沈陽地鐵冬季隧道的溫度特性實驗研究

薛 鵬，由世俊，李博佳，王奕然，陳克松

(1.天津大學環境科學與工程學院，天津300072;2.北京城建設計研究總院有限責任公司，北京100037)

現有的地鐵熱環境及活塞風的研究，多數集中在寒冷地區和夏熱冬冷地區，在這些地區，大量實驗發現，地鐵活塞風對隧道熱環境有巨大影響［1]，與此同時數值模擬方法也被廣泛用于計算地鐵隧道流場分布［2－4]，及分析高效的送風形式［5]和活塞風的作用［6]。過渡季節活塞風中對地鐵隧道進行通風換氣，有效地與外界進行熱量交換［7]，節約風機能耗。夏季活塞風攜帶一部分車站空調冷風進入隧道，冷卻隧道內的空氣［8];冬季攜帶大量隧道熱量進入站臺，加熱站臺空氣［9]。過渡季節利用活塞通風代替機械通風與空調系統，保證車站環境的舒適性的同時達到節能目的［10－15]。

但在我國嚴寒地區，夏季空調期較短，其他季節只需要通風就可滿足地鐵內部的空氣環境要求。冬季最冷月室外平均氣溫在－15℃以下，極端天氣及活塞效應以及地下建筑圍護結構的熱特性對隧道的熱環境將產生一定影響。本文將通過測量沈陽地鐵1號線的隧道溫度、壁面溫度等參數來分析我國嚴寒地區影響隧道溫度特性因素的作用，從而為嚴寒地區地鐵設計提供合理參數及建議，為進一步的模擬計算提供邊界條件。

1 實驗方法

沈陽地鐵1號線是我國北方嚴寒地區修建的第一條地鐵線路，車站為島式站臺，采用2.5 m高的安全門，列車隧道均為單行隧道，半徑2.7 m，共設車站22座。實驗選取了沈陽站至南市場站的區間隧道為研究對象，為了更好的了解室外極端天氣對隧道的影響，同時也選取了與地面直接相通的出、入段線隧道為研究對象。本次實驗主要測量列車運行時，隧道入口熱風幕在開關兩個狀態下的隧道內空氣溫度、壁面溫度及站臺溫度。圖1顯示沈陽站至南市場站的區間隧道測點分布。實驗時間為2011年1月20日2:40至2011年1月24日22:00，屬于沈陽的最冷月，室外氣象條件最為不利。測試方法是每個測點放置量程－40～85℃，精度 ±0.2℃，計數周期為1分鐘的溫度自記儀以測量測點的空氣溫度，并用紅外線測溫儀測量隧道壁面溫度，量程－32～535℃，精度±1℃。

2 實驗結果及分析

在實驗過程中，活塞風閥處于關閉狀態，避免室外天氣對隧道溫度的影響，區間實驗數據主要反映了列車運行時活塞效應對隧道溫度的影響。在出、入段線，隧道和地面相通，該部分實驗結果反映了室外極端天氣及熱風幕的開啟對隧道溫度的影響。

2.1 活塞效應對區間隧道溫度的影響

選取隧道軸向Δx距離的橫截面為一個控制體，忽略流體徑向的溫度變化，熱平衡微分方程如下:

通過有限差分法得到離散方程

式中T－溫度，℃;Ux－空氣沿隨到的軸向流速，m/s;α－空氣的熱擴散系數，m2/s;SΦ－源項，℃/s;Tw－壁面溫度，℃;Tf－空氣溫度，℃;Tv－列車溫度，℃;t－時間，s;R－隧道半徑，m;S－列車橫斷面周長，m;hw－空氣與壁面的對流換熱系數，W/(m2·℃);hv－空氣與列車的對流換熱系數，W/(m2·℃);ρ－空氣密度，kg/m3;Cp－空氣比熱，kJ/(kg·℃);λf－空氣導熱系數，W/(m·℃);i－此節點;i+1為下一個節點。

