地鐵屏蔽門(mén)滲透風(fēng)對(duì)車(chē)站空調(diào)負(fù)荷影響的數(shù)值模擬研究

中建五局三公司設(shè)計(jì)研究院 李 亮清華大學(xué) 李曉鋒 王春旺 李 嚴(yán)

0 引言

地鐵列車(chē)在區(qū)間隧道內(nèi)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生活塞風(fēng)，活塞風(fēng)會(huì)通過(guò)屏蔽門(mén)及屏蔽門(mén)的縫隙流入車(chē)站，不僅影響車(chē)站站臺(tái)和通道上的乘客舒適性，更會(huì)影響車(chē)站的空調(diào)負(fù)荷。隨著地鐵客流量、發(fā)車(chē)密度及運(yùn)行年限增加，地鐵隧道內(nèi)溫度逐年升高，實(shí)測(cè)北京地鐵區(qū)間隧道內(nèi)夏季最高溫度己經(jīng)達(dá)到31 ℃[1],而廣州地鐵區(qū)間隧道內(nèi)夏季最高溫度達(dá)35 ℃[2]。屏蔽門(mén)滲透風(fēng)帶入車(chē)站的熱量是地鐵公共區(qū)空調(diào)負(fù)荷的主要組成部分之一，區(qū)間隧道溫度的升高，必然導(dǎo)致車(chē)站負(fù)荷的增加。楊暉分析了流速對(duì)候車(chē)乘客舒適性的影響,計(jì)算了活塞風(fēng)所造成的站臺(tái)通風(fēng)量,分析了其對(duì)改善空氣質(zhì)量所起的作用，并提出了未來(lái)地鐵站臺(tái)環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮的問(wèn)題[3]；董書(shū)蕓對(duì)活塞風(fēng)對(duì)地鐵環(huán)境的影響規(guī)律進(jìn)行了研究分析,并探討了能夠有效利用活塞風(fēng)的帶風(fēng)口屏蔽門(mén)系統(tǒng)在北方城市地鐵中的應(yīng)用前景,為地鐵工程設(shè)計(jì)提供了必要的依據(jù)[4]；李俊提出采用網(wǎng)絡(luò)法估算屏蔽門(mén)漏風(fēng)量，并研究了屏蔽門(mén)漏風(fēng)對(duì)站內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的影響,給出了屏蔽門(mén)漏風(fēng)所引起的空調(diào)負(fù)荷的計(jì)算公式[5]?，F(xiàn)有研究中缺少通過(guò)屏蔽門(mén)滲透到車(chē)站的空氣中到底有多少進(jìn)入了空調(diào)回風(fēng)而成為車(chē)站空調(diào)負(fù)荷的研究。本文以某標(biāo)準(zhǔn)地下2層島式地鐵車(chē)站站臺(tái)為研究對(duì)象，根據(jù)站臺(tái)的實(shí)際幾何尺寸建立物理數(shù)學(xué)模型，采用CFD數(shù)值模擬軟件對(duì)屏蔽門(mén)滲入風(fēng)進(jìn)入空調(diào)回風(fēng)的風(fēng)量與屏蔽門(mén)滲入風(fēng)量的比例進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬采用K-ε兩方程模型，應(yīng)用SIMPLE算法求解。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 車(chē)站模型

圖1為車(chē)站站臺(tái)一半?yún)^(qū)域(另一側(cè)基本相同)的空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)平面示意圖。主要參數(shù)如下：1) 站臺(tái)公共區(qū)尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為114.0 m×10.0 m×4.0 m，站臺(tái)與站廳之間有2個(gè)連接通道，每個(gè)通道口寬3.0 m，長(zhǎng)2.0 m；2) 屏蔽門(mén)有18個(gè)滑動(dòng)門(mén)，滑動(dòng)門(mén)高度為2.2 m，頭尾的2個(gè)門(mén)寬度為1.6 m，中間16個(gè)門(mén)的寬度為2.0 m；3) 圖中的綠線(xiàn)風(fēng)管為送風(fēng)管，站臺(tái)的總送風(fēng)量為60 000 m3/h，風(fēng)口數(shù)量為42個(gè)，單個(gè)風(fēng)口尺寸為0.3 m×0.2 m；4) 圖中的紅線(xiàn)風(fēng)管為回風(fēng)管，站臺(tái)的總回風(fēng)量為54 000 m3/h，風(fēng)口數(shù)量為10個(gè)，單個(gè)風(fēng)口尺寸為0.6 m×0.3 m。車(chē)站CFD模型如圖2所示。

圖1 站臺(tái)層空調(diào)送回風(fēng)平面圖

圖2 車(chē)站CFD模型

實(shí)際站臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運(yùn)行情況較為復(fù)雜，模型作如下簡(jiǎn)化：忽略站臺(tái)內(nèi)結(jié)構(gòu)支柱、樓梯等構(gòu)件對(duì)空氣流動(dòng)的影響。

