姜 波

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地鐵運營初期區(qū)間隧道氣溫變化規(guī)律研究

姜 波

（蘇交科集團股份有限公司，南京 210003）

對蘇州地鐵2號線3個連續(xù)區(qū)間的隧道氣溫進行測試，分析隧道氣溫在夏季最熱月和冬季最冷月的特征及動態(tài)變化規(guī)律。結(jié)果表明夏季隧道氣溫比冬季隧道氣溫高，夏季和冬季隧道氣溫分別在23.5～27.5℃和16.5～20℃之間變化；當室外氣溫達到30℃以上時，隧道風機對隧道氣溫有提升作用，車輛運營和停運時分別可提升約1.5℃和2℃。車輛運行時，冬季和夏季隧道氣溫均以行車間隔為周期呈鋸齒形變化，冬季可能出現(xiàn)倒鋸齒形變化；車輛運行與停運時隧道氣溫比較，夏季車輛運行時高，冬季車輛運行時低；夏季區(qū)間隧道中部氣溫與隧道長度呈正相關關系，冬季時隧道中部氣溫與隧道長度無規(guī)律性關系。

地鐵；區(qū)間隧道；隧道氣溫；測試；變化規(guī)律

近幾年，地鐵在國內(nèi)快速發(fā)展，大幅改善了城市的交通狀況，如何在節(jié)能的前提下為乘客營造舒適的乘車環(huán)境，成為各地鐵運營公司面臨的難題[1-2]。地鐵在運營過程中，車輛長期在地下區(qū)間隧道內(nèi)行進，隧道環(huán)境溫度嚴重影響車廂內(nèi)環(huán)境，如果隧道環(huán)境溫度超過列車空調(diào)使用溫度，將使地鐵車輛空調(diào)制冷減弱或失效，車廂溫度超出乘客舒適范圍，極大影響乘客舒適性，因此有必要對地鐵區(qū)間隧道環(huán)境溫度進行研究。

地鐵區(qū)間隧道環(huán)境溫度受客流量、隧道壁溫、車輛散熱、隧道風機等眾多因素影響[3-6]，且其溫度隨地鐵運營年限變化而變化。為研究區(qū)間隧道受各因素影響及其隨運營年限的變化規(guī)律，有必要按地鐵運營年限分別開展研究，本文首先就站臺門系統(tǒng)在地鐵線路運營初期時的隧道氣溫開展研究。

雖然通過SES、STESS等[7-11]模擬軟件，可以預測地鐵區(qū)間隧道環(huán)境溫度，并能通過模擬分析各因素對區(qū)間隧道環(huán)境溫度的影響，但模擬分析畢竟是建立在理論計算的基礎上，具有較大局限性。目前隧道模擬軟件在預測精度、隧道氣溫的瞬時變化、隧道氣溫各影響因素隨時間變化等方面表現(xiàn)欠佳，而這些又是分析區(qū)間隧道氣溫變化規(guī)律的關鍵，故本文結(jié)合隧道氣溫測試開展隧道氣溫變化規(guī)律的研究。

1 溫度測試

1.1 測試地點選取

選取運營年限不超過5年的蘇州地鐵2號線，對4座緊鄰車站之間的3個區(qū)間進行溫度測試。蘇州地鐵2號線隧道通風為站臺門系統(tǒng)模式，車站與隧道完全分隔，車站端頭分別設置2個活塞風井用于區(qū)間隧道通風，平時由活塞風對隧道進行通風換氣，阻塞或火災工況時利用活塞風道內(nèi)的隧道風機進行通風或排煙。

1.2 測試設備選取

考慮數(shù)據(jù)的連續(xù)性及測試的靈活性，采用具有數(shù)據(jù)記錄功能的溫濕度測試設備，在每個測點設置一臺測試設備，以獲取隧道內(nèi)各測點連續(xù)的溫濕度數(shù)據(jù)。選用儀器參數(shù)見表1。

表1 測試設備參數(shù)

Tab.1 Test equipment parameters

注：記錄采用間隔可自由設定，測試設定10 s間隔。

1.3 測試位置

隧道內(nèi)氣溫為一溫度場，因場溫度較難測試，且判定隧道氣溫是否超標，主要依據(jù)隧道內(nèi)最高氣溫，故在隧道內(nèi)布設溫度測點時，應選擇可測出車站隧道最高氣溫的地方。因隧道中部受室外氣溫影響最小，故縱向方向上測點布置在隧道中部。在隧道截面上，氣溫最高點位于隧道上部，將測點布置在隧道上部。

