地下空間排風(fēng)豎井對(duì)地面空氣質(zhì)量影響分析及布置優(yōu)化

地下空間排風(fēng)豎井對(duì)地面空氣質(zhì)量影響分析及布置優(yōu)化摘要本文針對(duì)地下空間排風(fēng)豎井對(duì)地面空氣質(zhì)量影響的問(wèn)題，以單個(gè)排風(fēng)豎井為研究對(duì)象，用數(shù)值模擬的方法，對(duì)其典型布置方案進(jìn)行分析及優(yōu)化，得出其排風(fēng)對(duì)地面空間空氣質(zhì)量影響的定性規(guī)律，并對(duì)地下空間排風(fēng)豎井的設(shè)計(jì)和布置方案提出了若干建議。關(guān)鍵詞地下空間；排風(fēng)豎井；空氣質(zhì)量；數(shù)值模擬引言隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與建設(shè)的發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，土地需求增長(zhǎng)和城市可用地有限性之間的矛盾日趨明顯。開發(fā)地下空間成為擴(kuò)大城市容量，解決城市人口、環(huán)境、資源等矛盾的重要舉措之一[1]。目前在全國(guó)各地已建或正在建設(shè)許多公共地下空間，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。地下空間不同于地上空間，其建筑結(jié)構(gòu)相對(duì)封閉，內(nèi)部污染源多，導(dǎo)致地下空間空氣質(zhì)量相對(duì)較差，且某些疾病發(fā)病率大大高于地上空間，直接影響人們對(duì)于地下空間內(nèi)部環(huán)境的評(píng)價(jià)，這已逐步引起了人們的關(guān)注[2～7]。同時(shí)，地下空間多處于繁華地區(qū)，其排風(fēng)豎井排出的污濁空氣將影響地面環(huán)境，特別是地下空間空氣質(zhì)量較為惡劣時(shí)，其排風(fēng)往往對(duì)周圍的地面空氣造成二次污染。因此，選擇合理的排風(fēng)方式、合理布置排風(fēng)豎井，以減少對(duì)地面環(huán)境的影響值得探討，但是目前對(duì)地下空間的空調(diào)通風(fēng)及防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)卻較少考慮此問(wèn)題。本文將以單個(gè)排風(fēng)豎井為研究對(duì)象，利用數(shù)值模擬（CFD：ComputationalFluidDynamics）的手段，對(duì)排風(fēng)豎井的典型布置方案進(jìn)行模擬，得出其對(duì)地面空間空氣質(zhì)量影響的定性規(guī)律，進(jìn)而提出優(yōu)化方案，為今后地下空間排風(fēng)豎井的設(shè)計(jì)和布置提供建議。單個(gè)排風(fēng)豎井對(duì)地面空氣質(zhì)量影響的模擬分析2.1模擬分析的工具在本次分析中，采用的商用CFD計(jì)算程序是PHOENICS。2.2計(jì)算工況及模型地下空間排風(fēng)豎井有兩種典型布置方案：方案一為高出地面排放（排風(fēng)口在人員活動(dòng)區(qū)以上）；方案二為高空排放（通常布置在群房頂部）。本節(jié)將針對(duì)此兩種方案進(jìn)行模擬分析。2.2.1單個(gè)豎井模型按照地下車庫(kù)最大防火分區(qū)的排風(fēng)量確定單個(gè)豎井風(fēng)量為：4000m2×3m×6ACH＝72000m3/h。按照豎井內(nèi)風(fēng)速5m/s確定單個(gè)豎井尺寸為面積4m2，豎井橫截面按正方形計(jì)算，則其尺寸為：2m×2m。假設(shè)排風(fēng)風(fēng)口位于豎井上部，四面?zhèn)认虺鲲L(fēng)，出風(fēng)速度4m/s，則單側(cè)風(fēng)口面積為1.25m2，風(fēng)口尺寸為：2m（L）×0.625m（H）。