地鐵車站自然通風(fēng)模型實(shí)驗(yàn)研究

曾 臻 ，肖益民，渠永通，陳永江，曹樹勇

（1. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031；2. 重慶大學(xué)，重慶 401331）

1 研究背景

自然通風(fēng)作為一種常用的被動(dòng)節(jié)能措施，具有很好的節(jié)能潛力和較高的應(yīng)用價(jià)值，在民用建筑中常被廣泛采用。因此，將自然風(fēng)引入地鐵車站，對(duì)其空氣品質(zhì)的改善和節(jié)能具有重要意義[1-5]。然而，針對(duì)地鐵車站自然通風(fēng)的相關(guān)研究，尤其是與自然通風(fēng)效果有關(guān)的研究較少，其有效應(yīng)用方式、應(yīng)用效果和價(jià)值有待進(jìn)一步深入探究。

在當(dāng)前地鐵環(huán)控設(shè)計(jì)過程中，基本未考慮自然通風(fēng)對(duì)地鐵車站的能耗影響[6]，造成了設(shè)備容量事實(shí)上的冗余過剩。筆者通過對(duì)地鐵車站自然通風(fēng)模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了過渡季不同通風(fēng)工況下地鐵車站的自然通風(fēng)效果，并給出了地鐵車站公共區(qū)充分利用自然通風(fēng)的方式和建議，為地鐵車站的設(shè)計(jì)和運(yùn)營提供了參考，具有良好的工程應(yīng)用前景和節(jié)能潛力。

2 模型實(shí)驗(yàn)

2.1 相似理論

相似理論是模型實(shí)驗(yàn)的依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)兩個(gè)流動(dòng)問題的力學(xué)相似，必須先保證幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似，以及兩個(gè)流動(dòng)的邊界條件和起始條件相似。同時(shí)，地鐵站內(nèi)存在大量的發(fā)熱體，導(dǎo)致通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度必然低于站內(nèi)的空氣溫度，即送風(fēng)氣流屬于非等溫射流，其表現(xiàn)為重力和浮升力的不平衡。本研究采用阿基米德數(shù)Ar 來代替表征重力相似的弗諾得數(shù)，它們?cè)谥亓ψ饔蒙舷嗖钜粋€(gè)乘數(shù)Δρ/ρ0，其中Δρ 是送風(fēng)氣流和工作區(qū)氣流的密度差，ρ0為送風(fēng)氣流密度。綜合阿基米德數(shù)Ar、氣體狀態(tài)方程和熱平衡方程，可以得到熱量阿基米德數(shù)為

式中：T0為送風(fēng)氣流溫度，℃；q 為站內(nèi)余熱，W；Cp為空氣定壓比熱容，J/(Kg·K)；υ0為平均送風(fēng)風(fēng)速，m/s；F 為送風(fēng)口的面積，m2；ρ0為送風(fēng)氣流空氣密度，kg/m3；Arq為熱量阿基米德數(shù)。

最終擬以Arq代替Ar，實(shí)際上是用室內(nèi)余熱量q取代反映浮升力作用的溫差ΔT0，從而使其包含的各個(gè)參數(shù)均成為工程應(yīng)用中可知或者可控的參數(shù)。

2.2 相似比例尺

確定模型的幾何比例尺Cj，一般認(rèn)為Cj越大，越容易真實(shí)地模擬原型，但Cj越大，模型的造價(jià)越高，需要的試驗(yàn)場(chǎng)地越大，試驗(yàn)觀察的難度就越大。在充分考慮了試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和試驗(yàn)場(chǎng)地的實(shí)際情況后，確定本次模型試驗(yàn)的幾何比例尺為Cj=1∶20。根據(jù)沙坪壩地鐵站的原始內(nèi)部空間尺寸和幾何比例尺Cj=1/20，確定模型的內(nèi)部空間尺寸，如表1 所示。

表1 原型和模型內(nèi)部空間尺寸 Table 1 Summary of internal space dimensions of the prototype and the model mm

模型主體結(jié)構(gòu)的幾何尺寸嚴(yán)格按照原型進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，同時(shí)把一些對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響很小的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理。其中，站廳層原型為微拱形，模型將站廳層處理為長方體，站臺(tái)層根據(jù)原型尺寸搭建，只考慮一輛列車到站、站臺(tái)門打開時(shí)的情況，因此只在一側(cè)方向上設(shè)置24 個(gè)站臺(tái)門，每個(gè)站臺(tái)門開度2 m，高度2 m，另一側(cè)不設(shè)置站臺(tái)門以及站內(nèi)隧道。站內(nèi)隧道長度按160 m 的原型尺寸考慮，涵蓋了車站兩端的活塞風(fēng)井和排熱風(fēng)井。與站臺(tái)方向平行的隧道部分寬3.8 m，高5.0 m，地鐵列車采用A 型車輛，6 輛編組，全長120 m，寬度3 m，高度3.8 m。模型主體結(jié)構(gòu)及搭建完成的實(shí)物實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1 所示。

