非屏蔽門地鐵車站隧道與站臺(tái)空氣交換量模擬研究

欒承志 李曉鋒

(清華大學(xué),北京)

0 引言

城市基礎(chǔ)交通設(shè)施的建設(shè)在城市化發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用。與私家車和傳統(tǒng)公交相比,城市軌道交通在運(yùn)量、速度和運(yùn)行方式等方面具有明顯優(yōu)勢(shì),因此在近些年得到了快速發(fā)展[1]。而隨著地鐵在全國范圍內(nèi)的大量建設(shè),地鐵運(yùn)營的能耗問題也日益受到關(guān)注。2022年,全國城市軌道交通能耗227.9億kW·h,比上年增長6.89%,能耗巨大[2]。相關(guān)研究表明,通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗費(fèi)用一般占整個(gè)地鐵工程運(yùn)營費(fèi)用的1/3以上[3]。因此,很多學(xué)者對(duì)如何降低地鐵空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗進(jìn)行了深入研究,其中隧道與站臺(tái)的空氣交換量是影響空調(diào)系統(tǒng)能耗的重要因素之一[4]。

隧道與站臺(tái)的空氣交換量與地鐵環(huán)控系統(tǒng)安裝的車門形式有直接的關(guān)聯(lián)。目前我國的地鐵環(huán)控系統(tǒng)主要包括屏蔽門系統(tǒng)和非屏蔽門系統(tǒng)。在典型的北方地區(qū)城市,地鐵通風(fēng)空調(diào)以非屏蔽門系統(tǒng)作為主要的系統(tǒng)模式;而在南方地區(qū)則以屏蔽門系統(tǒng)作為主要的系統(tǒng)模式[5]。

當(dāng)前,對(duì)于地鐵站內(nèi)隧道與站臺(tái)的空氣交換量,主要的研究方法為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法和數(shù)值模擬方法。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法,張培紅等人利用風(fēng)速儀對(duì)沈陽地鐵2號(hào)線世紀(jì)廣場(chǎng)站的站臺(tái)層進(jìn)行了風(fēng)速測(cè)試,分析了站臺(tái)兩端、扶梯口及站臺(tái)中部各斷面速度場(chǎng)的變化規(guī)律[6]。王春旺等人對(duì)位于南京的某屏蔽門地鐵站臺(tái)進(jìn)行了漏風(fēng)量測(cè)試,得出了屏蔽門漏風(fēng)量的變化趨勢(shì),定量分析了漏風(fēng)量對(duì)車站空調(diào)負(fù)荷的影響[7]。林炎頃等人對(duì)設(shè)置了可調(diào)通風(fēng)型站臺(tái)門的地鐵車站在過渡季節(jié)的通風(fēng)性能進(jìn)行了測(cè)試,并認(rèn)為在過渡季節(jié)可以關(guān)閉車站風(fēng)機(jī),依靠列車活塞效應(yīng)引起的通風(fēng)量便可滿足過渡季節(jié)車站風(fēng)量的設(shè)計(jì)要求[8]。

數(shù)值模擬方法主要包括CFD模擬方法和網(wǎng)絡(luò)方法。楊暉利用CFD模擬方法,分析了單列車進(jìn)、出站過程中的流場(chǎng)分布,計(jì)算了活塞風(fēng)所造成的站臺(tái)通風(fēng)量,并對(duì)未來環(huán)控系統(tǒng)的運(yùn)行提出了建議[9]。李亮等人采用理論分析和CFD模擬計(jì)算的方法,分析了地鐵屏蔽門滲透風(fēng)對(duì)車站空調(diào)負(fù)荷的影響,給出了可用于指導(dǎo)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算的摻混率計(jì)算公式和參考取值[10]。劉庚等人通過CFD模擬方法,對(duì)采用非屏蔽門系統(tǒng)的天津地鐵下瓦房站進(jìn)行了研究,比較了采用不同湍流模型時(shí)地鐵站臺(tái)的氣流組織[11]。研究認(rèn)為,利用CFD模擬方法對(duì)地鐵站臺(tái)建立熱環(huán)境數(shù)值模型時(shí),湍流模型的選擇對(duì)模擬結(jié)果會(huì)有較大的影響,采用不同的計(jì)算模型會(huì)使結(jié)果存在一定差異。

由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法無法在設(shè)計(jì)階段對(duì)隧道與站臺(tái)的空氣交換量進(jìn)行估計(jì),而CFD模擬方法計(jì)算復(fù)雜、技術(shù)性強(qiáng)、不確定性高,2種方法都只能測(cè)試或模擬少量案例,難以得到普遍性結(jié)論,無法快速計(jì)算非屏蔽門地鐵系統(tǒng)隧道與站臺(tái)的空氣交換量。

