地鐵運(yùn)營(yíng)初期區(qū)間隧道氣溫變化規(guī)律研究

姜 波

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地鐵運(yùn)營(yíng)初期區(qū)間隧道氣溫變化規(guī)律研究

姜 波

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210003）

對(duì)蘇州地鐵2號(hào)線3個(gè)連續(xù)區(qū)間的隧道氣溫進(jìn)行測(cè)試，分析隧道氣溫在夏季最熱月和冬季最冷月的特征及動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。結(jié)果表明夏季隧道氣溫比冬季隧道氣溫高，夏季和冬季隧道氣溫分別在23.5～27.5℃和16.5～20℃之間變化；當(dāng)室外氣溫達(dá)到30℃以上時(shí)，隧道風(fēng)機(jī)對(duì)隧道氣溫有提升作用，車輛運(yùn)營(yíng)和停運(yùn)時(shí)分別可提升約1.5℃和2℃。車輛運(yùn)行時(shí)，冬季和夏季隧道氣溫均以行車間隔為周期呈鋸齒形變化，冬季可能出現(xiàn)倒鋸齒形變化；車輛運(yùn)行與停運(yùn)時(shí)隧道氣溫比較，夏季車輛運(yùn)行時(shí)高，冬季車輛運(yùn)行時(shí)低；夏季區(qū)間隧道中部氣溫與隧道長(zhǎng)度呈正相關(guān)關(guān)系，冬季時(shí)隧道中部氣溫與隧道長(zhǎng)度無(wú)規(guī)律性關(guān)系。

地鐵；區(qū)間隧道；隧道氣溫；測(cè)試；變化規(guī)律

近幾年，地鐵在國(guó)內(nèi)快速發(fā)展，大幅改善了城市的交通狀況，如何在節(jié)能的前提下為乘客營(yíng)造舒適的乘車環(huán)境，成為各地鐵運(yùn)營(yíng)公司面臨的難題[1-2]。地鐵在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，車輛長(zhǎng)期在地下區(qū)間隧道內(nèi)行進(jìn)，隧道環(huán)境溫度嚴(yán)重影響車廂內(nèi)環(huán)境，如果隧道環(huán)境溫度超過(guò)列車空調(diào)使用溫度，將使地鐵車輛空調(diào)制冷減弱或失效，車廂溫度超出乘客舒適范圍，極大影響乘客舒適性，因此有必要對(duì)地鐵區(qū)間隧道環(huán)境溫度進(jìn)行研究。

地鐵區(qū)間隧道環(huán)境溫度受客流量、隧道壁溫、車輛散熱、隧道風(fēng)機(jī)等眾多因素影響[3-6]，且其溫度隨地鐵運(yùn)營(yíng)年限變化而變化。為研究區(qū)間隧道受各因素影響及其隨運(yùn)營(yíng)年限的變化規(guī)律，有必要按地鐵運(yùn)營(yíng)年限分別開展研究，本文首先就站臺(tái)門系統(tǒng)在地鐵線路運(yùn)營(yíng)初期時(shí)的隧道氣溫開展研究。

雖然通過(guò)SES、STESS等[7-11]模擬軟件，可以預(yù)測(cè)地鐵區(qū)間隧道環(huán)境溫度，并能通過(guò)模擬分析各因素對(duì)區(qū)間隧道環(huán)境溫度的影響，但模擬分析畢竟是建立在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，具有較大局限性。目前隧道模擬軟件在預(yù)測(cè)精度、隧道氣溫的瞬時(shí)變化、隧道氣溫各影響因素隨時(shí)間變化等方面表現(xiàn)欠佳，而這些又是分析區(qū)間隧道氣溫變化規(guī)律的關(guān)鍵，故本文結(jié)合隧道氣溫測(cè)試開展隧道氣溫變化規(guī)律的研究。

