地鐵新環(huán)控系統(tǒng)可行性分析及性能優(yōu)化

楊 昭，馬 鋒，賈士紅，余龍清

(1. 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津路安電氣化監(jiān)理有限公司，天津 300250)

地鐵環(huán)控系統(tǒng)是地鐵的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著為乘客提供安全舒適的人工環(huán)境、滿足事故通風(fēng)要求的任務(wù)[1-4]．目前，越來越多的地鐵車站使用屏蔽門系統(tǒng)或安全門系統(tǒng)，二者皆有優(yōu)缺點(diǎn)：在空調(diào)季節(jié)，屏蔽門系統(tǒng)可有效避免隧道內(nèi)的熱量進(jìn)入站臺(tái)，大大減少地鐵車站夏季空調(diào)能耗，但在非空調(diào)季節(jié)，地鐵車站不能有效利用隧道活塞風(fēng)進(jìn)行通風(fēng)，增大了通風(fēng)能耗；安全門系統(tǒng)能夠有效利用活塞風(fēng)進(jìn)行通風(fēng)，降低非空調(diào)季節(jié)通風(fēng)能耗，但空調(diào)季節(jié)活塞風(fēng)的影響使車站空調(diào)能耗增加[5-7]．筆者結(jié)合屏蔽門系統(tǒng)和安全門系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出一種帶可控風(fēng)口的新環(huán)控系統(tǒng)．目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)類似系統(tǒng)的研究報(bào)告較少，系統(tǒng)各參數(shù)的確定和優(yōu)化缺乏理論依據(jù)，方案具體節(jié)能效果缺乏量化評(píng)價(jià)，因此，筆者對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，旨在為地鐵環(huán)控系統(tǒng)的節(jié)能提供理論依據(jù)和指導(dǎo)．

1 新環(huán)控系統(tǒng)運(yùn)行原理

新環(huán)控系統(tǒng)的基本思想是在系統(tǒng)中安裝可控風(fēng)口以使其兼具屏蔽門系統(tǒng)和安全門系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)．對(duì)可控風(fēng)口的面積、安裝位置等參數(shù)優(yōu)化分析[8]后，確定新環(huán)控系統(tǒng)方案，如圖1所示．

圖1 新環(huán)控系統(tǒng)示意(局部)Fig.1 Schematic of new environmental control system(part)

通過控制可控風(fēng)口的開啟與關(guān)閉，切換系統(tǒng)的運(yùn)行模式：空調(diào)季節(jié)可控風(fēng)口關(guān)閉，系統(tǒng)按照傳統(tǒng)屏蔽門系統(tǒng)運(yùn)行，保持了屏蔽門系統(tǒng)空調(diào)季節(jié)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)；非空調(diào)季節(jié)可控風(fēng)口開啟，系統(tǒng)按照安全門系統(tǒng)運(yùn)行，車站可有效利用隧道活塞風(fēng)進(jìn)行通風(fēng)以降低站臺(tái)站廳通風(fēng)能耗．

以新環(huán)控系統(tǒng)在我國(guó)南方某新建地鐵的應(yīng)用為例，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件 Fluent模擬隧道內(nèi)活塞風(fēng)的變化規(guī)律及活塞風(fēng)對(duì)地鐵車站的影響，以進(jìn)一步分析新環(huán)控系統(tǒng)的舒適性及節(jié)能效果．

2 模型與方法

可控風(fēng)口關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)按屏蔽門系統(tǒng)運(yùn)行，隧道內(nèi)的活塞風(fēng)對(duì)車站內(nèi)氣流組織沒有影響，因此主要針對(duì)可控風(fēng)口開啟時(shí)的工況進(jìn)行分析．

模擬過程中忽略風(fēng)機(jī)運(yùn)行、人員等因素對(duì)空氣流動(dòng)的影響，僅關(guān)注由列車運(yùn)行產(chǎn)生的活塞風(fēng)及其對(duì)地鐵車站的影響．

2.1 物理模型

根據(jù)地鐵車站及隧道實(shí)際尺寸建立可控風(fēng)口開啟時(shí)的二維、三維簡(jiǎn)化模型，分別如圖2和圖3所示．

由于地鐵列車運(yùn)行情況復(fù)雜，隧道內(nèi)活塞風(fēng)大小、方向多變，模擬時(shí)分別考慮列車進(jìn)站過程和出站過程，以車站 B為參考．進(jìn)站過程指從 t＝0時(shí)刻開始列車從車站 A出發(fā)駛向車站 B的過程；出站過程指從t＝0時(shí)刻開始列車從車站B出發(fā)駛向車站C的過程．列車加速階段加速度為 0.83,m/s2，最高運(yùn)行速度22.2,m/s，列車減速階段加速度為-1,m/s2．