1.2 邊界條件

1) 站臺(tái)與站廳通過(guò)2座樓梯連接，連接口定義為壓力邊界；2) 空調(diào)送風(fēng)口和回風(fēng)口均定義為風(fēng)量邊界，風(fēng)量分別取0.4 m3/s和1.5 m3/s；3)隧道通過(guò)屏蔽門(mén)的滲透風(fēng)定義為風(fēng)量邊界，不同方案的風(fēng)量見(jiàn)表1。

表1 不同方案屏蔽門(mén)滲透風(fēng)量 m3/h

1.3 模擬工況

為了分析不同屏蔽門(mén)滲透風(fēng)量對(duì)車(chē)站空調(diào)負(fù)荷的影響，設(shè)置25種工況，見(jiàn)表1。

1.4 計(jì)算方法

從車(chē)站區(qū)間隧道滲入站臺(tái)的空氣，一部分通過(guò)站臺(tái)又進(jìn)入隧道，另一部分進(jìn)入站臺(tái)的空調(diào)回風(fēng)，其余進(jìn)入站廳。為了定量分析屏蔽門(mén)滲透風(fēng)量中到底有多少進(jìn)入車(chē)站空調(diào)回風(fēng)系統(tǒng)而產(chǎn)生車(chē)站的空調(diào)負(fù)荷，引入摻混率的概念。

Q=Q1+Q2+Q3

(1)

(2)

(3)

η=ηp+ηh

(4)

式(1)～(4)中Q為從屏蔽門(mén)滲入車(chē)站的風(fēng)量；Q1為從車(chē)站滲入屏蔽門(mén)的風(fēng)量；Q2和Q3分別為屏蔽門(mén)滲入風(fēng)進(jìn)入站臺(tái)和站廳空調(diào)回風(fēng)的風(fēng)量；ηp、ηh、η分別為站臺(tái)、站廳和整個(gè)車(chē)站的摻混率。

2 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 站臺(tái)

屏蔽門(mén)滲出風(fēng)量、滲入風(fēng)量與站臺(tái)摻混率的關(guān)系分別見(jiàn)圖3、4。站臺(tái)摻混率模擬結(jié)果如表2所示。分析可得出如下結(jié)果。

1) 站臺(tái)摻混率與屏蔽門(mén)滲出風(fēng)量呈線(xiàn)性關(guān)系(見(jiàn)圖3)，且風(fēng)量對(duì)摻混率的影響較小。

滲入風(fēng)量為1.0萬(wàn)、1.5萬(wàn)和2.0萬(wàn)m3/h時(shí)，

圖3 屏蔽門(mén)滲出風(fēng)量與站臺(tái)摻混率的關(guān)系

圖4 屏蔽門(mén)滲入風(fēng)量與站臺(tái)摻混率的關(guān)系

表2 站臺(tái)摻混率模擬結(jié)果 %

摻混率隨著滲出風(fēng)量的增大而減小，滲出風(fēng)量每增大0.5萬(wàn)m3/h，摻混率減小約2.5%；滲入風(fēng)量為2.5萬(wàn)和3.0萬(wàn)m3/h時(shí)，摻混率隨著滲出風(fēng)量的增大而增大，滲出風(fēng)量每增大0.5萬(wàn)m3/h，摻混率增大約1.0%。

2) 站臺(tái)摻混率隨著屏蔽門(mén)滲入風(fēng)量的增大而減小(見(jiàn)圖4)，且風(fēng)量對(duì)摻混率的影響較大。

滲出風(fēng)量為1.0萬(wàn)、1.5萬(wàn)、2.0萬(wàn)、2.5萬(wàn)和3.0萬(wàn)m3/h時(shí)，隨著滲入風(fēng)量從1.0萬(wàn)m3/h增大到3.0萬(wàn)m3/h，摻混率從83%～93%逐漸減小為61%～66%，且減小速度逐漸加快，平均減小約25%。

3) 站臺(tái)平均摻混率約為79%，說(shuō)明滲入車(chē)站的空氣主要進(jìn)入了站臺(tái)的空調(diào)回風(fēng)。

由于屏蔽門(mén)滲出風(fēng)量對(duì)摻混率的影響較小，所以可忽略其影響，以滲出風(fēng)量1.5萬(wàn)m3/h的模擬結(jié)果建立屏蔽門(mén)滲入風(fēng)量與站臺(tái)摻混率的數(shù)量關(guān)系，見(jiàn)圖5，可以看到，二者呈二次函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2超過(guò)了0.99，相關(guān)性極強(qiáng)，站臺(tái)摻混率可直接利用式(5)計(jì)算得到。

ηp=-0.072Q2+0.167Q+0.781

(5)

圖5 屏蔽門(mén)滲入風(fēng)量與站臺(tái)摻混率的擬合曲線(xiàn)

2.2 站廳

1) 站廳摻混率隨著屏蔽門(mén)滲出風(fēng)量的增大而減小(見(jiàn)圖6)，且風(fēng)量對(duì)摻混率的影響較大。

圖6 屏蔽門(mén)滲出風(fēng)量與站廳摻混率的關(guān)系

滲入風(fēng)量為1.0萬(wàn)、1.5萬(wàn)和2.0萬(wàn)m3/h時(shí)，站廳摻混率基本都為0；滲入風(fēng)量為2.5萬(wàn)m3/h和3.0萬(wàn)m3/h時(shí)，滲出風(fēng)量從1.0萬(wàn)m3/h增大到3.0萬(wàn)m3/h，摻混率分別從25%和30%逐漸減小為1%和8%。

