高鐵地下站內(nèi)氣流流動(dòng)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的影響研究

劉 冰 李 坤

（1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司 北京 100055；2.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100007）

0 引言

截至2021年底，中國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)總里程已突破3.96 萬(wàn)公里，世界排名第一[1]。由于地理?xiàng)l件的限制，高速鐵路出現(xiàn)越來(lái)越多的地下隧道和地下車(chē)站。高鐵地下站通常埋深較深，大部分公共區(qū)位于地下，且通常采用半高安全門(mén)，隧道與車(chē)站內(nèi)外聯(lián)通。冬夏季站內(nèi)外溫差大，站內(nèi)熱壓作用強(qiáng)，由熱壓引起的氣流流動(dòng)貫穿整個(gè)車(chē)站內(nèi)外；同時(shí)，列車(chē)在隧道中高速越行時(shí)，車(chē)站內(nèi)還會(huì)產(chǎn)生大量的活塞風(fēng)[2]。當(dāng)乘客進(jìn)出站開(kāi)門(mén)時(shí)，熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)的作用會(huì)影響車(chē)站內(nèi)溫度分布，增加空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷。

目前大部分學(xué)者針對(duì)列車(chē)運(yùn)行形成的活塞風(fēng)對(duì)地鐵車(chē)站內(nèi)熱環(huán)境[3,4]、風(fēng)環(huán)境[5-7]和空調(diào)系統(tǒng)[8-10]的影響進(jìn)行了研究。但缺少活塞風(fēng)對(duì)高鐵地下車(chē)站熱環(huán)境的影響研究，尤其是熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)共同作用對(duì)站內(nèi)溫度和空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

本文以京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城地下站為例，建立站內(nèi)氣流流動(dòng)與傳熱的三維CFD 數(shù)值計(jì)算模型，以實(shí)測(cè)溫度和風(fēng)速數(shù)據(jù)作為邊界條件，分別計(jì)算熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)對(duì)站內(nèi)溫度和空調(diào)系統(tǒng)的影響，為類似高鐵地下站空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供技術(shù)參考。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 車(chē)站概況

八達(dá)嶺長(zhǎng)城站位于京張高鐵八達(dá)嶺隧道內(nèi)，車(chē)站總長(zhǎng)470m，總寬80m，軌面埋深102m，是目前國(guó)內(nèi)埋深最深的高鐵地下站。如圖1所示，車(chē)站每側(cè)站臺(tái)分別設(shè)2 個(gè)進(jìn)站口和2 個(gè)出站口通過(guò)電梯到達(dá)進(jìn)站通道層和出站通道層，進(jìn)站通道層與地面站房地下一層的候車(chē)廳通過(guò)電梯相連接，出站通道層與地面站房地面層通過(guò)電梯相連接。

圖1 八達(dá)嶺長(zhǎng)城地下站示意圖[11]Fig.1 Schematic diagram of Badaling Great Wall underground station

八達(dá)嶺長(zhǎng)城站進(jìn)站廳、候車(chē)廳及進(jìn)站過(guò)廳的平面圖如圖2所示，僅在進(jìn)站廳及候車(chē)廳設(shè)有空調(diào)系統(tǒng)，站內(nèi)其他區(qū)域均為自然通風(fēng)。當(dāng)乘客進(jìn)站乘車(chē)時(shí)，需開(kāi)啟進(jìn)站廳和候車(chē)廳的門(mén)，從而在一段時(shí)間內(nèi)室外和隧道內(nèi)空氣進(jìn)入進(jìn)站廳和候車(chē)廳，影響車(chē)站內(nèi)熱環(huán)境和空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行。本文將重點(diǎn)分析熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)對(duì)站內(nèi)空調(diào)區(qū)域的影響。

圖2 進(jìn)站廳、候車(chē)廳及進(jìn)站過(guò)廳平面圖（單位：mm）Fig.2 Plan of entrance hall,waiting hall and entrance hall(Unit:mm)

