地鐵車站地道風系統節能性分析

張 敏 馮 煉 袁中原

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地鐵車站地道風系統節能性分析

張 敏 馮 煉 袁中原

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

地道風系統運用于地鐵車站有巨大的節能潛力，采用數值模擬軟件對地鐵車站地道風系統進行模擬分析。以重慶地區某地鐵車站的地道為研究對象，系統在典型年夏季工況設計日運行一天，模擬地道逐時出口溫度隨入口溫度的變化規律，并計算和分析地道的逐時換熱量和全天的總換熱量。結果說明地道風系統應用于地鐵車站能節約較大的能耗，具有很大的節能潛力。

地道風；逐時換熱；節能

0 引言

通風空調系統是地鐵車站的必需品，地鐵環控系統在為乘客創造一個舒適安全的乘車環境的同時，耗能巨大，約占地鐵總能耗的40%左右[1]，因此，其節能潛力巨大。

地鐵車站建于地底，四周被土壤包圍，基于地鐵車站的埋深，為一巨大的天然冷熱源，可將地道風降溫技術充分利用在地鐵車站通風降溫系統中。國內外對地道風降溫技術用于地鐵車站的研究較少，目前僅有西南交通大學研究生韓立辰采用穩態法分析了各因素對地道降溫效果的影響并對地道風系統進行了優化設計[2]，對重慶夏季典型最熱天地道出風溫度變化規律和冷卻效率進行了模擬分析[3]。

在此基礎上，本文擬采用非穩態法分析地鐵車站地道風系統的節能性，模擬計算新風通風時段6:00～22:00的地道逐時出口溫度，然后對地道的逐時換熱量和通風全天的總換熱量進行計算，分析地道風系統的節能性。

1 地鐵車站地道風系統物理數學模型的建立

1.1 物理模型

本文研究的地鐵車站地道風系統基于重慶地區地鐵車站的地道，有規范資料[4,5]指出，地鐵車站地道長度的范圍在120～270m。因此，本文分別建立長度為120m、150m、180m、210m、240m、270m的地道模型，模型其余參數設置不變，送風速度為0.5m/s，橫斷面積為4m2。

地鐵車站埋深一般在30m左右，屬于深層地層，所以該埋深下的土壤初始計算溫度可認為是恒定的[6]，即為重慶市地面年平均溫度，恒定為19.5℃。

重慶土壤的主要成分是砂巖和重黏土，查資料知重慶地區地鐵車站土壤物性參數如下：密度為2034.8kg/m3，導熱系數為1.88W/(m·K)，比熱為1235J/(kg·K)，導溫系數為7.48×10-7m2/s[2]。

地道壁面用的是混凝土，查資料知混凝土物性參數如下：密度為2400kg/m3，導熱系數為1.54W/(m·K)，比熱為840J/(kg·K)，導溫系數為7.64×10-7m2/s[7]。

1.1.1 幾何模型的建立

利用Gambit軟件建三維地道換熱系統模型，該模型包括的幾何體有地道、地道的圍護結構以及土壤。地道風系統幾何模型如圖1所示。

圖1 地鐵車站地道風系統的幾何模型示意圖

圖1為地鐵車站地道風系統的幾何模型，地道上方為軌底排熱風道。而在地鐵運營期間，軌底排熱風道用于排除列車軌底的剎車熱，因此在實際工程中對地道上部做了絕熱處理，這樣軌底排熱風道和站臺層的空氣溫度不會對地道換熱產生影響。

1.1.2 網格劃分

地道換熱模型中，地道和混凝土的網格采用的是0.1m×0.1m×0.5m的結構化網格，而土壤采用的是非結構化網格，靠近地道的土壤網格長度為0.2m，遠處的土壤網格長度為0.4m。

1.2 數學模型

1.2.1 傳熱理論分析

本文主要考慮的是傳熱過程，包括地道內空氣與地道壁的換熱和地道壁與土壤的換熱兩部分，對傳質過程進行簡化忽略[8]。

地道內空氣的雷諾數一般在104～1.2×105之間，所以地道內空氣與地道壁面之間的對流換熱屬于管內受迫紊流對流換熱過程[9]。地道內空氣與地道壁是三維換熱，建立地道內空氣的能量平衡方程式[3]如式（1）～（4）所示：

