基于地鐵環境模擬的地鐵通風系統設計

黃莉媛

中鐵二局集團勘察設計院有限責任公司

地鐵系統中熱量主要來自列車制動系統，推進系統以及車上輔助系統，列車運動同時也會帶動隧道，站點和通風井內的空氣，產生活塞效應。地鐵通風系統必須在溫度和空氣質量方面提供可接受的地下空氣環境。作為地鐵系統的重要組成部分，地鐵通風系統的節能控制是非常有必要的，不僅可以節省地鐵通風空調系統的耗能，也為優化地鐵系統提供基礎，設計人員應了解環境對其建設，維護和運營的影響，將通風系統設計與系統整體熱工性能相結合，實現更高效、持續的通風功能[1-6]。本文通過仿真計算地鐵通風系統設計前期的各個參數影響，明確各參數的最佳工作數值范圍，并在設計階段將各參數最優值進行優化結合，從而最大程度實現既經濟又可持續的工程設計方案。

1 模型建立和參數設置

本文建立一個四站臺地鐵通風系統通用模型，配有獨立站臺末端的通風井（每個隧道配一個，直通室外環境），通過地鐵環境模擬軟件（SES）進行建模仿真，用以研究通用地鐵通風系統設計參數。表1 列出了各參數初始假設值，通過模型模擬得到的參數均與之進行比較，模型模擬環境僅針對夏季，并假設系統在正常條件下運行且未進行機械通風或冷卻，通過模擬軟件仿真計算各參數變化對隧道和站臺的溫度影響[7]。

表1 各參數初始假設值

2 分析與討論

2.1 通風井尺寸

通風井的橫截面積直接影響隧道與周圍環境之間的空氣交換量。對于夏季無空調地鐵站，應考慮盡可能多地與環境空氣進行熱交換，來降低整個站內系統溫度。圖1 描繪了各種通風井尺寸的隧道和地鐵站點的溫度變化。

圖1 站內自然通風地鐵系統內溫度變化效果

結果表明，對于地鐵站臺，在所討論的通風井橫截面面積的變化范圍內對其溫度的影響有限。對于隧道內溫度，通風井橫截面積的變化影響效果更明顯，橫截面積15 m2的通風井相比橫截面積35 m2的通風井，其溫度增加約4 ℃。可以看出，進一步增加通風井橫截面面積可以有效地降低地鐵隧道內溫度，但空間限制和建筑成本等其他因素也決定通風井橫截面不宜過大。同時，如果地鐵站點的空氣溫度低于環境溫度，則與環境的空氣交換通常對隧道有利，但對站點不利。

地鐵站點深度通常由隧道深度和巖土工程考慮決定。更深的地鐵站點意味著更長的通風井、更大的空氣阻力。這些因素導致通風井流通空氣量減少了，且當流動方向改變時，需增加再循環的空氣量。因此，如果其他參數保持不變，則相對較深的地鐵站點（30～40 m）的溫度通常比一般地鐵站點的溫度高約2 ℃。

另一方面，地鐵站點的布局對隧道/站臺環境有影響。分別建立從地鐵站臺至地面配置三個出口、兩個出口和一個出口的模型，站臺層設置兩個橫截面積為7.5 m2的樓梯間。站臺地鐵站點出口數量對溫度的影響如圖2 所示。通常也可以通過改變出口面積而不是數量來實現等效結果，但出口數量通常取決于預期乘客量和站點建筑設計等因素。應該注意的是，模擬是基于一個夏天環境溫度和自然通風情況，如果要對機器進行機械冷卻，應盡量減少環境空氣的滲透。

圖2 地鐵站出口數量對地鐵隧道和站臺的環境影響

2.2 軌道坡度

軌道結構布局會影響列車制動和推進時產生熱量的多少，從而影響系統溫度。理想情況下，地鐵站點高度應相對較高，使得列車進站時處于上坡降速，從而減少制動產生的熱量。列車駛離地鐵站點時，軌道設計成下坡利于提速，充分利用列車自重加速，從而減少列車推進過程產生的熱量。為了實現最佳效果，一般需要駕駛員完美實現列車進站上坡和駛離站點下坡的位置把控。

圖3 軌道坡度對自然通風系統中的地鐵站臺溫度的影響

本文建立了一個依據典型地鐵隧道結構沿著軌道方向隨機坡度變化的模型，并設置三種軌道坡度——駝峰坡度，下沉坡度和平坦軌道，仿真計算時所有其他參數保持不變。如圖3 所示，仿真結果表明，與基礎情況相比，自然通風系統中的站點站臺溫度，“駝峰坡度”情況約低3 ℃，“平坦軌道”情況約升高1 ℃，對于“下沉坡度”情況溫度約升高4 ℃。顯然，“駝峰坡度”的軌道設置更有利于控制車站環境，并且可以降低牽引力需求。但需要注意的是，較大的隧道坡度會以其他方式影響通風系統，如臨界速度和浮力增加將需要增加通風能力，以保證在發生火災時排煙能力。與此同時，也會增加排水裝置和運營成本。