1.2 數(shù)值計(jì)算模型

對(duì)京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站物理模型做如下簡(jiǎn)化：

（1）進(jìn)站樓梯和進(jìn)站通道中間位置安裝鏤空吊頂，模型中按凈流通面積相同的均勻斷面進(jìn)行簡(jiǎn)化。

（2）忽略行人對(duì)車(chē)站出入口氣流的影響，以及門(mén)突然開(kāi)啟或關(guān)閉的瞬間對(duì)流動(dòng)的影響。

根據(jù)長(zhǎng)城站的設(shè)計(jì)方案與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立的三維數(shù)值計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型Fig.3 Numerical calculation model

1.3 邊界條件

采用Fluent 軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，將模型中進(jìn)站通道左端設(shè)為速度入口邊界，利用冬夏季現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的進(jìn)站通道風(fēng)速和溫度作為輸入?yún)?shù)；進(jìn)站廳層左右兩側(cè)的門(mén)設(shè)為壓力出口邊界。進(jìn)站廳和候車(chē)廳設(shè)置噴口送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，如圖4所示，送風(fēng)口為速度入口邊界，同側(cè)下方的回風(fēng)口為速度出口邊界。不同區(qū)域壁面邊界條件的溫度均采用實(shí)測(cè)溫度。

圖4 候車(chē)廳空調(diào)系統(tǒng)球形噴口及回風(fēng)口Fig.4 Spherical nozzle and return air outlet of air conditioning system in waiting hall

模擬計(jì)算中湍流模型選擇具有較好收斂性的Realizablek-ε模型。

2 夏季氣流流動(dòng)對(duì)空調(diào)區(qū)域的影響

2.1 僅熱壓風(fēng)對(duì)車(chē)站空調(diào)區(qū)域的影響

夏季進(jìn)站廳和候車(chē)廳的室內(nèi)負(fù)荷和空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 進(jìn)站廳及候車(chē)廳空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 1 Air conditioning design parameters of arrival hall and waiting hall

通過(guò)前期實(shí)測(cè)[12]發(fā)現(xiàn)，八達(dá)嶺長(zhǎng)城站夏季室外空氣溫度31℃、濕度56%，夏季由熱壓風(fēng)引起的進(jìn)站通道平均風(fēng)速為1.0m/s，且一直從室外流入進(jìn)站廳。乘客進(jìn)站時(shí)，候車(chē)廳與進(jìn)站過(guò)廳處開(kāi)啟5 扇門(mén)，空氣凈流通面積共24.3m 。進(jìn)站廳和候車(chē)廳初始平均溫度分別為28.1℃和27.0℃，進(jìn)站通道及進(jìn)站過(guò)廳平均溫度27.2℃。

采用非穩(wěn)態(tài)的方法模擬開(kāi)進(jìn)站廳門(mén)5 分鐘、關(guān)閉門(mén)、再計(jì)算10 分鐘站內(nèi)空氣溫度的變化，0～900s內(nèi)進(jìn)站廳及候車(chē)廳空氣平均溫度變化如圖5所示。

圖5 進(jìn)站廳及候車(chē)廳空氣平均溫度變化Fig.5 Average air temperature change in arrival hall and waiting hall

由圖5可見(jiàn)，0～180s 內(nèi)，由于熱壓風(fēng)作用，室外熱空氣進(jìn)入進(jìn)站廳，空氣平均溫度明顯升高。180s～300s 時(shí)，進(jìn)站廳空氣平均溫度呈緩慢增長(zhǎng)，最高達(dá)到30.5℃，已接近室外溫度。300s～900s，關(guān)閉進(jìn)站過(guò)廳門(mén)，熱壓風(fēng)的影響逐漸減弱，空調(diào)作用使進(jìn)站廳溫度迅速降低。

0～900 s 的候車(chē)廳空氣平均溫度變化并不大，最高僅升高到27.3℃，熱壓風(fēng)對(duì)候車(chē)廳的影響有限。主要是由于室外空氣首先進(jìn)入進(jìn)站廳，降溫后再通過(guò)樓梯進(jìn)入候車(chē)廳區(qū)域。