另一類模擬方法為網(wǎng)絡(luò)法。與前2種方法相比,網(wǎng)絡(luò)法可以較快得到相對(duì)準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果,適用于長時(shí)間動(dòng)態(tài)模擬。由清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系開發(fā)的地鐵熱環(huán)境模擬軟件STESS即是利用網(wǎng)絡(luò)法對(duì)通風(fēng)量進(jìn)行模擬計(jì)算的軟件之一。學(xué)者們通過STESS軟件,在我國地鐵工程應(yīng)用中進(jìn)行了大量的實(shí)際計(jì)算,計(jì)算結(jié)果也在多個(gè)實(shí)際線路中得到了驗(yàn)證[12]。朱培根等人利用STESS軟件得出了各種運(yùn)營模式下的地鐵通風(fēng)空調(diào)能耗曲線,確定了地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化的運(yùn)營模式[3]。唐超等人利用STESS軟件分析了嚴(yán)寒地區(qū)地鐵在不同通風(fēng)模式下對(duì)應(yīng)的運(yùn)行能耗及經(jīng)濟(jì)效益[13]。Li等人利用STESS軟件對(duì)地鐵屏蔽門系統(tǒng)隧道與站臺(tái)的空氣交換量進(jìn)行了研究,并給出了計(jì)算地鐵屏蔽門系統(tǒng)隧道與站臺(tái)空氣交換量的擬合公式,為研究和工程計(jì)算提供了便捷[14]。

通過調(diào)研地鐵站內(nèi)氣流組織的相關(guān)研究后發(fā)現(xiàn),對(duì)屏蔽門系統(tǒng)地鐵隧道與站臺(tái)的空氣交換量已有大量研究成果,而對(duì)非屏蔽門系統(tǒng)隧道與站臺(tái)空氣交換量的相關(guān)研究較少。因此,本文利用STESS軟件,通過網(wǎng)絡(luò)法對(duì)各類工況下的非屏蔽門地鐵系統(tǒng)進(jìn)行了模擬計(jì)算。文獻(xiàn)[14]認(rèn)為,影響隧道與站臺(tái)空氣交換量的重要因素包括隧道長度、發(fā)車對(duì)數(shù)、雙向列車到站時(shí)間間隔等。本文分析了這些因素對(duì)非屏蔽門系統(tǒng)隧道與站臺(tái)空氣交換量的影響,并給出了適用于估算實(shí)際工程非屏蔽門系統(tǒng)地鐵站臺(tái)與隧道空氣交換量的擬合公式。

1 研究方法

1.1 計(jì)算模型及工況設(shè)定

圖1為在STESS軟件中構(gòu)建的地鐵網(wǎng)絡(luò)模型。整個(gè)地鐵網(wǎng)絡(luò)由區(qū)間隧道支路、通風(fēng)井支路、站臺(tái)支路、非屏蔽門支路、出入口支路及連接支路的節(jié)點(diǎn)組成。對(duì)于非屏蔽門系統(tǒng),雙向列車到站時(shí)間間隔對(duì)隧道與站臺(tái)的空氣交換量的影響較大,為分析其對(duì)隧道與站臺(tái)空氣交換量的影響,專門建立了較長的地鐵線路模型(共包含28站);設(shè)定地鐵列車的最高運(yùn)行速度為80 km/h[15];根據(jù)我國地鐵線路的實(shí)際情況,設(shè)定的隧道長度分別為800、1 000、1 200、1 400 m;列車每小時(shí)的發(fā)車對(duì)數(shù)為6～30對(duì);模型相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 模型相關(guān)參數(shù)

注:S-1、S0、S1為地鐵站臺(tái)。圖1 地鐵網(wǎng)絡(luò)模型

圖2為地鐵站臺(tái)與隧道的相對(duì)位置示意圖。研究的站臺(tái)為S0,其上游的站臺(tái)分別為S-3、S-2和S-1,下游的站臺(tái)分別為S1、S2和S3;隧道根據(jù)起點(diǎn)和終點(diǎn)的站臺(tái)編號(hào),如用T1表示S0-S1段隧道。

