韓立辰　馮　煉 袁艷平（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院　成都　610031）

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地鐵車站地道風(fēng)系統(tǒng)降溫效果的數(shù)值分析

韓立辰馮煉 袁艷平
（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院成都610031）

【摘要】地鐵運(yùn)營能耗中通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗占總能耗的30%～40%。地鐵車站四周土壤資源豐富，為地道風(fēng)系統(tǒng)的利用提供了良好的條件。針對這一特點(diǎn)對地鐵站臺地道風(fēng)系統(tǒng)建立模型，運(yùn)用FLUENT模擬夏季典型最熱天地道出風(fēng)溫度變化規(guī)律、計(jì)算分析地道風(fēng)系統(tǒng)的換熱效果和冷卻效率。結(jié)果表明，經(jīng)地道處理過后新風(fēng)溫度滿足地鐵車站通風(fēng)溫度標(biāo)準(zhǔn)，其在地鐵車站中的應(yīng)用具有節(jié)能性。

【關(guān)鍵詞】地道風(fēng)；冷卻效率；地鐵站臺節(jié)能

0　引言

隨著地鐵車站的發(fā)展，如何降低系統(tǒng)運(yùn)行所帶來的高能耗成為了我國現(xiàn)階段地鐵發(fā)展的重中之重。有資料表明[1]，地鐵運(yùn)營能耗中通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗占總能耗的30%～40%。

地道風(fēng)降溫系統(tǒng)是利用土壤這一天然冷源來冷卻空氣從而達(dá)到降溫目的的節(jié)能措施。因此，對于地鐵車站，分析地道風(fēng)在車站中的節(jié)能效果對車站節(jié)能具有重大意義。

1　地道風(fēng)系統(tǒng)傳熱模型建立

1.1模型簡化

地鐵車站土壤-空氣計(jì)算模型較為復(fù)雜，因此在建立模型分析節(jié)能性之前必須對模型進(jìn)行簡化。模型簡化如下：（1）土壤熱惰性大，對于短期研究假定土壤物性參數(shù)恒定；（2）Slayer學(xué)者發(fā)現(xiàn)濕度對于土壤換熱效果影響小于0.1%[2]，故本文也忽略濕遷移對土壤換熱的影響；（3）空氣-地道換熱過程主要考慮熱傳導(dǎo)和對流換熱，忽略熱輻射的影響。

1.2數(shù)學(xué)模型描述

為了研究地道風(fēng)系統(tǒng)在車站中的應(yīng)用，需對系統(tǒng)進(jìn)行建模并對地道和四周土壤進(jìn)行計(jì)算單元的離散，離散計(jì)算單元繪制如圖1所示。

由圖1所示，地鐵車站中地道傳熱特點(diǎn)有別于圓管地道傳熱。地道為矩形管且與土壤的換熱非四面?zhèn)鳠?，因此在xy平面內(nèi)車站地道系統(tǒng)土壤傳熱問題無法等效為一維徑向傳熱。

圖1　車站地道風(fēng)計(jì)算單元離散圖Fig.1 The discrete graph of the station tunnel wind calculation unit

在地道傳熱計(jì)算過程中，當(dāng)?shù)氐篱L度遠(yuǎn)大于地道截面尺寸時(shí)，土壤沿軸向（圖1中Z軸方向）的傳熱量很小[4]。因此對于車站地道，沿軸向的土壤傳熱可以忽略，土壤導(dǎo)熱為二維導(dǎo)熱。

導(dǎo)熱計(jì)算方程如式（1）所示：

式中：Tx、Ty分別為土壤溫度在xy界面上的溫度分量；τ為短期工況下地道運(yùn)營時(shí)間。

對于地道內(nèi)空氣，空氣導(dǎo)熱為三維傳熱，同時(shí)沿管長方向溫度變化遵循能量守恒方程，取微元體能量平衡示意圖如圖2所示。

圖2　地道換熱計(jì)算示意圖Fig.2 Typical schematic Heat Transfer

建立地道內(nèi)空氣能量平衡方程式如式（2）～（5）所示：

式中：ρ為空氣密度；v為控制體體積；G為空氣內(nèi)質(zhì)量流量；Q為地道與空氣換熱量。h為地道壁面換熱系數(shù)；Tb,z為壁面處溫度；Tk,z為空氣平均溫度；Re為雷諾數(shù)；λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù)；Di當(dāng)量直徑。