模擬方案一中豎井高度為2.625m，排風(fēng)口底標(biāo)高為2m；方案二的豎井高度假設(shè)為20.625m，排風(fēng)口底標(biāo)高20m。2.2.2豎井的排風(fēng)參數(shù)文獻(xiàn)調(diào)研顯示，地下車庫(kù)主要的氣體污染物為CO；地下商場(chǎng)主要的氣體污染物為CO2及CO等，且濃度較高[2]。當(dāng)排風(fēng)排出地面后，其含有的CO2被稀釋，其濃度增加對(duì)廣場(chǎng)上人員的健康和安全影響極為有限，綜合考慮地下空間污染物的濃度及特性，本文將一氧化碳（CO）濃度作為評(píng)價(jià)室外地上空間空氣質(zhì)量的考量指標(biāo)。室外空氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)允許的污染物（CO）濃度限值如表1所示[8]：表1室外CO濃度限值污染物名稱取值時(shí)間濃度限值濃度單位一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)一氧化碳(CO)日平均446mg/m31h平均101020本文將以4mg/m3和10mg/m3兩種指標(biāo)衡量豎井排出的CO對(duì)室外環(huán)境的影響。本文以城市地下空間中的地下商場(chǎng)、地鐵車站、地下車庫(kù)三類典型地下空間為對(duì)象，不同用途的地下空間，其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的CO濃度限值如表2所示[9~13]：表2典型地下空間室內(nèi)CO濃度限值地下商場(chǎng)地下車站及換乘地下車庫(kù)CO濃度(mg/m3)51030考慮最不利工況，以地下車庫(kù)的排風(fēng)CO濃度限值作為單個(gè)豎井排風(fēng)的參數(shù)。2.2.3室外氣象參數(shù)本文以北京地區(qū)為例，夏季室外平均風(fēng)速為2.2m/s[14]。2.2.單個(gè)豎井的計(jì)算區(qū)域?yàn)?00m（X）×100m（Y）×30m（Z），將豎井置于計(jì)算區(qū)域中。計(jì)算結(jié)果及分析2.3.1豎井布置方案一：高出地面排放圖1顯示的是豎井布置方案一（高出地面排放，排風(fēng)口在人員活動(dòng)區(qū)以上）工況下，地上空間典型斷面污染物CO的分布。暖色調(diào)為濃度較高的區(qū)域，冷色調(diào)為濃度較低的區(qū)域。圖1-a為沿外部氣流方向的濃度場(chǎng)剖面圖（Y=50m），圖1-b是沿人員呼吸區(qū)高度的濃度場(chǎng)剖面圖（Z=1.5m）。圖1-a中心面CO濃度場(chǎng)剖面圖（Y=50m）圖1-b人員呼吸區(qū)CO濃度場(chǎng)剖面圖（Z=1.5m）由圖可見(jiàn)，在豎井周圍，特別是其下風(fēng)向區(qū)域污染物CO濃度明顯較高，這是由于豎井排出的CO在外部風(fēng)作用下迅速擴(kuò)散，在下游形成了較高濃度場(chǎng)。由于豎井排風(fēng)口僅高出地面2m布置，因此污染物沿地面擴(kuò)散，豎井下游部分區(qū)域人員呼吸區(qū)高度的CO濃度明顯高于限值。為了進(jìn)一步考察此豎井布置方案下排風(fēng)的影響范圍，特別是對(duì)于人員呼吸區(qū)（Z=1.5m）的影響，圖1-c、1-d顯示了CO濃度高于4mg/m3和10mg/m3的區(qū)域。圖1-cCO濃度高于4mg/m3的區(qū)域范圍圖1-dCO濃度高于10mg/m3的區(qū)域范圍由圖可見(jiàn)，在豎井布置方案一下，CO濃度高于4mg/m3的范圍大于75m（X）×18m（Y）×6m（Z），高于10mg/m3的范圍約為29m（X）×12m（Y）×5m（Z）。且影響區(qū)域覆蓋了地面人員呼吸區(qū)，會(huì)對(duì)地面人員健康造成不利影響，將大大惡化周邊的微環(huán)境。因此，方案一豎井高出地面排放，排風(fēng)口略高于人員活動(dòng)區(qū)的方式不可取。