圖2 二維模型Fig.2 Two-dimensional models

圖3 三維模型Fig.3 Three-dimensional model

2.2 數(shù)學(xué)模型

當(dāng)空氣流動(dòng)速度小于 68,m/s時(shí)，其密度變化小于 1%，可將地鐵內(nèi)空氣視為不可壓縮流體[9-10]．考慮地鐵系統(tǒng)內(nèi)氣體流動(dòng)狀態(tài)為不可壓縮非穩(wěn)態(tài)湍流，采用湍流運(yùn)輸模型中的標(biāo)準(zhǔn) k-ε雙方程模型[10-15]對(duì)模型進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)模擬．

質(zhì)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程

k 方程

ε方程

式中：ui為流體在 i方向上的速度，m/s；xi為坐標(biāo)在 i方向上的分量，m；t為時(shí)間，s；ρ為空氣密度，kg/m3；p為靜壓，Pa；ηt為湍流黏性系數(shù)，Pa·s.

2.3 邊界條件

二維模擬中，隧道斷面、活塞風(fēng)井出口采用壓力邊界條件；隧道、車站、列車等壁面采用非滑移邊界條件．

三維模擬中，隧道口 1、隧道口 3采用速度邊界條件，風(fēng)速為二維模擬中模擬出的活塞風(fēng)速值；隧道口 2、隧道口 4、樓梯口及活塞風(fēng)井出口采用壓力邊界條件，隧道及車站壁面采用非滑移邊界條件．

3 結(jié)果與分析

3.1 隧道內(nèi)活塞風(fēng)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知列車速度及位置對(duì)隧道內(nèi)活塞風(fēng)有重要影響．可控風(fēng)口開啟時(shí)，列車進(jìn)站、出站過程中隧道內(nèi)活塞風(fēng)速的變化如圖4所示．

圖4 列車速度及隧道口活塞風(fēng)速Fig.4 Speed of train and piston wind in tunnels

如圖 4(a)所示，進(jìn)站過程中，列車經(jīng)過聯(lián)絡(luò)通道前，隧道口1和隧道口3的活塞風(fēng)速隨列車速度的增加而緩慢增加．列車通過聯(lián)絡(luò)通道后，由于列車前方無聯(lián)絡(luò)通道的分流作用，隧道口1處的活塞風(fēng)速突然增大；列車后方，由于負(fù)壓作用，空氣從相鄰隧道由聯(lián)絡(luò)通道流入，隧道口 3速度逐漸減小最終改變方向．列車開始減速時(shí)，隧道口1和隧道口3處的活塞風(fēng)速開始減小，但活塞風(fēng)速度減小速率小于列車速度減小速率，當(dāng)列車停車后，活塞風(fēng)仍持續(xù)一段時(shí)間．

如圖4(b)所示，出站過程中，由于車站B與車站C之間沒有聯(lián)絡(luò)通道，隧道口2的活塞風(fēng)速隨列車速度的增加而增加，列車勻速運(yùn)行時(shí)活塞風(fēng)速仍緩慢增加．當(dāng)列車開始減速時(shí)，活塞風(fēng)速開始減小，列車停車后，活塞風(fēng)仍持續(xù)一段時(shí)間．

3.2 站臺(tái)速度場(chǎng)

為了滿足站臺(tái)內(nèi)乘客舒適性要求，站臺(tái)內(nèi)瞬時(shí)風(fēng)速不宜超過 5,m/s[16]，由圖 4可知隧道內(nèi)活塞風(fēng)速最大值可達(dá)12 m/s，因此有必要對(duì)可控風(fēng)口打開時(shí)活塞風(fēng)對(duì)站臺(tái)內(nèi)氣流組織的影響進(jìn)行分析．

新環(huán)控系統(tǒng)可控風(fēng)口位于站臺(tái)層頂部(見圖 1)，活塞風(fēng)對(duì)站臺(tái)內(nèi)氣流組織的影響從上到下逐漸減弱，因此，只需分析最不利時(shí)刻即活塞風(fēng)對(duì)站臺(tái)內(nèi)氣流組織影響最大時(shí)刻乘客頭部高度平面的氣流組織即可.