2)站廳摻混率隨著屏蔽門(mén)滲入風(fēng)量的增大而增大(見(jiàn)圖7)，且風(fēng)量對(duì)摻混率的影響較大。

圖7 屏蔽門(mén)滲入風(fēng)量與站廳摻混率的關(guān)系

滲出風(fēng)量為1.0萬(wàn)、1.5萬(wàn)、2.0萬(wàn)、2.5萬(wàn)和3.0萬(wàn)m3/h時(shí)，隨著滲入風(fēng)量從1.0萬(wàn)m3/h增大到3.0萬(wàn)m3/h，摻混率從0逐漸增大為8%～30%，平均增大約20%。

3)站廳平均摻混率約為6%，說(shuō)明滲入車(chē)站的空氣只有一小部分進(jìn)入了站廳的空調(diào)回風(fēng)。站廳摻混率模擬結(jié)果見(jiàn)表3。

屏蔽門(mén)滲入風(fēng)量小于2.0萬(wàn)m3/h時(shí)，站廳摻混率都為0；屏蔽門(mén)滲入風(fēng)量為2.5萬(wàn)m3/h和3.0萬(wàn)m3/h時(shí)，摻混率同時(shí)受到屏蔽門(mén)滲入和滲出風(fēng)量的影響，無(wú)法建立站廳摻混率與屏蔽門(mén)滲入/滲出風(fēng)量的函數(shù)關(guān)系，站廳摻混率可根據(jù)表4采用插值法取值。

表3 站廳摻混率模擬結(jié)果 %

表4 站廳摻混率參考取值表 %

2.3 對(duì)車(chē)站空調(diào)負(fù)荷的影響

根據(jù)站臺(tái)和站廳摻混率的計(jì)算結(jié)果，得到整個(gè)車(chē)站的摻混率，可以看到：整個(gè)車(chē)站摻混率在74%～98%之間，平均值約為85%，說(shuō)明滲入車(chē)站的空氣中絕大部分進(jìn)入了空調(diào)回風(fēng)，其中分別平均約有79%和6%進(jìn)入了站臺(tái)和站廳的空調(diào)回風(fēng)，這部分滲透風(fēng)將會(huì)增加車(chē)站的空調(diào)負(fù)荷。

隧道溫度按照規(guī)范中的限值取40 ℃[6]，站臺(tái)和站廳溫度分別取28 ℃和29 ℃，計(jì)算可得，屏蔽門(mén)滲風(fēng)所增加的站內(nèi)空調(diào)負(fù)荷在37～122 kW之間，平均約為75 kW。整個(gè)車(chē)站摻混率統(tǒng)計(jì)如表5所示。

表5 整個(gè)車(chē)站摻混率統(tǒng)計(jì) %

3 結(jié)論

1) 站臺(tái)摻混率受屏蔽門(mén)滲出風(fēng)量的影響較小，主要是受屏蔽門(mén)滲入風(fēng)量的影響，且摻混率隨著滲入風(fēng)量的增大而減??；擬合得到了站臺(tái)摻混率與屏蔽門(mén)滲入風(fēng)量的二次函數(shù)關(guān)系式。

2) 站廳摻混率同時(shí)受到屏蔽門(mén)滲出風(fēng)量和滲入風(fēng)量的影響，隨著屏蔽門(mén)滲出風(fēng)量的增大而減小，隨著屏蔽門(mén)滲入風(fēng)量的增大而增大。屏蔽門(mén)滲入風(fēng)量小于2.0萬(wàn)m3/h時(shí)，站廳摻混率都為0；屏蔽門(mén)滲入風(fēng)量大于2.0萬(wàn)m3/h時(shí)，站廳摻混率可采用插值法并根據(jù)參考取值表取值。

3) 整個(gè)車(chē)站摻混率在74%～98%之間，平均值約為85%，說(shuō)明隧道滲入車(chē)站的空氣主要進(jìn)入了空調(diào)回風(fēng)，其中平均約有79%進(jìn)入了站臺(tái)空調(diào)回風(fēng)，約有6%進(jìn)入了站廳空調(diào)回風(fēng)。這部分滲風(fēng)將會(huì)增加車(chē)站的空調(diào)負(fù)荷。隧道溫度按運(yùn)行遠(yuǎn)期取40 ℃，計(jì)算得到滲風(fēng)所增加的站內(nèi)空調(diào)負(fù)荷約為37～122 kW，平均值約為75 kW。

4) 給出屏蔽門(mén)不同滲入/滲出風(fēng)量時(shí)站臺(tái)摻混率的計(jì)算公式和站廳摻混率的插值取值表，可用于地鐵車(chē)站空調(diào)負(fù)荷計(jì)算時(shí)取值參考，指導(dǎo)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。