1 溫度測(cè)試

1.1 測(cè)試地點(diǎn)選取

選取運(yùn)營(yíng)年限不超過(guò)5年的蘇州地鐵2號(hào)線，對(duì)4座緊鄰車站之間的3個(gè)區(qū)間進(jìn)行溫度測(cè)試。蘇州地鐵2號(hào)線隧道通風(fēng)為站臺(tái)門系統(tǒng)模式，車站與隧道完全分隔，車站端頭分別設(shè)置2個(gè)活塞風(fēng)井用于區(qū)間隧道通風(fēng)，平時(shí)由活塞風(fēng)對(duì)隧道進(jìn)行通風(fēng)換氣，阻塞或火災(zāi)工況時(shí)利用活塞風(fēng)道內(nèi)的隧道風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)或排煙。

1.2 測(cè)試設(shè)備選取

考慮數(shù)據(jù)的連續(xù)性及測(cè)試的靈活性，采用具有數(shù)據(jù)記錄功能的溫濕度測(cè)試設(shè)備，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)設(shè)置一臺(tái)測(cè)試設(shè)備，以獲取隧道內(nèi)各測(cè)點(diǎn)連續(xù)的溫濕度數(shù)據(jù)。選用儀器參數(shù)見表1。

表1 測(cè)試設(shè)備參數(shù)

Tab.1 Test equipment parameters

注：記錄采用間隔可自由設(shè)定，測(cè)試設(shè)定10 s間隔。

1.3 測(cè)試位置

隧道內(nèi)氣溫為一溫度場(chǎng)，因場(chǎng)溫度較難測(cè)試，且判定隧道氣溫是否超標(biāo)，主要依據(jù)隧道內(nèi)最高氣溫，故在隧道內(nèi)布設(shè)溫度測(cè)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)選擇可測(cè)出車站隧道最高氣溫的地方。因隧道中部受室外氣溫影響最小，故縱向方向上測(cè)點(diǎn)布置在隧道中部。在隧道截面上，氣溫最高點(diǎn)位于隧道上部，將測(cè)點(diǎn)布置在隧道上部。

1.4 測(cè)試安排

為便于對(duì)比，對(duì)區(qū)間在夏季和冬季隧道氣溫進(jìn)行測(cè)試，并選取夏冬兩季中室外氣溫明顯不同的兩天。蘇州地鐵2號(hào)線隧道風(fēng)機(jī)平常不開啟，只在阻塞或火災(zāi)情況下或每月15—18日的23：00—24：00之間連續(xù)4日進(jìn)行檢查性開啟，每次風(fēng)機(jī)運(yùn)行約10 min。為驗(yàn)證隧道風(fēng)機(jī)對(duì)區(qū)間隧道氣溫的影響，測(cè)試隧道對(duì)應(yīng)隧道風(fēng)機(jī)新增了開啟計(jì)劃，見表2和圖1。

表2 測(cè)試時(shí)間安排

注：測(cè)點(diǎn)距軌面高3.5 m。

圖1 設(shè)備安裝點(diǎn)

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 夏季溫度變化

2.1.1 特征分析

夏季測(cè)試時(shí)，依據(jù)中國(guó)天氣網(wǎng)，對(duì)室外每小時(shí)氣溫進(jìn)行記錄，7月28日和8月5日當(dāng)天溫度變化范圍分別為30～39℃和27～33℃。整理夏季測(cè)試數(shù)據(jù)，繪制成圖2和3，從圖中可看出隧道氣溫有5個(gè)主要特征。

圖2 7月28日隧道氣溫變化曲線

1）觀察3個(gè)測(cè)點(diǎn)2天氣溫變化，發(fā)現(xiàn)隧道氣溫以一天為周期呈周期性變化，5：30—23：00隧道氣溫波動(dòng)變化，0：00—5：30隧道氣溫逐漸下降，23：00— 24：00隧道氣溫快速下降。隧道氣溫周期性變化與其每天所受影響因素有關(guān)，車輛運(yùn)營(yíng)時(shí)，隧道氣溫主要受車輛散熱、活塞風(fēng)、隧道壁吸熱、室外空氣等因素影響，而當(dāng)車輛停運(yùn)時(shí)，其主要受隧道壁散熱影響，列車每天運(yùn)營(yíng)時(shí)間基本穩(wěn)定，故造成隧道氣溫呈周期性變化。

