城際地下車站軌頂排熱風口優化方案研究

摘" 要：以某典型側式城際地下車站為研究對象，采用三維CFD數值計算方法研究常規軌頂風口設置形式下兩列車停靠站臺時，不同隧道初始環境溫度對車站軌行區平均溫度的影響。研究結果表明，不同隧道環境溫度下車站軌行區平均溫度均小于40 ℃，滿足隧道通風要求;但熱量主要集中在車站中部，無法及時排出。進而該文提出保持軌頂排熱風口總面積不變，采用大風口代替常規軌頂風口的優化方案，其中靠近風機的2個風口尺寸為0.9 m×1.4 m，遠離風機的2個風口尺寸為0.9 m×4.2 m的優化方案排熱效果可行，可為工程設計提供參考。

關鍵詞：城際列車;側式車站;軌頂風口;軌行區溫度;排熱

中圖分類號：TU834" " " "文獻標志碼：A" " " " " "文章編號：2095-2945（2023）18-0096-04

Abstract： Taking a typical side-type intercity underground station as the research object， the three-dimensional CFD numerical calculation method is used to study the influence of the initial ambient temperature of different tunnels on the average temperature of the station track area when two trains stop at the platform with conventional rail top outlet. The results show that the average temperature of the rail line area of different tunnel ambient temperatures is less than 40 ℃， which meets the requirements of tunnel ventilation， but the heat is mainly concentrated in the middle of the station and can not be discharged in time. Furthermore， this paper puts forward the optimization scheme of keeping the total area of the rail top exhaust outlet unchanged and using the large outlet instead of the conventional rail top outlet. The optimization scheme with the size of the two outlet near the fan is 0.9 m×1.4 m， and the size of the two outlet is 0.9 m×4.2 m which is far away from the fan is feasible， which can provide reference for engineering design.

Keywords： Inter-City Rail Service; side subway station; rail top outlet; rail zone temperature; heat removal

與地鐵運行模式類似，城際列車運行也具有行車密度大、速度高等特點。列車運行時會產生大量熱，這些熱量聚集在隧道中，導致隧道內溫度升高。列車停靠站臺時，列車空調系統會持續地向軌行區散熱，導致熱量在軌行區的聚集效應更加明顯，車站軌行區熱環境更加惡劣。當列車正常運行，列車車廂設置空調，車站設置全封閉站臺門時，區間隧道內空氣夏季的最高溫度不得高于40 ℃[1]。當列車阻塞在區間隧道時，工程上要求隧道斷面平均溫度不得高于40 ℃[2]。隧道空氣溫度的升高會影響列車空調冷凝器的散熱效果[3]，所以對隧道內環境溫度的控制至關重要。

目前地鐵車站軌行區的熱量主要通過軌頂和軌底的排熱風道來排除[4]。城際地下車站的排熱方式參考地鐵，列車通過冷凝散熱風口向車站軌行區釋放的熱量，在排熱風機的作用下經排熱風道上的風口排出。本文考慮僅設置軌頂排熱風道的通風設計方案，常規軌頂排熱風口的設計形式為軌頂風口分散布置在各節車廂冷凝散熱風扇上方;實際上，軌頂排風口的吸風范圍很小，列車散熱風口與軌頂排風口位置經常存在一段差距，使得排熱效率大大降低[4]。因此研究軌頂排熱風口的布置方式能否滿足隧道通風要求尤為重要。

研究人員通過數值模擬和實驗方法對軌行區排熱方式及排風效果進行了研究。一是對現有排熱工況的研究，王麗慧等[5]發現各風口風速分布不均勻，靠近風機側風口風速偏大，部分風口因堵塞測不到風速，并存在風速偏小等現象，熊勝益[6]發現采用每組5個風口正對列車空調冷凝器的布置方式不合理;二是對排熱工況方案的改進，葉晨輝等[7]提出增大上游風口面積以及軌底風口面積的方案，郭輝[8]提出減少排風口數量，將2個軌頂排風口設置在中間兩節車廂中部上方的方案。現針對單洞雙線的城際地下車站軌道排熱系統的研究較少。

本文采用CFD數值計算方法首先研究了常規軌頂排熱風口下，兩列車停靠站臺時不同隧道環境溫度下軌行區溫度的分布，進而通過結果對比分析提出排熱風口的優化設計方案。

1" 數值計算模型

1.1" 幾何模型

本文以某全封閉屏蔽門系統側式城際地下車站為研究對象，軌行區兩正線間立柱，研究忽略柱子對整個流場的影響。

列車為CRH6型4編組，長100 m，寬3.3 m，高3.8 m，列車橫截面積為10.89 m2。單節車廂2臺空調機組，冷凝散熱風扇位于列車頂部，冷凝散熱風口尺寸簡化為1 m×0.5 m。列車停站時冷凝散熱風口與軌頂風口的相對位置如圖1所示。

車站隧道長110 m，橫截面積為52.7 m2，軌頂風道高1 m，隧道橫截面如圖2所示。

車站為兩端排風，軌頂排熱風道以軌行區中線為分界線設置中隔墻，包括2條對稱的軌頂排熱風道，排熱風道遠離分界線的一端設置排風風機。軌頂風道側面開孔，孔底與風道底板齊平。軌頂排熱風道平面圖如圖3所示。

軌頂風口分散布置在各節車廂冷凝散熱風口上方。單側軌頂排熱風道設4組軌頂風口， 每組軌頂風口包括7個小風口，風口尺寸為0.2 m×0.9 m，風口間距為0.25 m，共計56個小風口，風口總面積為10.08 m2。單組排風口尺寸如圖4所示。