1.4 測試安排

為便于對比，對區(qū)間在夏季和冬季隧道氣溫進行測試，并選取夏冬兩季中室外氣溫明顯不同的兩天。蘇州地鐵2號線隧道風機平常不開啟，只在阻塞或火災情況下或每月15—18日的23：00—24：00之間連續(xù)4日進行檢查性開啟，每次風機運行約10 min。為驗證隧道風機對區(qū)間隧道氣溫的影響，測試隧道對應隧道風機新增了開啟計劃，見表2和圖1。

表2 測試時間安排

注：測點距軌面高3.5 m。

圖1 設備安裝點

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 夏季溫度變化

2.1.1 特征分析

夏季測試時，依據(jù)中國天氣網(wǎng)，對室外每小時氣溫進行記錄，7月28日和8月5日當天溫度變化范圍分別為30～39℃和27～33℃。整理夏季測試數(shù)據(jù)，繪制成圖2和3，從圖中可看出隧道氣溫有5個主要特征。

圖2 7月28日隧道氣溫變化曲線

1）觀察3個測點2天氣溫變化，發(fā)現(xiàn)隧道氣溫以一天為周期呈周期性變化，5：30—23：00隧道氣溫波動變化，0：00—5：30隧道氣溫逐漸下降，23：00— 24：00隧道氣溫快速下降。隧道氣溫周期性變化與其每天所受影響因素有關，車輛運營時，隧道氣溫主要受車輛散熱、活塞風、隧道壁吸熱、室外空氣等因素影響，而當車輛停運時，其主要受隧道壁散熱影響，列車每天運營時間基本穩(wěn)定，故造成隧道氣溫呈周期性變化。

圖3 8月5日隧道氣溫變化曲線

2）隧道在15：00左右氣溫最高，在5：30左右氣溫最低。隧道氣溫在15：00左右出現(xiàn)最高值主要是因為車輛運營后車輛散熱在隧道內(nèi)不斷積聚，且室外在15：00左右達到最高氣溫，在活塞風作用下，隧道出現(xiàn)氣溫峰值。

3）各測點氣溫雖然時刻變化，但總體大小關系并未隨車輛運行與否及時間變化而變化，呈測點1>測點3>測點2的規(guī)律排序。從各測點所在隧道長度來看，測點1>測點3>測點2，與隧道氣溫排序相同，即長度越長的區(qū)間隧道，其在隧道中間位置的溫度越高。隧道中部氣溫與隧道長度呈正相關關系。出現(xiàn)上述現(xiàn)象是因為隧道越短，其活塞效應越明顯，各種熱量在隧道內(nèi)積聚量就越小，因此隧道氣溫越低。

4）車輛運行時隧道氣溫呈鋸齒形周期變化（見圖4和圖5），由圖可知其變化周期約為7 min，與行車間隔相同（工作日：高峰時段7：45—9：00、17：00—19：00，行車間隔5 min 30 s；其他時段為平峰，行車間隔6 min 45 s），7月28日和8月5日，測點1、測點2、測點3的變化幅度分別為1℃、0.7℃、1.2℃和0.8℃、0.6℃、0.9℃，比較各測點變化幅度，7月28日比8月5日大。

圖4 7月28日13：00—16：00隧道氣溫變化曲線

圖5 8月5日13：00—16：00隧道氣溫變化曲線

5）觀察各測點在車輛停運后的氣溫情況，可知各測點在4：00～5：30時已基本不變化，因隧道氣流基本不流動，可認為此時的隧道壁溫與隧道氣溫相同。對比圖2和圖3中該時間各測點溫度可知，當室外氣溫變化時，測點1和測點3的隧道氣溫基本相同，而測點2有變化，可知短隧道的壁溫受室外氣溫影響更大。

2.1.2 影響因素分析

1）隧道風機影響。車輛運營和停運時，因7月28日隧道風機有開啟計劃，在開啟時刻均出現(xiàn)了溫度突升的現(xiàn)象，而8月5日隧道風機未開啟，整日隧道氣溫未出現(xiàn)溫度突升現(xiàn)象，說明隧道風機在夏季室外氣溫較高時，對隧道氣溫有提升作用，車輛運營和停運時分別可提升約1.5℃和2℃。車輛停運后，隧道風機開啟，測點1、測點2和測點3可達到的最高氣溫分別為26.4℃、25.0℃、25.5℃；車輛運營時，隧道風機開啟，測點1、測點2和測點3可達到的最高氣溫分別為27.6℃、27.0℃、26.1℃。在車輛停運和運營開啟風機時刻，室外平均溫度分別為31℃和39℃，由此可知車輛停運時開啟隧道風機，隧道氣溫更接近室外氣溫，這是因為隧道壁溫度與夜間室外空氣溫度相差較小，并非因隧道氣溫在車輛停運時受室外氣溫影響更大。