2.3.2豎井布置方案二：高空排放圖2-a（Y=50m）、圖2-b（Z=1.5m）分別顯示豎井布置方案二（高空排放）工況下，地上空間污染物CO的濃度場(chǎng)分布。圖2-a中心面CO濃度場(chǎng)剖面圖（Y=50m）圖2-b人員呼吸區(qū)CO濃度場(chǎng)剖面圖（Z=1.5m）由圖可見(jiàn)，類似于方案一，豎井排出的CO在外部風(fēng)的作用下迅速擴(kuò)散，在豎井下風(fēng)向區(qū)域形成了較高濃度場(chǎng)。但不同于方案一的是，方案二中豎井是高空排放，污染物迅速被帶走，基本未擴(kuò)散至地面，因此豎井下游人員呼吸區(qū)高度的CO濃度很小，基本不受影響。圖2-c、2-d進(jìn)一步顯示了CO濃度高于4mg/m3和10mg/m3的區(qū)域。圖2-cCO濃度高于4mg/m3的區(qū)域范圍圖2-dCO濃度高于10mg/m3的區(qū)域范圍由圖可見(jiàn)，在方案二的豎井布置方案下，CO濃度高于4mg/m3的范圍約62m（X）×18m（Y）×6.3m（Z），高于10mg/m3的范圍約為27m（X）×12m（Y）×4m（Z）。影響區(qū)域主要為風(fēng)向下游，且均在17.5m以上高度，未涉及地面人員呼吸區(qū)，可認(rèn)為對(duì)地面人員健康基本無(wú)影響。因此，方案二高空排放的方式可取。豎井布置的優(yōu)化由上述分析可知，方案二的豎井布置方式比方案一對(duì)地面環(huán)境空氣質(zhì)量的影響小很多，因此更優(yōu)。但是采用高空排放（特別是群房頂部排放）的方式豎井往往要大量占用各層有效建筑面積（或者要建較高的風(fēng)塔），從經(jīng)濟(jì)性（或美觀性）角度考慮較差。可能的折中方式是地下空間的排風(fēng)通過(guò)豎井抽至地面以上，從地面上某層（或某一高度）的排風(fēng)口排出（方案三）。其次，由于外部氣象條件對(duì)污染物擴(kuò)散和稀釋的影響很大，為了進(jìn)一步考察極端條件下方案三豎井排風(fēng)對(duì)地面環(huán)境的影響，本節(jié)對(duì)外部風(fēng)速為0.1m/s的工況進(jìn)行了模擬，此時(shí)可視為室外基本無(wú)風(fēng)，這對(duì)污染物擴(kuò)散和稀釋是不利的。圖3給出模擬結(jié)果，此時(shí)排風(fēng)口的底標(biāo)高為10m，外部風(fēng)速為0.1m/s。圖3-a顯示了此時(shí)人員呼吸區(qū)高度（z=1.5m）處CO濃度場(chǎng)，圖3-b顯示了CO濃度高于10mg/m3的區(qū)域。圖3-a人員呼吸區(qū)CO濃度場(chǎng)剖面圖（Z=1.5m）圖3-bCO濃度高于10mg/m3的區(qū)域范圍由圖可見(jiàn)，雖然外部風(fēng)速極小，但是CO濃度大于10mg/m3的區(qū)域仍在高于8m高的區(qū)域，未擴(kuò)散至地面人員活動(dòng)區(qū)，人員活動(dòng)區(qū)CO濃度仍可達(dá)到時(shí)均一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到外部無(wú)風(fēng)是極端情況，而室外全年絕大多數(shù)時(shí)間下保持一定風(fēng)速，因此可認(rèn)為此豎井布置高度下排風(fēng)對(duì)地面人員活動(dòng)區(qū)的空氣質(zhì)量基本無(wú)影響。同時(shí)，通過(guò)以上模擬分析可見(jiàn)，地下空間的排風(fēng)豎井宜布置在外部來(lái)流的下風(fēng)向，其下游不宜布置需開窗的高建筑物；豎井宜布置在外部風(fēng)速較大的區(qū)域，以使外部來(lái)流迅速稀釋和帶走污染物；豎井不宜布置在低速或有旋渦的區(qū)域?？