非屏蔽門地鐵車站隧道與站臺空氣交換量模擬研究

欒承志 李曉鋒

(清華大學,北京)

0 引言

城市基礎交通設施的建設在城市化發展過程中發揮著重要作用。與私家車和傳統公交相比,城市軌道交通在運量、速度和運行方式等方面具有明顯優勢,因此在近些年得到了快速發展[1]。而隨著地鐵在全國范圍內的大量建設,地鐵運營的能耗問題也日益受到關注。2022年,全國城市軌道交通能耗227.9億kW·h,比上年增長6.89%,能耗巨大[2]。相關研究表明,通風空調系統能耗費用一般占整個地鐵工程運營費用的1/3以上[3]。因此,很多學者對如何降低地鐵空調系統的運行能耗進行了深入研究,其中隧道與站臺的空氣交換量是影響空調系統能耗的重要因素之一[4]。

隧道與站臺的空氣交換量與地鐵環控系統安裝的車門形式有直接的關聯。目前我國的地鐵環控系統主要包括屏蔽門系統和非屏蔽門系統。在典型的北方地區城市,地鐵通風空調以非屏蔽門系統作為主要的系統模式;而在南方地區則以屏蔽門系統作為主要的系統模式[5]。

當前,對于地鐵站內隧道與站臺的空氣交換量,主要的研究方法為現場測試方法和數值模擬方法。對于現場測試方法,張培紅等人利用風速儀對沈陽地鐵2號線世紀廣場站的站臺層進行了風速測試,分析了站臺兩端、扶梯口及站臺中部各斷面速度場的變化規律[6]。王春旺等人對位于南京的某屏蔽門地鐵站臺進行了漏風量測試,得出了屏蔽門漏風量的變化趨勢,定量分析了漏風量對車站空調負荷的影響[7]。林炎頃等人對設置了可調通風型站臺門的地鐵車站在過渡季節的通風性能進行了測試,并認為在過渡季節可以關閉車站風機,依靠列車活塞效應引起的通風量便可滿足過渡季節車站風量的設計要求[8]。

數值模擬方法主要包括CFD模擬方法和網絡方法。楊暉利用CFD模擬方法,分析了單列車進、出站過程中的流場分布,計算了活塞風所造成的站臺通風量,并對未來環控系統的運行提出了建議[9]。李亮等人采用理論分析和CFD模擬計算的方法,分析了地鐵屏蔽門滲透風對車站空調負荷的影響,給出了可用于指導空調負荷計算的摻混率計算公式和參考取值[10]。劉庚等人通過CFD模擬方法,對采用非屏蔽門系統的天津地鐵下瓦房站進行了研究,比較了采用不同湍流模型時地鐵站臺的氣流組織[11]。研究認為,利用CFD模擬方法對地鐵站臺建立熱環境數值模型時,湍流模型的選擇對模擬結果會有較大的影響,采用不同的計算模型會使結果存在一定差異。

由于現場測試方法無法在設計階段對隧道與站臺的空氣交換量進行估計,而CFD模擬方法計算復雜、技術性強、不確定性高,2種方法都只能測試或模擬少量案例,難以得到普遍性結論,無法快速計算非屏蔽門地鐵系統隧道與站臺的空氣交換量。

另一類模擬方法為網絡法。與前2種方法相比,網絡法可以較快得到相對準確的計算結果,適用于長時間動態模擬。由清華大學建筑技術科學系開發的地鐵熱環境模擬軟件STESS即是利用網絡法對通風量進行模擬計算的軟件之一。學者們通過STESS軟件,在我國地鐵工程應用中進行了大量的實際計算,計算結果也在多個實際線路中得到了驗證[12]。朱培根等人利用STESS軟件得出了各種運營模式下的地鐵通風空調能耗曲線,確定了地鐵通風空調系統優化的運營模式[3]。唐超等人利用STESS軟件分析了嚴寒地區地鐵在不同通風模式下對應的運行能耗及經濟效益[13]。Li等人利用STESS軟件對地鐵屏蔽門系統隧道與站臺的空氣交換量進行了研究,并給出了計算地鐵屏蔽門系統隧道與站臺空氣交換量的擬合公式,為研究和工程計算提供了便捷[14]。

