屏蔽門系統(tǒng)地鐵隧道空氣溫度分布特性研究

唐 莎 雷 波

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屏蔽門系統(tǒng)地鐵隧道空氣溫度分布特性研究

唐 莎 雷 波

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

利用SES計(jì)算軟件分析了屏蔽門系統(tǒng)地鐵隧道內(nèi)的空氣溫度分布特性，討論了列車停車位置、加減速率大小、軌道排熱系統(tǒng)和列車行車對(duì)數(shù)對(duì)溫度分布以及最高溫度位置的影響。結(jié)果表明：地鐵隧道內(nèi)的空氣溫度呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，左、右線隧道溫度分布基本相同；隧道最高溫度出現(xiàn)在距出站端0～12m的軌行區(qū)，并主要受到列車停車位置和加、減速率的影響；列車行車對(duì)數(shù)從10對(duì)/h增加到30對(duì)/h最高溫度的平均值增加4.49℃，設(shè)置軌道排熱系統(tǒng)的情況下隧道最高溫度的平均值下降2.83℃。

地鐵；屏蔽門系統(tǒng)；隧道溫度；分布特性；最高溫度

0 引言

作為一種城市軌道交通工具，地鐵以其用地省、運(yùn)能大的特點(diǎn)在緩解城市交通壓力方面起到了重要的作用，但是隨著地鐵的陸續(xù)開通和運(yùn)營(yíng)，許多城市都出現(xiàn)了地鐵運(yùn)行后期隧道熱環(huán)境惡化的問題[1,2]。根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范，列車車廂設(shè)置空調(diào)且車站設(shè)置屏蔽門的情況下，夏季隧道最高溫度不得高于40℃[3]。為了滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，地鐵環(huán)控系統(tǒng)需要對(duì)隧道最高溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)控。然而，怎樣合理地對(duì)隧道最高溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)有效的通風(fēng)調(diào)節(jié)是地鐵環(huán)控系統(tǒng)面臨的問題。針對(duì)上述情況，并考慮到我國(guó)大部分城市采用的是屏蔽門地鐵系統(tǒng)[4]，因此有必要以屏蔽門地鐵系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)隧道內(nèi)的空氣溫度分布特性進(jìn)行分析，以此為隧道最高溫度的監(jiān)測(cè)和測(cè)點(diǎn)的布置提供依據(jù)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別對(duì)地鐵隧道的溫度和監(jiān)測(cè)進(jìn)行過(guò)研究：龔蓂杰[5]建立了風(fēng)速大于1m/s的情況下，進(jìn)、出口隧道溫度的粗略預(yù)測(cè)公式；王麗慧、吳喜平等人[6]模擬得到了夏季工況下地鐵區(qū)間隧道中部的平均溫度在全天24小時(shí)內(nèi)的變化規(guī)律；Marzouk M等人[7]提出了利用無(wú)線傳感器和BIM分別實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)和管理；Park Won-Hee[8]建立了一套可用于實(shí)時(shí)采集隧道溫度、濕度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并驗(yàn)證了該系統(tǒng)運(yùn)用于地鐵領(lǐng)域的可行性。雖然目前關(guān)于地鐵隧道溫度方面已有大量的參考文獻(xiàn)，但以監(jiān)測(cè)和布置測(cè)點(diǎn)為目的，對(duì)隧道最高溫度分布進(jìn)行的研究卻較為缺乏。

本文利用SES計(jì)算機(jī)程序?qū)ζ帘伍T系統(tǒng)地鐵隧道內(nèi)的空氣溫度進(jìn)行了模擬計(jì)算，討論了列車停車位置、列車加減速率、軌道排熱系統(tǒng)和行車對(duì)數(shù)對(duì)隧道溫度分布以及最高溫度位置的影響，從而為隧道最高溫度的監(jiān)測(cè)提出建議。

1 地鐵模型與計(jì)算參數(shù)

在屏蔽門系統(tǒng)中，站臺(tái)屏蔽門將車站公共區(qū)與軌行區(qū)分隔，地鐵隧道成為相對(duì)獨(dú)立的空間。本文以成都地區(qū)的地鐵為參考，建立了典型的包含7個(gè)車站的屏蔽門系統(tǒng)地鐵隧道模型。該地鐵隧道線路總長(zhǎng)7600m，站臺(tái)有效長(zhǎng)度為120m，且均為地下島式站臺(tái)。為了滿足通風(fēng)要求，車站軌行區(qū)和區(qū)間隧道對(duì)應(yīng)設(shè)置有軌道排熱（OTE/UPE）系統(tǒng)和活塞/機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)（如圖1所示），軌排的排風(fēng)量為80m3/s，列車出站端設(shè)置單活塞風(fēng)井。以成都最熱月晚高峰時(shí)段地鐵正常運(yùn)行為模擬工況，本文通過(guò)SES模擬軟件完成了對(duì)地鐵隧道溫度的數(shù)值計(jì)算，其中車站軌行區(qū)被細(xì)化成了20個(gè)長(zhǎng)度為6m的子段。