圖3 8月5日隧道氣溫變化曲線

2）隧道在15：00左右氣溫最高，在5：30左右氣溫最低。隧道氣溫在15：00左右出現(xiàn)最高值主要是因?yàn)檐囕v運(yùn)營(yíng)后車輛散熱在隧道內(nèi)不斷積聚，且室外在15：00左右達(dá)到最高氣溫，在活塞風(fēng)作用下，隧道出現(xiàn)氣溫峰值。

3）各測(cè)點(diǎn)氣溫雖然時(shí)刻變化，但總體大小關(guān)系并未隨車輛運(yùn)行與否及時(shí)間變化而變化，呈測(cè)點(diǎn)1>測(cè)點(diǎn)3>測(cè)點(diǎn)2的規(guī)律排序。從各測(cè)點(diǎn)所在隧道長(zhǎng)度來(lái)看，測(cè)點(diǎn)1>測(cè)點(diǎn)3>測(cè)點(diǎn)2，與隧道氣溫排序相同，即長(zhǎng)度越長(zhǎng)的區(qū)間隧道，其在隧道中間位置的溫度越高。隧道中部氣溫與隧道長(zhǎng)度呈正相關(guān)關(guān)系。出現(xiàn)上述現(xiàn)象是因?yàn)樗淼涝蕉蹋浠钊?yīng)越明顯，各種熱量在隧道內(nèi)積聚量就越小，因此隧道氣溫越低。

4）車輛運(yùn)行時(shí)隧道氣溫呈鋸齒形周期變化（見圖4和圖5），由圖可知其變化周期約為7 min，與行車間隔相同（工作日：高峰時(shí)段7：45—9：00、17：00—19：00，行車間隔5 min 30 s；其他時(shí)段為平峰，行車間隔6 min 45 s），7月28日和8月5日，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3的變化幅度分別為1℃、0.7℃、1.2℃和0.8℃、0.6℃、0.9℃，比較各測(cè)點(diǎn)變化幅度，7月28日比8月5日大。

圖4 7月28日13：00—16：00隧道氣溫變化曲線

圖5 8月5日13：00—16：00隧道氣溫變化曲線

5）觀察各測(cè)點(diǎn)在車輛停運(yùn)后的氣溫情況，可知各測(cè)點(diǎn)在4：00～5：30時(shí)已基本不變化，因隧道氣流基本不流動(dòng)，可認(rèn)為此時(shí)的隧道壁溫與隧道氣溫相同。對(duì)比圖2和圖3中該時(shí)間各測(cè)點(diǎn)溫度可知，當(dāng)室外氣溫變化時(shí)，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3的隧道氣溫基本相同，而測(cè)點(diǎn)2有變化，可知短隧道的壁溫受室外氣溫影響更大。

2.1.2 影響因素分析

1）隧道風(fēng)機(jī)影響。車輛運(yùn)營(yíng)和停運(yùn)時(shí)，因7月28日隧道風(fēng)機(jī)有開啟計(jì)劃，在開啟時(shí)刻均出現(xiàn)了溫度突升的現(xiàn)象，而8月5日隧道風(fēng)機(jī)未開啟，整日隧道氣溫未出現(xiàn)溫度突升現(xiàn)象，說(shuō)明隧道風(fēng)機(jī)在夏季室外氣溫較高時(shí)，對(duì)隧道氣溫有提升作用，車輛運(yùn)營(yíng)和停運(yùn)時(shí)分別可提升約1.5℃和2℃。車輛停運(yùn)后，隧道風(fēng)機(jī)開啟，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3可達(dá)到的最高氣溫分別為26.4℃、25.0℃、25.5℃；車輛運(yùn)營(yíng)時(shí)，隧道風(fēng)機(jī)開啟，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3可達(dá)到的最高氣溫分別為27.6℃、27.0℃、26.1℃。在車輛停運(yùn)和運(yùn)營(yíng)開啟風(fēng)機(jī)時(shí)刻，室外平均溫度分別為31℃和39℃，由此可知車輛停運(yùn)時(shí)開啟隧道風(fēng)機(jī)，隧道氣溫更接近室外氣溫，這是因?yàn)樗淼辣跍囟扰c夜間室外空氣溫度相差較小，并非因隧道氣溫在車輛停運(yùn)時(shí)受室外氣溫影響更大。

