地鐵隧道活塞風(fēng)實(shí)測(cè)及特征分析

齊江浩，趙蕾，王君，李德輝，郭永楨，鄧保順

(1.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055;2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710055)

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地鐵隧道活塞風(fēng)實(shí)測(cè)及特征分析

齊江浩1，趙蕾1，王君1，李德輝2，郭永楨2，鄧保順2

(1.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055;2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710055)

摘要:對(duì)西安地鐵2號(hào)線某站上、下行線隧道以及活塞風(fēng)道中的風(fēng)速和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析冬季最冷月和夏季最熱月列車行駛過程中隧道與活塞風(fēng)道內(nèi)氣流的運(yùn)動(dòng)特性及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：對(duì)于安裝有屏蔽門的車站，列車活塞風(fēng)對(duì)隧道空間和活塞風(fēng)道環(huán)境影響巨大，活塞風(fēng)大小主要受室外與地下溫度差異、隧道結(jié)構(gòu)、列車運(yùn)行狀況、行駛空氣阻力、空氣與壁面之間的摩擦及列車會(huì)車情況等因素影響。

關(guān)鍵詞：西安地鐵；市圖書館站；測(cè)試；活塞風(fēng)

目前，地鐵已成為構(gòu)建多層次、高能效、立體化城市軌道交通的重要方式。地鐵活塞風(fēng)對(duì)于封閉于地下的隧道和車站環(huán)境的通風(fēng)換氣至關(guān)重要?；钊L(fēng)量的大小與列車在隧道內(nèi)的阻塞比、行駛速度、空氣阻力系數(shù)和隧道的阻力、是否設(shè)置有通風(fēng)豎井、豎井的個(gè)數(shù)和位置以及地鐵系統(tǒng)的運(yùn)行方式等因素有關(guān)。迄今，圍繞活塞風(fēng)的特性、活塞風(fēng)對(duì)地鐵環(huán)境的影響已經(jīng)開展了大量研究。如王樹剛等[1-3]均對(duì)地鐵活塞風(fēng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)。但是，以上實(shí)測(cè)研究均針對(duì)于非屏蔽門系統(tǒng)的地鐵車站。西安地鐵2號(hào)線線路全長(zhǎng)26.4 km，共設(shè)21座車站，平均站間距1.2 km，車站均采用屏蔽門系統(tǒng)。采用B2型列車，最高行車速度80 km/h，初、近、遠(yuǎn)期列車均按6輛編組，遠(yuǎn)期運(yùn)能4.32萬人次/h。為了解西安地鐵2號(hào)線活塞風(fēng)在隧道通風(fēng)中所發(fā)揮的作用，探索地鐵環(huán)控系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行模式，筆者于2014年1月16,17和21日早高峰以及7月17,18和21日晚高峰時(shí)段，分別在2號(hào)線緯一街、鐘樓、市圖書館站3個(gè)有代表性的車站對(duì)列車運(yùn)行過程中隧道及活塞風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)速及溫度狀況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。

1測(cè)試方案

1.1測(cè)試儀器

測(cè)試儀器選用能達(dá)到微風(fēng)啟動(dòng)的、可以同時(shí)測(cè)量溫度、濕度、風(fēng)速、壓力等多個(gè)參數(shù)、儲(chǔ)存容量約為1.8 G的 Testo480多功能測(cè)量?jī)x，內(nèi)置2個(gè)K型熱電偶接頭和3個(gè)數(shù)字探頭，該儀器由一高度約為1.3 m的三腳架支撐。該儀器溫度測(cè)量范圍為-200.0～+1 370.0 ℃，精度為±(0.3 ℃+測(cè)量值的0.1%)；所內(nèi)置的差壓傳感器的量程為-25～25 hPa，精度為±0.3 Pa，分辨率為0.1 Pa；內(nèi)置的大氣壓傳感器的量程為700～1 100 hPa，精度為±3 hPa，分辨率0.1 hPa；內(nèi)置的熱線風(fēng)速傳感器的量程為0～20 m/s，精度為±0.03 m/s，分辨率為0.01 m/s。