式中，為空氣密度，為控制體體積，為空氣質量流量，為地道與空氣的換熱量，為地道壁面的換熱系數，T為壁面處溫度，T為空氣平均溫度，Re為雷諾數，為空氣導熱系數，為地道的當量直徑。

當地道長度遠遠大于地道橫斷面的尺寸時，地道壁與土壤沿軸向的傳熱可以忽略[10]，因此地道與土壤的導熱為二維導熱，導熱計算公式[3]如式（5）所示：

式中，T、T分別為土壤溫度在界面上的溫度分量；為系統運行的時間。

本文擬采用非穩態法分析地道內空氣與土壤的換熱情況，利用控制容積法對控制方程組進行離散。其優點就是它要求變量的積分守恒對任意一組控制容積都得到滿足，因此，對整個計算區域，自然也就得到滿足。最后，結合邊界條件和初始條件進行求解。

1.2.2 模型的簡化

地道內空氣與周圍土壤的換熱是復雜的耦合傳熱問題，對模型做如下的理論假設：

（1）土壤內部和地道壁面材料的熱物性參數視為常數，且各向同性；

（2）在機械通風時，地道內的空氣以對流換熱為主；

（3）濕遷移對土壤換熱效果影響小于0.1%[11]，因此可忽略濕遷移對地道換熱的影響；

（4）忽略地道內空氣的含濕量和地道壁面濕遷移的影響。

1.2.3 邊界條件的設定

本文對模型的邊界條件設置如下：

（1）空氣入口邊界條件：速度入口邊界條件；

（2）空氣出口邊界條件：壓力出口邊界條件，以保證地道內空氣流動的穩定性；

（3）地道上表面為絕熱邊界條件，地道其它三面為耦合傳熱邊界條件；

（4）土壤上表面為等溫邊界條件，設定其溫度等于隧洞壁溫[2]即27℃；土壤側表面和下表面為等溫邊界條件，設定其溫度等于重慶土壤此埋深下的初始溫度即19.5℃；

1.2.4 湍流模型的選擇

本文根據數值模擬軟件建立三維模型進行仿真模擬研究?？諝馀c土壤之間的換熱為耦合傳熱，文獻[12]通過對比發現，在進行耦合傳熱時，采用標準模型效果較好。因此在本文的數值模擬中，采用標準模型。

2 地道風系統節能性分析

對地鐵車站地道風系統的節能性分析，本文模擬計算時間選在典型年夏季工況設計日，查《中國氣象參數數據集》可得重慶地區該日的逐時室外干球溫度。模擬以處于初期的地道為研究對象，分析地道逐時出口溫度隨入口溫度的變化規律并計算地道的逐時換熱量和全天的總換熱量。

2.1 地道逐時出口空氣溫度變化規律

分析各長度地道逐時出口溫度隨入口溫度的變化規律，繪制曲線如圖2所示。

圖2 地道逐時出口溫度隨入口溫度的變化曲線

由圖2可以看出，地道逐時出口溫度隨逐時入口溫度的變化趨勢一致，入口溫度越高，出口溫度越高，溫降也越大。在通風時段6:00～22:00間，地道入口最高溫度出現在15:00，溫度為35.4℃，對應的地道出口溫度也最高，經270m地道冷卻降至26.4℃，溫降為9℃；地道入口最低溫度在早上6:00，溫度為25.9℃，對應的地道出口溫度越低，經270m地道冷卻降至22.1℃，溫降為3.8℃，相較一天中的最大溫降低了5.2℃。

地道長度越長，出口溫度和入口溫度的溫差越大，降溫效果越好；地道長度越長，地道出口日溫度波的振幅越小。120m長地道出口的日溫度波的振幅為6.6℃，270m長地道出口的日溫度波的振幅為4.3℃。