通過調研地鐵站內氣流組織的相關研究后發現,對屏蔽門系統地鐵隧道與站臺的空氣交換量已有大量研究成果,而對非屏蔽門系統隧道與站臺空氣交換量的相關研究較少。因此,本文利用STESS軟件,通過網絡法對各類工況下的非屏蔽門地鐵系統進行了模擬計算。文獻[14]認為,影響隧道與站臺空氣交換量的重要因素包括隧道長度、發車對數、雙向列車到站時間間隔等。本文分析了這些因素對非屏蔽門系統隧道與站臺空氣交換量的影響,并給出了適用于估算實際工程非屏蔽門系統地鐵站臺與隧道空氣交換量的擬合公式。

1 研究方法

1.1 計算模型及工況設定

圖1為在STESS軟件中構建的地鐵網絡模型。整個地鐵網絡由區間隧道支路、通風井支路、站臺支路、非屏蔽門支路、出入口支路及連接支路的節點組成。對于非屏蔽門系統,雙向列車到站時間間隔對隧道與站臺的空氣交換量的影響較大,為分析其對隧道與站臺空氣交換量的影響,專門建立了較長的地鐵線路模型(共包含28站);設定地鐵列車的最高運行速度為80 km/h[15];根據我國地鐵線路的實際情況,設定的隧道長度分別為800、1 000、1 200、1 400 m;列車每小時的發車對數為6～30對;模型相關參數如表1所示。

表1 模型相關參數

注:S-1、S0、S1為地鐵站臺。圖1 地鐵網絡模型

圖2為地鐵站臺與隧道的相對位置示意圖。研究的站臺為S0,其上游的站臺分別為S-3、S-2和S-1,下游的站臺分別為S1、S2和S3;隧道根據起點和終點的站臺編號,如用T1表示S0-S1段隧道。

圖2 研究的地鐵站臺與隧道的相對位置

1.2 模擬結果驗證

為了驗證模擬結果的準確性,對南京某采用非屏蔽門系統的地鐵車站進行了現場測試。根據質量守恒原理,隧道與站臺的空氣交換量會導致進出口氣流的變化。為了便于測試,選擇對出入口的風量進行測量,并將試驗實測結果與軟件模擬結果進行對比,如圖3所示。從圖3可以看出,模擬結果與實測結果的變化趨勢和峰值基本一致,驗證了模擬方法的準確性。模擬結果與出入口總風量的實測結果基本一致,相對誤差約為12%,如表2所示。因此,該模擬方法能夠較為準確地計算出隧道與站臺的空氣交換量。

表2 出入口風量實測結果與模擬結果對比

圖3 地鐵站出入口風量實測結果與模擬結果對比

2 結果分析

2.1 隧道長度

對于采用屏蔽門系統的某一站臺的隧道與站臺的空氣交換量,主要受列車在與其相鄰的6個隧道中行駛過程的影響(相鄰上游的3個隧道和下游的3個隧道)[14]。即列車離開S-3、進入隧道T-3時,研究所選取的地鐵站隧道與站臺的空氣交換量開始發生變化。之前的隧道由于距離過遠,列車駛經該隧道產生的活塞風造成的影響可以忽略。此外,風量曲線還呈周期性波動,與列車運行速度曲線相對應。