另外，對(duì)于開啟隧道風(fēng)機(jī)時(shí)，各測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)并不一樣。開啟隧道風(fēng)機(jī)，測(cè)試測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3隧道氣溫在車輛停運(yùn)時(shí)分別升高1.8℃、1.4℃、1.4℃，在車輛運(yùn)營(yíng)時(shí)分別升高0.7℃、1.8℃、0.3℃。測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3所在隧道長(zhǎng)度分別為706 m、480 m、651 m，可知車輛停運(yùn)時(shí)，隧道風(fēng)機(jī)對(duì)長(zhǎng)隧道氣溫提升作用大于短隧道；車輛運(yùn)營(yíng)時(shí)，隧道風(fēng)機(jī)對(duì)短隧道氣溫提升作用大于長(zhǎng)隧道。

2）室外氣溫影響。將測(cè)試時(shí)間段內(nèi)室外每小時(shí)氣溫與隧道每小時(shí)平均氣溫整理成圖，如圖6和圖7所示。

圖6 7月28日隧道及室外氣溫小時(shí)平均值

圖7 8月5日隧道及室外氣溫小時(shí)平均值

由圖6和圖7可知，對(duì)于不同的測(cè)試日期，隧道氣溫變化趨勢(shì)基本與室外氣溫變化趨勢(shì)相同，說(shuō)明室外氣溫對(duì)隧道氣溫有影響。比較隧道與室外氣溫變化幅度，隧道氣溫變化幅度較小，對(duì)室外氣溫影響有一定的阻尼作用，即室外氣溫大幅提升時(shí)，隧道氣溫僅小幅提高，并不會(huì)因室外氣溫的快速提升而快速升高。

比較圖6和圖7可知，當(dāng)隧道與室外氣溫相差6℃時(shí)，隧道氣溫并未有明顯區(qū)別，說(shuō)明隧道氣溫受室外氣溫影響有限。

另對(duì)比圖2和圖3可知，當(dāng)室外氣溫較高時(shí)，3個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度差別大，即各測(cè)點(diǎn)溫度差別與室外氣溫呈正相關(guān)關(guān)系。

2.2 冬季溫度變化

2.2.1 特征分析

冬季測(cè)試時(shí)，依據(jù)中國(guó)天氣網(wǎng)，對(duì)室外每小時(shí)氣溫進(jìn)行記錄，1月1日和1月21日當(dāng)天溫度變化范圍分別為6～16℃和–2～6℃。整理冬季測(cè)試數(shù)據(jù)，繪制成圖，如圖8和圖9所示。

圖8 1月1日隧道氣溫變化曲線

圖9 1月21日隧道氣溫變化曲線

從圖8和圖9可知，隧道氣溫有5個(gè)主要特征：

1）冬季，隧道氣溫仍以一天為周期呈周期性變化，5：30—23：00隧道氣溫波動(dòng)變化，0：00—5：30隧道氣溫逐漸上升，23：00—24：00隧道氣溫快速上升。隧道氣溫周期性變化與夏季原因相同，呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，主要是影響隧道氣溫的室外空氣溫度不同，由夏季的比隧道氣溫高變?yōu)楸人淼罋鉁氐汀?/p>