離散過程中定義影響隧道空氣溫度的因素有空氣的流速、壁溫和列車的產熱。式(2)中的第一項為壁面通過對流換熱傳入控制體的熱量，第二項為列車通過對流換熱傳入控制體的熱量，第三項為軸向方向產生的對流換熱，第四項為列車作為熱源的產熱，第五項為軸向方向的導熱。當(Twi－Tfi)＞0，壁面放熱;(Twi－Tfi)＜0，壁面吸熱，但并不能吸收所有的熱量，熱量會隨著活塞風到達下一個節點。隧道壁面非穩態的傳熱過程就是圍護結構蓄熱蓄冷的原因所在。區間隧道平均壁面溫度及空氣溫度在各個測點的數據如表1。

表1 太原街附近區間隧道空氣溫度與壁面溫度Tab.1 Running tunnel temperature and wall temperature near Taiyuanjie station

實驗結果顯示壁面溫度與空氣溫度相差在±0.7℃，考慮到設備引起的誤差，壁面和空氣的溫度整體趨于平衡，反映壁面溫度對隧道溫度的影響能力是有限的。與此同時，列車運行產熱也是地鐵隧道的主要熱負荷，主要包括列車表面空氣阻力摩擦生熱，車輪與鋼軌間及車輪與軸承間摩擦生熱等。我們通過溫度自記儀在14個測點測量的數據來對比分析列車產熱，如圖2所示。

通過圖2可以看出，各測點的空氣溫度在每日地鐵開始運營后有所提升，每輛列車的運行都會引起隧道內溫度的小幅波動。但是由于監測段地鐵投入運行時間較長，活塞風閥處于關閉狀態，區間維護結構蓄熱多、熱容量大，區間隧道各點溫度浮動范圍在1℃之內。在圖2a和2b中，測點6和測點8的溫度值在列車不運行時波動相對較大，此兩點同處于站臺隧道端點。隧道環境將在隧道端點通過活塞效應直接同站臺環境相互作用。將站臺周圍的測點數據單獨拿出來進行比對分析，太原街站站臺附近隧道及站臺的溫度變化，如圖3所示。

由圖3可知，隧道的空氣溫度低于15℃，低于冬季室內供熱的最低溫度，同時也低于站臺空氣溫度。這說明巖土蓄熱及列車產熱的熱量是不能被站臺有效利用的，全高安全門系統在沈陽地區冬季運行時相比于屏蔽門系統增大了車站公共區空調通風系統的熱負荷。

在圖3中測點8的波動幅度大于測點1，測點7較測點14的波動幅度大，由此可知，站臺內溫度受隧道溫度影響較小，反而站臺溫度對隧道溫度影響較為明顯。這主要是活塞風作用造成的。

當列車進站的時候，活塞風閥處于關閉狀態，活塞風Qa的一部分進入迂回風道Qb，一部分吹向車站Qc，如圖4a所示。隧道空氣被擠入站臺，因此測點1的溫度波動主要受列車產熱影響，受站臺溫度影響較小。當列車離站，后方產生負壓區，車站Qc＇和迂回風道Qb＇的空氣會被抽吸過來，如圖4b所示。車站的溫度較隧道溫度高，因此測點8的溫度受列車和站臺溫度的共同影響，有明顯的波動，測試值在 13.5℃ ～14.5℃之間。

站臺和站臺隧道平時是一個聯通空間，它們的壓力保持一致，當車輛來時，活塞效應推動的空氣應該符合流體力學中簡單管路的并聯方程，如式(3)、式(4)。

式中Qa－隧道中的總風量，m3/h;Qb－進入迂回風道的風量，m3/h;Qc－吹向站臺的風量，m3/h;Sb－迂回風道的阻抗，Pa·h2/m6;Sc－吹向站臺側的阻抗，Pa·h2/m6。

由式(4)可知，地鐵隧道各開口的活塞風量是由各段分支阻抗決定的，并聯分支段中阻抗大的一段通過活塞風量小。北京科技大學王峰等人［7]與同濟大學吳喜平教授等人［9]都以不裝站臺門時的車站為研究對象。當站臺裝有全高安全門后，Qc≠Qe，存在一個并聯問題。對于進口三通，局部阻力系數，因此Qe較小，隧道對于車站的溫度影響較小;而在出口三通中＇較大，站臺的溫度對隧道的溫度影響因此較大。