熱壓風(fēng)的作用將會(huì)給車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)帶來(lái)額外的冷負(fù)荷。夏季在門(mén)開(kāi)啟的情況下，引起的空調(diào)負(fù)荷可由式（1）計(jì)算。

式中：Q為空調(diào)系統(tǒng)附加冷負(fù)荷，kW；m˙為進(jìn)站通道空氣質(zhì)量流量，kg/s；h1為室內(nèi)空氣焓值，kJ/kg干空氣；h2為室外或進(jìn)站過(guò)廳空氣焓值，kJ/kg干空氣。

門(mén)開(kāi)啟次數(shù)與停站列車(chē)數(shù)有關(guān)，參考實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，門(mén)的開(kāi)啟次數(shù)約為每小時(shí)3 次。僅熱壓風(fēng)作用下，不同區(qū)域每小時(shí)空調(diào)系統(tǒng)附加負(fù)荷如表2所示。在熱壓風(fēng)作用下，進(jìn)站廳的空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷變化比候車(chē)廳更大，主要是由于室外空氣首先進(jìn)入進(jìn)站廳，降溫后的空氣再流入候車(chē)廳。

表2 熱壓風(fēng)對(duì)不同區(qū)域空調(diào)負(fù)荷的影響Table 2 Influence of buoyancy-driven wind on air conditioning load in different regions

2.2 熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)共同作用對(duì)車(chē)站空調(diào)區(qū)域的影響

列車(chē)在隧道中越行時(shí)，整個(gè)過(guò)程大約持續(xù)5 分鐘。列車(chē)高速越行時(shí)，車(chē)站內(nèi)會(huì)產(chǎn)生活塞風(fēng)，此時(shí)若進(jìn)站廳的門(mén)開(kāi)啟，活塞風(fēng)和熱壓風(fēng)將共同作用影響車(chē)站內(nèi)熱環(huán)境和空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行。

通過(guò)文獻(xiàn)[12]中的實(shí)測(cè)壁面溫度和進(jìn)站通道風(fēng)速作為邊界條件，進(jìn)站通道風(fēng)速變化如圖6所示。同樣，采用非穩(wěn)態(tài)的方法模擬開(kāi)進(jìn)站廳門(mén)5 分鐘活塞風(fēng)和熱壓風(fēng)同時(shí)作用、關(guān)閉門(mén)、再計(jì)算10 分鐘站內(nèi)溫度的變化。15 分鐘內(nèi)，進(jìn)站廳及候車(chē)廳的空氣平均溫度隨時(shí)間變化如圖7所示。

圖6 夏季進(jìn)站通道熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)共同作用下的風(fēng)速變化Fig.6 Variation of wind speed in the entrance channel in summer with the couple effect of buoyancy-driven wind and piston wind

圖7 進(jìn)站廳及候車(chē)廳空氣平均溫度變化Fig.7 Average air temperature change in arrival hall and waiting hall

通過(guò)對(duì)比風(fēng)速與溫度的變化關(guān)系可知，0～100s時(shí)，熱壓風(fēng)為主要影響因素，室外空氣從進(jìn)站廳的門(mén)進(jìn)入，所以進(jìn)站廳溫度變化明顯，候車(chē)廳溫度變化不大。100s～164s 時(shí)，列車(chē)到達(dá)車(chē)站附近，活塞風(fēng)為主要影響因素，氣流變?yōu)檫M(jìn)站廳流向室外，來(lái)自隧道的低溫空氣對(duì)候車(chē)廳及進(jìn)站廳降溫，進(jìn)站廳溫度高其降溫效果更明顯。164s～300s 時(shí)，列車(chē)離開(kāi)車(chē)站，活塞風(fēng)反向，與熱壓風(fēng)方向一致，在熱壓風(fēng)與活塞風(fēng)共同作用下，進(jìn)站廳和候車(chē)廳溫度再次升高。300s 后關(guān)閉進(jìn)站廳門(mén)，由空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行降溫，進(jìn)站廳的溫度逐漸下降。300s～900s 時(shí)，候車(chē)廳溫度緩慢降低。

