城市地鐵活塞風對地鐵環境的影響規律與有效應用分析

柯亞楠

摘要：活塞風通過隧道和出入口引起地鐵環境的變化,是地鐵能耗的重要影響因素，在過渡季節和冬季充分利用活塞風是實現地鐵通風系統進一步節能的有效措施。風口屏蔽門系統可有效利用活塞風,因其兼具安全、舒適的特點，較之傳統的半高安全門系統和屏蔽門系統具有許多優點，重點探討活塞風對地鐵環境的影響規律、活塞風的有效利用對地鐵通風空調系統能耗的影響和帶風口屏蔽門系統在北方城市的適用性。

關鍵字：城市地鐵 活塞風 地鐵環境 影響規律 有效應用

1.某城市地鐵概況

某城市地鐵里程全長26.188公里，全線共設22座車站，其中高架站有8座，地下站有 13 座，地面車站有1座，站間距離最小為 0.784 公里，最大為 1.624 公里，平均為 1.225 公里，站臺有效長度均為 120 m，站臺兩端部均有站端風井，每站4條，區間隧道有雙跨矩形有中柱(雙線單洞)、雙跨矩形有隔墻、單跨矩形、圓型盾構四種，車站兩端各有兩個機械風井，既有線各區間中部均有兩個機械風井，列車車廂尺寸長寬高值分別為19.52m、2.8m、3.51m，動車自重37t，拖車自重 27 t,帶司機室車定員 252 人，一列載額定乘客列車總質量為 298.2t。安裝了平均高度為 1.4m 的安全門，拓寬看乘客在候車時的站立空間,適當減少活塞風對站臺的影響，降低列車進出站時產生的噪聲，在過渡季和冬季還可以利用活塞風滿足車站新風需求。

2.活塞風速理論計算

當列車在隧道中運行時，隧道中的空氣被列車帶動而順著列車運行前進的方向流動，這一現象稱為列車的活塞作用，所形成的氣流稱為活塞氣流。列車在隧道中運行時,由于隧道壁所構成空間的限制,列車所推擠的空氣不能全部繞流到列車后方,必然有部分空氣會被

列車向前推動，排出到隧道出口之外，而列車尾端后方存在著負壓渦旋區域，因

此也必然會有相應空氣經開口被引入到隧道中，由此形成活塞風。如下圖所示：

圖1：活塞風形成原理示意圖

空氣的流動要受到物理守恒定律的支配,其理論基礎是空氣動力學原理,即空氣流動過程中的質量守恒、能量守恒和動量守恒定律，其質量守恒方程為：

按照按一維運動連續性微分方程考慮，則有：

其中A代表隧道橫斷面積，p代表空氣密度，v代表氣流平均速度。

地鐵車站活塞風量的影響因素很多，如活塞的風井數量及位置、車輛對數及組數、列車運行速度、車站形式、隧道形式等，風井的位置和隧道形式不同,計算得出進站口和出站口活塞風速均不相同。此外，車輛對數的增加將增加每小時帶來的活塞風量，列車越長活塞風速越大。

3.活塞效應下車站溫度變化影響因素

地鐵車站溫度的變化與其本身存在的內熱源的大小有關,如照明散熱量、設備散熱量、客流量、列車散熱量、車輛對數及編組數等有關,同時也與車站的形式、隧道的形式有關,車站的自然通風量和機械通風量關系到站內余熱量排除情況,因此對車站溫度變化產生了決定性的影響,而對于自然通風量大的車站,室外氣溫的變化也會對車站溫度變化產生較大的影響?？土髁康脑黾邮沟檬覂扔酂崃吭黾?則在通風工況不變的情況下室內空氣溫度將會升高，如下午 16:00 左右客流量很少,此時室外氣溫為 16℃，低于站內空氣溫度，列車即將進站時溫度開始上升,列車出站后溫度迅速下降。這是因為由于列車運行、剎車和啟動均產生大量熱量,使得空間溫度升高,而列車出站后,在站內形成負壓,室外空氣由出入口吸入站內,將列車留下的余熱帶走,則空間溫度降低。過渡季節室外新風的溫度比較低,當新風量增加的時候,可降低室內溫度。活塞風作用下,站臺靠近出入口處溫度變化隨著室外氣溫的降低而有所降低。