2）室外氣溫不同時(shí)，隧道各測(cè)點(diǎn)氣溫變化趨勢(shì)有區(qū)別。當(dāng)車輛停運(yùn)時(shí)，1月1日室外氣溫較高，3個(gè)測(cè)點(diǎn)在3：00之前的溫度排序?yàn)闇y(cè)點(diǎn)3>測(cè)點(diǎn)2>測(cè)點(diǎn)1，3：00～5：30，測(cè)點(diǎn)1溫度變?yōu)楸葴y(cè)點(diǎn)2高，這可能與測(cè)點(diǎn)1所在隧道較長(zhǎng)、受室外氣溫影響較小有關(guān)。1月21日測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3也出現(xiàn)了類似情況，其原因與1月1日相同。當(dāng)車輛運(yùn)行時(shí)，1月1日測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3同樣存在溫度高低互換的情況，其與測(cè)點(diǎn)2所在隧道較短且室外氣溫較低有關(guān)。1月21日測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3未發(fā)生溫度高低互換的情況，主要是因?yàn)樵撊帐彝鈿鉁剌^低。

3）車輛運(yùn)行時(shí)隧道氣溫呈鋸齒形周期變化（見圖10和圖11），其變化周期與夏季類似，與行車間隔相同；與夏季不同的是，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3會(huì)因室外氣溫不同呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，室外氣溫高時(shí)呈鋸齒形變化，室外氣溫低時(shí)呈倒鋸齒形變化（溫度先降低后升高），這是因?yàn)槭彝鈿鉁剌^低時(shí)，其對(duì)隧道氣溫降溫作用已大于車輛等的散熱作用。

圖10 1月1日13：00～16：00隧道氣溫變化曲線

圖11 1月21日13：00～16：00隧道氣溫變化曲線

4）當(dāng)室外氣溫較高時(shí)，隧道最高氣溫出現(xiàn)在車輛運(yùn)行時(shí)，當(dāng)室外氣溫較低時(shí)，隧道最高氣溫出現(xiàn)在車輛停運(yùn)時(shí)，同樣是因?yàn)殡S室外氣溫降低，室外氣溫對(duì)隧道氣溫降溫作用逐漸大于車輛等散熱作用導(dǎo)致的。

5）當(dāng)車輛運(yùn)行時(shí)，3個(gè)測(cè)點(diǎn)相比，測(cè)點(diǎn)2每周期溫度變化幅度大于測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3，與測(cè)點(diǎn)2所在隧道較短有直接關(guān)系，隧道短，活塞效應(yīng)強(qiáng)，車輛散熱在活塞風(fēng)作用下波動(dòng)大，故溫度變化幅度大。

2.2.2 影響因素分析

因在冬季測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，無(wú)隧道風(fēng)機(jī)開啟計(jì)劃，故未測(cè)試到隧道風(fēng)機(jī)影響下的隧道氣溫，其對(duì)隧道氣溫的影響主要跟室外氣溫有關(guān)。當(dāng)室外氣溫較低時(shí)（比隧道氣溫低10℃以上），隧道風(fēng)機(jī)可將室外冷的空氣送入隧道，大幅降低隧道氣溫。當(dāng)室外氣溫較高時(shí)（比隧道氣溫高），隧道風(fēng)機(jī)對(duì)隧道空氣可能有加熱作用。

為探尋室外氣溫對(duì)隧道氣溫的影響，將冬季測(cè)試時(shí)的室外氣溫與隧道小時(shí)均值制作成圖，如圖12和圖13所示。

圖12 1月1日隧道及室外氣溫小時(shí)平均值

圖13 1月21日隧道及室外氣溫小時(shí)平均值

由圖12和圖13可知，在室外溫度劇烈變化時(shí)，隧道氣溫只有較小變化，但總的變化趨勢(shì)基本類似，室外氣溫升高或降低時(shí)，隧道氣溫在一定時(shí)間后也會(huì)跟著升高或降低。由此可知，室外氣溫對(duì)隧道氣溫有影響，但影響較小。