1.2測(cè)試方案

本文僅對(duì)市圖書館站的測(cè)試數(shù)據(jù)加以分析。市圖書館站為地下2層島式車站，車站全長(zhǎng)208 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度18.5 m，有效站臺(tái)長(zhǎng)度120 m，島式站臺(tái)寬10 m，站廳公共區(qū)面積1 188 m2，站臺(tái)層公共區(qū)面積1 050 m2，設(shè)備及管理用房分設(shè)于車站地下1層、2層南北兩端。在車站南、北端地面上分別設(shè)有1座區(qū)間隧道活塞機(jī)械風(fēng)亭，1座新風(fēng)亭和1座排風(fēng)亭。南面為大明宮西站，北面為鳳城五路站，下行線出站端設(shè)有配線與上行線進(jìn)站段連通。西安地鐵2號(hào)線全線采用單活塞風(fēng)道的運(yùn)行方案，沿行車方向的遠(yuǎn)端活塞風(fēng)閥常開，而近端活塞風(fēng)閥常閉，即風(fēng)閥1和4開啟，而2和3閉合，如圖1所示。測(cè)試分為4個(gè)工況進(jìn)行，主要監(jiān)測(cè)了上、下行線站臺(tái)隧道及活塞風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)速、溫度以及室外氣溫。每個(gè)工況測(cè)量30 min，設(shè)定Testo480的采樣周期為1 s，室外溫度則每10 min記錄1次。并在測(cè)試站和相鄰兩站記錄上、下行線列車到站及駛離時(shí)間。測(cè)點(diǎn)布置以及各測(cè)試工況分別如圖1及表1～2所示。

根據(jù)流體力學(xué)的基本原理，當(dāng)管內(nèi)流體雷諾數(shù)Re>4 000時(shí)，流動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)化為湍流。地鐵活塞風(fēng)可視為湍流，且整個(gè)流動(dòng)橫斷面上的速度及溫度分布比較均勻，可近似視為沿隧道方向的一維流動(dòng)[4-5]。因此，監(jiān)測(cè)隧道橫斷面上某點(diǎn)的風(fēng)速可代表整個(gè)斷面的平均風(fēng)速。

活塞風(fēng)道內(nèi)VP1和VP3測(cè)點(diǎn)布置在活塞風(fēng)道內(nèi)，距離豎向活塞風(fēng)閥2 m處。站臺(tái)隧道VP5～VP8測(cè)點(diǎn)布置在屏蔽門系統(tǒng)端門外階梯平臺(tái)上，距離邊壁1.2 m。以上測(cè)點(diǎn)高度均為1.3 m。

備注：活塞口1和4風(fēng)閥開啟，而2和3閉合。VP1和VP3為活塞風(fēng)道測(cè)點(diǎn)，VP5～VP8為站臺(tái)隧道測(cè)點(diǎn)。圖1　市圖書館站內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Measuring point arrangement of city library station

測(cè)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)位置測(cè)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)位置VP1站臺(tái)左端活塞風(fēng)道內(nèi)(下行線)VP6上行線、屏蔽門站臺(tái)左端門外側(cè)VP3站臺(tái)右端活塞風(fēng)道內(nèi)(上行線)VP7下行線、屏蔽門站臺(tái)右端門外側(cè)VP5下行線、屏蔽門站臺(tái)左端門外側(cè)VP8上行線、屏蔽門站臺(tái)右端門外側(cè)

表2　各測(cè)試工況

2測(cè)試結(jié)果與分析

2.1室外溫度實(shí)測(cè)狀況

2014-01-21和7-21測(cè)試時(shí)段分別為7∶00～9∶30和17∶00～19∶00，測(cè)得室外溫度動(dòng)態(tài)變化情況如圖2所示，冬、夏季測(cè)試時(shí)段內(nèi)的最低溫度分別為-1.2和35.5 ℃。最高溫度分別為1.2和37.5 ℃。

圖2　室外溫度動(dòng)態(tài)變化曲線Fig.2 Change curves of outdoor temperature

2.2站臺(tái)隧道及活塞風(fēng)道中的風(fēng)速和溫度

2.2.1工況1時(shí)段風(fēng)速與溫度變化情況

工況1以下行線為測(cè)試線路，分別在冬季早高峰7∶10～7∶45時(shí)段和夏季晚高峰17∶00～17∶30時(shí)段進(jìn)行，冬、夏季測(cè)試時(shí)段內(nèi)下行線分別共有5或6趟列車經(jīng)過市圖書館站。監(jiān)測(cè)了站臺(tái)隧道及活塞風(fēng)道內(nèi)1，3，5和7測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)速和溫度，其動(dòng)態(tài)變化曲線分別如圖3～4所示。