針對上述求解方程，給出控制條件如下：

（1）地道上表面設(shè)置絕緣邊界；（2）地鐵車站埋深遠(yuǎn)大于15m，土壤初始溫度可認(rèn)為恒定[5]。資料顯示[6]：重慶土壤初始計(jì)算溫度為19℃；（3）土壤前后截面設(shè)置絕熱邊界；（4）模型地道-空氣壁面處熱流、溫度無法預(yù)先給出，根據(jù)式（6）熱流和溫度的連續(xù)性條件進(jìn)行耦合計(jì)算：

上述方程組和控制條件即為非穩(wěn)態(tài)傳熱的基礎(chǔ)，建立相應(yīng)方程組后利用控制容積法對控制方程組進(jìn)行離散。對于地道耦合傳熱問題的離散計(jì)算，采用FLUENT模擬軟件進(jìn)行。

模型物理參數(shù)如下：車站地道長度為150m，地道面積為7m2，經(jīng)計(jì)算車站新風(fēng)量為10000m3/h，氣象參數(shù)均采用《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象參數(shù)集》中數(shù)據(jù)。車站新風(fēng)系統(tǒng)一天中工作時(shí)間為早上7:00～晚上11:00，運(yùn)營時(shí)長為16小時(shí)。

2　模擬計(jì)算

在上述模型基礎(chǔ)上，以夏季最熱天為例，分析重慶地區(qū)某車站利用地道降溫后的新風(fēng)出風(fēng)溫度及其節(jié)能性。

經(jīng)過模擬計(jì)算，截取地道運(yùn)行16h后地道出口溫度云圖如圖3所示。

圖3　地道出口溫度云圖Fig.3 The outlet temperature cloud of the tunnel

由圖3所示，由于換熱特點(diǎn)的影響，地道出口溫度并不均勻。由上圖數(shù)據(jù)可知，在靠近換熱面處地道出口空氣溫度約為22℃；但在靠近絕熱面處，地道出口溫度約為26.5℃；出口平均溫度為24.5℃，出口截面各處溫度差異較大。

為了分析地道風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能效果，記錄車站運(yùn)營時(shí)地道內(nèi)各距離段平均溫度的變化情況。計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1　地道內(nèi)各距離段平均溫度隨時(shí)間變化表Table 1 Time variation of temperature in the tube

由表1中數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過150m地道處理后，空氣溫度有顯著下降。

經(jīng)模擬計(jì)算，典型最熱天地道出口平均溫度一天中最高為28.33℃，而在《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：地鐵車站站廳的設(shè)計(jì)空氣溫度應(yīng)比空調(diào)室外計(jì)算干球溫度低2℃～3℃，站廳比站臺低1℃～2℃；重慶夏季空調(diào)室外計(jì)算溫度為35.5℃；由此可見，在典型最熱天，地道出風(fēng)平均溫度完全滿足車站內(nèi)空氣溫度標(biāo)準(zhǔn)，地道降溫節(jié)能效果明顯。

計(jì)算管內(nèi)各距離段平均溫度隨運(yùn)營時(shí)間的變化規(guī)律，整理數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4　管內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)平均溫度隨運(yùn)營時(shí)間變化規(guī)律圖Fig.4 The variation regularity of the average temperature in the tunnel

由圖4可以看出，地道風(fēng)降溫效果明顯，隨著地道距離的增加，地道內(nèi)溫度隨入口溫度的波動幅度降低。如圖中數(shù)據(jù)顯示：入口處運(yùn)營時(shí)長內(nèi)溫度最大值與最小值的差值為6.88℃；90m處這一溫差減小為4.87℃；地道出口處此溫差僅為3.86℃。

由此可見，地道風(fēng)不僅能起到降溫作用還能減緩新風(fēng)溫度因日波動而帶來影響，能更好的為車站提供穩(wěn)定舒適的新風(fēng)。

以模擬當(dāng)天中午12點(diǎn)為例，地道內(nèi)溫度變化趨勢整理如圖5所示。

圖5中可以看出在地道內(nèi)空氣沿著管長方向逐漸降低。地道前30m溫降為1.43℃；地道后30m溫降為0.71℃，變化幅度改變不明顯。因此，在地鐵車站中，地道沿管平均溫度為線性下降。

