SES在地鐵典型區間環控系統設計中的應用

張本利/鐵道第三勘察設計院集團有限公司

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SES在地鐵典型區間環控系統設計中的應用

張本利/鐵道第三勘察設計院集團有限公司

【摘 要】選取兩個地鐵工程作為分析案列，通過對該地鐵工程典型區間環控設計中的土建配合方案和設備布置位置方案的比選優化，簡要分析了SES模擬在地鐵典型區間環控系統設計中的應用。結果表明借助于SES模擬結果可以驗證所選定的地鐵典型區間通風系統構成方案及區間設備設置位置的合理性，優化環控系統設計方案，保證地鐵通風系統的安全有效運行，保障地鐵系統的正常運營。

【關鍵詞】SES；地鐵；典型區間；環控系統

引言

地鐵具有運量大、速度快、無污染以及方便、舒適、準時的優點，已成為緩解城市交通壓力、降低環境污染的首選交通工具[1]。目前在我國地鐵建設的快速發展過程中，地鐵環境控制問題也越來越引起人們的重視。地鐵環控系統的目的就是要把車站和區間隧道的環境維持在舒適范圍內，同時保證列車的正常運行。地鐵中的活塞風、列車產熱、顆粒物等污染、噪聲主要來自區間隧道，而且由于區間隧道的特殊性和封閉性，當列車在區間在發生事故時，必須借助于有效的通風排煙措施來保證人員安全疏散。因此區間環控系統顯得尤為必要。目前地鐵區間的活塞風特性、機械通風方案、火災時煙氣控制等方面都成為地鐵環控系統設計中的主要研究內容。

地鐵的結構和環境復雜性及特殊性決定了地鐵通風空調系統的設計及計算需要采用計算機輔助模擬計算來進行[2]。地鐵區間通風系統設計中會有多種可選方案,計算機模擬的功能之一就是對各種方案的比選優化。目前國際常用地鐵環控系統設計和模擬軟件為SES軟件,它可以驗證設計者所選定的地鐵區間通風系統構成方案及系統運行模式的合理性,以便完成地鐵通風空調系統的設計。

本文通過兩個工程案列，簡要探討了SES軟件在地鐵典型區間環控系統設計中的應用。

1.SES在地鐵典型區間環控系統設計中的應用分析

SES地鐵環境模擬計算軟件全稱Subway Environment Simulation，是由美國交通部開發的，模擬原理是連續方程及伯努利方程（Bernoulli’s Equation)[3]。SES是用于設計、分析地鐵通風系統的工具，包括對常規通風及發生事故時通風的氣流和溫度的分析。在國外隧道通風設計中，SES模擬計算軟件得到了廣泛的應用，并針對多個地鐵系統對SES模擬計算軟件進行過調試。SES模擬計算軟件的有效性已經在模型測試和實際應用中得到驗證[4]。

1.1SES在地鐵典型區間環控系統土建配合中的應用

1.1.1工程概況

該地鐵線全長59.9km，全部為地下線。在全線中部某一區間長度為1084m，車站端部存在停車線，該區間線路示意圖如圖1所示。

該區間內的停車線和下行線為單洞雙線區間，在地鐵區間設計時，土建存在兩種方案，分別是在下行線（左線）和停車線之間設置隔墻和不設置隔墻。當下行線和停車線之間設置隔墻時，下行線的區間斷面面積均為22.6m2；當下行線和停車線之間不設置隔墻時，下行線的區間斷面面積為55.4m2。上行線區間斷面面積為22.6m2。

圖1　區間線路圖示意

根據相關規定[5]，當列車阻塞在區間隧道時，通風空調系統向阻塞區間提供一定的送、排風量，保證阻塞處的有效通風功能，以保證列車的空調冷凝器等設備能正常運行。當列車在區間隧道發生火災事故時，通風空調系統保證防災排煙及通風功能，向乘客、工作人員和消防人員提供必要的新風量，形成不小于2m/s的迎面風速，誘導乘客安全撤離，并具有有效的排煙功能，避免煙氣的蔓延。