同樣考慮每小時(shí)門(mén)開(kāi)啟3 次，每次5 分鐘，利用式（1）對(duì)在活塞風(fēng)和熱壓風(fēng)共同作用下空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷變化進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3所示。進(jìn)站廳空調(diào)負(fù)荷增量大于候車(chē)廳空調(diào)負(fù)荷增量，主要原因是熱壓風(fēng)的持續(xù)存在。在熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)共同作用下，0～100s 和164s～300s，熱壓風(fēng)從室外進(jìn)入進(jìn)站廳，使空調(diào)負(fù)荷增加。100s～164s，活塞風(fēng)引起的冷風(fēng)從進(jìn)站通道進(jìn)入進(jìn)站廳和候車(chē)廳，整體平均溫度降低。因此，合理選擇門(mén)開(kāi)啟時(shí)間，可改善候車(chē)廳和進(jìn)站廳的熱環(huán)境，減少空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷。

表3 活塞風(fēng)和熱壓風(fēng)對(duì)不同區(qū)域空調(diào)負(fù)荷的影響Table 3 Influence of piston wind and buoyancy-driven wind on air conditioning load in different regions

3 冬季氣流流動(dòng)對(duì)空調(diào)區(qū)域的影響

3.1 僅熱壓風(fēng)對(duì)車(chē)站空調(diào)區(qū)域的影響

冬季候車(chē)廳和進(jìn)站廳均設(shè)置輻射地板供暖，考慮冬季總熱負(fù)荷的20%為滲透風(fēng)引起的熱損失，墻壁和地面溫度采用實(shí)測(cè)溫度。熱壓作用引起的進(jìn)站通道平均風(fēng)速為0.8m/s，通道內(nèi)空氣溫度為9.8℃，模擬中假定熱壓風(fēng)保持不變。采用非穩(wěn)態(tài)的方法模擬開(kāi)候車(chē)廳門(mén)5 分鐘、關(guān)閉門(mén)、再計(jì)算10 分鐘站內(nèi)溫度的變化，前5 分鐘內(nèi)進(jìn)站廳和候車(chē)廳的空氣平均溫度變化如圖8所示。

圖8 進(jìn)站廳及候車(chē)廳空氣平均溫度變化Fig.8 Average air temperature change in arrival hall and waiting hall

冬季熱壓風(fēng)由隧道流向車(chē)站，隧道內(nèi)空氣溫度低，低溫空氣首先進(jìn)入候車(chē)廳，300s 內(nèi)候車(chē)廳溫度持續(xù)降低。進(jìn)站廳溫度受到候車(chē)廳初始溫度場(chǎng)的影響，前30s 內(nèi)溫度略微升高；30s～120s，由于熱壓風(fēng)的影響，進(jìn)站廳溫度持續(xù)降低；120s～300s 內(nèi)，進(jìn)站廳空氣平均溫度基本維持在15.7℃。

利用式（1）對(duì)熱壓風(fēng)引起的供暖系統(tǒng)負(fù)荷變化進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4所示。對(duì)比進(jìn)站廳和候車(chē)廳的溫度和負(fù)荷變化，冬季熱壓風(fēng)對(duì)于進(jìn)站廳的影響相對(duì)較小，主要是由于冬季熱壓風(fēng)首先進(jìn)入候車(chē)廳，加熱后的空氣再流向進(jìn)站廳。

表4 熱壓風(fēng)對(duì)不同區(qū)域空調(diào)負(fù)荷的影響Table 4 Influence of buoyancy-driven wind on air conditioning load in different regions

3.2 熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)共同作用對(duì)車(chē)站空調(diào)區(qū)域的影響

利用文獻(xiàn)[11]中的實(shí)測(cè)壁面溫度和進(jìn)站通道風(fēng)速作為邊界條件，進(jìn)站通道風(fēng)速變化如圖9所示。

圖9 冬季進(jìn)站通道熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)共同作用下的風(fēng)速變化Fig.9 Variation of wind speed in the entrance channel in winter with the couple effect of buoyancy-driven wind and piston wind