圖2 研究的地鐵站臺(tái)與隧道的相對(duì)位置

1.2 模擬結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,對(duì)南京某采用非屏蔽門系統(tǒng)的地鐵車站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。根據(jù)質(zhì)量守恒原理,隧道與站臺(tái)的空氣交換量會(huì)導(dǎo)致進(jìn)出口氣流的變化。為了便于測(cè)試,選擇對(duì)出入口的風(fēng)量進(jìn)行測(cè)量,并將試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果與軟件模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖3所示。從圖3可以看出,模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的變化趨勢(shì)和峰值基本一致,驗(yàn)證了模擬方法的準(zhǔn)確性。模擬結(jié)果與出入口總風(fēng)量的實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致,相對(duì)誤差約為12%,如表2所示。因此,該模擬方法能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算出隧道與站臺(tái)的空氣交換量。

表2 出入口風(fēng)量實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

圖3 地鐵站出入口風(fēng)量實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

2 結(jié)果分析

2.1 隧道長度

對(duì)于采用屏蔽門系統(tǒng)的某一站臺(tái)的隧道與站臺(tái)的空氣交換量,主要受列車在與其相鄰的6個(gè)隧道中行駛過程的影響(相鄰上游的3個(gè)隧道和下游的3個(gè)隧道)[14]。即列車離開S-3、進(jìn)入隧道T-3時(shí),研究所選取的地鐵站隧道與站臺(tái)的空氣交換量開始發(fā)生變化。之前的隧道由于距離過遠(yuǎn),列車駛經(jīng)該隧道產(chǎn)生的活塞風(fēng)造成的影響可以忽略。此外,風(fēng)量曲線還呈周期性波動(dòng),與列車運(yùn)行速度曲線相對(duì)應(yīng)。

但對(duì)于非屏蔽門系統(tǒng),由于與隧道連通的面積遠(yuǎn)大于屏蔽門系統(tǒng),使得列車在隧道中產(chǎn)生的活塞風(fēng)大部分都進(jìn)入了與該隧道相鄰的站臺(tái)。因此,隧道與站臺(tái)空氣交換量的變化主要受列車在與站臺(tái)相鄰的上下游隧道中行駛的影響,列車在其他隧道行駛時(shí)產(chǎn)生的影響可以忽略。風(fēng)量模擬的結(jié)果可以佐證這一點(diǎn)。圖4顯示了非屏蔽門系統(tǒng)隧道與站臺(tái)的空氣交換量。從圖4可以發(fā)現(xiàn),非屏蔽門系統(tǒng)隧道與站臺(tái)空氣交換量的變化曲線存在2個(gè)波峰和2個(gè)波谷。該圖中,風(fēng)量峰值較大的波形,是由于上行列車進(jìn)站和出站導(dǎo)致的隧道與站臺(tái)的空氣交換量。當(dāng)上行列車進(jìn)站時(shí),列車前方空氣受到擠壓,壓力升高,隧道中的活塞風(fēng)通過非屏蔽門進(jìn)入站臺(tái);當(dāng)列車出站時(shí),其尾部為負(fù)壓,使站臺(tái)的空氣通過非屏蔽門流入隧道。而對(duì)于其中風(fēng)量峰值較小的波形,則是下行列車進(jìn)出站導(dǎo)致的。當(dāng)下行列車進(jìn)站時(shí),其擠壓出的活塞風(fēng)一部分進(jìn)入站臺(tái),另一部分則通過非屏蔽門進(jìn)入上行隧道;當(dāng)下行列車出站時(shí)會(huì)抽吸空氣,其中一部分來自站臺(tái),另一部分則來自上行隧道。

圖4 非屏蔽門隧道與站臺(tái)的空氣交換量(模擬條件:發(fā)車對(duì)數(shù)為6對(duì)/h,隧道長度為800 m)

由于列車在隧道中的行駛情況會(huì)對(duì)隧道與站臺(tái)的空氣交換量產(chǎn)生較大影響,所以隧道的長度及列車的行駛速度是重要的影響因素。圖5顯示了不同隧道長度下列車的速度曲線。可以看出,在該模型設(shè)定的條件下,列車在不同長度隧道中行駛的最大速度均相同,這也符合當(dāng)前地鐵實(shí)際的運(yùn)行情況。圖6顯示了不同隧道長度下隧道與站臺(tái)的空氣交換量,可以看出,當(dāng)發(fā)車對(duì)數(shù)較少時(shí),在相同發(fā)車對(duì)數(shù)下,隧道越長,列車行駛的時(shí)間越久,導(dǎo)致隧道與站臺(tái)的空氣交換量越大。

