中建五局三公司設(shè)計(jì)研究院 李 亮清華大學(xué) 李曉鋒 王春旺 李 嚴(yán)
地鐵列車在區(qū)間隧道內(nèi)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生活塞風(fēng),活塞風(fēng)會(huì)通過屏蔽門及屏蔽門的縫隙流入車站,不僅影響車站站臺(tái)和通道上的乘客舒適性,更會(huì)影響車站的空調(diào)負(fù)荷。隨著地鐵客流量、發(fā)車密度及運(yùn)行年限增加,地鐵隧道內(nèi)溫度逐年升高,實(shí)測(cè)北京地鐵區(qū)間隧道內(nèi)夏季最高溫度己經(jīng)達(dá)到31 ℃[1],而廣州地鐵區(qū)間隧道內(nèi)夏季最高溫度達(dá)35 ℃[2]。屏蔽門滲透風(fēng)帶入車站的熱量是地鐵公共區(qū)空調(diào)負(fù)荷的主要組成部分之一,區(qū)間隧道溫度的升高,必然導(dǎo)致車站負(fù)荷的增加。楊暉分析了流速對(duì)候車乘客舒適性的影響,計(jì)算了活塞風(fēng)所造成的站臺(tái)通風(fēng)量,分析了其對(duì)改善空氣質(zhì)量所起的作用,并提出了未來地鐵站臺(tái)環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮的問題[3];董書蕓對(duì)活塞風(fēng)對(duì)地鐵環(huán)境的影響規(guī)律進(jìn)行了研究分析,并探討了能夠有效利用活塞風(fēng)的帶風(fēng)口屏蔽門系統(tǒng)在北方城市地鐵中的應(yīng)用前景,為地鐵工程設(shè)計(jì)提供了必要的依據(jù)[4];李俊提出采用網(wǎng)絡(luò)法估算屏蔽門漏風(fēng)量,并研究了屏蔽門漏風(fēng)對(duì)站內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的影響,給出了屏蔽門漏風(fēng)所引起的空調(diào)負(fù)荷的計(jì)算公式[5]?,F(xiàn)有研究中缺少通過屏蔽門滲透到車站的空氣中到底有多少進(jìn)入了空調(diào)回風(fēng)而成為車站空調(diào)負(fù)荷的研究。本文以某標(biāo)準(zhǔn)地下2層島式地鐵車站站臺(tái)為研究對(duì)象,根據(jù)站臺(tái)的實(shí)際幾何尺寸建立物理數(shù)學(xué)模型,采用CFD數(shù)值模擬軟件對(duì)屏蔽門滲入風(fēng)進(jìn)入空調(diào)回風(fēng)的風(fēng)量與屏蔽門滲入風(fēng)量的比例進(jìn)行模擬計(jì)算,模擬采用K-ε兩方程模型,應(yīng)用SIMPLE算法求解。
圖1為車站站臺(tái)一半?yún)^(qū)域(另一側(cè)基本相同)的空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)平面示意圖。主要參數(shù)如下:1) 站臺(tái)公共區(qū)尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為114.0 m×10.0 m×4.0 m,站臺(tái)與站廳之間有2個(gè)連接通道,每個(gè)通道口寬3.0 m,長(zhǎng)2.0 m;2) 屏蔽門有18個(gè)滑動(dòng)門,滑動(dòng)門高度為2.2 m,頭尾的2個(gè)門寬度為1.6 m,中間16個(gè)門的寬度為2.0 m;3) 圖中的綠線風(fēng)管為送風(fēng)管,站臺(tái)的總送風(fēng)量為60 000 m3/h,風(fēng)口數(shù)量為42個(gè),單個(gè)風(fēng)口尺寸為0.3 m×0.2 m;4) 圖中的紅線風(fēng)管為回風(fēng)管,站臺(tái)的總回風(fēng)量為54 000 m3/h,風(fēng)口數(shù)量為10個(gè),單個(gè)風(fēng)口尺寸為0.6 m×0.3 m。車站CFD模型如圖2所示。
圖1 站臺(tái)層空調(diào)送回風(fēng)平面圖
圖2 車站CFD模型