(a)風(fēng)速曲線；；(b)溫度曲線圖3　冬季早高峰時(shí)段工況1各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速和溫度動(dòng)態(tài)變化曲線Fig.3 Wind speed and temperature change of working conditions 1 during morning rush in winter

(a)風(fēng)速曲線；(b)溫度曲線圖4　夏季晚高峰時(shí)段工況1各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速和溫度動(dòng)態(tài)變化曲線Fig.4 Wind speed and temperature change of working conditions 1 during evening peak in summer

可見，各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速和溫度隨著列車的駛?cè)牒婉傠x呈周期性的變化。活塞風(fēng)道內(nèi)的測(cè)點(diǎn)VP1和VP3受室外進(jìn)出氣流的影響不僅風(fēng)速變化顯著，而且溫度也起伏有序地變化。冬季活塞風(fēng)道中測(cè)點(diǎn)VP1和VP3風(fēng)速的波動(dòng)幅度較夏季的小，且其溫度冬、夏季分別在3～14 ℃和28～35 ℃之間波動(dòng)。站臺(tái)隧道進(jìn)站端測(cè)點(diǎn)VP7的風(fēng)速波動(dòng)幅度比出站端測(cè)點(diǎn)VP5的風(fēng)速波動(dòng)幅度大，但因其均處于隧道內(nèi)部，故溫度整體穩(wěn)定，僅有微小波動(dòng)。冬季早高峰測(cè)點(diǎn)VP5溫度為17.49 ℃左右，VP7的為18.54 ℃左右；夏季晚高峰測(cè)點(diǎn)VP5溫度為26.02 ℃左右，VP7的為25.59 ℃左右。

2.2.2工況1第3個(gè)行車周期內(nèi)風(fēng)速變化規(guī)律分析

為了更清楚地揭示列車在車站和區(qū)間隧道中啟停和行駛過程中活塞風(fēng)所發(fā)揮的通風(fēng)作用，以第3趟列車為對(duì)象加以分析。該列車冬季早高峰7∶33∶04車頭駛離大明宮西站，行駛274 s后于7∶37∶38車頭到達(dá)鳳城五路站；該列車夏季晚高峰17∶06∶21車頭駛離大明宮西站，行駛252 s后于17∶10∶33車頭到達(dá)鳳城五路站。即冬、夏季的第1 058～1 332 s和623～875 s時(shí)段該列車分別在測(cè)試站相鄰的兩個(gè)區(qū)間段內(nèi)行駛。其中,該列車冬、夏季分別從第1 058 s和第623 s開始，依次處于大-市區(qū)間中運(yùn)行、減速進(jìn)站、在站?？俊⒓铀匐x站和在市-鳳區(qū)間運(yùn)行列狀態(tài)，冬季歷時(shí)94 s(大-市區(qū)間)，22 s(減速進(jìn)站)，44 s(停站)，18 s(啟動(dòng)離站)和95 s(市-鳳區(qū)間)以及夏季歷時(shí)86 s(大-市區(qū)間)，19 s(減速進(jìn)站)，43 s(停站)，16 s(啟動(dòng)離站)和85 s(市-鳳區(qū)間)。冬、夏季工況1測(cè)試時(shí)段各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速變化曲線對(duì)比分別如圖5所示。

(a)冬季早高峰；(b)夏季晚高峰圖5　第3趟列車整個(gè)行駛過程中各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速變化曲線Fig.5 Wind speed change of all measuring points about the third train