圖1 搭建完成的實(shí)物實(shí)驗(yàn)臺(tái) Figure 1 Completed physical test bench

3 測(cè)點(diǎn)布置

3.1 發(fā)熱量及熱源尺寸

地鐵車站內(nèi)部熱源主要有設(shè)備散熱、照明散熱、人員散熱以及站臺(tái)門傳熱等，根據(jù)相似理論所確定的幾何比例尺Cj=1/20 和熱量比例尺Cq=1 789，結(jié)合當(dāng)前設(shè)備設(shè)計(jì)容量，可以計(jì)算出模型內(nèi)部設(shè)備的幾何尺寸和發(fā)熱設(shè)備的發(fā)熱量。

發(fā)熱設(shè)備按所處位置可分為3 類：第一類位于樓板上，如自動(dòng)售票機(jī)、安檢設(shè)備和進(jìn)出閘機(jī)等；第二類位于壁面上，如廣告牌、指示牌以及站臺(tái)門傳熱等；第三類則位于天花板上，如照明設(shè)備、線纜發(fā)熱等。對(duì)于第一類發(fā)熱設(shè)備，可按照就近原則，將多個(gè)熱源組合為一個(gè)發(fā)熱體，并采用電阻值為133Ω/m 的碳纖維發(fā)熱線外包薄壁鐵皮外殼來模擬；對(duì)于第二類發(fā)熱設(shè)備，可直接將碳纖維發(fā)熱線均勻粘貼于模型內(nèi)側(cè)壁面；對(duì)于第三類發(fā)熱設(shè)備，可在對(duì)發(fā)熱線上部做隔熱處理的基礎(chǔ)上，將發(fā)熱線均勻粘貼在對(duì)應(yīng)層頂板上。此外，由人員分布具有隨機(jī)性，可將該發(fā)熱量視為站內(nèi)單位面積的均勻熱源，并簡化為以碳纖維發(fā)熱線為實(shí)驗(yàn)熱源的“線型”熱負(fù)荷。地鐵站內(nèi)第一類發(fā)熱設(shè)備的外殼尺寸及布置如圖2 所示。

圖2 站廳層第一類發(fā)熱設(shè)備尺寸及布置 Figure 2 Dimension and layout of class I heating equipment on the station hall floor

3.2 隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

重慶地鐵1號(hào)線沙坪壩站采用全封閉站臺(tái)門系統(tǒng)，在該系統(tǒng)的列車運(yùn)行及空調(diào)散熱量中，50%以上釋放在車站車行道[7]。為了準(zhǔn)確模擬真實(shí)情況，需要在模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)置通風(fēng)排熱系統(tǒng)來控制隧道內(nèi)的溫度。由于隧道和站臺(tái)空氣流動(dòng)處于阻力平方區(qū)，站臺(tái)門處等效局部阻力系數(shù)只與其幾何形狀有關(guān)，因此在制作模型時(shí)，要嚴(yán)格根據(jù)實(shí)際隧道、列車及站臺(tái)門的實(shí)際尺寸按相似比例制作。隧道活塞風(fēng)對(duì)地鐵車站的影響呈周期性正負(fù)壓作用，因此在一定的周期內(nèi)，影響車站自然通風(fēng)效應(yīng)的主要因素為車站隧道排熱風(fēng)機(jī)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地鐵車站間歇性負(fù)壓效應(yīng)的模擬，實(shí)驗(yàn)臺(tái)在隧道兩側(cè)安裝有兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，以模擬列車停站、站臺(tái)門開啟時(shí)的工況條件。

3.3 溫度測(cè)點(diǎn)和工況安排

地鐵站溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布情況需通過專業(yè)儀器測(cè)試得到，因此，模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)中需根據(jù)站內(nèi)結(jié)構(gòu)和設(shè)備布置，合理地確定溫度和風(fēng)速測(cè)點(diǎn)。其中，溫度測(cè)點(diǎn)按均布原則分別在站內(nèi)公共區(qū)中部、主體附屬接口和出入口通道，按實(shí)際距離約900 m 間隔設(shè)置；風(fēng)速測(cè)點(diǎn)則位于各出入口通道中部，截面內(nèi)采用九點(diǎn)法均勻布置。站廳層溫度測(cè)點(diǎn)布置方案如圖3 所示。

圖3 站廳層溫度測(cè)點(diǎn)布置 Figure 3 Layout of temperature measuring points on station hall floor