圖5 不同隧道長度下列車的速度曲線

圖6 不同隧道長度下隧道與站臺(tái)的空氣交換量(模擬條件:發(fā)車對(duì)數(shù)為6對(duì)/h)

但隨著發(fā)車對(duì)數(shù)的增加,影響隧道與站臺(tái)空氣交換量的因素變得復(fù)雜,將在下文作具體說明。

2.2 列車發(fā)車對(duì)數(shù)

列車的發(fā)車對(duì)數(shù)也是影響非屏蔽門系統(tǒng)隧道與站臺(tái)空氣交換量的重要因素。圖7顯示了在相同隧道長度下,發(fā)車對(duì)數(shù)不同時(shí)隧道與站臺(tái)的空氣交換量的變化情況?？梢钥闯?隨著發(fā)車對(duì)數(shù)的增加,隧道與站臺(tái)的空氣交換量呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。原因是當(dāng)發(fā)車對(duì)數(shù)較少時(shí),隨著發(fā)車對(duì)數(shù)的增加,隧道與站臺(tái)的換氣頻率增大,隧道與站臺(tái)的空氣交換量有增大的趨勢(shì);但隨著發(fā)車對(duì)數(shù)的進(jìn)一步增加,列車的間距減小,前后列車造成的活塞風(fēng)發(fā)生相互干擾,使得隧道與站臺(tái)的空氣交換量減小。因此當(dāng)發(fā)車對(duì)數(shù)較多時(shí),隧道與站臺(tái)的空氣交換量的影響因素較為復(fù)雜,隧道與站臺(tái)的空氣交換量會(huì)隨發(fā)車對(duì)數(shù)的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。對(duì)于不同的隧道長度,該變化規(guī)律相同,但出現(xiàn)隧道與站臺(tái)最大空氣交換量所對(duì)應(yīng)的發(fā)車對(duì)數(shù)并不一致。

圖7 同一車站在不同發(fā)車對(duì)數(shù)時(shí)的單側(cè)隧道與站臺(tái)的空氣交換量(模擬條件:隧道長度為1 200 m)

2.3 雙向列車到站時(shí)間間隔

從隧道進(jìn)入站臺(tái)的氣流主要向2個(gè)方向流動(dòng),其中一部分主要流向站臺(tái),另一部分則通過對(duì)側(cè)的非屏蔽門流入對(duì)側(cè)隧道。圖8顯示了上下行列車同時(shí)到站時(shí)站臺(tái)兩側(cè)隧道與站臺(tái)的空氣交換量?？梢钥闯?當(dāng)兩側(cè)列車同時(shí)到站時(shí),站臺(tái)兩側(cè)非屏蔽門的隧道與站臺(tái)的空氣交換量曲線幾乎完全重合。

圖8 上下行列車同時(shí)到站時(shí)站臺(tái)兩側(cè)隧道與站臺(tái)的空氣交換量(模擬條件:隧道長度為1 200 m,發(fā)車對(duì)數(shù)為10對(duì)/h)

但當(dāng)雙向列車到站時(shí)間不同時(shí),兩側(cè)隧道的隧道與站臺(tái)的空氣交換量將會(huì)發(fā)生明顯變化。圖9顯示了上下行列車不同時(shí)到站時(shí)站臺(tái)兩側(cè)隧道與站臺(tái)的空氣交換量?？梢钥闯?此時(shí)站臺(tái)兩側(cè)隧道與站臺(tái)的空氣交換量的變化曲線之間存在相位差,并且有明顯不同。原因如前文所述,非屏蔽門系統(tǒng)流入對(duì)側(cè)隧道的隧道與站臺(tái)的空氣交換量遠(yuǎn)大于屏蔽門系統(tǒng)。該部分氣流會(huì)對(duì)對(duì)側(cè)隧道與站臺(tái)的空氣交換量產(chǎn)生很大影響。此時(shí)風(fēng)量曲線通常不再是2.1節(jié)中分析的雙波峰波谷形狀,因?yàn)閬碜员緜?cè)的隧道與站臺(tái)的空氣交換量會(huì)與來自對(duì)側(cè)的隧道與站臺(tái)的空氣交換量相互影響。比如圖9即為下行列車進(jìn)站時(shí),上行列車剛好出站的情況。當(dāng)兩側(cè)列車同時(shí)進(jìn)出站時(shí),風(fēng)量曲線會(huì)形成如圖8所示的單波峰波谷形狀。

圖9 上下行列車不同時(shí)到站時(shí)站臺(tái)兩側(cè)隧道與站臺(tái)的空氣交換量(模擬條件:隧道長度為1 200 m,發(fā)車對(duì)數(shù)為10對(duì)/h,到站時(shí)間間隔為106 s)

