高鐵地下站內氣流流動對空調系統的影響研究

劉 冰 李 坤

（1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司 北京 100055；2.中交水運規劃設計院有限公司 北京 100007）

0 引言

截至2021年底，中國高速鐵路運營總里程已突破3.96 萬公里，世界排名第一[1]。由于地理條件的限制，高速鐵路出現越來越多的地下隧道和地下車站。高鐵地下站通常埋深較深，大部分公共區位于地下，且通常采用半高安全門，隧道與車站內外聯通。冬夏季站內外溫差大，站內熱壓作用強，由熱壓引起的氣流流動貫穿整個車站內外；同時，列車在隧道中高速越行時，車站內還會產生大量的活塞風[2]。當乘客進出站開門時，熱壓風和活塞風的作用會影響車站內溫度分布，增加空調系統負荷。

目前大部分學者針對列車運行形成的活塞風對地鐵車站內熱環境[3,4]、風環境[5-7]和空調系統[8-10]的影響進行了研究。但缺少活塞風對高鐵地下車站熱環境的影響研究，尤其是熱壓風和活塞風共同作用對站內溫度和空調系統運行的影響。

本文以京張高鐵八達嶺長城地下站為例，建立站內氣流流動與傳熱的三維CFD 數值計算模型，以實測溫度和風速數據作為邊界條件，分別計算熱壓風和活塞風對站內溫度和空調系統的影響，為類似高鐵地下站空調系統的設計和運行提供技術參考。

1 數值模型的建立

1.1 車站概況

八達嶺長城站位于京張高鐵八達嶺隧道內，車站總長470m，總寬80m，軌面埋深102m，是目前國內埋深最深的高鐵地下站。如圖1所示，車站每側站臺分別設2 個進站口和2 個出站口通過電梯到達進站通道層和出站通道層，進站通道層與地面站房地下一層的候車廳通過電梯相連接，出站通道層與地面站房地面層通過電梯相連接。

圖1 八達嶺長城地下站示意圖[11]Fig.1 Schematic diagram of Badaling Great Wall underground station

八達嶺長城站進站廳、候車廳及進站過廳的平面圖如圖2所示，僅在進站廳及候車廳設有空調系統，站內其他區域均為自然通風。當乘客進站乘車時，需開啟進站廳和候車廳的門，從而在一段時間內室外和隧道內空氣進入進站廳和候車廳，影響車站內熱環境和空調系統運行。本文將重點分析熱壓風和活塞風對站內空調區域的影響。

圖2 進站廳、候車廳及進站過廳平面圖（單位：mm）Fig.2 Plan of entrance hall,waiting hall and entrance hall(Unit:mm)

1.2 數值計算模型

對京張高鐵八達嶺長城站物理模型做如下簡化：

（1）進站樓梯和進站通道中間位置安裝鏤空吊頂，模型中按凈流通面積相同的均勻斷面進行簡化。

（2）忽略行人對車站出入口氣流的影響，以及門突然開啟或關閉的瞬間對流動的影響。

根據長城站的設計方案與實測數據建立的三維數值計算模型如圖3所示。

圖3 數值計算模型Fig.3 Numerical calculation model

1.3 邊界條件

采用Fluent 軟件進行模擬計算，將模型中進站通道左端設為速度入口邊界，利用冬夏季現場實測的進站通道風速和溫度作為輸入參數；進站廳層左右兩側的門設為壓力出口邊界。進站廳和候車廳設置噴口送風空調系統，如圖4所示，送風口為速度入口邊界，同側下方的回風口為速度出口邊界。不同區域壁面邊界條件的溫度均采用實測溫度。

圖4 候車廳空調系統球形噴口及回風口Fig.4 Spherical nozzle and return air outlet of air conditioning system in waiting hall

模擬計算中湍流模型選擇具有較好收斂性的Realizablek-ε模型。

2 夏季氣流流動對空調區域的影響

2.1 僅熱壓風對車站空調區域的影響

夏季進站廳和候車廳的室內負荷和空調設計參數如表1所示。

表1 進站廳及候車廳空調設計參數表Table 1 Air conditioning design parameters of arrival hall and waiting hall

通過前期實測[12]發現，八達嶺長城站夏季室外空氣溫度31℃、濕度56%，夏季由熱壓風引起的進站通道平均風速為1.0m/s，且一直從室外流入進站廳。乘客進站時，候車廳與進站過廳處開啟5 扇門，空氣凈流通面積共24.3m 。進站廳和候車廳初始平均溫度分別為28.1℃和27.0℃，進站通道及進站過廳平均溫度27.2℃。