下行線和停車線之間不設置隔墻時，該段區間斷面面積較大，在通風量一定的情況下，可能難以達到火災工況下2m/s的臨界排煙風速要求，而不設置隔墻可以減小土建工程量。因此需對在該區間發生阻塞和火災時，下行線區間內的溫度和斷面風速情況進行模擬分析，比較兩種土建方案的優劣，進而綜合考慮確定是否需要設置隔墻。

1.1.2方案SES模擬

該區間的通風方案為車站站端各設置2 條機械風井，每條風井內各設置1 臺可逆轉的隧道風機(TVF) ，其中一臺TVF風機兼做車站UO排熱風機，單臺風機最大風量為60 m3/s，在該區間的左右線各設置兩組射流風機，每組兩臺，射流風機最大風量42120m3/h，推力437N，全線同一時間只考慮一個事故點，隧道風機和射流風機布置如圖2所示。

圖2　風機布置示意圖

風機運行模式為：當列車在下行區間發生阻塞時，B車站大里程和小里程端機械風井內的2 臺TVF 風機并聯送風，A車站大里程和小里程端機械風井內的2 臺TVF 風機并聯排風，關閉A、B兩站UO(排熱)風機，射流風機由B站向A站方向送風；列車頭部區域著火時，B車站大里程和小里程端機械風井內的2 臺TVF 風機并聯送風，A車站大里程和小里程端機械風井內的2 臺TVF 風機并聯排風，關閉A、B兩站UO(排熱) 風機，射流風機由B站向A站方向送風；列車尾部區域著火時，B車站大里程和小里程端機械風井內的2 臺TVF 風機并聯排風，A車站大里程和小里程端機械風井內的2 臺TVF 風機并聯送風，關閉相鄰兩站UO(排熱) 風機，射流風機由A站向B站方向送風。圖3和圖4分別是下行線線和停車線之間不設置隔墻和設置隔墻時的通風示意圖。

圖3　左線和停車線之間不設置隔墻

圖4　左線和停車線之間設置隔墻

根據風機運行模式，分別對列車在下行區間發生阻塞，車頭區域著火，車尾區域著火三種工況時，區間的溫度和風速進行情況模擬，模擬結果如表1所示。

表1　SES模擬結果

1.1.3模擬結果分析

在現有通風方案情況下，對下行線和停車線之間設置隔墻和不設置隔墻的兩種土建方案進行了分析比較。根據SES模擬結果，在設置隔墻時，阻塞工況下區間的溫度略微高于不設置隔墻情況的區間溫度，而在火災工況下區間風速大于不設置隔墻的區間情況下的區間風速；下行線和停車線之間設置隔墻和不設置隔墻，當列車在該區間發生事故時，均可以滿足阻塞工況下的溫度要求和火災工況通風排煙臨界風速要求。因此兩種方案都是可取的，但是從線路和土建條件，以及安全、技術、經濟上綜合比較投資，下行線線和停車線之間不設置隔墻的方案是最優方案，可以減少土建工程量，節省建設投資。

1.2SES在地鐵典型區間環控系統設備布置位置中的應用

1.2.1工程概況

該工程為某地鐵的延伸線工程，共一站一區間，為地下站，A站為該地鐵線路的起始站，區間長度1198m，該區間線路示意圖如圖5所示。

圖5　區間線路示意圖

在該區間中部各有一條停車線分別與上下行線相連。該區間環控系統通風方案為，在上下行線分別設置兩組射流風機，每組兩臺，上下行線的一組射流風機設置在斷面A處（圖5），另外一組射流風機設置在上下行線的斷面B或者斷面C處（圖5），B處斷面面積為25m2，C處斷面面積為44.97m2。根據現場的施工條件，由于B處有其他設備和管線，高度和空間有限，造成射流風機安裝受到限制，而C處則斷面面積較大。射流風機分別安裝在B和C斷面處，當列車在該區間發生阻塞和火災時，是否可以滿足規定溫度和風速要求，需要進行分析研究，從而再結合現場條件，綜合考慮確定射流風機的最優安裝位置。因為該區間內停車線存在區段的斷面面積最大，此處發生火災時，人員疏散要求的2.0m/s臨界風速也最難到達，為最不利點，因此假設列車在該段區間內發生事故。

