楊 昭，馬 鋒，賈士紅，余龍清

(1. 天津大學機械工程學院，天津 300072；2. 天津路安電氣化監(jiān)理有限公司，天津 300250)

地鐵環(huán)控系統(tǒng)是地鐵的重要組成部分，擔負著為乘客提供安全舒適的人工環(huán)境、滿足事故通風要求的任務[1-4]．目前，越來越多的地鐵車站使用屏蔽門系統(tǒng)或安全門系統(tǒng)，二者皆有優(yōu)缺點：在空調季節(jié)，屏蔽門系統(tǒng)可有效避免隧道內的熱量進入站臺，大大減少地鐵車站夏季空調能耗，但在非空調季節(jié)，地鐵車站不能有效利用隧道活塞風進行通風，增大了通風能耗；安全門系統(tǒng)能夠有效利用活塞風進行通風，降低非空調季節(jié)通風能耗，但空調季節(jié)活塞風的影響使車站空調能耗增加[5-7]．筆者結合屏蔽門系統(tǒng)和安全門系統(tǒng)的特點，提出一種帶可控風口的新環(huán)控系統(tǒng)．目前，國內外對類似系統(tǒng)的研究報告較少，系統(tǒng)各參數(shù)的確定和優(yōu)化缺乏理論依據(jù)，方案具體節(jié)能效果缺乏量化評價，因此，筆者對該系統(tǒng)進行了深入研究，旨在為地鐵環(huán)控系統(tǒng)的節(jié)能提供理論依據(jù)和指導．

1 新環(huán)控系統(tǒng)運行原理

新環(huán)控系統(tǒng)的基本思想是在系統(tǒng)中安裝可控風口以使其兼具屏蔽門系統(tǒng)和安全門系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢．對可控風口的面積、安裝位置等參數(shù)優(yōu)化分析[8]后，確定新環(huán)控系統(tǒng)方案，如圖1所示．

圖1 新環(huán)控系統(tǒng)示意(局部)Fig.1 Schematic of new environmental control system(part)

通過控制可控風口的開啟與關閉，切換系統(tǒng)的運行模式：空調季節(jié)可控風口關閉，系統(tǒng)按照傳統(tǒng)屏蔽門系統(tǒng)運行，保持了屏蔽門系統(tǒng)空調季節(jié)的節(jié)能優(yōu)勢；非空調季節(jié)可控風口開啟，系統(tǒng)按照安全門系統(tǒng)運行，車站可有效利用隧道活塞風進行通風以降低站臺站廳通風能耗．

以新環(huán)控系統(tǒng)在我國南方某新建地鐵的應用為例，利用計算流體力學軟件 Fluent模擬隧道內活塞風的變化規(guī)律及活塞風對地鐵車站的影響，以進一步分析新環(huán)控系統(tǒng)的舒適性及節(jié)能效果．

2 模型與方法

可控風口關閉時，系統(tǒng)按屏蔽門系統(tǒng)運行，隧道內的活塞風對車站內氣流組織沒有影響，因此主要針對可控風口開啟時的工況進行分析．

模擬過程中忽略風機運行、人員等因素對空氣流動的影響，僅關注由列車運行產生的活塞風及其對地鐵車站的影響．

2.1 物理模型

根據(jù)地鐵車站及隧道實際尺寸建立可控風口開啟時的二維、三維簡化模型，分別如圖2和圖3所示．

由于地鐵列車運行情況復雜，隧道內活塞風大小、方向多變，模擬時分別考慮列車進站過程和出站過程，以車站 B為參考．進站過程指從 t＝0時刻開始列車從車站 A出發(fā)駛向車站 B的過程；出站過程指從t＝0時刻開始列車從車站B出發(fā)駛向車站C的過程．列車加速階段加速度為 0.83,m/s2，最高運行速度22.2,m/s，列車減速階段加速度為-1,m/s2．

圖2 二維模型Fig.2 Two-dimensional models

圖3 三維模型Fig.3 Three-dimensional model

2.2 數(shù)學模型

當空氣流動速度小于 68,m/s時，其密度變化小于 1%，可將地鐵內空氣視為不可壓縮流體[9-10]．考慮地鐵系統(tǒng)內氣體流動狀態(tài)為不可壓縮非穩(wěn)態(tài)湍流，采用湍流運輸模型中的標準 k-ε雙方程模型[10-15]對模型進行非穩(wěn)態(tài)模擬．

質量守恒方程

動量守恒方程

k 方程

ε方程

式中：ui為流體在 i方向上的速度，m/s；xi為坐標在 i方向上的分量，m；t為時間，s；ρ為空氣密度，kg/m3；p為靜壓，Pa；ηt為湍流黏性系數(shù)，Pa·s.