采用非穩態的方法模擬開進站廳門5 分鐘、關閉門、再計算10 分鐘站內空氣溫度的變化，0～900s內進站廳及候車廳空氣平均溫度變化如圖5所示。

圖5 進站廳及候車廳空氣平均溫度變化Fig.5 Average air temperature change in arrival hall and waiting hall

由圖5可見，0～180s 內，由于熱壓風作用，室外熱空氣進入進站廳，空氣平均溫度明顯升高。180s～300s 時，進站廳空氣平均溫度呈緩慢增長，最高達到30.5℃，已接近室外溫度。300s～900s，關閉進站過廳門，熱壓風的影響逐漸減弱，空調作用使進站廳溫度迅速降低。

0～900 s 的候車廳空氣平均溫度變化并不大，最高僅升高到27.3℃，熱壓風對候車廳的影響有限。主要是由于室外空氣首先進入進站廳，降溫后再通過樓梯進入候車廳區域。

熱壓風的作用將會給車站空調系統帶來額外的冷負荷。夏季在門開啟的情況下，引起的空調負荷可由式（1）計算。

式中：Q為空調系統附加冷負荷，kW；m˙為進站通道空氣質量流量，kg/s；h1為室內空氣焓值，kJ/kg干空氣；h2為室外或進站過廳空氣焓值，kJ/kg干空氣。

門開啟次數與停站列車數有關，參考實際運營數據，門的開啟次數約為每小時3 次。僅熱壓風作用下，不同區域每小時空調系統附加負荷如表2所示。在熱壓風作用下，進站廳的空調系統負荷變化比候車廳更大，主要是由于室外空氣首先進入進站廳，降溫后的空氣再流入候車廳。

表2 熱壓風對不同區域空調負荷的影響Table 2 Influence of buoyancy-driven wind on air conditioning load in different regions

2.2 熱壓風和活塞風共同作用對車站空調區域的影響

列車在隧道中越行時，整個過程大約持續5 分鐘。列車高速越行時，車站內會產生活塞風，此時若進站廳的門開啟，活塞風和熱壓風將共同作用影響車站內熱環境和空調系統運行。

通過文獻[12]中的實測壁面溫度和進站通道風速作為邊界條件，進站通道風速變化如圖6所示。同樣，采用非穩態的方法模擬開進站廳門5 分鐘活塞風和熱壓風同時作用、關閉門、再計算10 分鐘站內溫度的變化。15 分鐘內，進站廳及候車廳的空氣平均溫度隨時間變化如圖7所示。

圖6 夏季進站通道熱壓風和活塞風共同作用下的風速變化Fig.6 Variation of wind speed in the entrance channel in summer with the couple effect of buoyancy-driven wind and piston wind

圖7 進站廳及候車廳空氣平均溫度變化Fig.7 Average air temperature change in arrival hall and waiting hall

通過對比風速與溫度的變化關系可知，0～100s時，熱壓風為主要影響因素，室外空氣從進站廳的門進入，所以進站廳溫度變化明顯，候車廳溫度變化不大。100s～164s 時，列車到達車站附近，活塞風為主要影響因素，氣流變為進站廳流向室外，來自隧道的低溫空氣對候車廳及進站廳降溫，進站廳溫度高其降溫效果更明顯。164s～300s 時，列車離開車站，活塞風反向，與熱壓風方向一致，在熱壓風與活塞風共同作用下，進站廳和候車廳溫度再次升高。300s 后關閉進站廳門，由空調系統進行降溫，進站廳的溫度逐漸下降。300s～900s 時，候車廳溫度緩慢降低。

同樣考慮每小時門開啟3 次，每次5 分鐘，利用式（1）對在活塞風和熱壓風共同作用下空調系統的負荷變化進行計算，結果如表3所示。進站廳空調負荷增量大于候車廳空調負荷增量，主要原因是熱壓風的持續存在。在熱壓風和活塞風共同作用下，0～100s 和164s～300s，熱壓風從室外進入進站廳，使空調負荷增加。100s～164s，活塞風引起的冷風從進站通道進入進站廳和候車廳，整體平均溫度降低。因此，合理選擇門開啟時間，可改善候車廳和進站廳的熱環境，減少空調系統負荷。

表3 活塞風和熱壓風對不同區域空調負荷的影響Table 3 Influence of piston wind and buoyancy-driven wind on air conditioning load in different regions