對(duì)于不同的車站,雙向列車到站時(shí)間間隔有所不同,這使得在相同發(fā)車對(duì)數(shù)下,非屏蔽門系統(tǒng)地鐵不同站之間的風(fēng)量結(jié)果會(huì)有較大差異,并且存在較大的分布區(qū)間。

2.4 多影響因素綜合分析

圖10顯示了在4種隧道長度下28個(gè)地鐵車站在不同發(fā)車對(duì)數(shù)下的隧道與站臺(tái)的空氣交換量。圖中的3條曲線分別對(duì)應(yīng)隧道與站臺(tái)的空氣交換量的最大值、平均值和最小值。

圖10 不同隧道長度和不同發(fā)車對(duì)數(shù)下隧道與站臺(tái)的空氣交換量

總體來看,隧道與站臺(tái)的空氣交換量都分布在(4～16)萬m3/h之間。從總體變化趨勢(shì)來看,非屏蔽門系統(tǒng)中隧道與站臺(tái)的空氣交換量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。不同隧道長度時(shí),隧道與站臺(tái)的最大空氣交換量對(duì)應(yīng)的發(fā)車對(duì)數(shù)如表3所示。

表3 不同隧道長度時(shí)隧道與站臺(tái)的最大空氣交換量對(duì)應(yīng)的發(fā)車對(duì)數(shù)

根據(jù)圖10可以得到不同隧道長度下非屏蔽門系統(tǒng)隧道與站臺(tái)的平均空氣交換量的多項(xiàng)式擬合公式,擬合優(yōu)度R2均在0.96以上。

G800(n)=0.001(-0.136n3-14.94n2+849.1n+2 134)

(1)

G1 000(n)=0.001(-0.784n3+6.378n2+684.02n+3 066)

(2)

G1 200(n)=0.001(-0.937n3+5.018n2+740.3n+3 316)

(3)

G1 400(n)=0.001(-0.273n3-41.62n2+1 515.9n+6 872)

(4)

式(1)～(4)中G為隧道與站臺(tái)的平均空氣交換量,萬m3/h,下標(biāo)代表隧道長度,m;n為發(fā)車對(duì)數(shù),對(duì)/h。

根據(jù)擬合公式可以估算出隧道與站臺(tái)的平均空氣交換量,避免了復(fù)雜的建模和計(jì)算過程。

3 結(jié)論

根據(jù)STESS軟件的模擬結(jié)果,本文對(duì)非屏蔽門系統(tǒng)隧道與站臺(tái)的空氣交換量及影響因素進(jìn)行了分析。

1) 對(duì)于采用非屏蔽門系統(tǒng)的地鐵,隧道與站臺(tái)的空氣交換量較大,在(4～16)萬m3/h之間,并且主要受隧道長度、發(fā)車對(duì)數(shù)和雙向列車到站時(shí)間間隔等因素的影響。

2) 隧道長度越大,列車的運(yùn)行時(shí)間越久,隧道與站臺(tái)的空氣交換量越大。

3) 隨著發(fā)車對(duì)數(shù)的增加,隧道與站臺(tái)的空氣交換量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),并且對(duì)于不同的隧道長度,風(fēng)量達(dá)到最大值所對(duì)應(yīng)的發(fā)車對(duì)數(shù)也并不相同。

4) 雙向列車到站存在間隔時(shí),會(huì)使對(duì)側(cè)隧道與站臺(tái)的空氣交換量影響到本側(cè)隧道與站臺(tái)的空氣交換量。這是由于非屏蔽門系統(tǒng)中隧道和站臺(tái)之間的連通面積很大,對(duì)側(cè)隧道與站臺(tái)的空氣交換量將會(huì)有很大一部分進(jìn)入本側(cè)隧道,使得氣流之間相互影響,從而導(dǎo)致不同車站之間的隧道與站臺(tái)的空氣交換量存在較大差異。

5) 根據(jù)大量的模擬結(jié)果,本文給出了采用非屏蔽門系統(tǒng)地鐵隧道與站臺(tái)的空氣交換量的分布范圍及平均值的擬合公式。通過這些公式,可以實(shí)現(xiàn)在實(shí)際工程或研究中,對(duì)非屏蔽門系統(tǒng)隧道與站臺(tái)的空氣交換量進(jìn)行有效估算,從而對(duì)地鐵環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或運(yùn)行作出進(jìn)一步優(yōu)化。