圖5為列車進(jìn)站、出站過程中最不利時(shí)刻距離站臺(tái)地面1.7,m平面的氣流速度分布．

圖5 站臺(tái)速度場(chǎng)分布Fig.5 Velocity field distribution of platform

如圖 5(a)所示，進(jìn)站過程中，站臺(tái)內(nèi)氣流速度最大值出現(xiàn)在列車進(jìn)站端端門處，為 4.5,m/s左右，樓梯口處的風(fēng)速約 2.5,m/s，站臺(tái)內(nèi)大部分區(qū)域風(fēng)速小于2,m/s，人員活動(dòng)區(qū)域風(fēng)速適宜，舒適性較好．

如圖 5(b)所示，出站過程中，站臺(tái)內(nèi)氣流速度最大值出現(xiàn)在列車出站端端門處，約 3,m/s，樓梯口處風(fēng)速約 2,m/s，站臺(tái)內(nèi)大部分區(qū)域風(fēng)速小于 1,m/s，人員活動(dòng)區(qū)域風(fēng)速適宜，舒適性較好．

列車進(jìn)站、出站過程中，站臺(tái)內(nèi)速度場(chǎng)滿足乘客舒適性要求，新環(huán)控系統(tǒng)切實(shí)可行．

3.3 節(jié)能效果分析

若可控風(fēng)口開啟，列車進(jìn)站過程中，車站隧道內(nèi)正壓使得空氣由隧道進(jìn)入站臺(tái)，站臺(tái)內(nèi)壓力升高，繼而促使空氣從站臺(tái)流向臨側(cè)隧道和站廳；列車出站過程中，由于車站隧道內(nèi)負(fù)壓使得空氣由站臺(tái)流向隧道，站臺(tái)內(nèi)壓力降低，空氣從臨側(cè)隧道和站廳流向站臺(tái)，同時(shí)室外新風(fēng)進(jìn)入站廳．在隧道溫度和室外溫度都不高的過渡季節(jié)充分利用活塞風(fēng)進(jìn)行通風(fēng)能顯著降低地鐵車站通風(fēng)能耗．

站臺(tái)站廳 1,d中各時(shí)間段的活塞風(fēng)通風(fēng)量與該時(shí)間段的行車對(duì)數(shù)有關(guān)，行車對(duì)數(shù)越多，活塞風(fēng)通風(fēng)量越大．根據(jù)計(jì)算，可控風(fēng)口打開時(shí)，1 d中各時(shí)間段由活塞風(fēng)引起的站臺(tái)站廳通風(fēng)量如圖6所示．

圖6 1,d中各時(shí)間段站臺(tái)站廳活塞風(fēng)通風(fēng)量Fig.6 Ventilation of platform and station hall caused by piston wind during one day

圖6 中2條水平直線從上到下分別表示站廳、站臺(tái)滿足5次換氣次數(shù)所需通風(fēng)量．可以看出，在活塞風(fēng)通風(fēng)量最少時(shí)間段，即5∶00—6∶00和22∶00—23∶00時(shí)，站臺(tái)站廳活塞風(fēng)通風(fēng)量也能滿足 5次換氣所需風(fēng)量要求．

利用活塞風(fēng)進(jìn)行通風(fēng)，一方面會(huì)將溫度較高的隧道空氣帶入站臺(tái)站廳，另一方面又將溫度較低的室外空氣引入站臺(tái)站廳，因此，需要結(jié)合地鐵車站熱負(fù)荷及室外氣象條件，合理控制可控風(fēng)口的開啟與關(guān)閉，若利用活塞風(fēng)進(jìn)行通風(fēng)能降低地鐵車站的環(huán)控能耗，則打開可控風(fēng)口，反之，則關(guān)閉可控風(fēng)口使之發(fā)揮屏蔽門系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)．

使用溫頻法對(duì)車站進(jìn)行能耗分析：采用新環(huán)控系統(tǒng)后，車站 B空調(diào)季節(jié)空調(diào)能耗 288,938,kW·h，相比于傳統(tǒng)屏蔽門系統(tǒng)可減少了 4.5%；非空調(diào)季節(jié)通風(fēng)能耗 26,386,kW·h，相比于傳統(tǒng)屏蔽門系統(tǒng)可節(jié)省65.3%，全年節(jié)能17.3%，節(jié)能效果明顯．

4 結(jié) 論

(1) 所提出的新環(huán)控系統(tǒng)既可保持屏蔽門系統(tǒng)空調(diào)季節(jié)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，又可在非空調(diào)季節(jié)充分利用活塞風(fēng)進(jìn)行通風(fēng)．

