性，因其 NOx 的水平一般可以满足环境要求 2，故多以 CO 浓度分布为参考标准 3，即 CO 浓度 5min 最大允许值 115.0mg/m3、1h 最大允许浓度 30.0mg/m3 作为空气质量的参考标准。关
9、于公交车站相关的空气品质研究，龙连方等开展广州市区工作日和非工作日公交车站 PM2.5 与 CO 暴露水平研究 4；薛佳平等开展杭州市机动车 NOx 排放清单的建立及其对空气质量的影响 5。香港学者对一个地上多层公交终点站的通风方式进行分析，提出了通风模式对空气品质的影响 6,7。但对于半封闭的公交枢纽内部的空气质量及影响因素缺乏系统的研究。本文选择北京某半地下公交枢纽（与地铁换乘站相连）为研究对象，对冬季枢纽内空气品质进行现场测试和模拟。主要考虑：1）冬季室内外温差大，为了保证枢纽内温度，实际中通风系统基本不运行；2）由于外面寒冷枢纽人流密度会大于夏季。因此，冬季的室内空气品质的分析结果对运
10、行要求更有指导意义。研究不同时段（工作日高峰期、工作日非高峰期）对枢纽内人流量、车辆和 CO 浓度分析进行现场测试，获得空气质量分析的数据。在实测数据基础上，建立交通枢纽行空气流动模型，对不同时段行人员交通运行状况对 CO 浓度分布进行数值模拟，从而对公交枢纽的室内环境的空气品质安全进行评价。1公交枢纽模型场景及计算设置1.1 物理模型选择北京某综合交通枢纽的公交枢纽为研究对象，计算模型如图 1 所示。该枢纽南北方向 154m，东西方向 166m，占地面积共 25564m2，单层结构，层高 7.3m，公交枢纽内包括附属用房及设备间等，公交枢纽总共五个出入口，其中出口 1 与地铁车站的出口相连。
11、除一公交紧急出入口外，主要有一个公交出入口 4 和一个公交、人流共用出入口 3，其余均为人流出入口和连通通道（出口 1、2） 。枢纽通风主要采用柱底送风即下送风，平时柱底排风与上排风相结合，火灾情况下上排烟，风机为双速风机，送排风量分为 47005-89879m3/h，平时低速运行。下送风口与下排风口尺寸均为 3m1m，安装高度为下底距地面 0.3m，上排风兼排烟口尺寸为 3m1m，安装高度为 7m，设置送风机 14 台，其中上排烟兼排风机 11 台，下排风机 19 台。图 1 公交换乘站计算模型示意图Fig.1 schematic view of the calculated public
12、transport interchange station 1.2 描述污染物运动的数学模型研究枢纽内空气品质中，可以采取的假设包括 6：1）室内气体为理想气体，而且CO 源释放污染物恒定；2）公交枢纽内对除汽车排放的尾气外无其它热源，四周围护结构绝热。通风系统开启时，气流流动为非稳态的三维湍流流动，描述空气流动的物理量主要为：气流速度 ，空气压力 P、空气温度 T 和浓度 Cs。控制方程如下 8：iu连续性方程（1）0)(iixt动量方程（2）0()() 1()3ji j ji iii jjiiuuupgtxxxx 能量方程（3）qxTCuxTt iipiip )()(浓度方程（4）sisi
13、iss mxDxtC)()(式中 Cp 表示定压比热容，q 为热源功率。1.2 数值模拟方法及条件设置为了得到枢纽内空气参数分布特点及规律，需要求解控制方程。采用大涡模拟技术对求解，选择美国国家标准与技术研究院(NIST) 开发的数值软件 FDS5.0(Fire Dynamic Simulator 的简称)为模拟平台。它主要求解适用于低马赫数的浮力驱动流方程湍流场采用 Smagorinsky 形式的大涡模拟(LES)计算方法。该软件计算建筑火灾结果的准确性已得到了大量的实验验证 9。由于汽车排出尾气同时伴随放热，模拟中将汽车尾气管简化为一个发生化学反应（产物为 CO）且释放低功率的火源。枢纽的
14、空间的长和宽超过 150m，而单个送风口或者排风口面积只有 3m2 左右，为了真实地模拟 CO 释放源，将释放源设置在汽车尾部，大小 0.25m0.25m。在进行网格划分时，为优化计算速度总体分为了个三部分：由于下送排风口及 CO 释放源均位于0-3m 空间，上排风口位于 6-7m 空间，这两个区域流场变化大，故均采用0.25m0.25m0.25m 大小的网格，其余区域采用 0.5m0.5m0.5m 大小的网格，总数量为 210 万网格，计算区域网格数量已经通过网格独立性的验证 10。枢纽出入口边界条件包括出入口的风速、温度和CO依据现场实验的测定而定。由于各出入口处CO浓度测量值均低于1.0