本模型實(shí)驗(yàn)共安排了6 組實(shí)驗(yàn)工況，其中：1～3組工況為出入口之間無高差工況，重點(diǎn)通過改變站內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行工況，以便來觀察車站自然通風(fēng)規(guī)模的變化情況；4～6 組工況為車站內(nèi)部發(fā)熱量一致的工況，重點(diǎn)通過改變出入口之間的高差，以便來觀察該因素對(duì)車站自然通風(fēng)規(guī)模的影響。具體工況安排如表2 所示。

表2 模型實(shí)驗(yàn)工況安排 Table 2 Working condition schedule of model test

4 結(jié)果分析

4.1 內(nèi)部發(fā)熱量的影響

根據(jù)既定的實(shí)驗(yàn)工況，開啟對(duì)應(yīng)的設(shè)備，進(jìn)行測(cè)點(diǎn)溫度和出入口風(fēng)速的測(cè)試，并將不同工況下的測(cè)試結(jié)果記錄匯總，形成模型實(shí)驗(yàn)工況1～3 的實(shí)測(cè)結(jié)果，如表3 所示。另外，需要特別說明的是：表中所有的測(cè)試數(shù)據(jù)均為多點(diǎn)、多次實(shí)測(cè)結(jié)果的平均值，以避免測(cè)試過程中的偶然誤差對(duì)結(jié)果造成不利的影響。

表3 實(shí)驗(yàn)工況1～3 的實(shí)測(cè)結(jié)果 Table 3 Summary of measured results under test conditions 1-3

其中：+表示進(jìn)風(fēng)，自然風(fēng)從室外吹入地鐵車站；-表示出風(fēng)，地鐵車站排風(fēng)至室外。從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出：工況1 由于熱壓作用，自然風(fēng)從1 出入口通道引入，流經(jīng)站廳層和站臺(tái)層，溫度逐漸升高，再從2 和3 出入口通道流出，即自然通風(fēng)客觀存在且規(guī)?？捎^，工況2、3 亦有類似結(jié)論。同時(shí)，工況1～3 的測(cè)試結(jié)果均表明：在站廳層實(shí)測(cè)發(fā)熱功率比站臺(tái)層更大的情況下，站廳平均溫度更低，且溫度分布均勻，在相同條件下，流經(jīng)站臺(tái)層的通風(fēng)規(guī)模較站廳層的更小，即該通風(fēng)規(guī)模中的較大部分路徑主要由出入口通道+站廳層+出入口通道組成。

工況2 在開啟全部風(fēng)量的排熱風(fēng)機(jī)后，其自然通風(fēng)的規(guī)模和方向與工況1 十分接近，且兩個(gè)工況下站廳層與室外空氣平均溫度的差值分別為15℃和15.1℃，熱壓作用亦基本相同。因此，可以得出：車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)自然通風(fēng)量的影響作用不明顯，在無室外風(fēng)壓作用的情況下，自然通風(fēng)的主要?jiǎng)恿碓礊檎緝?nèi)熱源釋放熱量所形成的空氣熱壓。工況3 將隧道排熱風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)整為1/2 后，1 號(hào)和2 號(hào)出入口通道的通風(fēng)方向反向，但總的通風(fēng)規(guī)模變化不大。結(jié)合前述分析不難得出：車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)雖然對(duì)自然通風(fēng)規(guī)模的影響作用十分有限，但站內(nèi)熱壓所形成的空氣流動(dòng)方向本身具有不確定性；在包含車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)在內(nèi)的外部條件變化的影響下，形成了特定方向的初始通風(fēng)流向，并在后期熱壓作用的自然通風(fēng)過程中維持不變。

同時(shí)，通過測(cè)得的壁面溫度以及站內(nèi)不同區(qū)域溫度，可估算得到各區(qū)域向圍護(hù)結(jié)構(gòu)(實(shí)際車站為土壤)的總散熱量，其中站廳、站臺(tái)、出入口通道可以計(jì)算其當(dāng)量直徑，將它們近似于水平管道來進(jìn)行計(jì)算，站廳層表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取1.41 W/m2·℃，站臺(tái)層取1.86 W/m2·℃，出入口取2.32 W/m2·℃，最終算得的散熱量如表4 所示。