1.2.2方案模擬

該區間的通風方案為車站大里程和小里程站端各設置2 條機械風井，每條風井內各設置1 臺可逆轉的隧道風機(TVF)，單臺風機的最大風量為60 m3/s，在該區間的上下行線各設置的兩組射流風機，單臺射流風機最大風量42120m3/h，推力437N，全線同一時間只考慮一個事故點。圖6和圖7分別是射流風機設置在斷面B和斷面C處時的區間通風示意圖。

風機運行模式為：當列車在停車線區段發生阻塞時，后方車站大里程和小里程端機械風井內的2臺TVF 風機并聯送風，前方車站大里程和小里程端機械風井內的2臺TVF 風機并聯排風，關閉相鄰兩站UO(排熱) 風機，列車行駛線路上的兩組射流風機由后方車站向前方車站方向送風；列車頭部區域著火，后方車站大里程和小里程端機械風井內的2臺TVF 風機并聯送風，前方車站大里程和小里程端機械風井內的2臺TVF 風機并聯排風，關閉相鄰兩站UO(排熱) 風機，列車行駛線路上的兩組射流風機由后方車站向前方車站方向送風；列車尾部區域著火，后方車站大里程和小里程端機械風井內的2臺TVF 風機并聯排風，前方車站大里程和小里程端機械風井內的2臺TVF 風機并聯送風，關閉相鄰兩站UO(排熱) 風機，列車行駛線路上的兩組射流風機由前方車站向后方車站方向送風。

圖6　射流風機布置在斷面B處

圖7　射流風機布置在斷面C處

表2　SES模擬結果

1.2.3結果分析

利用SES軟件分別對射流風機設置在上下行線區間斷面B和斷面C時，區間的溫度和風速情況進行模擬分析,根據表2的模擬結果可知兩種方案，當列車在該區間發生阻塞和火災時，均可以滿足阻塞工況下的溫度要求和火災工況通風排煙臨界風速要求。當射流風機設置在斷面B處時,在列車發生阻塞時,區間斷面風速高于射流風機設置在斷面C處的風速,區間溫度則低于后一種方案,當列車在該區間發生火災時,通風排煙風速也高于射流風機設置在斷面C處時的風速。即從保證事故工況情況下區間溫度和通風排煙臨界風速角度考慮，將射流風機設置在斷面B處是最佳方案。但是從射流風機的現場安裝施工條件以及以后的檢修維護方面綜合考慮，將射流風機設置在C處是最優方案。

2　結論

借助于SES模擬可以對地鐵典型區間通風系統設計中的多種可選方案進行比選優化，驗證設計者所選定的地鐵典型區間通風系統構成方案及系統運行模式的合理性,完成如土建配合和設備安裝位置優化等地鐵典型區間環控系統的方案設計。達到優化環控系統方案，保證地鐵通風系統的有效運行，進而保障地鐵系統的正常安全運行。

參考文獻：

[1]周國春.世界地鐵之最[J].軌道交通,2009,1: 54-55.

[2]劉英杰.地鐵車站空氣環境模擬分析軟件的研究與開發[J].鐵道工程學報.2008,10(121):70-73.

[3]鄭懿.軌交地下車站雙活塞風井模式速度場特性研究[J].地下工程與隧道.2014,3: 50-53.

[4]徐馳.淺談SES地鐵環境模擬計算軟件的應用[C].2005年全國暖通空調專業委員會空調模擬分析學組學術交流會論文集，2006.GB 50157-2013.地鐵設計規范[S].

根據風機運行模式，分別對列車在上下行區間發生阻塞，車頭區域著火，車尾區域著火三種工況時，區間的溫度和風速進行情況模擬，模擬結果如表2所示。

作者簡介：張本利，鐵道第三勘察設計院集團有限公司，助理工程師