但對于非屏蔽門系統,由于與隧道連通的面積遠大于屏蔽門系統,使得列車在隧道中產生的活塞風大部分都進入了與該隧道相鄰的站臺。因此,隧道與站臺空氣交換量的變化主要受列車在與站臺相鄰的上下游隧道中行駛的影響,列車在其他隧道行駛時產生的影響可以忽略。風量模擬的結果可以佐證這一點。圖4顯示了非屏蔽門系統隧道與站臺的空氣交換量。從圖4可以發現,非屏蔽門系統隧道與站臺空氣交換量的變化曲線存在2個波峰和2個波谷。該圖中,風量峰值較大的波形,是由于上行列車進站和出站導致的隧道與站臺的空氣交換量。當上行列車進站時,列車前方空氣受到擠壓,壓力升高,隧道中的活塞風通過非屏蔽門進入站臺;當列車出站時,其尾部為負壓,使站臺的空氣通過非屏蔽門流入隧道。而對于其中風量峰值較小的波形,則是下行列車進出站導致的。當下行列車進站時,其擠壓出的活塞風一部分進入站臺,另一部分則通過非屏蔽門進入上行隧道;當下行列車出站時會抽吸空氣,其中一部分來自站臺,另一部分則來自上行隧道。

圖4 非屏蔽門隧道與站臺的空氣交換量(模擬條件:發車對數為6對/h,隧道長度為800 m)

由于列車在隧道中的行駛情況會對隧道與站臺的空氣交換量產生較大影響,所以隧道的長度及列車的行駛速度是重要的影響因素。圖5顯示了不同隧道長度下列車的速度曲線?？梢钥闯?在該模型設定的條件下,列車在不同長度隧道中行駛的最大速度均相同,這也符合當前地鐵實際的運行情況。圖6顯示了不同隧道長度下隧道與站臺的空氣交換量,可以看出,當發車對數較少時,在相同發車對數下,隧道越長,列車行駛的時間越久,導致隧道與站臺的空氣交換量越大。

圖5 不同隧道長度下列車的速度曲線

圖6 不同隧道長度下隧道與站臺的空氣交換量(模擬條件:發車對數為6對/h)

但隨著發車對數的增加,影響隧道與站臺空氣交換量的因素變得復雜,將在下文作具體說明。

2.2 列車發車對數

列車的發車對數也是影響非屏蔽門系統隧道與站臺空氣交換量的重要因素。圖7顯示了在相同隧道長度下,發車對數不同時隧道與站臺的空氣交換量的變化情況?？梢钥闯?隨著發車對數的增加,隧道與站臺的空氣交換量呈現先增大后減小的變化規律。原因是當發車對數較少時,隨著發車對數的增加,隧道與站臺的換氣頻率增大,隧道與站臺的空氣交換量有增大的趨勢;但隨著發車對數的進一步增加,列車的間距減小,前后列車造成的活塞風發生相互干擾,使得隧道與站臺的空氣交換量減小。因此當發車對數較多時,隧道與站臺的空氣交換量的影響因素較為復雜,隧道與站臺的空氣交換量會隨發車對數的增加呈現先增大后減小的變化規律。對于不同的隧道長度,該變化規律相同,但出現隧道與站臺最大空氣交換量所對應的發車對數并不一致。

圖7 同一車站在不同發車對數時的單側隧道與站臺的空氣交換量(模擬條件:隧道長度為1 200 m)

2.3 雙向列車到站時間間隔

從隧道進入站臺的氣流主要向2個方向流動,其中一部分主要流向站臺,另一部分則通過對側的非屏蔽門流入對側隧道。圖8顯示了上下行列車同時到站時站臺兩側隧道與站臺的空氣交換量?？梢钥闯?當兩側列車同時到站時,站臺兩側非屏蔽門的隧道與站臺的空氣交換量曲線幾乎完全重合。

圖8 上下行列車同時到站時站臺兩側隧道與站臺的空氣交換量(模擬條件:隧道長度為1 200 m,發車對數為10對/h)

