城市地鐵活塞風對地鐵環(huán)境的影響規(guī)律與有效應用分析

柯亞楠

摘要：活塞風通過隧道和出入口引起地鐵環(huán)境的變化,是地鐵能耗的重要影響因素，在過渡季節(jié)和冬季充分利用活塞風是實現(xiàn)地鐵通風系統(tǒng)進一步節(jié)能的有效措施。風口屏蔽門系統(tǒng)可有效利用活塞風,因其兼具安全、舒適的特點，較之傳統(tǒng)的半高安全門系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)具有許多優(yōu)點，重點探討活塞風對地鐵環(huán)境的影響規(guī)律、活塞風的有效利用對地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響和帶風口屏蔽門系統(tǒng)在北方城市的適用性。

關鍵字：城市地鐵 活塞風 地鐵環(huán)境 影響規(guī)律 有效應用

1.某城市地鐵概況

某城市地鐵里程全長26.188公里，全線共設22座車站，其中高架站有8座，地下站有 13 座，地面車站有1座，站間距離最小為 0.784 公里，最大為 1.624 公里，平均為 1.225 公里，站臺有效長度均為 120 m，站臺兩端部均有站端風井，每站4條，區(qū)間隧道有雙跨矩形有中柱(雙線單洞)、雙跨矩形有隔墻、單跨矩形、圓型盾構(gòu)四種，車站兩端各有兩個機械風井，既有線各區(qū)間中部均有兩個機械風井，列車車廂尺寸長寬高值分別為19.52m、2.8m、3.51m，動車自重37t，拖車自重 27 t,帶司機室車定員 252 人，一列載額定乘客列車總質(zhì)量為 298.2t。安裝了平均高度為 1.4m 的安全門，拓寬看乘客在候車時的站立空間,適當減少活塞風對站臺的影響，降低列車進出站時產(chǎn)生的噪聲，在過渡季和冬季還可以利用活塞風滿足車站新風需求。

2.活塞風速理論計算

當列車在隧道中運行時，隧道中的空氣被列車帶動而順著列車運行前進的方向流動，這一現(xiàn)象稱為列車的活塞作用，所形成的氣流稱為活塞氣流。列車在隧道中運行時,由于隧道壁所構(gòu)成空間的限制,列車所推擠的空氣不能全部繞流到列車后方,必然有部分空氣會被

列車向前推動，排出到隧道出口之外，而列車尾端后方存在著負壓渦旋區(qū)域，因

此也必然會有相應空氣經(jīng)開口被引入到隧道中，由此形成活塞風。如下圖所示：

圖1：活塞風形成原理示意圖

空氣的流動要受到物理守恒定律的支配,其理論基礎是空氣動力學原理,即空氣流動過程中的質(zhì)量守恒、能量守恒和動量守恒定律，其質(zhì)量守恒方程為：

按照按一維運動連續(xù)性微分方程考慮，則有：

其中A代表隧道橫斷面積，p代表空氣密度，v代表氣流平均速度。

地鐵車站活塞風量的影響因素很多，如活塞的風井數(shù)量及位置、車輛對數(shù)及組數(shù)、列車運行速度、車站形式、隧道形式等，風井的位置和隧道形式不同,計算得出進站口和出站口活塞風速均不相同。此外，車輛對數(shù)的增加將增加每小時帶來的活塞風量，列車越長活塞風速越大。

3.活塞效應下車站溫度變化影響因素

地鐵車站溫度的變化與其本身存在的內(nèi)熱源的大小有關,如照明散熱量、設備散熱量、客流量、列車散熱量、車輛對數(shù)及編組數(shù)等有關,同時也與車站的形式、隧道的形式有關,車站的自然通風量和機械通風量關系到站內(nèi)余熱量排除情況,因此對車站溫度變化產(chǎn)生了決定性的影響,而對于自然通風量大的車站,室外氣溫的變化也會對車站溫度變化產(chǎn)生較大的影響。客流量的增加使得室內(nèi)余熱量增加,則在通風工況不變的情況下室內(nèi)空氣溫度將會升高，如下午 16:00 左右客流量很少,此時室外氣溫為 16℃，低于站內(nèi)空氣溫度，列車即將進站時溫度開始上升,列車出站后溫度迅速下降。這是因為由于列車運行、剎車和啟動均產(chǎn)生大量熱量,使得空間溫度升高,而列車出站后,在站內(nèi)形成負壓,室外空氣由出入口吸入站內(nèi),將列車留下的余熱帶走,則空間溫度降低。過渡季節(jié)室外新風的溫度比較低,當新風量增加的時候,可降低室內(nèi)溫度?；钊L作用下,站臺靠近出入口處溫度變化隨著室外氣溫的降低而有所降低。

4.地鐵活塞風對站臺環(huán)境影響規(guī)律數(shù)學模型的建立及驗證

計算流體力學)是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示,對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。通過數(shù)值模擬，我們可以得到極其復雜問題的流場內(nèi)各個位置上的基本物理量的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況，確定旋渦分布特性、空化特性及脫流區(qū)等。