要實現降低列車進出站制動和牽引產生的熱量，另一種做法是減少列車重量或速度來降低列車進出站動能。雖然減少列車重量在功耗和發熱方面效果顯著，但必須考慮其他因素，如安全、火災等。實際上，全球各地的不同地鐵系統之間的列車重量（含乘客）差異很大，這表明列車重量可作為改善地鐵通風系統的考慮因素之一。

列車速度對地鐵系統通風和溫度的影響很復雜。每次列車制動時，降低列車的速度會減少轉換為熱量的動能。同時，降低了列車的活塞效應，從而降低了進入地鐵系統的外部空氣量。此外，根據所使用的信號系統的類型，降低最大列車速度可能會影響線路的乘客容量。因此，通風設計要求不限制設定列車實際運行速度。

2.3 通風系統設計

創建更舒適的車站環境可能有助于增加地鐵乘客量，相比傳統制冷循環，利用可持續冷卻系統制冷方案可以達到更加節能環保的效果，例如利用地熱、河流、海水、地下水冷卻或蒸發冷卻，用于冷卻車站或隧道，循環使用。

圖4 典型站臺底部排煙，隧道頂部排煙和空氣供應系統

根據列車制動系統和/或車載空調裝置的位置，可以考慮通過站臺底部排煙（UPE）和/或隧道頂部排煙（OTE）系統進行機械排風來實現，如圖4 所示。設置OTE 對于組織排放列車上方隧道頂部的煙霧效果明顯。使用空調系統有利于確保車站內部略微保持正壓，因此內部循環氣流需與外部新風供應保持平衡，以減少來自隧道氣流滲透的負荷損失。根據站臺長度設置單位長度站臺循環氣流流量，可以有效地降低整個車站站臺溫度約10 ℃[8]。

通常在擁擠和緊急模式下使用的隧道通風機也可以替換UPE/OTE 的風機。風機設備的這種功能共享限制了風機設備在車站兩端的位置，但是大大節省了空間，資金和生命周期成本。如果選擇這種集成式風機設計，則隧道通風井應遠離站臺，朝隧道側傾斜，以便提高進入入口隧道的空氣比例，從而最小化風機室的尺寸。

隧道通風機是縱向推力裝置，通常安裝在隧道頂部、墻壁或角落上。大量空氣從一側被吸入，受限制的高速空氣射流從另一側噴出，并通過高速流卷吸帶動更大量的空氣在隧道內流動。在沒有隧道通風機的系統中，空氣將向阻力最小的路徑流動，主要流向開放式站臺或非進入隧道，如圖5 所示。利用隧道通風機可以改變這種通風效果，并且還可以在緊急情況下幫助加壓逃生路線，如圖6 所示。給定風機設備后，進入隧道的有效空氣流量百分比與該隧道內運行的隧道通風機數量（每個標稱推力700N）相對應，如圖7 所示，所有模擬均基于兩個車站之間隧道段火災強度為15 MW。另外，也可以使用緊急隧道通風機在夜間對系統進行通風，比自然通風移除更多的熱量。但是，必須權衡冷卻效果與運行風機的成本。整體而言，隧道通風機可以提供一種經濟有效的方法來實現隧道中所需的流動并輔助空氣流動。

圖5 無隧道通風機地鐵通風系統空氣流動

圖6 配備一對隧道通風機地鐵通風系統空氣流動

與此同時，還有其他可以顯著改善地鐵通風系統設計的因素，但許多仍存在相當大的技術難題，且需要考慮初投資和維修成本，例如增加屏蔽門系統隔絕站臺和隧道熱環境。

圖7 110 m3/s 通風量的有效空氣流量與不同隧道通風機數量的關系

3 結論

地鐵通風系統需要外部空氣來控制地鐵系統內的溫度，為乘客提供新鮮空氣，并且在緊急情況下，控制煙霧流動幫助乘客安全逃離。在某些情況下，可能需要對站點進行機械冷卻以實現全年所需的條件。

通常，地鐵通風系統的通風量由消防應急模式要求確定。通過對整個地鐵通風系統和其他相關系統范圍的參數設計，可以降低通過機械通風來控制溫度和提供外部空氣的需求。這種可持續的地鐵系統通風設計方法既減少了系統對環境的影響，也降低了資金和運營成本。