1)站臺(tái)隧道內(nèi)風(fēng)速的變化規(guī)律

圖5表明，冬季早高峰列車啟動(dòng)加速駛?cè)氪?市區(qū)間中時(shí)，帶動(dòng)氣流運(yùn)動(dòng)，并卷席室外空氣經(jīng)上游車站活塞風(fēng)道進(jìn)入?yún)^(qū)間隧道中，站臺(tái)隧道內(nèi)進(jìn)站端測(cè)點(diǎn)VP7的風(fēng)速隨著列車的加速駛來先逐漸增大，最大可達(dá)5 m/s，當(dāng)列車達(dá)到勻速行駛后，該測(cè)點(diǎn)風(fēng)速在波動(dòng)中不斷降低；當(dāng)列車減速進(jìn)站時(shí)該點(diǎn)的風(fēng)速急劇下降至0.5 m/s；當(dāng)列車在站?？亢?，因列車尾流效應(yīng)仍較強(qiáng)，故VP7的風(fēng)速有所回升，達(dá)到2 m/s，后隨尾流效應(yīng)的減弱而又逐漸降低；列車加速離站時(shí)因行駛速度尚不高且逐漸駛遠(yuǎn)，所形成的尾流效應(yīng)較微弱，故該點(diǎn)風(fēng)速保持在1 m/s左右。站臺(tái)隧道出站端測(cè)點(diǎn)VP5的風(fēng)速變化規(guī)律與VP7的基本類似，但列車駛來時(shí)因其距離列車尚較遠(yuǎn)，受隧道的沿程和局部阻力以及站臺(tái)隧道內(nèi)所設(shè)的軌頂和軌底排熱風(fēng)口的共同作用[4]，測(cè)點(diǎn)VP5比測(cè)點(diǎn)VP7的風(fēng)速小，只是在列車加速離站后的約10 s內(nèi)，該點(diǎn)風(fēng)速會(huì)急劇上升到5 m/s,而后又逐漸降低到1 m/s左右。而夏季列車從大明宮站加速啟動(dòng)后最初的25 s內(nèi)，進(jìn)站端測(cè)點(diǎn)VP7的風(fēng)速則比出站端測(cè)點(diǎn)VP5的風(fēng)速大，而后測(cè)點(diǎn)VP5的風(fēng)速逐漸增強(qiáng)并超過進(jìn)站端測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速；列車減速進(jìn)站并?？空九_(tái)后，測(cè)點(diǎn)VP7的風(fēng)速又逐漸超過VP5的風(fēng)速；列車加速離站后，測(cè)點(diǎn)VP5的風(fēng)速急劇上升到約6 m/s，而后又逐漸降低到2 m/s，并略高于測(cè)點(diǎn)VP7的風(fēng)速。

因冬季室外氣溫較低，低溫氣流易下沉，故當(dāng)列車從大明宮站啟動(dòng)駛?cè)霚y(cè)試站時(shí)，經(jīng)活塞風(fēng)道會(huì)卷吸更多的室外新風(fēng)[4]，所以冬季早高峰時(shí)段涌入進(jìn)站端測(cè)點(diǎn)VP7的風(fēng)量明顯高于夏季晚高峰時(shí)段的值。

2)活塞風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速的變化規(guī)律

圖5表明，列車從大明宮站駛來、在站?？窟^程中，下行線活塞風(fēng)道內(nèi)測(cè)點(diǎn)VP1的風(fēng)速先逐漸增大而后有所下降；當(dāng)列車駛離該站進(jìn)入市—鳳區(qū)間且車尾經(jīng)過活塞風(fēng)口后，該點(diǎn)風(fēng)速又顯著增大，最大可達(dá)3.5 m/s，而后再逐漸減小，并在波動(dòng)中趨于平穩(wěn)。冬季早高峰下行線該列車駛離測(cè)試站遠(yuǎn)去時(shí)，上行線中列車正在駛來。由于上行線活塞風(fēng)道內(nèi)測(cè)點(diǎn)VP3的風(fēng)速主要受其中列車行駛情況的影響，與下行線中列車進(jìn)出車站的狀況關(guān)系不大，故當(dāng)下行線中有列車駛來之時(shí)，測(cè)點(diǎn)VP3的風(fēng)速很小，直到上行線中有列車駛來時(shí)，該點(diǎn)風(fēng)速才會(huì)逐漸增大。因測(cè)試站出站端設(shè)有配線，故此刻上行線中列車所攜帶的活塞風(fēng)會(huì)部分滲透到下行線側(cè)，經(jīng)下行線活塞風(fēng)道排出,受其影響，測(cè)點(diǎn)VP1的風(fēng)速也較大。