通過以上數據的分析，隧道溫度處于比較平穩的范圍，平均溫度為13.66℃。這滿足規范中規定的冬季隧道平均溫度高于5℃［13]。但是隧道空氣溫度相對于車站供熱系統較低，熱量不能被站臺有效利用，建議我國嚴寒地區地鐵車站安裝可調通風型站臺門［14－15]。可調通風型站臺門可以在夏季實現安全門功能，并在過渡季和冬季運行時實現屏蔽門功能，有效防止車站公共區的能量耗散。

2.2 熱風幕對出入段隧道溫度的影響

列車的出、入段線隧道通過罩棚與室外直接相連，其溫度受室外氣溫影響較大，具體數據如圖5。

由圖5知，室外溫度日浮動在－20℃ ～－10℃之間，罩棚中的三條曲線同室外溫度曲線的趨勢基本一致。尤其在6時到20時，溫度浮動的同步性很高，由于熱風幕沒有工作，地鐵頻繁的運動導致室外空氣同罩棚內空氣經常性的混合。結果說明對于地鐵系統，在出、入段線室外溫度對罩棚內的溫度影響是顯而易見的。夜晚隧道內的溫度隨著室外氣溫將持續下降。為了降低此影響，沈陽地鐵在隧道入口處加裝了兩排側送風熱風幕，功率為105kW，送風溫度30℃，送風量為29 700m3/h，開啟時間為20時至22時。溫度自記儀在17個測點測量的數據如圖6。

由圖6可以看出，20時前氣溫已經開始下降，但是熱風幕的打開，改變了溫度變化的趨勢。在出段線，列車的活塞效應使熱風幕的暖風和室外冷空氣一同進入隧道，此時空氣溫度會比此前略高，由于壁面的熱惰性，隧道溫度升高出現了一定的延遲性;在出段線，隨著進入隧道空氣溫度的升高，十三號街站站端溫度有所提升，在活塞風的作用下，較溫暖的空氣不斷吹向隧道的出口，使入段線隧道溫度顯著提高。

根據《建筑設計防火規范》中關于隧道防火的規定，嚴寒地區消防管路和消防栓需采取防凍措施。從圖中可以看出，熱風幕的開啟對隧道起到了很重要的升溫作用，如圖6b中的樣13號站站端測點溫度曲線，在21日中該測點最低溫度是6時50至58分出現的0.1℃。這表明，在沈陽地鐵隧道中的第一站，也受室外極端氣溫影響最大的車站隧道溫度全天保持在零度以上，地鐵車站的消防管路可以不設保溫即滿足防凍要求。

總體來說，出、入段線隧道熱環境主要受列車運行情況影響，具體表現在列車的活塞效應致使室外冷空氣及熱風幕熱空氣經常性地進入隧道進而影響隧道的熱環境。如果較好的利用熱風幕可以有效提高地鐵區間的溫度，減弱室外環境對地鐵隧道溫度的影響，防止消防管路的凍裂。

3 結論

1)在嚴寒地區冬季，列車的頻繁運動及活塞效應使室外冷空氣較大程度地影響了出、入段線隧道的溫度，并使之具有很高的同步性。在隧道入口加上熱風幕可以有效打破這種同步趨勢，利用列車運行時的活塞效應短時間內提高隧道溫度，使端點車站隧道溫度高于0℃。

2)在嚴寒地區冬季，活塞豎井關閉的情況下，列車運行熱量及站臺空氣通過活塞效應對隧道溫度產生了間歇性的影響，但地下巖土能較好的維持隧道內的溫度，使之在1攝氏度范圍內波動。

3)在我國嚴寒地區冬季地鐵隧道溫度滿足平均溫度5℃的設計規范，但其仍低于供熱的最低溫度，且低于實際車站溫度，說明冬季隧道熱量是不能被站臺利用的。建議我國嚴寒地區地鐵車站安裝可調通風型站臺門，并在冬季運行時實現屏蔽門功能，有效防止車站公共區的能量耗散。

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