圖1 屏蔽門地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 地鐵隧道空氣溫度分布基本特性

整理計(jì)算結(jié)果，得到屏蔽門地鐵系統(tǒng)1#～7#站隧道溫度分布曲線，如圖2所示。由圖2可見，隧道內(nèi)的空氣溫度呈現(xiàn)相似的分布規(guī)律。以車站軌行區(qū)及其相鄰區(qū)間隧道（例如1#車站軌行區(qū)與1#、2#站之間的區(qū)間隧道）為分析對(duì)象，可將隧道空氣溫度的分布劃分為以下區(qū)段：車站進(jìn)站端至出站端，由于列車進(jìn)站的制動(dòng)產(chǎn)熱和空調(diào)冷凝器散熱等，隧道內(nèi)的空氣溫度沿行車方向不斷升高，并在出站端附近達(dá)到最大；出站端至活塞風(fēng)井，隧道溫度出現(xiàn)大幅下降，這主要是因?yàn)榱熊嚥辉谠搮^(qū)段停留導(dǎo)致該區(qū)段內(nèi)的產(chǎn)熱減少，并且活塞效應(yīng)帶走了部分的熱量；活塞風(fēng)井至區(qū)間隧道，溫度在活塞效應(yīng)和土壤的熱壑作用下持續(xù)降低，但降幅遠(yuǎn)小于上一區(qū)段；之后隨著列車在隧道內(nèi)開始制動(dòng)，溫度再次出現(xiàn)小幅度的上升直至下一個(gè)車站。

圖2 1#～7#站隧道溫度分布曲線

圖3 車站軌行區(qū)節(jié)段劃分示意圖

由圖2可見，車站軌行區(qū)附近的溫度遠(yuǎn)高于隧道其他地方的溫度。為了進(jìn)一步確定隧道最高溫度的分布位置，模擬計(jì)算時(shí)將120m的車站軌行區(qū)劃分為3段，共20個(gè)子段，各節(jié)段劃分見圖3。以6#站為例，分析該站軌行區(qū)附近隧道內(nèi)的溫度分布。如圖4所示，6#站軌行區(qū)子段19和子段20的溫度相同且均為最高，因此該站附近的最高溫度將出現(xiàn)在距出站端0～12m的軌行區(qū)。

圖4 6#站隧道溫度分布曲線

統(tǒng)計(jì)1#～7#站溫度最高的子段，結(jié)果顯示：各車站隧道的最高溫度并不完全相同，但各車站軌行區(qū)溫度最高的子段基本為子段19和子段20，即隧道空氣溫度最大值將出現(xiàn)在各站距出站端0～12m的軌行區(qū)。

2.2 不同因素對(duì)隧道溫度分布的影響

隧道內(nèi)的空氣溫度分布受多個(gè)因素的綜合影響，本文將主要對(duì)列車停車位置、列車加減速率、軌道排熱和行車對(duì)數(shù)4個(gè)因素進(jìn)行分析和討論。

圖5 列車?？空緯r(shí)車頭位置示意圖

以車站的出站端為參考原點(diǎn)，對(duì)列車停靠站時(shí)車頭距參考原點(diǎn)分別為0m、12m、24m和42m四種工況進(jìn)行SES計(jì)算，其中四種工況下列車的停車位置如圖5所示，四種工況下隧道溫度分布曲線如圖6所示。結(jié)果顯示，隧道最高溫度出現(xiàn)的位置隨著列車停車位置的改變而發(fā)生平移，但大致都出現(xiàn)在列車停車車頭附近；停車位置的改變并不會(huì)影響隧道內(nèi)的散熱量，因而隧道內(nèi)的溫度值基本沒有變化。對(duì)于屏蔽門地鐵系統(tǒng)，列車基本固定在站端停車，因此隧道的最高溫度將出現(xiàn)在距車站出站端0～12m的軌行區(qū)。

圖6 不同停車位置下隧道溫度分布曲線

改變列車加速和減速速率的大小，對(duì)表1所示的三種工況進(jìn)行模擬，得到加、減速率改變的情況下隧道溫度分布曲線，如圖7所示。根據(jù)圖7，列車加速和減速速率分別從0.80m/s2和1.11m/s2增加到0.40m/s2和0.49m/s2時(shí)，隧道最高溫度分布的范圍由距出站端0～12m的軌行區(qū)擴(kuò)大到0～24m，隧道內(nèi)的平均溫度有所上升，但漲幅不大。由此可見，列車加、減速率將影響隧道最高溫度出現(xiàn)的范圍，但對(duì)隧道內(nèi)的平均溫度影響不大。