夏季測(cè)試時(shí)段當(dāng)下行線中列車從大明宮站駛來時(shí)，上行線中正好有列車在站停留，受其影響，測(cè)點(diǎn)VP1的風(fēng)速較大，可達(dá)6 m/s，明顯大于冬季的值；當(dāng)列車加速駛離測(cè)試站進(jìn)入?yún)^(qū)間隧道，車尾后部空間處于負(fù)壓，尤其是當(dāng)車尾經(jīng)過活塞風(fēng)口后，會(huì)從活塞風(fēng)道吸入室外新鮮空氣，故測(cè)點(diǎn)VP1風(fēng)速顯著增大，而后隨著列車的遠(yuǎn)離，風(fēng)速逐漸減小。此時(shí),上行線內(nèi)列車正在市-大區(qū)間內(nèi)高速運(yùn)行，并逐漸遠(yuǎn)離測(cè)試站，故上行線活塞風(fēng)道內(nèi)測(cè)點(diǎn)VP3的風(fēng)速呈逐漸減小趨勢(shì)。

還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)列車駛過下行線出站端測(cè)點(diǎn)(VP5)和活塞風(fēng)道測(cè)點(diǎn)(VP1)時(shí)，兩測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速均較低，且波動(dòng)不大。

3)各測(cè)點(diǎn)的溫度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

如圖6所示，第3列車的行車周期內(nèi)，站臺(tái)隧道內(nèi)測(cè)點(diǎn)VP5和VP7在冬季基本穩(wěn)定在18～19 ℃，進(jìn)站端測(cè)點(diǎn)溫度略高于出站端測(cè)點(diǎn)；而夏季溫度則為26～27 ℃左右，進(jìn)站端測(cè)點(diǎn)溫度略低于出站端測(cè)點(diǎn)；下行線和下行線活塞風(fēng)道內(nèi)的溫度隨著列車進(jìn)、出車站呈現(xiàn)逐步升高然后再逐漸下降的周期性變化規(guī)律，冬季活塞風(fēng)道內(nèi)溫度低于站臺(tái)隧道內(nèi)的溫度，而夏季則高于站臺(tái)隧道內(nèi)溫度。這是由于站臺(tái)隧道內(nèi)地鐵進(jìn)站端和出站端測(cè)點(diǎn)與外界氣流不直接相通，故溫度較穩(wěn)定；而列車啟動(dòng)、加速、行駛、上坡、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)等過程中所產(chǎn)生的熱量以及空調(diào)冷凝器的散熱會(huì)進(jìn)入隧道內(nèi)[6-8]，隨著列車逐漸駛近活塞風(fēng)口而從活塞風(fēng)道涌出，列車駛離后則又會(huì)卷席外界的冷或熱空氣進(jìn)入活塞風(fēng)道。冬季測(cè)試時(shí)段室外溫度約為-1.2 ℃，夏季約為37 ℃。因此，活塞風(fēng)道內(nèi)的氣流溫度冬季呈現(xiàn)先逐漸升高再逐漸降低(從6～8 ℃升高到12～14 ℃再降低到3～4 ℃)的變化規(guī)律，而夏季則呈現(xiàn)先逐漸降低再逐漸升高(從33～36 ℃降低到28 ℃再逐漸升高到29 ℃或33 ℃)的變化規(guī)律。上、下行線列車進(jìn)、出站的時(shí)間不同步，且上行線活塞風(fēng)道內(nèi)的溫度峰值比下行線內(nèi)的低2～3 ℃。

(a)冬季早高峰；(b)夏季晚高峰圖6　第3趟列車整個(gè)行駛過程中各測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線Fig.6 Temperature change of all measuring points about the third train

3活塞風(fēng)井通風(fēng)換氣效果

為便于分析，將列車在大明宮西-市圖書館-鳳城五路3站運(yùn)行簡(jiǎn)化為3站兩區(qū)間的無坡、直線運(yùn)行。列車在隧道內(nèi)運(yùn)行產(chǎn)生的熱量包括列車啟動(dòng)、加速、走行、減速制動(dòng)和冷凝器散熱。列車運(yùn)行產(chǎn)熱及活塞風(fēng)井通風(fēng)量計(jì)算如下。