偨Y(jié)本文針對(duì)地下空間豎井排風(fēng)對(duì)地面空氣質(zhì)量影響的問(wèn)題，以單個(gè)排風(fēng)豎井為研究對(duì)象，對(duì)其典型布置方案進(jìn)行模擬分析及優(yōu)化，得出其對(duì)地面空間空氣質(zhì)量影響的定性規(guī)律，為地下空間排風(fēng)豎井的設(shè)計(jì)和布置方案提供如下建議：1．豎井高出地面排放（排風(fēng)口在人員活動(dòng)區(qū)以上）的方式對(duì)地面空氣質(zhì)量影響很大，不宜采用；2．條件許可的情況下，建議采用豎井高空排放（如置于群房頂上）；3．折中的排放方式（排風(fēng)通過(guò)豎井抽至地面以上，從地面上某層或某高度的排風(fēng)口排出，如排風(fēng)口高于10m），排風(fēng)對(duì)地面空氣質(zhì)量的影響將大大小于排風(fēng)口僅在人員活動(dòng)區(qū)以上的情況，可擇機(jī)4．豎井宜布置在外部來(lái)流的下風(fēng)向，且其下游盡量避免布置需開窗的建筑物；豎井盡量布置在風(fēng)速較大的區(qū)域；不宜布置在低速或有旋渦的區(qū)域；不宜布置在高層建筑周圍。5.對(duì)復(fù)雜的大型建筑或建筑群，建議對(duì)其周邊的流場(chǎng)進(jìn)行模擬，在此基礎(chǔ)上，按以上建議布置豎井。此外，控制地下空間的空氣質(zhì)量，降低排風(fēng)中的污染物濃度也是解決此問(wèn)題的重要手段。本文研究思路具有通用性。若改變排風(fēng)量及豎井風(fēng)口尺寸，對(duì)規(guī)律性結(jié)果無(wú)影響，假如風(fēng)量加大，風(fēng)口出風(fēng)速度不變，加大風(fēng)口面積即可，豎井方案對(duì)地面廣場(chǎng)影響的定性結(jié)論仍同上。參考文獻(xiàn)張慶賀.地下工程[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2004韓宗偉,王嘉,邵曉亮,等.城市典型地下空間的空氣污染特征及其凈化對(duì)策[J].暖通空調(diào),2009,39(11):21-30劉英義,馬吉民,呂躍林.地下商場(chǎng)內(nèi)部空氣品質(zhì)探析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2001,20(2):34-36孟廣田,楊純?nèi)A.地下空間病態(tài)建筑綜合癥調(diào)查及其診治[J].暖通空調(diào),2001,31(5):53郭重山,楊軼戩,鐘嶷,等.地鐵站車務(wù)人員上呼吸系統(tǒng)疾病的環(huán)境因素調(diào)查[J].環(huán)境與健康雜志,2007,24(1):37-39莫偉文,王培杰,甘和平,等.地下鐵道車站內(nèi)空氣質(zhì)量衛(wèi)生學(xué)調(diào)查[J].上海預(yù)防醫(yī)學(xué)雜志,2004,16(5):230-232曹勇.地下空間熱環(huán)境和空氣品質(zhì)測(cè)試報(bào)告[R].中國(guó)建筑科學(xué)研究院,2008國(guó)家環(huán)境保護(hù)局.GB3095—1996環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1996國(guó)家人民防空辦公室,中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部.GB/T17216—1998人防工程平時(shí)使用環(huán)境衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1998國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.GB9670—1996商場(chǎng)(店)、書店衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1996國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.GB9672—1996公共