但當雙向列車到站時間不同時,兩側隧道的隧道與站臺的空氣交換量將會發生明顯變化。圖9顯示了上下行列車不同時到站時站臺兩側隧道與站臺的空氣交換量。可以看出,此時站臺兩側隧道與站臺的空氣交換量的變化曲線之間存在相位差,并且有明顯不同。原因如前文所述,非屏蔽門系統流入對側隧道的隧道與站臺的空氣交換量遠大于屏蔽門系統。該部分氣流會對對側隧道與站臺的空氣交換量產生很大影響。此時風量曲線通常不再是2.1節中分析的雙波峰波谷形狀,因為來自本側的隧道與站臺的空氣交換量會與來自對側的隧道與站臺的空氣交換量相互影響。比如圖9即為下行列車進站時,上行列車剛好出站的情況。當兩側列車同時進出站時,風量曲線會形成如圖8所示的單波峰波谷形狀。

圖9 上下行列車不同時到站時站臺兩側隧道與站臺的空氣交換量(模擬條件:隧道長度為1 200 m,發車對數為10對/h,到站時間間隔為106 s)

對于不同的車站,雙向列車到站時間間隔有所不同,這使得在相同發車對數下,非屏蔽門系統地鐵不同站之間的風量結果會有較大差異,并且存在較大的分布區間。

2.4 多影響因素綜合分析

圖10顯示了在4種隧道長度下28個地鐵車站在不同發車對數下的隧道與站臺的空氣交換量。圖中的3條曲線分別對應隧道與站臺的空氣交換量的最大值、平均值和最小值。

圖10 不同隧道長度和不同發車對數下隧道與站臺的空氣交換量

總體來看,隧道與站臺的空氣交換量都分布在(4～16)萬m3/h之間。從總體變化趨勢來看,非屏蔽門系統中隧道與站臺的空氣交換量呈現先增大后減小的趨勢。不同隧道長度時,隧道與站臺的最大空氣交換量對應的發車對數如表3所示。

表3 不同隧道長度時隧道與站臺的最大空氣交換量對應的發車對數

根據圖10可以得到不同隧道長度下非屏蔽門系統隧道與站臺的平均空氣交換量的多項式擬合公式,擬合優度R2均在0.96以上。

G800(n)=0.001(-0.136n3-14.94n2+849.1n+2 134)

(1)

G1 000(n)=0.001(-0.784n3+6.378n2+684.02n+3 066)

(2)

G1 200(n)=0.001(-0.937n3+5.018n2+740.3n+3 316)

(3)

G1 400(n)=0.001(-0.273n3-41.62n2+1 515.9n+6 872)

(4)

式(1)～(4)中G為隧道與站臺的平均空氣交換量,萬m3/h,下標代表隧道長度,m;n為發車對數,對/h。

根據擬合公式可以估算出隧道與站臺的平均空氣交換量,避免了復雜的建模和計算過程。

3 結論

根據STESS軟件的模擬結果,本文對非屏蔽門系統隧道與站臺的空氣交換量及影響因素進行了分析。

1) 對于采用非屏蔽門系統的地鐵,隧道與站臺的空氣交換量較大,在(4～16)萬m3/h之間,并且主要受隧道長度、發車對數和雙向列車到站時間間隔等因素的影響。

2) 隧道長度越大,列車的運行時間越久,隧道與站臺的空氣交換量越大。

3) 隨著發車對數的增加,隧道與站臺的空氣交換量呈現先增大后減小的趨勢,并且對于不同的隧道長度,風量達到最大值所對應的發車對數也并不相同。

4) 雙向列車到站存在間隔時,會使對側隧道與站臺的空氣交換量影響到本側隧道與站臺的空氣交換量。這是由于非屏蔽門系統中隧道和站臺之間的連通面積很大,對側隧道與站臺的空氣交換量將會有很大一部分進入本側隧道,使得氣流之間相互影響,從而導致不同車站之間的隧道與站臺的空氣交換量存在較大差異。

5) 根據大量的模擬結果,本文給出了采用非屏蔽門系統地鐵隧道與站臺的空氣交換量的分布范圍及平均值的擬合公式。通過這些公式,可以實現在實際工程或研究中,對非屏蔽門系統隧道與站臺的空氣交換量進行有效估算,從而對地鐵環控系統的設計或運行作出進一步優化。