3.1冬季早高峰時(shí)段

3.1.1列車運(yùn)行產(chǎn)熱

1)大-市區(qū)間走行產(chǎn)熱量

走行阻力r1如下式[9]：

(1)

發(fā)熱量如下式：

R1=9.8r1Wl

(2)

式中：v為列車正常行駛速度，km/h(正常行駛速度60 km/h)；n為列車編組數(shù)(為6節(jié))；l為走行距離(大-市區(qū)間為1 200 m)；W為列車總重量(取284 T)。

2)制動(dòng)產(chǎn)熱量

(3)

式中：v1為列車正常行駛速度，km/h；v2為列車進(jìn)站口緩行速度，km/h。

列車進(jìn)站口緩行速度19.64 km/h。此階段車站隧道排熱風(fēng)機(jī)未開。制動(dòng)再生效率按38%[10]計(jì)算。

3)列車在市圖書館站啟動(dòng)產(chǎn)熱量

R3=9.8r3·W·L

(4)

式中：L為列車啟動(dòng)走行距離。

啟動(dòng)阻力r3為19.6 N/T，當(dāng)速度啟動(dòng)到2～3 km/h，L一般為10 m。

4)加速阻力產(chǎn)熱量

(5)

式中：a為列車加速度，取0.75 m2/s[11]； v4為列車勻速行駛速度，取60 km/h；v3為列車啟動(dòng)階段速度，取16.38 m/s。

5)市-鳳區(qū)間走行產(chǎn)熱計(jì)算同大-市區(qū)間。

6)冷凝器發(fā)熱量

R5=6×40×2×t

(6)

式中：t為空調(diào)運(yùn)行時(shí)間，為273 s。

列車每節(jié)車廂配備了2臺(tái)40 kW的頂置空調(diào)器。

通過計(jì)算，冬季早高峰列車運(yùn)行各階段散熱如表3所示，冬季站臺(tái)與隧道溫度偏差不大，列車停站屏蔽門開啟時(shí)的空氣對(duì)流換熱忽略不計(jì)[12]。

表3　冬季列車散熱量

3.1.2活塞風(fēng)井通風(fēng)換熱量

計(jì)算公式如下：

Qd=ρVd(ih-in)

(7)

大-市區(qū)間運(yùn)行，大明宮西站北端活塞風(fēng)井進(jìn)風(fēng)，活塞風(fēng)井截面積為20 m3，測(cè)得平均風(fēng)速為2.53 m/s。隧道內(nèi)溫度18.05 ℃，相對(duì)濕度為19.3%，室外溫度為-1.1 ℃，相對(duì)濕度30%。計(jì)算得到，通風(fēng)換氣量為4 756.4 m3，換熱量為141 018 kJ。同樣算得各階段活塞風(fēng)作用下?lián)Q氣量及換熱量如表4所示。

表4冬季活塞風(fēng)通風(fēng)量及換熱量

Table 4 Ventilation and heat transfer rate of piston wind operation in winter

運(yùn)行各階段換氣量/m3換熱量/kJ大-市區(qū)間4756.4141018減速制動(dòng)514.815312.6停站118835585加速離站90027100市-鳳區(qū)間4807143826總量12166.2362841.6

3.2夏季晚高峰時(shí)段

3.2.1列車運(yùn)行產(chǎn)熱

通過上述方法計(jì)算得到，夏季晚高峰列車在各階段散熱如表5所示。

表5　夏季列車散熱量

夏季車站公共區(qū)空調(diào)開啟，站臺(tái)與隧道溫度偏差較大，列車停站屏蔽門開啟時(shí)的空氣對(duì)流換熱不能忽略。如式(7)，滲透風(fēng)量取7 m3/s[13]，站臺(tái)溫度測(cè)得為28 ℃，相對(duì)濕度為52.5%，列車停站時(shí)隧道內(nèi)溫度高達(dá)36.5 ℃，相對(duì)濕度測(cè)得為74.09%。通過計(jì)算得到屏蔽門開啟換熱量為20 023.73 kJ。