1.2" 控制方程

當列車停站時，軌行區內的空氣流動可以認為是三維、定常、不可壓縮的定常流動，其控制方程如下。

1.3" 邊界條件

城際地下車站地理位置選取溫和氣候地區昆明、夏熱冬暖地區廣州、夏熱冬冷地區武漢為研究對象。昆明、廣州、武漢的隧道初始環境溫度取當地夏季最熱月平均溫度，分別為22.3 ℃、28.9 ℃、30.8 ℃，對應的列車冷凝風扇出風口分別設為1.18 m/s、2.24 m/s、2.85 m/s的速度入口，冷凝風扇排風溫度設為45.5 ℃[6]。

車站隧道入口為壓力入口邊界條件，表壓為0;隧道出口為壓力出口邊界條件，表壓為0;軌頂風道表面粗糙度為0.01 m[9]，隧道壁面為固定無滑移壁面邊界條件;軌頂排熱風口設為內部交界面。排熱風機TEF風量為50 m3/s，則單側軌頂排熱風道的風量為25 m3/s。

1.4" 數值網格

計算模型劃分為0.15 m×0.15 m的六面體結構化網格，其中對軌頂排風口和冷凝散熱風口網格加密，總網格數量為672 萬個。

1.5" 網格無關性驗證

選取隧道初始溫度28.9 ℃的工況進行網格無關性驗證。列車周圍網格如圖5所示。

表1為不同網格下的車站軌行區平均溫度。由表1可知當網格數為672 萬個時，網格對計算結果的影響非常小。因此，本文在之后的研究選取區間隧道網格大小為0.15 m×0.15 m。

2" 計算結果分析

計算選取隧道長度方向豎直中截面（Y=0 m）和列車頂部水平中截面（Z=5.4 m）的溫度分布云圖來分析車站軌行區的溫度分布情況。

2.1" 常規軌頂風口形式下軌行區溫度場分析

圖6—圖8分別為隧道初始環境溫度為22.3 ℃、28.9 ℃、30.8 ℃時車站軌行區的溫度分布圖，對應的車站隧道平均溫度分別為27.8 ℃、35.5 ℃、39.2 ℃。

排風是在軌頂排熱風道出口設置排熱風機，風機向外排風使排熱風道內形成負壓區，車站軌行區空氣經各軌頂風口被吸入排熱風道，再由風機將排熱風道中空氣排入排風井。由于軌頂風道較長，軌頂風道內中不同位置負壓不同，越靠近風機端的軌頂風口負壓越大;而軌行區內各處壓力相近，導致各軌頂排風口的動壓不同，各軌頂排風口的風量不同。由圖6—圖8可知，站臺中部熱量最高，出現了熱量堆積的現象，這是由于靠近風機的軌頂風口風量較大，風速較大，帶走的熱量多;遠離風機的軌頂風口風量較小，風速較小，帶走的熱量少。

兩列車停靠在站臺時，軌行區溫度分布以軌道分界線沿水平方向呈完全對稱分布。由圖6—圖8可知，站臺內溫度高于區間隧道溫度，區間隧道到站臺中部的溫度呈遞增趨勢，且列車頂部空間平均溫度高于列車底部，這是由于冷凝散熱風口源源不斷的往軌行區散發熱量，冷凝散熱風口排出的熱量在熱空氣浮升作用下向豎直方向上擴散，使得熱空氣上升;排風口的排風能力有限導致熱量無法及時排出軌行區，隧道內溫度有所上升。

綜上，當兩列車停靠站臺時，車站軌行區平均溫度均小于40 ℃，均滿足隧道通風要求。隨著隧道初始環境溫度的升高時，各軌頂風口排熱能力下降，站臺中部高溫區域段略有增加，車站軌行區內平均溫度也相應的增加。當隧道初始溫度為30.8 ℃時，列車周圍高溫區域段擴大到整個車廂，排熱效果較差。

2.2" 軌頂風口優化后軌行區溫度場分析

通過以上分析得知，常規軌頂風口的布置方式不合理，風量存在分布不均勻，熱量無法及時排出的情況。為弱化這一問題，本文采取軌頂排熱風口總面積不變的情況下減少排熱風口數量，用大風口代替均勻小風口的優化方案（大風口位于車廂正上方）。調節方式：靠近風機的2個風口尺寸為0.9 m×1.4 m，遠離風機的2個風口尺寸為0.9 m×4.2 m。圖9為優化后的排風口尺寸圖。

從圖10中看出，各個區域的溫度分布都發生了變化，二、三組軌頂風口內溫度略高，這是由于減少軌頂排風口數量后，區間隧道中冷空氣流經的距離增加， 較好地降低了流經路徑的溫度。此時車站軌行區內平均溫度為35.3 ℃，與優化前相比，車站軌行區平均溫度下降3.9 ℃，該優化方案可行，能為工程設計提供參考。

3" 結論

本文數值模擬了某側式城際地下車站常規軌頂風口設置形式下兩列車停靠站臺時不同隧道初始環境溫度對車站軌行區平均溫度的影響，并提出了軌頂風口優化方案。結果表明：昆明、廣州、武漢地區城際地下車站軌行區平均溫度均小于40 ℃，滿足隧道通風要求。本文提出的保持軌頂排熱風口總面積不變的情況下，減少排熱風口數量，用大風口代替常規均勻小風口的優化方案可行，可為工程設計提供參考。

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