4.地鐵活塞風對站臺環境影響規律數學模型的建立及驗證

計算流體力學)是通過計算機數值計算和圖像顯示,對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統所做的分析。通過數值模擬，我們可以得到極其復雜問題的流場內各個位置上的基本物理量的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況，確定旋渦分布特性、空化特性及脫流區等。

4.1構建數學模型

某車站結構尺寸為120m×19.2 m×8.13 m，列車尺寸規格為117.12 m×2.8 m×3.58m，列車冷凝器在車頂部，制動電阻在車廂底部。站廳層只設送風口,尺寸為 600mm×300mm,共 64 個,布置在距站廳底部裝修面3.0m的高度上，站臺層采用上送風,軌頂排風以及軌底回/排風的氣流組織形式，送風口尺寸為 700mm×350mm，共72個，分兩排均勻布置在距站臺板

3.0m高度位置，軌頂排風口尺寸為 1000mm×500mm，共108個，距站臺板3.0m軌底回/排風口尺寸為500mm×300mm，兩排共120個，均勻布置在站臺板下面站臺兩側距站臺邊緣約200mm的位置，設有平均高度1.4m的安全門。

采用控制容積積分法來建立離散方程，確保離散方程守恒特性，則其能量方程為：

紊流能量耗散率方程為：

在網格節點上離散方程的精確解偏離該點上相應的微分方程精確解的值，稱為該點上的離散誤差。離散誤差的大小同離散方程的截斷誤差有關"在相同的網格步長下，一般地說，截斷誤差的階數提高，離散誤差會隨著減小，對于同一離散格式，網格加密，離散誤差也會減小。網格質量是 CFD 模型中非常重要的因素之一，好的網格對于好的模擬結果非常重要，好的網格要求恰當的分辨率、光滑度、低偏斜率和適當的網格數量。

4.2建模誤差分析

由于動網格的計算量比較大,并且建模過程比較復雜,不容易精確的再現實際過程,本文采用了非穩態方法，通過方波函數設置活塞風速來模擬列車通過對站臺帶來的影響，這樣就將列車的啟動、運行、剎車過程簡化了，僅考慮其帶來的活塞風作用。在過渡季節的模擬中采用了非穩態方法，隧道口風速設定采用方波函數設定。

5.帶風口屏蔽門系統活塞風數值模擬結果分析

活塞風的綜合利用必然很大程度的減少風機能耗,過渡季節和冬季的舒適性仍需考慮，CFD 模擬是一個可行的研究方法,大量的實驗驗證也說明模型建立的比較合理,從而實現了屏蔽門系統改造的優化設計。列車自動操作時，屏蔽門是絕對有必要的，列車手動操作時，屏蔽門亦非常有用，屏蔽門可以十分有效地提高站臺安全，避免乘客因自殺、在站臺里走動、推擠等而落入軌道，可以增加站臺的可用表面，可以避免未經授權的人進入隧道，屏蔽門降低了空調系統的能源消耗和隧道內不必要的能耗，屏蔽門可以減少隧道灰塵、列車噪音以及列

車弛行的活塞效應產生的氣流進入站臺。

地下鐵道發生火災時造成的人員傷亡，絕大多數是由于煙霧中的有毒氣體的熏倒、中毒或窒息所致，有效的排煙已成為地鐵火災救援的重要措施。為此，要求設置排煙設備，在布置風道時，確保排煙口的風速不宜大于10m/s，當排煙干管采用金屬管道時,管道內的風速不應大于20m/s，設置帶風口屏蔽門，相同高度下帶風口屏蔽門系統的高溫區域比屏蔽門系統小得多，可以為火災事故情況乘客的順利疏散爭取了時間。經過計算發現,可控風口在過渡季節活塞風可滿足近期的新風要求,并帶走大量余熱,軌底排風可有效控制列車產生的熱量不進入站臺公共區,在滿足乘客舒適性要求的同時,達到進一步節能的效果。

結語

活塞風對地鐵環境的影響規律非常復雜,通過站臺和出入口引起地鐵能耗的變化，是地鐵能耗的重要影響因素，在過渡季節和冬季充分利用活塞風是實現地鐵通風系統進一步節能的有效措施。重點對活塞風對地鐵環境的影響規律進行了研究分析,并探討了能夠有效利用活塞風的帶風口屏蔽門系統在北方城市地鐵中的應用前景,為地鐵工程設計提供了必要的依據。

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