3.2.2活塞風(fēng)井通風(fēng)換熱量

大-市區(qū)間運(yùn)行，大明宮西站北端活塞風(fēng)井平均風(fēng)速測(cè)得為2.04 m/s。此時(shí)隧道內(nèi)溫度26.02 ℃，相對(duì)濕度為72.36%，室外溫度為37.35 ℃，濕球溫度為25.8 ℃。計(jì)算得到，通風(fēng)換氣量為3 508.8 m3，換熱量為63 377.98 kJ。同樣算得各階段活塞風(fēng)作用下?lián)Q氣量及換熱量如表6所示。

表6夏季活塞風(fēng)通風(fēng)量及換熱量

Table 6 Ventilation and Heat transfer Rate of piston wind operation in summer

運(yùn)行各階段換氣量/m3換熱量/kJ大-市區(qū)間3508.863377.98減速制動(dòng)1622.628077.65停站118820308.96加速離站176.43018.08市-鳳區(qū)間341762367.8總量9912.8177150.5

以上可知，冬季早高峰列車從大明宮西到鳳城五路站產(chǎn)生483 033.2 kJ熱量散發(fā)到隧道，而列車運(yùn)行活塞風(fēng)量為12 166.2 m3，在站臺(tái)隧道排熱系統(tǒng)未開啟的情況下排除362 841.6 kJ的熱量。冬季列車活塞風(fēng)可有效地排除列車運(yùn)行散發(fā)到隧道內(nèi)的熱量，且增強(qiáng)了隧道與室外的通風(fēng)換氣，提高了隧道空氣品質(zhì)。

夏季期間不僅列車運(yùn)行產(chǎn)生的熱量散發(fā)到隧道，活塞通風(fēng)室外高溫空氣進(jìn)入隧道也會(huì)加劇隧道溫升。列車活塞風(fēng)僅僅增強(qiáng)了隧道的通風(fēng)換氣。

4結(jié)論

1)列車在隧道內(nèi)運(yùn)行產(chǎn)生的活塞風(fēng)變化復(fù)雜，但各處的風(fēng)速及溫度變化隨列車運(yùn)行呈現(xiàn)有規(guī)律的周期性變化。

2)列車活塞風(fēng)受多種因素影響，主要受到列車運(yùn)行速度、空氣與壁面之間的摩擦、列車會(huì)車情況、活塞風(fēng)井的相對(duì)位置、配線位置等因素影響，且活塞風(fēng)風(fēng)速在不同情況下變化較大。

3)冬季列車運(yùn)行產(chǎn)生的活塞風(fēng)可實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)有效通風(fēng)換氣，且可排除列車運(yùn)行產(chǎn)生的大部分熱量，此處3站2隧道1個(gè)行車周期列車產(chǎn)熱達(dá)483 033.2 kJ，活塞風(fēng)井通風(fēng)換氣量可達(dá)12 166.2 m3，排除362 841.6 kJ的熱量。夏季期間雖然活塞風(fēng)作用使室外高溫氣流進(jìn)入隧道，加劇隧道溫升，但活塞風(fēng)保證了隧道新風(fēng)供給，改善了隧道空氣品質(zhì)，滿足車廂空調(diào)器新風(fēng)要求。

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Subway piston wind measurement and analysis of Xi’an metro Line 2QI Jianghao1，ZHAO Lei1，WANG Jun1，LI Dehui2，GUO Yongzhen2，DENG Baoshun2

(1. School of Environmental and Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China;2. China Railway First Surver & Design Institute Group Co. Ltd. , Xi’an 710055, China)

Abstract:A station of Xi’an Metro Line 2 is selected as study object. The wind speed and temperature in running tunnel and piston ventilation shafts of uplink and downlink is analyzed. The airflow movement, piston wind regular pattern of running tunnel and piston ventilation shafts during train running in the coldest month of winter and the hottest month of summer is also studied. According to the result，for the station with platform screen doors，piston wind greatly influence the surroundings of tunnel and piston ventilation shaft. The subway piston wind is significantly influenced by indoor and outdoor difference in temperature，structure of tunnel，the workings of train，air resistance，trains meeting and so on.

Key words：Xi'an Metro Line 2；City Library Station；test；subway piston wind

中圖分類號(hào)：TU834

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)05-0740-08

通訊作者：趙蕾(1971-)，女，陜西西安人，教授，從事地鐵活塞風(fēng)研究；E-mail：1021248669@qq.com

收稿日期：2015-07-26