15、mg/m 3，因此出入口气流假设CO浓度值为0.0。表1给出了枢纽出入口温度和风速的测试结果。表 1 高峰期出入口边界条件测试结果Table 1 On site test results at portals in peak hours 高峰期 低谷期测试位置 温度/ 风速/(m/s) 温度/ 风速 /(m/s)出口 1（地下广场） 1.1 0.2 1.5 0出口 1（地上出口） -0.4 0.48 0.2 0出口 2 -2.5 0.35 -2.5 0.2出口 3 -2.3 0.36 -2.2 0.3出口 4（车） -2 -0.31 -1.8 -0.04出口 5（车） -2.1 -0.2 -1
16、.8 -0.45注:风速为负值表示风速吹向公交枢纽外部在研究中公交枢纽送排风机分为开启和不开启两种状态，数据依据实际运行策略设置：当风机开启时送风方式为下送风，排风采用1/3 下排风，2/3 上排风的排风方式，下送风口风速2m/s，下排风口风速1.5m/s，上排风口风速2m/s；当风机不开启时，风速均为0。为了真实地模拟各个工况时枢纽内 CO 的分布情况，采用文献 11提供的方法确定公交车的释放因子，即公交运行期间 CO 释放因子是 8.66g/km，空转期间是 2.0 g/min。根据实际调研，每辆公交车在枢纽内平均空转（停车不熄火）10min 和运行400m，每辆公交车在枢纽内释放的 CO
17、 量：， 忽略运行时间按停留时间为 10min，每台车M8.640/12.03.46CO g辆在枢纽内 CO 平均产生率为 0.0391g/s。设定 CO 释放源的时候假定是 C 燃烧产生 CO，该工况下的化学反应热释放率为。 将公交车尾气排气管简化为 0.02m0.02m 热源，为了产生 23.464g9.2/HkJg的 CO，热源表面热释放率为： 20.391/.2/8.93/gskJgkWmm将 FDS 中的 burner 表面火源功率设定为 8.993kW/m2。在室外大气温度为 273K 条件下，实测车辆尾气排气温度为 350K。因此将温度设定为 350K，燃烧产物设定为Yco=1.
18、0，Y s=0.0，这样，通过参数设置，FDS 软件可以模拟出一辆公交车排气管处的CO 释放量和温度。忽略与外界接触部分枢纽壁面的向外散热。墙面和近地面边界条件采用无滑移边界条件。虽然公交车辆在枢纽内是空转，但在模拟过程中为了简化分析，按高峰期和低谷期公车辆数目设置固定源（热源和污染物产生源）分布见图2。1.3 模拟场景的设置由于现场测试时枢纽内风机均未开启，希望通过模拟分析开启风机状态枢纽内CO分布的变化。现场调查发现，车站人流和车流高峰期出现在工作日上午8：00-9：00和下午17：00-18:00，平均有22辆车在枢纽内运行。低谷时期大约在 10：00-11：00，平均14辆车在枢纽内运
19、行。选择模拟场景分为4个。场景1：车流密度在高峰期；风机不开启；场景2：车流密度在高峰期，风机开启；场景3：低谷期，风机不开启；场景4低谷期风机开启。a 高峰期 22 辆分布 b 低谷期 14 辆分布图 2 枢纽内部公交车位置分布示意图Fig.2 Schemetic view of bus positions in public transport interchange station 2 计算结果分析与讨论分析室内空气品质时重点考虑枢纽内成人呼吸高度处（1.6m ）和儿童呼吸高度处（0.8m）呼吸高度处 CO 浓度分布情况。表 2 给出风机未开启场景下的 CO 测试和计算结果平均值，并给出
20、风机运行状态下 CO 模拟分析结果。测量采用 DR95C 型 CO 浓度测试仪,检测精度 ，由于枢纽面积大，表 2 中的数值是通过选取枢纽内部（远3%离各出口 5m）20 个点位置的模拟或测量结果分别进行平均得到，可以看出，不开风机情况下的 CO 浓度模拟结果与计算结果基本吻合，从而验证了采用大涡模拟技术分析CO 浓度的有效性。表 2 不同场景下车站内 CO 浓度结果Table 2 CO concentrations in different scenes in the station场景 Z=0.8m 排气管处/ (mg/m 3)其它区域/ (mg/m3)Z=1.6m 排气管处/ (mg/m