可以看出：無論是站廳層、站臺(tái)層還是出入口，工況1 站內(nèi)環(huán)境向圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量均相對(duì)較大；工況2 將排熱風(fēng)機(jī)開啟后，由于隧道通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)車站軌行區(qū)的排熱影響，軌行區(qū)壁面溫度較低，但受室外空氣溫度(實(shí)驗(yàn)工況下與環(huán)境溫度為同一溫度)降低更多的影響，它向圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總傳熱量反而減小，導(dǎo)致自然通風(fēng)需帶走更多的站內(nèi)熱量；當(dāng)工況3 在工況2 的 基礎(chǔ)上調(diào)小隧道通風(fēng)規(guī)模時(shí)，雖然受車站軌行區(qū)通風(fēng)規(guī)模減小的影響，軌行區(qū)維護(hù)結(jié)構(gòu)的壁面溫度略有提高，但此時(shí)環(huán)境溫度升高明顯，站臺(tái)層向圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總傳熱量增加，在站內(nèi)發(fā)熱功率差異不大的情況下，自然通風(fēng)進(jìn)、排風(fēng)溫差明顯減小。因此，可以得出結(jié)論：自然通風(fēng)對(duì)地鐵車站的排熱作用受室外環(huán)境溫度的影響較大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。

表4 實(shí)驗(yàn)工況1～3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱量 Table 4 Heat dissipation scale of enclosure structure under test conditions 1-3

4.2 出入口間高差的影響

實(shí)際車站的出入口受地面地坪高度的影響，不同出入口之間存在一定的垂直高差，尤其是在類似于重慶這種山地城市中，體現(xiàn)更為明顯。為了進(jìn)一步探究出入口間的高差對(duì)車站自然通風(fēng)規(guī)模的影響，在維持站內(nèi)散熱量等條件不變的前提下，進(jìn)行了工況4～6的模型測(cè)試，測(cè)試過程中環(huán)境溫度保持27.5℃不變，測(cè)試結(jié)果如表5 所示。

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)兩個(gè)出入口之間高差分別為0.2、0.4 和0.6 m 時(shí)(幾何比例尺Cj=1/20，即4、8 和12 m)，由于熱壓作用，自然風(fēng)均從3 號(hào)出入口通道引入并流經(jīng)站廳層，吸收站內(nèi)余熱后溫度逐漸升高，再從1 號(hào)出入口通道流出。在這3 種高差情況下，模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)內(nèi)部的溫度場(chǎng)以及壁溫幾乎沒有什么變化，散熱量基本相同，3 號(hào)出入口通道由于排風(fēng)，其平均溫度明顯高于1 號(hào)出入口通道的平均溫度，得到的散熱量如表6 所示。

表5 實(shí)驗(yàn)工況4～6 實(shí)測(cè)結(jié)果匯總 Table 5 Summary of measured results under test conditions 4-6

工況4～6 的條件僅改變了出入口間的高差，包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量在內(nèi)的其他條件均保持一致，且最終得到的各工況通風(fēng)規(guī)模差異不顯著。因此，可以得出：在其他條件不變的前提下，車站各出入口間的高差在一定范圍內(nèi)的變化，并不會(huì)對(duì)通風(fēng)規(guī)模產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響，它對(duì)自然通風(fēng)的影響作用有限。

表6 實(shí)驗(yàn)工況4～6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量 Table 6 Heat dissipation scale of enclosure structure under test conditions 4-6

5 結(jié)論

因場(chǎng)地等因素限制，本實(shí)驗(yàn)中所使用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)沒有進(jìn)行妥善的保溫處理，在實(shí)驗(yàn)過程中，通過采取放大實(shí)際發(fā)熱量的方式來補(bǔ)齊外部傳熱損失，以保證實(shí)驗(yàn)測(cè)試的準(zhǔn)確性。通過對(duì)比分析各工況的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以得出以下實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

1) 自然通風(fēng)客觀存在且規(guī)?？捎^，其中的較大部分路徑主要由出入口通道+站廳層+出入口通道組成，流經(jīng)站臺(tái)層的通風(fēng)量相對(duì)較少。

2) 熱壓是地鐵車站自然通風(fēng)的主要?jiǎng)恿χ唬饕艿罔F車站埋深以及內(nèi)部發(fā)熱量大小的影響，而車站隧道通風(fēng)的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)自然通風(fēng)規(guī)模的影響十分有限。同時(shí)，自然通風(fēng)對(duì)地鐵車站的排熱作用受室外環(huán)境溫度的影響較大，就實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況而言，測(cè)試范圍內(nèi)室外溫度升高5℃，排熱作用降低30.1%。

3) 車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)雖然對(duì)自然通風(fēng)的規(guī)模無影響，但因熱壓驅(qū)動(dòng)的空氣流動(dòng)方向本身具有不確定性，所以隧道通風(fēng)系統(tǒng)客觀上決定了自然通風(fēng)的初始流向，并在外部條件不發(fā)生改變的前提下始終維持不變。

4) 改變出入口間的高差可以改變自然通風(fēng)的熱壓驅(qū)動(dòng)力，但由于外部條件的制約，出入口間的高差不可能無限增加，在測(cè)試對(duì)應(yīng)的實(shí)際高差4～12 m 范圍內(nèi)，出入口的高差對(duì)自然通風(fēng)規(guī)模的影響不大。