2.3 邊界條件

二維模擬中，隧道斷面、活塞風井出口采用壓力邊界條件；隧道、車站、列車等壁面采用非滑移邊界條件．

三維模擬中，隧道口 1、隧道口 3采用速度邊界條件，風速為二維模擬中模擬出的活塞風速值；隧道口 2、隧道口 4、樓梯口及活塞風井出口采用壓力邊界條件，隧道及車站壁面采用非滑移邊界條件．

3 結果與分析

3.1 隧道內活塞風

根據(jù)計算結果可知列車速度及位置對隧道內活塞風有重要影響．可控風口開啟時，列車進站、出站過程中隧道內活塞風速的變化如圖4所示．

圖4 列車速度及隧道口活塞風速Fig.4 Speed of train and piston wind in tunnels

如圖 4(a)所示，進站過程中，列車經過聯(lián)絡通道前，隧道口1和隧道口3的活塞風速隨列車速度的增加而緩慢增加．列車通過聯(lián)絡通道后，由于列車前方無聯(lián)絡通道的分流作用，隧道口1處的活塞風速突然增大；列車后方，由于負壓作用，空氣從相鄰隧道由聯(lián)絡通道流入，隧道口 3速度逐漸減小最終改變方向．列車開始減速時，隧道口1和隧道口3處的活塞風速開始減小，但活塞風速度減小速率小于列車速度減小速率，當列車停車后，活塞風仍持續(xù)一段時間．

如圖4(b)所示，出站過程中，由于車站B與車站C之間沒有聯(lián)絡通道，隧道口2的活塞風速隨列車速度的增加而增加，列車勻速運行時活塞風速仍緩慢增加．當列車開始減速時，活塞風速開始減小，列車停車后，活塞風仍持續(xù)一段時間．

3.2 站臺速度場

為了滿足站臺內乘客舒適性要求，站臺內瞬時風速不宜超過 5,m/s[16]，由圖 4可知隧道內活塞風速最大值可達12 m/s，因此有必要對可控風口打開時活塞風對站臺內氣流組織的影響進行分析．

新環(huán)控系統(tǒng)可控風口位于站臺層頂部(見圖 1)，活塞風對站臺內氣流組織的影響從上到下逐漸減弱，因此，只需分析最不利時刻即活塞風對站臺內氣流組織影響最大時刻乘客頭部高度平面的氣流組織即可.

圖5為列車進站、出站過程中最不利時刻距離站臺地面1.7,m平面的氣流速度分布．

圖5 站臺速度場分布Fig.5 Velocity field distribution of platform

如圖 5(a)所示，進站過程中，站臺內氣流速度最大值出現(xiàn)在列車進站端端門處，為 4.5,m/s左右，樓梯口處的風速約 2.5,m/s，站臺內大部分區(qū)域風速小于2,m/s，人員活動區(qū)域風速適宜，舒適性較好．

如圖 5(b)所示，出站過程中，站臺內氣流速度最大值出現(xiàn)在列車出站端端門處，約 3,m/s，樓梯口處風速約 2,m/s，站臺內大部分區(qū)域風速小于 1,m/s，人員活動區(qū)域風速適宜，舒適性較好．

列車進站、出站過程中，站臺內速度場滿足乘客舒適性要求，新環(huán)控系統(tǒng)切實可行．

3.3 節(jié)能效果分析

若可控風口開啟，列車進站過程中，車站隧道內正壓使得空氣由隧道進入站臺，站臺內壓力升高，繼而促使空氣從站臺流向臨側隧道和站廳；列車出站過程中，由于車站隧道內負壓使得空氣由站臺流向隧道，站臺內壓力降低，空氣從臨側隧道和站廳流向站臺，同時室外新風進入站廳．在隧道溫度和室外溫度都不高的過渡季節(jié)充分利用活塞風進行通風能顯著降低地鐵車站通風能耗．

站臺站廳 1,d中各時間段的活塞風通風量與該時間段的行車對數(shù)有關，行車對數(shù)越多，活塞風通風量越大．根據(jù)計算，可控風口打開時，1 d中各時間段由活塞風引起的站臺站廳通風量如圖6所示．

圖6 1,d中各時間段站臺站廳活塞風通風量Fig.6 Ventilation of platform and station hall caused by piston wind during one day

圖6 中2條水平直線從上到下分別表示站廳、站臺滿足5次換氣次數(shù)所需通風量．可以看出，在活塞風通風量最少時間段，即5∶00—6∶00和22∶00—23∶00時，站臺站廳活塞風通風量也能滿足 5次換氣所需風量要求．

利用活塞風進行通風，一方面會將溫度較高的隧道空氣帶入站臺站廳，另一方面又將溫度較低的室外空氣引入站臺站廳，因此，需要結合地鐵車站熱負荷及室外氣象條件，合理控制可控風口的開啟與關閉，若利用活塞風進行通風能降低地鐵車站的環(huán)控能耗，則打開可控風口，反之，則關閉可控風口使之發(fā)揮屏蔽門系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢．

使用溫頻法對車站進行能耗分析：采用新環(huán)控系統(tǒng)后，車站 B空調季節(jié)空調能耗 288,938,kW·h，相比于傳統(tǒng)屏蔽門系統(tǒng)可減少了 4.5%；非空調季節(jié)通風能耗 26,386,kW·h，相比于傳統(tǒng)屏蔽門系統(tǒng)可節(jié)省65.3%，全年節(jié)能17.3%，節(jié)能效果明顯．

4 結 論

(1) 所提出的新環(huán)控系統(tǒng)既可保持屏蔽門系統(tǒng)空調季節(jié)的節(jié)能優(yōu)勢，又可在非空調季節(jié)充分利用活塞風進行通風．

(2) 可控風口開啟時，站臺內乘客活動區(qū)域氣流速度小于 5,m/s，滿足乘客舒適性要求，新環(huán)控系統(tǒng)切實可行．

(3) 與傳統(tǒng)屏蔽門系統(tǒng)相比，新環(huán)控系統(tǒng)空調季空調能耗減少 4.5%，非空調季節(jié)通風能耗減少65.3%，全年節(jié)能17.3%，節(jié)能效果顯著．

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