采用非穩(wěn)態(tài)的方法模擬開(kāi)進(jìn)站廳門(mén)5 分鐘活塞風(fēng)和熱壓風(fēng)同時(shí)作用、關(guān)閉候車(chē)廳門(mén)、再計(jì)算10 分鐘站內(nèi)溫度的變化。5 分鐘內(nèi)，進(jìn)站廳及候車(chē)廳的空氣平均溫度變化如圖10 所示。

圖10 進(jìn)站廳及候車(chē)廳空氣平均溫度變化Fig.10 Average air temperature change in arrival hall and waiting hall

由圖9和圖10 可知，0～60s 內(nèi)，進(jìn)站通道內(nèi)熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)疊加后的風(fēng)速相對(duì)穩(wěn)定，冷空氣從進(jìn)站通道進(jìn)入候車(chē)廳，候車(chē)廳平均溫度持續(xù)降低，而進(jìn)站廳溫度由于受到候車(chē)廳區(qū)域初始溫度場(chǎng)的影響，前30s 內(nèi)溫度略微升高，之后持續(xù)降低。60～120s 時(shí)，列車(chē)接近車(chē)站，熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)疊加后風(fēng)速導(dǎo)致通道風(fēng)速增大，進(jìn)而影響候車(chē)廳和進(jìn)站廳的溫度。120～240s 時(shí)，列車(chē)離站，站內(nèi)熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)疊加后風(fēng)速較小，對(duì)進(jìn)站廳的溫度影響較小。240～300s 時(shí)，熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)疊加后風(fēng)速持續(xù)影響，候車(chē)廳溫度降低，進(jìn)站廳溫度先降低后升高。

參考實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，按每小時(shí)候車(chē)廳門(mén)開(kāi)啟3次，每次開(kāi)啟5 分鐘。利用公式（1）對(duì)熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)共同作用引起的供暖系統(tǒng)的負(fù)荷變化進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表5所示。0～210s 和248s～300s，由于冬季熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)方向相同，隧道冷空氣通過(guò)進(jìn)站通道流向地面站房，進(jìn)站廳和候車(chē)廳的負(fù)荷變化較大。但210～248s 時(shí)，由于列車(chē)離開(kāi)車(chē)站，活塞風(fēng)與熱壓風(fēng)方向相反，疊加后使車(chē)站風(fēng)速變小，進(jìn)站廳和候車(chē)廳的供暖系統(tǒng)負(fù)荷變化較低。

表5 活塞風(fēng)和熱壓風(fēng)對(duì)不同區(qū)域空調(diào)負(fù)荷的影響Table 5 Influence of piston wind and buoyancy-driven wind on air conditioning load in different regions

4 結(jié)論

本文以京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城地下站為對(duì)象，研究了熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)對(duì)高鐵地下站內(nèi)熱環(huán)境和空調(diào)負(fù)荷的影響，得到以下結(jié)論：

（1）夏季，僅熱壓風(fēng)作用下，室外熱空氣先進(jìn)入進(jìn)站廳，降溫后進(jìn)入候車(chē)廳，對(duì)候車(chē)廳熱環(huán)境和空調(diào)系統(tǒng)影響小，每小時(shí)進(jìn)站廳和候車(chē)廳空調(diào)負(fù)荷分別增加13.4%和3.7%；熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)共同作用下，每小時(shí)進(jìn)站廳和候車(chē)廳空調(diào)負(fù)荷分別增加12.0%和3.3%，熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)的共同作用比僅熱壓風(fēng)作用對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的影響稍小。

（2）冬季，僅熱壓風(fēng)作用下，隧道內(nèi)冷空氣先進(jìn)入候車(chē)廳，升溫后進(jìn)入進(jìn)站廳，對(duì)候車(chē)廳熱環(huán)境和空調(diào)系統(tǒng)影響大，每小時(shí)進(jìn)站廳和候車(chē)廳的空調(diào)負(fù)荷分別增加4.4%和14.3%；熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)共同作用下，每小時(shí)進(jìn)站廳和候車(chē)廳空調(diào)負(fù)荷分別增加4.0%和12.8%，熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)共同作用與僅熱壓風(fēng)作用對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的影響稍小。