2.3 夏冬季對(duì)比

對(duì)比夏冬季隧道氣溫變化，可發(fā)現(xiàn)如下異同點(diǎn)：

1）隧道氣溫在夏季和冬季均以一天為周期變化，但夏季較冬季更為規(guī)律，夏季室外氣溫不同時(shí)，隧道氣溫變化趨勢(shì)更相似。

2）在車輛運(yùn)行時(shí)隧道氣溫均呈鋸齒形周期變化，變化周期均與行車間隔相同，但當(dāng)室外氣溫低于6℃、隧道長(zhǎng)度大約651 m時(shí)，隧道氣溫將呈倒鋸齒形變化，夏季隧道氣溫則不會(huì)出現(xiàn)倒鋸齒形變化。

3）隨季節(jié)不同，各隧道中間部位溫度排序不同。夏季時(shí)，隧道中部氣溫與隧道長(zhǎng)度呈正相關(guān)關(guān)系；冬季時(shí)隧道中部氣溫與隧道長(zhǎng)度無(wú)規(guī)律性關(guān)系。

4）隧道氣溫隨車輛運(yùn)行與否而不同。夏季，車輛運(yùn)行時(shí)隧道氣溫基本高于車輛停運(yùn)時(shí)；冬季，車輛運(yùn)行時(shí)隧道氣溫基本低于車輛停運(yùn)時(shí)。

3 結(jié)語(yǔ)

1）隧道氣溫在夏季和冬季均以一天為周期變化，一般15：00時(shí)出現(xiàn)溫度峰值，5：30時(shí)出現(xiàn)溫度谷值。

2）車輛運(yùn)行時(shí)，冬季和夏季隧道氣溫均以行車間隔為周期呈鋸齒形變化，冬季可能出現(xiàn)倒鋸齒形變化。

3）夏季時(shí)，隧道中部氣溫與隧道長(zhǎng)度呈正相關(guān)關(guān)系；冬季時(shí)隧道中部氣溫與隧道長(zhǎng)度無(wú)規(guī)律性關(guān)系。

4）區(qū)間隧道氣溫隨車輛運(yùn)行與否而不同。夏季，車輛運(yùn)行時(shí)隧道氣溫基本高于車輛停運(yùn)時(shí)；冬季，車輛運(yùn)行時(shí)隧道氣溫基本低于車輛停運(yùn)時(shí)。

5）夏季隧道氣溫比冬季隧道氣溫高，夏季和冬季隧道氣溫分別在23.5～27.5℃和16.5～20℃之間變化。

6）在夏季室外氣溫較高時(shí)，隧道風(fēng)機(jī)對(duì)隧道氣溫有提升作用，車輛運(yùn)營(yíng)和停運(yùn)時(shí)分別可提升約1.5℃和2℃。

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（編輯：王艷菊）

Research on Air Temperature of Metro Tunnel during the Initial Stage

JIANG Bo

(JSTI Group, Nanjing 210003)

This paper aims to explore the air temperature characteristics and the change rules of several tunnels for the hottest month of summer and the coldest month of winter. The air temperature of three tunnels of the Suzhou Metro Line 2 was tested. The results show that the air temperature of the tunnel was higher in summer than it was in winter. The summer and winter air temperatures ranged from 23.5℃ to 27.5℃, and 16.5℃ to 20℃, respectively. When the outdoor temperature was above 30℃, the tunnel fan was able to improve the air temperature of the tunnel by 1.5℃ and 2℃ during, respectively, vehicle operation and vehicle outage. In both winter and summer, when the vehicle was running, the tunnel air temperature changed periodically, and the change period was the same as the departure interval. When the vehicle was running, the temperature was higher in summer and lower in winter, relative to the temperatures attained during vehicle outage. In summer, the air temperature at the middle interval of the tunnel was positively related to the length of the tunnel. In winter, the temperature at the interval showed no clear relationship with the length of the tunnel.

metro; metro tunnel; air temperature of tunnel; test; variation rule

U231

A

1672-6073(2018)02-0113-06

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.02.019

2017-06-22

2017-10-24

姜波，男，碩士，高級(jí)工程師，從事軌道交通通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能研究，28372211@qq.com

蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司科研項(xiàng)目（SZZG06Y J1030014）