3 冬季氣流流動對空調區域的影響

3.1 僅熱壓風對車站空調區域的影響

冬季候車廳和進站廳均設置輻射地板供暖，考慮冬季總熱負荷的20%為滲透風引起的熱損失，墻壁和地面溫度采用實測溫度。熱壓作用引起的進站通道平均風速為0.8m/s，通道內空氣溫度為9.8℃，模擬中假定熱壓風保持不變。采用非穩態的方法模擬開候車廳門5 分鐘、關閉門、再計算10 分鐘站內溫度的變化，前5 分鐘內進站廳和候車廳的空氣平均溫度變化如圖8所示。

圖8 進站廳及候車廳空氣平均溫度變化Fig.8 Average air temperature change in arrival hall and waiting hall

冬季熱壓風由隧道流向車站，隧道內空氣溫度低，低溫空氣首先進入候車廳，300s 內候車廳溫度持續降低。進站廳溫度受到候車廳初始溫度場的影響，前30s 內溫度略微升高；30s～120s，由于熱壓風的影響，進站廳溫度持續降低；120s～300s 內，進站廳空氣平均溫度基本維持在15.7℃。

利用式（1）對熱壓風引起的供暖系統負荷變化進行計算，結果如表4所示。對比進站廳和候車廳的溫度和負荷變化，冬季熱壓風對于進站廳的影響相對較小，主要是由于冬季熱壓風首先進入候車廳，加熱后的空氣再流向進站廳。

表4 熱壓風對不同區域空調負荷的影響Table 4 Influence of buoyancy-driven wind on air conditioning load in different regions

3.2 熱壓風和活塞風共同作用對車站空調區域的影響

利用文獻[11]中的實測壁面溫度和進站通道風速作為邊界條件，進站通道風速變化如圖9所示。

圖9 冬季進站通道熱壓風和活塞風共同作用下的風速變化Fig.9 Variation of wind speed in the entrance channel in winter with the couple effect of buoyancy-driven wind and piston wind

采用非穩態的方法模擬開進站廳門5 分鐘活塞風和熱壓風同時作用、關閉候車廳門、再計算10 分鐘站內溫度的變化。5 分鐘內，進站廳及候車廳的空氣平均溫度變化如圖10 所示。

圖10 進站廳及候車廳空氣平均溫度變化Fig.10 Average air temperature change in arrival hall and waiting hall

由圖9和圖10 可知，0～60s 內，進站通道內熱壓風和活塞風疊加后的風速相對穩定，冷空氣從進站通道進入候車廳，候車廳平均溫度持續降低，而進站廳溫度由于受到候車廳區域初始溫度場的影響，前30s 內溫度略微升高，之后持續降低。60～120s 時，列車接近車站，熱壓風和活塞風疊加后風速導致通道風速增大，進而影響候車廳和進站廳的溫度。120～240s 時，列車離站，站內熱壓風和活塞風疊加后風速較小，對進站廳的溫度影響較小。240～300s 時，熱壓風和活塞風疊加后風速持續影響，候車廳溫度降低，進站廳溫度先降低后升高。

參考實際運營數據，按每小時候車廳門開啟3次，每次開啟5 分鐘。利用公式（1）對熱壓風和活塞風共同作用引起的供暖系統的負荷變化進行計算，結果如表5所示。0～210s 和248s～300s，由于冬季熱壓風和活塞風方向相同，隧道冷空氣通過進站通道流向地面站房，進站廳和候車廳的負荷變化較大。但210～248s 時，由于列車離開車站，活塞風與熱壓風方向相反，疊加后使車站風速變小，進站廳和候車廳的供暖系統負荷變化較低。

表5 活塞風和熱壓風對不同區域空調負荷的影響Table 5 Influence of piston wind and buoyancy-driven wind on air conditioning load in different regions

4 結論

本文以京張高鐵八達嶺長城地下站為對象，研究了熱壓風和活塞風對高鐵地下站內熱環境和空調負荷的影響，得到以下結論：

（1）夏季，僅熱壓風作用下，室外熱空氣先進入進站廳，降溫后進入候車廳，對候車廳熱環境和空調系統影響小，每小時進站廳和候車廳空調負荷分別增加13.4%和3.7%；熱壓風和活塞風共同作用下，每小時進站廳和候車廳空調負荷分別增加12.0%和3.3%，熱壓風和活塞風的共同作用比僅熱壓風作用對空調系統的影響稍小。

（2）冬季，僅熱壓風作用下，隧道內冷空氣先進入候車廳，升溫后進入進站廳，對候車廳熱環境和空調系統影響大，每小時進站廳和候車廳的空調負荷分別增加4.4%和14.3%；熱壓風和活塞風共同作用下，每小時進站廳和候車廳空調負荷分別增加4.0%和12.8%，熱壓風和活塞風共同作用與僅熱壓風作用對空調系統的影響稍小。