另外，對于開啟隧道風機時，各測點溫度變化趨勢并不一樣。開啟隧道風機，測試測點1、測點2、測點3隧道氣溫在車輛停運時分別升高1.8℃、1.4℃、1.4℃，在車輛運營時分別升高0.7℃、1.8℃、0.3℃。測點1、測點2、測點3所在隧道長度分別為706 m、480 m、651 m，可知車輛停運時，隧道風機對長隧道氣溫提升作用大于短隧道；車輛運營時，隧道風機對短隧道氣溫提升作用大于長隧道。

2）室外氣溫影響。將測試時間段內(nèi)室外每小時氣溫與隧道每小時平均氣溫整理成圖，如圖6和圖7所示。

圖6 7月28日隧道及室外氣溫小時平均值

圖7 8月5日隧道及室外氣溫小時平均值

由圖6和圖7可知，對于不同的測試日期，隧道氣溫變化趨勢基本與室外氣溫變化趨勢相同，說明室外氣溫對隧道氣溫有影響。比較隧道與室外氣溫變化幅度，隧道氣溫變化幅度較小，對室外氣溫影響有一定的阻尼作用，即室外氣溫大幅提升時，隧道氣溫僅小幅提高，并不會因室外氣溫的快速提升而快速升高。

比較圖6和圖7可知，當隧道與室外氣溫相差6℃時，隧道氣溫并未有明顯區(qū)別，說明隧道氣溫受室外氣溫影響有限。

另對比圖2和圖3可知，當室外氣溫較高時，3個測點溫度差別大，即各測點溫度差別與室外氣溫呈正相關關系。

2.2 冬季溫度變化

2.2.1 特征分析

冬季測試時，依據(jù)中國天氣網(wǎng)，對室外每小時氣溫進行記錄，1月1日和1月21日當天溫度變化范圍分別為6～16℃和–2～6℃。整理冬季測試數(shù)據(jù)，繪制成圖，如圖8和圖9所示。

圖8 1月1日隧道氣溫變化曲線

圖9 1月21日隧道氣溫變化曲線

從圖8和圖9可知，隧道氣溫有5個主要特征：

1）冬季，隧道氣溫仍以一天為周期呈周期性變化，5：30—23：00隧道氣溫波動變化，0：00—5：30隧道氣溫逐漸上升，23：00—24：00隧道氣溫快速上升。隧道氣溫周期性變化與夏季原因相同，呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，主要是影響隧道氣溫的室外空氣溫度不同，由夏季的比隧道氣溫高變?yōu)楸人淼罋鉁氐汀?/p>

2）室外氣溫不同時，隧道各測點氣溫變化趨勢有區(qū)別。當車輛停運時，1月1日室外氣溫較高，3個測點在3：00之前的溫度排序為測點3>測點2>測點1，3：00～5：30，測點1溫度變?yōu)楸葴y點2高，這可能與測點1所在隧道較長、受室外氣溫影響較小有關。1月21日測點1和測點3也出現(xiàn)了類似情況，其原因與1月1日相同。當車輛運行時，1月1日測點2和測點3同樣存在溫度高低互換的情況，其與測點2所在隧道較短且室外氣溫較低有關。1月21日測點2和測點3未發(fā)生溫度高低互換的情況，主要是因為該日室外氣溫較低。

3）車輛運行時隧道氣溫呈鋸齒形周期變化（見圖10和圖11），其變化周期與夏季類似，與行車間隔相同；與夏季不同的是，測點1和測點3會因室外氣溫不同呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，室外氣溫高時呈鋸齒形變化，室外氣溫低時呈倒鋸齒形變化（溫度先降低后升高），這是因為室外氣溫較低時，其對隧道氣溫降溫作用已大于車輛等的散熱作用。

圖10 1月1日13：00～16：00隧道氣溫變化曲線

圖11 1月21日13：00～16：00隧道氣溫變化曲線

4）當室外氣溫較高時，隧道最高氣溫出現(xiàn)在車輛運行時，當室外氣溫較低時，隧道最高氣溫出現(xiàn)在車輛停運時，同樣是因為隨室外氣溫降低，室外氣溫對隧道氣溫降溫作用逐漸大于車輛等散熱作用導致的。

5）當車輛運行時，3個測點相比，測點2每周期溫度變化幅度大于測點1和測點3，與測點2所在隧道較短有直接關系，隧道短，活塞效應強，車輛散熱在活塞風作用下波動大，故溫度變化幅度大。