研究有軌道排熱系統(tǒng)和沒有軌道排熱系統(tǒng)兩種通風(fēng)模式下隧道內(nèi)的溫度分布，結(jié)果如圖8所示。由圖8，設(shè)置軌道排熱時(shí)隧道內(nèi)的溫度明顯低于無(wú)軌排時(shí)隧道內(nèi)的溫度，且兩種模式下隧道最高溫度的平均值相差2.83℃，但隧道最高溫度分布的位置基本沒有變化。由此可見，設(shè)置軌道排熱系統(tǒng)有利于隧道降溫，但是有、無(wú)軌排并不會(huì)影響最高溫度的分布位置。

表1 三種工況下列車加、減速率

圖7 不同加減速率下隧道溫度分布曲線

改變發(fā)車密度，在行車對(duì)數(shù)分別為10對(duì)/h、20對(duì)/h和30對(duì)/h的情況下隧道溫度分布如圖9所示。發(fā)車密度對(duì)隧道空氣溫度的數(shù)值影響較大，當(dāng)發(fā)車密度由10對(duì)/h，依次增加到20對(duì)/h和30對(duì)/h時(shí)，隧道最高溫度的平均值分別增加1.25℃和3.24℃。行車對(duì)數(shù)為30對(duì)/h時(shí)，最高溫度仍將出現(xiàn)在出站端附近的軌行區(qū)，但是當(dāng)行車對(duì)數(shù)減小到10對(duì)/h時(shí)，活塞風(fēng)井附近的隧道溫度達(dá)到最高。由于發(fā)車密度較小時(shí)全線的隧道溫度都不高，因此并沒有必要對(duì)活塞風(fēng)井處進(jìn)行最高溫度的監(jiān)測(cè)。

圖8 有、無(wú)軌排下隧道溫度分布曲線

圖9 不同行車對(duì)數(shù)下隧道溫度分布曲線

3 結(jié)論與建議

基于地鐵環(huán)控系統(tǒng)對(duì)隧道最高溫度監(jiān)測(cè)的目的，本文對(duì)屏蔽門系統(tǒng)地鐵隧道內(nèi)的空氣溫度分布特性進(jìn)行了研究，分析確定了地鐵隧道最高溫度出現(xiàn)的位置，并探討了不同因素對(duì)隧道溫度分布及其最高溫度位置的影響，得出以下結(jié)論：

（1）地鐵隧道內(nèi)的空氣溫度分布呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，全線隧道最高溫度將出現(xiàn)在各站距出站端0～12m的軌行區(qū)，且各站最高溫度并不完全相同。在對(duì)隧道最高溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)將測(cè)點(diǎn)布置在各站距出站端0～12m的軌行區(qū)。

（2）發(fā)車密度從10對(duì)/h增加到30對(duì)/h時(shí)，各站最高溫度的平均值增加4.49℃；設(shè)置軌道排熱系統(tǒng)的情況下，各站最高溫度的平均值比沒有軌排時(shí)各站最高溫度的平均值降低2.83℃；列車停車位置和加減速率的變化對(duì)隧道最高溫度的平均值影響不大。

（3）隧道最高溫度分布的位置受列車停車位置的影響，將出現(xiàn)在列車停車車頭附近；當(dāng)列車加速和減速速率分別從0.80m/s2和1.11m/s2增加到0.40m/s2和0.49m/s2時(shí)，隧道最高溫分布的范圍由距出站端0～12m的軌行區(qū)擴(kuò)大到0～24m；行車對(duì)數(shù)和軌道排熱系統(tǒng)對(duì)隧道最高溫度的分布位置基本沒有影響。

[1] 高峰,梁波.城市地鐵與輕軌工程[M].北京:人民交通出版社,2012:1-9.

[2] 王江.地鐵運(yùn)營(yíng)評(píng)估[M].北京:中國(guó)鐵道出版社, 2008:1-5.

[3] GB 50157-2013,地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2013.

[4] 羅燕萍.城市軌道交通工程隧道通風(fēng)系統(tǒng)研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2013.

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Study on the Air Temperature Distribution in the Underground Tunnels of theMetro with Platform Screen Doors System

Tang Sha Lei Bo

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

In this paper, the Subway Environment Simulation computer program is used to calculate the air temperature in the underground tunnels of the metro with platform screen doors (PSDs) system, and the influences made by the train’s parking place, acceleration and deceleration, the trackway exhaust system (TES), and the numbers of running trains on the tunnel temperature are discussed. The results reveal that in the left and right metro line tunnels with PSDs system, the air temperature distributes in a similar variation, and the highest temperature appears in the station tunnel which is 0～12 meters away from where the train draw out. Basiclly, the position of the highest temperature is mainly affected by where the train stopped and how fast the train’s speed increased or reduced. Besides, the mean value of the highest temperature will rise 4.49℃ when the numbers of running trains in the tunnel added from 10 to 30, and the value will fall 2.83℃ when there is the trackway exhaust system in the station tunnel.

metro; platform screen doors system; the tunnel air temperature; distribution characteristics; the higest temperature

1671-6612（2018）01-082-04

TU921

A

唐 莎（1991-），女，在讀碩士研究生，E-mail：sharon_tangsha@163.com

雷 波（1961-），男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：lbswjtu@163.com

2017-05-12