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地下空间排风竖井对地面空气质量

影响分析及布置优化

1        引言

随着我国经济与建设的发展，城市化进程加快，土地需求增长和城市可用地有限性之间的矛盾日趋明显。开发地下空间成为扩大城市容量，解决城市人口、环境、资源等矛盾的重要举措之一^[1]。目前在全国各地已建或正在建设许多公共地下空间，取得了显著的经济和社会效益。

地下空间不同于地上空间，其建筑结构相对封闭，内部污染源多，导致地下空间空气质量相对较差，且某些疾病发病率大大高于地上空间，直接影响人们对于地下空间内部环境的评价，这已逐步引起了人们的关注^[2～7]。

同时，地下空间多处于繁华地区，其排风竖井排出的污浊空气将影响地面环境，特别是地下空间空气质量较为恶劣时，其排风往往对周围的地面空气造成二次污染。因此，选择合理的排风方式、合理布置排风竖井，以减少对地面环境的影响值得探讨，但是目前对地下空间的空调通风及防排烟系统设计时却较少考虑此问题。

本文将以单个排风竖井为研究对象，利用数值模拟（CFD：Computational Fluid Dynamics）的手段，对排风竖井的典型布置方案进行模拟，得出其对地面空间空气质量影响的定性规律，进而提出优化方案，为今后地下空间排风竖井的设计和布置提供建议。

 2        单个排风竖井对地面空气质量影响的模拟分析

2.1模拟分析的工具

在本次分析中，采用的商用CFD计算程序是PHOENICS。

2.2计算工况及模型

地下空间排风竖井有两种典型布置方案：方案一为高出地面排放（排风口在人员活动区以上）；方案二为高空排放（通常布置在群房顶部）。本节将针对此两种方案进行模拟分析。

2.2.1单个竖井模型

按照地下车库最大防火分区的排风量确定单个竖井风量为：4000m²×3m×6ACH＝72000m³/h。按照竖井内风速5m/s确定单个竖井尺寸为面积4m²，竖井横截面按正方形计算，则其尺寸为：2m×2m。假设排风风口位于竖井上部，四面侧向出风，出风速度4m/s，则单侧风口面积为1.25m²，风口尺寸为：2m（L）×0.625m（H）。

模拟方案一中竖井高度为2.625m，排风口底标高为2m；方案二的竖井高度假设为20.625m，排风口底标高20m。

2.2.2竖井的排风参数

文献调研显示，地下车库主要的气体污染物为CO；地下商场主要的气体污染物为CO₂及CO等，且浓度较高^[2]。当排风排出地面后，其含有的CO₂被稀释，其浓度增加对广场上人员的健康和安全影响极为有限，综合考虑地下空间污染物的浓度及特性，本文将一氧化碳（CO）浓度作为评价室外地上空间空气质量的考量指标。室外空气环境质量标准允许的污染物（CO）浓度限值如表1所示^[8]：

表1 室外CO浓度限值

本文将以4mg/m³和10mg/m³两种指标衡量竖井排出的CO对室外环境的影响。

本文以城市地下空间中的地下商场、地铁车站、地下车库三类典型地下空间为对象，不同用途的地下空间，其标准规定的CO浓度限值如表2所示^[9~13]：

表2 典型地下空间室内CO浓度限值

考虑最不利工况，以地下车库的排风CO浓度限值作为单个竖井排风的参数。

2.2.3 室外气象参数

本文以北京地区为例，夏季室外平均风速为2.2m/s^[14]。

2.2.4 计算模型的建立

单个竖井的计算区域为100m（X）×100m（Y）×30m（Z），将竖井置于计算区域中。

2.3       计算结果及分析

2.3.1 竖井布置方案一：高出地面排放

图1显示的是竖井布置方案一（高出地面排放，排风口在人员活动区以上）工况下，地上空间典型断面污染物CO的分布。暖色调为浓度较高的区域，冷色调为浓度较低的区域。图1-a为沿外部气流方向的浓度场剖面图（Y=50m），图1-b是沿人员呼吸区高度的浓度场剖面图（Z=1.5m）。

 

图1-a 中心面CO浓度场剖面图（Y=50m）	图1-b 人员呼吸区CO浓度场剖面图（Z=1.5m）

由图可见，在竖井周围，特别是其下风向区域污染物CO浓度明显较高，这是由于竖井排出的CO在外部风作用下迅速扩散，在下游形成了较高浓度场。由于竖井排风口仅高出地面2m布置，因此污染物沿地面扩散，竖井下游部分区域人员呼吸区高度的CO浓度明显高于限值。

为了进一步考察此竖井布置方案下排风的影响范围，特别是对于人员呼吸区（Z=1.5m）的影响，图1-c、1-d显示了CO浓度高于4mg/m³和10mg/m³的区域。

 