2.2 地道逐時換熱量變化規律

各長度地道的逐時換熱量的變化曲線如圖3所示。

圖3 地道逐時換熱量的變化曲線

由圖3可以看出，空氣與地道的逐時換熱量與入口空氣溫度變化趨勢一致，早上6:00的入口溫度最低，換熱量也最小；下午15:00地道入口空氣的溫度最高，換熱量最大。

地道長度越長，逐時換熱量越大且換熱量的日波動振幅越大。120m長地道逐時換熱量的日波動振幅是7.1kW，270m長地道逐時換熱量的日波動振幅是12.5kW。

2.3 地道風系統通風全天的總換熱量

分析計算各長度地道在一個工作日的總換熱量。模擬計算結果如表1所示。

表1 各長度地道通風全天的總換熱量值

為了分析地道通風全天的總換熱量隨地道長度的變化規律，繪制換熱量隨地道長度的變化曲線如圖4所示。

圖4 地道通風全天換熱量隨長度的變化曲線

由圖4可得，通風一天地道的總換熱量與地道長度呈線性增加的關系。重慶地區長度為120m～270m的地鐵車站地道，在夏季工況典型年設計日，最小總換熱量為160.5kW，即約57.8×104kJ；最大總換熱量為283.2kW，即約102×104kJ。地道長度每增加30m，總換熱量增加8.8×104kJ。

3 結論

本文對地鐵車站地道風系統建立三維非穩態傳熱模型，分析系統在典型年夏季工況設計日運行一天，地道逐時出口溫度和逐時換熱量隨入口溫度的變化規律，并計算通風全天地道的總換熱量。得到的結論如下：

（1）地道逐時出口溫度隨逐時入口溫度的變化趨勢一致，最高溫度均在下午15:00，最低溫度均在早上6:00；入口溫度越高，出口溫度越高，溫降越大；地道長度越長，出口溫度越低且出口日溫度波的振幅越小。

（2）空氣與地道的逐時換熱量與入口空氣溫度變化趨勢一致；地道長度越長，逐時換熱量越大且換熱量的日波動振幅越大。

（3）地道全天的總換熱量與地道長度呈線性增加的關系。地道長度每增加10m，總換熱量增加約2.93萬kJ。120m～270m長的地道，在夏季系統工作一天，空氣與地道的最小換熱量約57.8萬kJ，最大總換熱量約102萬kJ。

[1] 蘇曉青,黃翔,李鑫.蒸發冷卻技術在地鐵環控系統中研究現狀及應用形式探討[J].制冷與空調,2015,29(6): 616-620.

[2] 韓立辰.地道風系統在地鐵車站中的應用研究[D].成都:西南交通大學,2016.

[3] 韓立辰,馮煉,袁艷平.地鐵車站地道風系統降溫效果的數值分析[J].制冷與空調,2016,30(1):1-4.

[4] GB50157-2003,地鐵設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2003.

[5] 崔之鑒.地下鐵道[M].北京:中國鐵道出版社,1984: 10-71.

[6] 胡珊.地道風對辦公建筑自然通風的影響研究[D].天津:天津大學,2012.

[7] 章熙民,任澤霈,梅飛鳴.傳熱學（第五版）[M].北京:中國建筑工業出版社,2007.

[8] 吳俊濤.土壤——空氣換熱新風系統運行特性實驗與模擬[D].河北:河北工業大學,2013.

[9] 周曉慧.地道通風系統的傳熱傳質及降溫效果分析[D].廣州:廣州大學,2011.

[10] 夏春海,周翔,歐陽沁,等.地道通風系統的數值模擬與分析[J].太陽能學報,2006,27(9):923-928.

[11] Slayer R O. Plant water Relationships [M]. London: Academic Press, 1971.

[12] Qingyan Chen,Xiudong peng,Prediction of room thermal response by CFD technique with Conjugate heat transfer and radiation models[J]．ASHRAE Transactions,1995, 101(2):50-60.

Energy-saving Analysis of Tunnel Ventilation System in Subway Station

Zhang Min Feng Lian Yuan Zhongyuan

( School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

The tunnel wind system has great potential for energy-saving in the subway station,so using the numerical simulation software carrys on the simulation analysis to the tunnel wind system of the subway station. Taking the tunnel of a subway station in Chongqing as the object of study,the tunnel wind system running one day in the typical year of summer working condition,the paper simulates the change rule of the outlet temperature of the tunnel with the inlet temperature, and calculates the hourly heat transfer and the total heat transfer in the whole day. The results show that the application of the tunnel wind system in subway station can save a lot of energy and has great potential for energy saving.

Tunnel ventilation system;Hourly heat transfer;Energy saving

1671-6612（2018）06-664-04

TU962

A

張 敏（1992.10-），女，在讀碩士研究生，E-mail：846542450@qq.com

馮 煉（1964-），女，博士，教授，E-mail：lancyfeng90@163.com

2018-04-04