2.2.2 影響因素分析

因在冬季測試時間段內(nèi)，無隧道風機開啟計劃，故未測試到隧道風機影響下的隧道氣溫，其對隧道氣溫的影響主要跟室外氣溫有關。當室外氣溫較低時（比隧道氣溫低10℃以上），隧道風機可將室外冷的空氣送入隧道，大幅降低隧道氣溫。當室外氣溫較高時（比隧道氣溫高），隧道風機對隧道空氣可能有加熱作用。

為探尋室外氣溫對隧道氣溫的影響，將冬季測試時的室外氣溫與隧道小時均值制作成圖，如圖12和圖13所示。

圖12 1月1日隧道及室外氣溫小時平均值

圖13 1月21日隧道及室外氣溫小時平均值

由圖12和圖13可知，在室外溫度劇烈變化時，隧道氣溫只有較小變化，但總的變化趨勢基本類似，室外氣溫升高或降低時，隧道氣溫在一定時間后也會跟著升高或降低。由此可知，室外氣溫對隧道氣溫有影響，但影響較小。

2.3 夏冬季對比

對比夏冬季隧道氣溫變化，可發(fā)現(xiàn)如下異同點：

1）隧道氣溫在夏季和冬季均以一天為周期變化，但夏季較冬季更為規(guī)律，夏季室外氣溫不同時，隧道氣溫變化趨勢更相似。

2）在車輛運行時隧道氣溫均呈鋸齒形周期變化，變化周期均與行車間隔相同，但當室外氣溫低于6℃、隧道長度大約651 m時，隧道氣溫將呈倒鋸齒形變化，夏季隧道氣溫則不會出現(xiàn)倒鋸齒形變化。

3）隨季節(jié)不同，各隧道中間部位溫度排序不同。夏季時，隧道中部氣溫與隧道長度呈正相關關系；冬季時隧道中部氣溫與隧道長度無規(guī)律性關系。

4）隧道氣溫隨車輛運行與否而不同。夏季，車輛運行時隧道氣溫基本高于車輛停運時；冬季，車輛運行時隧道氣溫基本低于車輛停運時。

3 結(jié)語

1）隧道氣溫在夏季和冬季均以一天為周期變化，一般15：00時出現(xiàn)溫度峰值，5：30時出現(xiàn)溫度谷值。

2）車輛運行時，冬季和夏季隧道氣溫均以行車間隔為周期呈鋸齒形變化，冬季可能出現(xiàn)倒鋸齒形變化。

3）夏季時，隧道中部氣溫與隧道長度呈正相關關系；冬季時隧道中部氣溫與隧道長度無規(guī)律性關系。

4）區(qū)間隧道氣溫隨車輛運行與否而不同。夏季，車輛運行時隧道氣溫基本高于車輛停運時；冬季，車輛運行時隧道氣溫基本低于車輛停運時。

5）夏季隧道氣溫比冬季隧道氣溫高，夏季和冬季隧道氣溫分別在23.5～27.5℃和16.5～20℃之間變化。

6）在夏季室外氣溫較高時，隧道風機對隧道氣溫有提升作用，車輛運營和停運時分別可提升約1.5℃和2℃。

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（編輯：王艷菊）

Research on Air Temperature of Metro Tunnel during the Initial Stage

JIANG Bo

(JSTI Group, Nanjing 210003)

This paper aims to explore the air temperature characteristics and the change rules of several tunnels for the hottest month of summer and the coldest month of winter. The air temperature of three tunnels of the Suzhou Metro Line 2 was tested. The results show that the air temperature of the tunnel was higher in summer than it was in winter. The summer and winter air temperatures ranged from 23.5℃ to 27.5℃, and 16.5℃ to 20℃, respectively. When the outdoor temperature was above 30℃, the tunnel fan was able to improve the air temperature of the tunnel by 1.5℃ and 2℃ during, respectively, vehicle operation and vehicle outage. In both winter and summer, when the vehicle was running, the tunnel air temperature changed periodically, and the change period was the same as the departure interval. When the vehicle was running, the temperature was higher in summer and lower in winter, relative to the temperatures attained during vehicle outage. In summer, the air temperature at the middle interval of the tunnel was positively related to the length of the tunnel. In winter, the temperature at the interval showed no clear relationship with the length of the tunnel.

metro; metro tunnel; air temperature of tunnel; test; variation rule

U231

A

1672-6073(2018)02-0113-06

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.02.019

2017-06-22

2017-10-24

姜波，男，碩士，高級工程師，從事軌道交通通風系統(tǒng)節(jié)能研究，28372211@qq.com

蘇州市軌道交通集團有限公司科研項目（SZZG06Y J1030014）