(2) 可控風(fēng)口開啟時(shí)，站臺(tái)內(nèi)乘客活動(dòng)區(qū)域氣流速度小于 5,m/s，滿足乘客舒適性要求，新環(huán)控系統(tǒng)切實(shí)可行．

(3) 與傳統(tǒng)屏蔽門系統(tǒng)相比，新環(huán)控系統(tǒng)空調(diào)季空調(diào)能耗減少 4.5%，非空調(diào)季節(jié)通風(fēng)能耗減少65.3%，全年節(jié)能17.3%，節(jié)能效果顯著．

［1］ 那艷玲，黃桂興. 深圳地鐵車站通風(fēng)與火災(zāi)的仿真模擬及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，39(增)：213-219.Na Yanling，Huang Guixing. CFD analog simulation and test on ventilation and fire of subway stations in Shenzhen[J]. Journal of Tianjin University，2006，39(Suppl)：213-219(in Chinese).

［2］ Jae Seong Roh，Hong Sun Ryou，Won Hee Park. CFD simulation and assessment of life safety in a subway train fire[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2009，24(4)：447-453.

［3］ Ampofo F，Maidment G，Missenden J. Underground railway environment in the UK(Part 2)：Investigation of heat load[J]. Applied Thermal Engineering，2004，24(4)：633-645.

［4］ Hong Wonhwa，Kim Samuel. A study on the energy consumption unit of subway stations in Korea[J]. Building and Environment，2004，39(12)：1497-1503.

［5］ Hu Shih Cheng，Lee Jen Ho. Influence of platform screen doors on energy consumption of the environment control system of a mass rapid transit system：Case study of the Taipei MRT system [J]. Energy Conversion and Management，2004，45(5)：639-650.

［6］ Ke Ming Tsun，Cheng Tsung Che，Wang Wen Por.Numerical simulation for optimizing the design of subway environmental control system [J]. Building and Environment，2002，37(11)：1139-1152.

［7］ 周 鵬. 島式站臺(tái)通風(fēng)節(jié)能性研究[D]. 天津：天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2010.Zhou Peng. Study on Ventilation System About Energy Saving of Subway Island Station[D]. Tianjin：School of Mechanical Engineering，Tianjin University，2010(in Chinese).

［8］ 楊 昭，任 勇，尹海蛟. 地鐵新環(huán)控系統(tǒng)熱力學(xué)分析及優(yōu)化[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)，2010，31(7)：1085-1088.Yang Zhao，Ren Yong，Yin Haijiao. Thermodynamic analysis and optimization for new environmental control system of subway [J]. Journal of Engineering Thermophysics，2010，31(7)：1085-1088(in Chinese).

［9］ 蔡增基，龍?zhí)煊? 流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.Cai Zengji，Long Tianyu. Fluid Pumps and Fans[M].Beijing：China Architecture and Building Press，2009(in Chinese).

［10］ 彭小勇，顧煒莉，柳建祥. 低速氣體流動(dòng)不可壓縮性理論解析[J]. 南華大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，18(3)：34-40.Peng Xiaoyong，Gu Weili，Liu Jianxiang. A theoretical analysis of incompressibility of the low speed gas flow[J]. Journal of Nanhua University，2004，18(3)：34-40(in Chinese).

［11］ Kim J Y，Kim K Y. Experimental and numerical analyses of train-induced unsteady tunnel flow in subway[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2007，22(2)：166-172.

［12］ Li Wei，Na Yanling. Numerical analysis on ventilating and air conditioning scheme of Shenyang subway station[J]. Transactions of Tianjin University，2007，13(2)：147-151.

［13］ Yuan Fengdong，You Shijun. CFD simulation and optimization of the ventilation for subway side-platform[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2007，22(4)：474-482.

［14］ 賈 力，黃 鵬，楊立新. 地鐵車站內(nèi)流動(dòng)特性的數(shù)值模擬[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，32(1)：83-87.Jia Li，Huang Peng，Yang Lixin. Numerical simulation of flow characteristics in subway station[J]. Journal of Beijing Jiaotong University，2008，32(1)：83-87(in Chinese).

［15］ 覃 新. 頂部開孔地鐵區(qū)間隧道自然通風(fēng)計(jì)算研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2009.Tan Xin. Investigation of Nature Ventilation in Subway Tunnel with Upper Vents [D]. Chengdu：School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，2009(in Chinese).

［16］ 中華人民共和國(guó)建設(shè)部. GB50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.Ministry of Construction of the People′s Republic of China. GB50157—2003 Code for Metro Design[S]. Beijing：China Planning Press，2003(in Chinese).