圖5　管內(nèi)各監(jiān)控點(diǎn)平均溫度趨勢圖Fig.5 The average temperature trend chart of the monitoring points in the tunnel

3　冷卻效率分析

在評價(jià)地道換熱效果時(shí)，地道冷卻效率是重要的指標(biāo)。為了探討地鐵車站中地道風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能性，也有必要對冷卻效率進(jìn)行分析。

地道冷卻效率表達(dá)式如式（7）所示[9]：

式中：t1為地道進(jìn)口溫度；t3為地道出口溫度；t0為地層土壤初始溫度；η為地道冷卻效率。

按上式計(jì)算管道冷卻效率，整理如圖6所示。

圖6　地道冷卻效率隨時(shí)間波動圖Fig.6 The cooling efficiency of the tunnel in different times

由圖6可以看出，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加地道冷卻效率逐漸下降。以地道出口為例，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行1h后地道冷卻效率為41%；當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行16h后地道冷卻效率下降為35%。

結(jié)合圖5、6不難發(fā)現(xiàn)，地道入口溫度隨時(shí)間變化巨大，但地道出口處冷卻效率卻只隨運(yùn)營時(shí)間的增加而緩慢下降。為此，分別模擬不同長度地道、不同送風(fēng)溫度下地道冷卻效率，整理如圖7所示。

由圖7所示：入口溫度的改變對冷卻效率產(chǎn)生的影響很小，幾乎可以忽略，但地道長度會對冷卻效率產(chǎn)生不可忽略的影響。

圖7　不同送風(fēng)溫度下地道冷卻效率隨管長波動圖Fig.7 Fluctuation of cooling efficiency of tunnel under different cooling temperature

4　結(jié)論

本文建立了地鐵車站地道風(fēng)換熱模型并利用此模型模擬了典型最熱天內(nèi)地道風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行效果，分析了其作為車站新風(fēng)預(yù)冷系統(tǒng)的可行性，并研究了運(yùn)行時(shí)間、地道長度對地道內(nèi)溫度、冷卻效率的影響，可得到結(jié)論如下：

（1）車站地道風(fēng)系統(tǒng)具有很好的降溫節(jié)能作用，經(jīng)處理后的空氣滿足車站通風(fēng)溫度要求，具有很好的發(fā)展前景。

（2）地道風(fēng)系統(tǒng)能減緩入口溫度隨日波動帶來的影響。管長越長，地道風(fēng)出口溫度隨日波動越穩(wěn)定，越有利于保持車站內(nèi)穩(wěn)定的熱環(huán)境。

（3）對于地鐵車站地道系統(tǒng)，管內(nèi)溫度沿管長方向下降且下降趨勢為線性。

（4）地道冷卻效率會隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加而緩慢減小，隨著地道長度增加而增加，但冷卻效率并不隨送風(fēng)溫度的變化而變化。

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Numerical Analysis of Cooling Effect of Tunnel Ventilation System in Subway Station

Han Lichen Feng Lian Yuan Yanping
( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

【Abstract】Energy consumption of ventilation and air conditioning system in subway operating energy consumption accounts for 30%～40% of total energy consumption. The soil around the subway station is rich, which provides good conditions for the use of the tunnel air system. This paper establish a model of metro station tunnel air system and use FLUENT simulation analysis underground air temperature of short-term conditions in the most typical summer hot weather, calculation and analysis of tunnel ventilation system of the heat exchange efficiency and cooling efficiency. The results show that the air temperature in the subway station is satisfied with the standard of air temperature, and the energy saving of the subway station is confirmed.

【Keywords】Tunnel ventilation system; Cooling efficiency; Energy-saving in subway

中圖分類號TU962

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號：1671-6612（2016）01-001-04

基金項(xiàng)目：建筑環(huán)境與能源高效利用四川省青年科技創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（NO：2015TD0015）

通訊作者：馮煉（1964-），女，博士，教授，E-mail：lancyfeng90@163.com

收稿日期：2015-10-10