4.1構(gòu)建數(shù)學模型

某車站結(jié)構(gòu)尺寸為120m×19.2 m×8.13 m，列車尺寸規(guī)格為117.12 m×2.8 m×3.58m，列車冷凝器在車頂部，制動電阻在車廂底部。站廳層只設送風口,尺寸為 600mm×300mm,共 64 個,布置在距站廳底部裝修面3.0m的高度上，站臺層采用上送風,軌頂排風以及軌底回/排風的氣流組織形式，送風口尺寸為 700mm×350mm，共72個，分兩排均勻布置在距站臺板

3.0m高度位置，軌頂排風口尺寸為 1000mm×500mm，共108個，距站臺板3.0m軌底回/排風口尺寸為500mm×300mm，兩排共120個，均勻布置在站臺板下面站臺兩側(cè)距站臺邊緣約200mm的位置，設有平均高度1.4m的安全門。

采用控制容積積分法來建立離散方程，確保離散方程守恒特性，則其能量方程為：

紊流能量耗散率方程為：

在網(wǎng)格節(jié)點上離散方程的精確解偏離該點上相應的微分方程精確解的值，稱為該點上的離散誤差。離散誤差的大小同離散方程的截斷誤差有關"在相同的網(wǎng)格步長下，一般地說，截斷誤差的階數(shù)提高，離散誤差會隨著減小，對于同一離散格式，網(wǎng)格加密，離散誤差也會減小。網(wǎng)格質(zhì)量是 CFD 模型中非常重要的因素之一，好的網(wǎng)格對于好的模擬結(jié)果非常重要，好的網(wǎng)格要求恰當?shù)姆直媛?、光滑度、低偏斜率和適當?shù)木W(wǎng)格數(shù)量。

4.2建模誤差分析

由于動網(wǎng)格的計算量比較大,并且建模過程比較復雜,不容易精確的再現(xiàn)實際過程,本文采用了非穩(wěn)態(tài)方法，通過方波函數(shù)設置活塞風速來模擬列車通過對站臺帶來的影響，這樣就將列車的啟動、運行、剎車過程簡化了，僅考慮其帶來的活塞風作用。在過渡季節(jié)的模擬中采用了非穩(wěn)態(tài)方法，隧道口風速設定采用方波函數(shù)設定。

5.帶風口屏蔽門系統(tǒng)活塞風數(shù)值模擬結(jié)果分析

活塞風的綜合利用必然很大程度的減少風機能耗,過渡季節(jié)和冬季的舒適性仍需考慮，CFD 模擬是一個可行的研究方法,大量的實驗驗證也說明模型建立的比較合理,從而實現(xiàn)了屏蔽門系統(tǒng)改造的優(yōu)化設計。列車自動操作時，屏蔽門是絕對有必要的，列車手動操作時，屏蔽門亦非常有用，屏蔽門可以十分有效地提高站臺安全，避免乘客因自殺、在站臺里走動、推擠等而落入軌道，可以增加站臺的可用表面，可以避免未經(jīng)授權的人進入隧道，屏蔽門降低了空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗和隧道內(nèi)不必要的能耗，屏蔽門可以減少隧道灰塵、列車噪音以及列

車弛行的活塞效應產(chǎn)生的氣流進入站臺。

地下鐵道發(fā)生火災時造成的人員傷亡，絕大多數(shù)是由于煙霧中的有毒氣體的熏倒、中毒或窒息所致，有效的排煙已成為地鐵火災救援的重要措施。為此，要求設置排煙設備，在布置風道時，確保排煙口的風速不宜大于10m/s，當排煙干管采用金屬管道時,管道內(nèi)的風速不應大于20m/s，設置帶風口屏蔽門，相同高度下帶風口屏蔽門系統(tǒng)的高溫區(qū)域比屏蔽門系統(tǒng)小得多，可以為火災事故情況乘客的順利疏散爭取了時間。經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn),可控風口在過渡季節(jié)活塞風可滿足近期的新風要求,并帶走大量余熱,軌底排風可有效控制列車產(chǎn)生的熱量不進入站臺公共區(qū),在滿足乘客舒適性要求的同時,達到進一步節(jié)能的效果。

結(jié)語

活塞風對地鐵環(huán)境的影響規(guī)律非常復雜,通過站臺和出入口引起地鐵能耗的變化，是地鐵能耗的重要影響因素，在過渡季節(jié)和冬季充分利用活塞風是實現(xiàn)地鐵通風系統(tǒng)進一步節(jié)能的有效措施。重點對活塞風對地鐵環(huán)境的影響規(guī)律進行了研究分析,并探討了能夠有效利用活塞風的帶風口屏蔽門系統(tǒng)在北方城市地鐵中的應用前景,為地鐵工程設計提供了必要的依據(jù)。

6.參考文獻

[1]任明亮，陳超，郭強.地鐵活塞風的分析計算與有效利用[J].上海交通大學報.2008，42(8):

1376~1391.

[2]賈力，黃鵬，楊立新.地鐵車站內(nèi)流動特性的數(shù)值模擬[J1.北京交通大學學報.2008，32(l):

83~87.

[3]譚文嘉，張歡，由世俊等.地鐵變風量環(huán)控系統(tǒng)全年運行方案研究[J].建筑科學.2007，23

[4]樊玲，馮煉.利用/相對熱流指標0對地鐵系統(tǒng)設計溫度的探討[Jl.城市軌道交通研究.2002，(1):50~52.