图1-c CO浓度高于4mg/m³的区域范围	图1-d CO浓度高于10mg/m³的区域范围

由图可见，在竖井布置方案一下，CO浓度高于4mg/m³的范围大于75m（X）×18m（Y）×6m（Z），高于10mg/m³的范围约为29m（X）×12m（Y）×5m（Z）。且影响区域覆盖了地面人员呼吸区，会对地面人员健康造成不利影响，将大大恶化周边的微环境。因此，方案一竖井高出地面排放，排风口略高于人员活动区的方式不可取。

2.3.2 竖井布置方案二：高空排放

图2-a（Y=50m）、图2-b（Z=1.5m）分别显示竖井布置方案二（高空排放）工况下，地上空间污染物CO的浓度场分布。

 

图2-a 中心面CO浓度场剖面图（Y=50m）	图2-b 人员呼吸区CO浓度场剖面图（Z=1.5m）

由图可见，类似于方案一，竖井排出的CO在外部风的作用下迅速扩散，在竖井下风向区域形成了较高浓度场。但不同于方案一的是，方案二中竖井是高空排放，污染物迅速被带走，基本未扩散至地面，因此竖井下游人员呼吸区高度的CO浓度很小，基本不受影响。

图2-c、2-d进一步显示了CO浓度高于4mg/m³和10mg/m³的区域。

 

图2-c CO浓度高于4mg/m³的区域范围	图2-c CO浓度高于4mg/m³的区域范围

由图可见，在方案二的竖井布置方案下，CO浓度高于4mg/m³的范围约62m（X）×18m（Y）×6.3m（Z），高于10mg/m³的范围约为27m（X）×12m（Y）×4m（Z）。影响区域主要为风向下游，且均在17.5m以上高度，未涉及地面人员呼吸区，可认为对地面人员健康基本无影响。因此，方案二高空排放的方式可取。

 3        竖井布置的优化

由上述分析可知，方案二的竖井布置方式比方案一对地面环境空气质量的影响小很多，因此更优。但是采用高空排放（特别是群房顶部排放）的方式竖井往往要大量占用各层有效建筑面积（或者要建较高的风塔），从经济性（或美观性）角度考虑较差。可能的折中方式是地下空间的排风通过竖井抽至地面以上，从地面上某层（或某一高度）的排风口排出（方案三）。其次，由于外部气象条件对污染物扩散和稀释的影响很大，为了进一步考察极端条件下方案三竖井排风对地面环境的影响，本节对外部风速为0.1m/s的工况进行了模拟，此时可视为室外基本无风，这对污染物扩散和稀释是不利的。

图3给出模拟结果，此时排风口的底标高为10m，外部风速为0.1m/s。图3-a显示了此时人员呼吸区高度（z=1.5m）处CO浓度场，图3-b显示了CO浓度高于10mg/m³的区域。

 

图3-a 人员呼吸区CO浓度场剖面图（Z=1.5m）	图3-b CO浓度高于10mg/m³的区域范围

由图可见，虽然外部风速极小，但是CO浓度大于10mg/m³的区域仍在高于8m高的区域，未扩散至地面人员活动区，人员活动区CO浓度仍可达到时均一级标准。考虑到外部无风是极端情况，而室外全年绝大多数时间下保持一定风速，因此可认为此竖井布置高度下排风对地面人员活动区的空气质量基本无影响。

同时，通过以上模拟分析可见，地下空间的排风竖井宜布置在外部来流的下风向，其下游不宜布置需开窗的高建筑物；竖井宜布置在外部风速较大的区域，以使外部来流迅速稀释和带走污染物；竖井不宜布置在低速或有旋涡的区域。 

4        总结

本文针对地下空间竖井排风对地面空气质量影响的问题，以单个排风竖井为研究对象，对其典型布置方案进行模拟分析及优化，得出其对地面空间空气质量影响的定性规律，为地下空间排风竖井的设计和布置方案提供如下建议：

1．竖井高出地面排放（排风口在人员活动区以上）的方式对地面空气质量影响很大，不宜采用；

2．条件许可的情况下，建议采用竖井高空排放（如置于群房顶上）；

3．折中的排放方式（排风通过竖井抽至地面以上，从地面上某层或某高度的排风口排出，如排风口高于10m），排风对地面空气质量的影响将大大小于排风口仅在人员活动区以上的情况，可择机采用；

4．竖井宜布置在外部来流的下风向，且其下游尽量避免布置需开窗的建筑物；竖井尽量布置在风速较大的区域；不宜布置在低速或有旋涡的区域；不宜布置在高层建筑周围。

5.对复杂的大型建筑或建筑群，建议对其周边的流场进行模拟，在此基础上，按以上建议布置竖井。

此外，控制地下空间的空气质量，降低排风中的污染物浓度也是解决此问题的重要手段。

本文研究思路具有通用性。若改变排风量及竖井风口尺寸，对规律性结果无影响，假如风量加大，风口出风速度不变，加大风口面积即可，竖井方案对地面广场影响的定性结论仍同上。