21、 3)其它区域/ (mg/m3)No.1 高峰期、风机关No.2 高峰期、风机开No.3 低谷期、风机关No.4 低谷期、风机开120.1/116.3*60.0100.0/95.5*28.015.0/14.0*3.06.0/5.6*3.080.0/76.2*25.040.0/38.0*20.08.0/7.5*2.05.0/4.6*2.0注：标有“*”的数据表示枢纽内多点测量结果平均值在模拟过程，人员影响主要考虑入热源因素中，枢纽内热源包括了车辆因素和人员因素。考虑到人员在枢纽内停留时一般不超过 10min，研究重点放在室内空气品质结果分析上，温度、风速分布以及人员舒适性研究结果见文献 10。（
22、a）场景 1：Z=0.8m （b）场景 1：Z=1.6m（c）场景 2：Z=0.8m （d）场景 2：Z=1.6m图 3 高峰期枢纽内 CO 浓度分布图（单位 mg/m3）Fig 3 CO concentration in peak hour图 3(a)-(d)给出了交通处于高峰期时公交枢纽内整体 CO 浓度在 1.6m 和 0.8m 高度上的分布情况。在场景 1 公交车尾气排气管附近位置，CO 浓度达到 120 mg/m3，超过5min 最大允许值 115.0mg/m3，其它区域 CO 浓度也处于 10mg/m3 左右，人员长期停留对人员健康影响较大；场景 2 风机开启后大部分区域 CO 浓
23、度满足人员卫生健康要求，但是儿童呼吸高度 0.8m 的 CO 浓度总体高于成人呼吸高度 1.6m 处，因此可以增加下排风风量以便及时的从尾气处排走更多的 CO。图 4(a)-(d)给出了交通低谷期时枢纽内的 CO 浓度在 0.8m 和 1.6m 的分布情况。可以看出，由于空转车辆数的减少，枢纽内 CO 浓度远远低于高峰期时的 CO 浓度，但不开风机时，尾气管附近 CO 仍然保持在 100mg/m3，但是当风机开启时明显降低。而其它区域 CO 浓度较高峰期有明显下降。在开启风机场景下使 CO 浓度全面达到卫生标准的要求。 从 4 个场景模拟结果可以得到对于半封闭型的公交枢纽，由于与外界通风不畅，
24、冬季工作日高峰一定要开启风机系统以保证枢纽内空气品质要求。而对于非高峰期可以采用间歇运行的方式。由于车库内通风系统启动一般是与 CO 传感器联动 12，因此 CO 的装置放置位置建议设置在 0.8m 处。对于夏季运行主要考虑公交枢纽内温度因素，机械通风系统运行时间会增长，有关空气品质问题另行研究。此外，枢纽通风系统的效果只是通过数值模拟得到，缺乏翔实的现场实测数据，难以进行全面评价，需要进一步开展研究。（a）场景 3：Z=0.8m （b）场景 3：Z=1.6m（c）场景 4：Z=0.8m （d）场景 4：Z=1.6m图 4 低谷期 CO 浓度分布图（mg/m 3）Fig 4 CO concen
25、trations in trough hour 3 结 论通过对半封闭公交枢纽冬季高峰期和低谷期的 CO 浓度分布进行数值模拟和现场实测以及对枢纽内通风系统运行效果进行模拟，得到结论如下：1）枢纽不同交通量对公交枢纽内空气质量的影响明显，即使风机开启，高峰期的CO 浓度整体上是低谷期的一倍以上，考虑高峰期枢纽内人员的健康安全。枢纽内处于尾气排管高度（0.5-1.0m）的 CO 浓度明显高于其它高度浓度，由于儿童呼吸高度为0.8m 左右，需要特别注意枢纽内儿童健康安全。2）风机不开启时，高峰期汽车尾气部位的 CO 浓度超过人员 5min 承受极限值，低谷期时 CO 浓度虽然没有超过人员 5min
26、 承受极限，但也超过了人员 1h 承受浓度范围；风机开启时，汽车尾气部位的 CO 浓度降低到人员 5min 承受浓度极限值以下，但高峰期时依然超过人员 1h 承受浓度。可见风机的开启能够很好的控制 CO 浓度，提高枢纽内的空气质量，同时人员应当尽量远离排气管尾气部位，对于长期处于枢纽内的工作人员应特殊考虑其健康安全。3）由于现场测试工况中通风系统均未开启，故只能通过 CO 测点的测试数据与风机不开启时的模拟数据进行对比，发现实测数据略低于模拟数据，但在合理的误差范围内，从而验证了数值模拟技术的有效性。但对于通风系统效果全面评价需要进一步开展现场测试工作。References（参考文献）1 LI
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