地鐵通風系統優化方案研究

張勇 張季 陳華民

摘 要：近年來國內各大城市地鐵建設高速發展，通風系統作為地鐵系統中的重要組成部分，在維持地鐵正常運作和出現險情時應急處理上具有舉足輕重的地位。本文以成都地鐵18號線火車南站—孵化園段的一個通風井為例，借助CFD仿真計算，對風井的設計進行優化調整，以提升地鐵系統的安全性，同時為其他地鐵的通風系統設計提供參考。

關鍵詞：地鐵;通風系統;風井;CFD;優化調整

中圖分類號：U231.5 文獻標識碼：A

0 引言

地鐵隧道通風系統不僅擔負著區間隧道的日常通風和緊急情況下的隧道排煙，還關系著列車運行時設備的正常運轉及特殊情況下隧道內人員及設備的安全。怎樣優化設計地鐵道通風系統，使其不僅在功能上滿足穩定、可靠的要求，又能減少能耗、降低運維成本，這一直是地鐵設計師們比較關心的問題。

1 通風系統概述

地鐵通風系統的功能就是在正常運行期間為地鐵乘客提供舒適的環境，以及在緊急情況下迅速幫助乘客離開危險區域并盡可能減少損失[1]。

通風系統相關結構—通風井車站本身等的布局不當會引發一系列問題。由于通風井結構設計不合理而產生不利的流動條件會導致應急風機的抽氣量不足[2]，嚴重時甚至會引發風機的故障;另一方面，為了使應急風機達到標準的抽氣量，不合理的結構設計變相增加了風機功率需求，這樣一來，風機功率的增加和風機壽命的縮短就增加了地鐵通風系統運維的成本。

因此，需要對通風系統進行空氣動力學優化來增加風機的使用壽命[3]，避免葉片損壞[4]。通常這種優化需要調整空間，但是通過局部的調整取得理想效果。

2 通風方案研究

2.1 研究方法

本文以成都地鐵18號線火車南站—孵化園段的其中一個通風井——火孵風井為例，通過三維數值模擬分析該風井的氣流流動狀況，確定風井內的流場，并優化風井的空氣動力學設計。

2.2 火孵風井實際設計

根據火孵風井的實際空氣動力學布置圖，使用三維軟件建立該風井的三維模型如圖1所示。再根據風機運行計劃設置流動的邊界條件[5]，對火孵風井在成都地鐵18號線的下線，進氣模式進行三維CFD分析，風井內氣體流動的速度場模擬結果如圖2所示。

模擬結果表明，在實際設計中，風機入口處氣流不均勻，存在明顯的流動分離區[6]，不穩定的流場會使風機效率的降低并引起風機本體的振動，進一步導致風機的可靠性降低和壽命縮短，因此對通風系統進行設計優化非常重要。

2.3 火孵風井優化設計

由于空間限制，優化只能在風井布局不變的基礎上增加一些導流元件，從而優化通風系統內的流場，以達到提升系統空氣動力學效率的目的。通過分析風井實際設計的CFD仿真結果，在通風室和風井流場最不均勻的關鍵位置增加導流元件，最終對火孵風井的改進方案如圖3所示（以藍色突出顯示）。

根據優化設計后的火孵風井布置圖建立新的三維模型，再根據風機運行計劃設置流動的邊界條件，對優化設計后的火孵風井在成都地鐵18號線的下線，進氣種模式進行三維CFD分析，風井內氣體流動的速度場模擬結果如圖4所示。

CFD流場模擬結果顯示：改進后的通風井設計改善了風機的入口流動狀況，降低了渦度并減小了作用在風機上的壓力梯度。這些改進不僅可以改善風機的振動和噪音問題，還可以提升通風井整體的效率和可靠性。更重要的是，通過使用CFD模擬分析，可以在不改變空間結構情況下改進和優化通風系統，經濟效益也十分可觀。

2.4 模擬結果對比

原始和調整后的空氣動力學設計的流動條件如圖5、6所示。對比優化前后風井的流場圖，可以看出：此優化設計方案，在無需調整站臺布局的前提下，明顯降低了渦度，改善了風井內流場。更少的渦流產生會減少風機的振動，降低壓降，從而提高風機的可靠性及壽命。此外，由于更低的壓降和更為均勻的流場，風機抽取的空氣體積流量有明顯的增加，通風系統的效率也得到了提升，保證了在緊急情況下每一個通風設備的排風和送風流量，增加了所有乘客的安全性。除此之外，由于整體效率提升，風機的功耗降低[7]，效降低了地鐵系統的運營成本。

3 結論

通過對成都地鐵18號線火車南站—孵化園段的一個通風井（火孵風井）進行三維CFD仿真計算，在空間布局不變的基礎上，以增加導流元件的方式對風井進行空氣動力學優化設計，仿真結果表明，通風系統的優化設計達到了預期的效果：（1）所需的風機功率降低;（2）風機壽命延長;（3）系統安全性提高;（4）運維成本降低。

參考文獻：

[1]黃強.地鐵中間風井隧道通風系統布置優化研究[J].建筑熱能通風空調，2021（4）：81-84+91.

[2]徐斌.杭州地鐵隧道通風兼排煙系統方案研究[D].浙江大學，2020.

[3]張金花，檀姊靜，李亮，等.地鐵通風空調系統設計優化方法研究[J].施工技術，2020（S1）：676-679.

[4]黃莉媛.基于地鐵環境模擬的地鐵通風系統設計[J].建筑熱能通風空調，2020（1）：99-101+71.

[5]曾恒.非典型地鐵車站通風系統設計研究[J].鐵路技術創新，2019（6）：72-79.

[6]余治洲.地鐵隧道火災時通風系統的運作方式[J].科技經濟導刊，2019（14）：87-88.

[7]劉金霞.地鐵通風空調系統設計及節能研究[J].節能，2019（4）：35-36.