實(shí)際站臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運(yùn)行情況較為復(fù)雜,模型作如下簡(jiǎn)化:忽略站臺(tái)內(nèi)結(jié)構(gòu)支柱、樓梯等構(gòu)件對(duì)空氣流動(dòng)的影響。
1) 站臺(tái)與站廳通過2座樓梯連接,連接口定義為壓力邊界;2) 空調(diào)送風(fēng)口和回風(fēng)口均定義為風(fēng)量邊界,風(fēng)量分別取0.4 m3/s和1.5 m3/s;3)隧道通過屏蔽門的滲透風(fēng)定義為風(fēng)量邊界,不同方案的風(fēng)量見表1。
表1 不同方案屏蔽門滲透風(fēng)量 m3/h
為了分析不同屏蔽門滲透風(fēng)量對(duì)車站空調(diào)負(fù)荷的影響,設(shè)置25種工況,見表1。
從車站區(qū)間隧道滲入站臺(tái)的空氣,一部分通過站臺(tái)又進(jìn)入隧道,另一部分進(jìn)入站臺(tái)的空調(diào)回風(fēng),其余進(jìn)入站廳。為了定量分析屏蔽門滲透風(fēng)量中到底有多少進(jìn)入車站空調(diào)回風(fēng)系統(tǒng)而產(chǎn)生車站的空調(diào)負(fù)荷,引入摻混率的概念。
Q=Q1+Q2+Q3
(1)
(2)
(3)
η=ηp+ηh
(4)
式(1)~(4)中Q為從屏蔽門滲入車站的風(fēng)量;Q1為從車站滲入屏蔽門的風(fēng)量;Q2和Q3分別為屏蔽門滲入風(fēng)進(jìn)入站臺(tái)和站廳空調(diào)回風(fēng)的風(fēng)量;ηp、ηh、η分別為站臺(tái)、站廳和整個(gè)車站的摻混率。
屏蔽門滲出風(fēng)量、滲入風(fēng)量與站臺(tái)摻混率的關(guān)系分別見圖3、4。站臺(tái)摻混率模擬結(jié)果如表2所示。分析可得出如下結(jié)果。
1) 站臺(tái)摻混率與屏蔽門滲出風(fēng)量呈線性關(guān)系(見圖3),且風(fēng)量對(duì)摻混率的影響較小。
滲入風(fēng)量為1.0萬、1.5萬和2.0萬m3/h時(shí),
圖3 屏蔽門滲出風(fēng)量與站臺(tái)摻混率的關(guān)系
圖4 屏蔽門滲入風(fēng)量與站臺(tái)摻混率的關(guān)系
表2 站臺(tái)摻混率模擬結(jié)果 %
摻混率隨著滲出風(fēng)量的增大而減小,滲出風(fēng)量每增大0.5萬m3/h,摻混率減小約2.5%;滲入風(fēng)量為2.5萬和3.0萬m3/h時(shí),摻混率隨著滲出風(fēng)量的增大而增大,滲出風(fēng)量每增大0.5萬m3/h,摻混率增大約1.0%。
2) 站臺(tái)摻混率隨著屏蔽門滲入風(fēng)量的增大而減小(見圖4),且風(fēng)量對(duì)摻混率的影響較大。
滲出風(fēng)量為1.0萬、1.5萬、2.0萬、2.5萬和3.0萬m3/h時(shí),隨著滲入風(fēng)量從1.0萬m3/h增大到3.0萬m3/h,摻混率從83%~93%逐漸減小為61%~66%,且減小速度逐漸加快,平均減小約25%。
3) 站臺(tái)平均摻混率約為79%,說明滲入車站的空氣主要進(jìn)入了站臺(tái)的空調(diào)回風(fēng)。
由于屏蔽門滲出風(fēng)量對(duì)摻混率的影響較小,所以可忽略其影響,以滲出風(fēng)量1.5萬m3/h的模擬結(jié)果建立屏蔽門滲入風(fēng)量與站臺(tái)摻混率的數(shù)量關(guān)系,見圖5,可以看到,二者呈二次函數(shù)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R2超過了0.99,相關(guān)性極強(qiáng),站臺(tái)摻混率可直接利用式(5)計(jì)算得到。
ηp=-0.072Q2+0.167Q+0.781
(5)
圖5 屏蔽門滲入風(fēng)量與站臺(tái)摻混率的擬合曲線
1) 站廳摻混率隨著屏蔽門滲出風(fēng)量的增大而減小(見圖6),且風(fēng)量對(duì)摻混率的影響較大。
圖6 屏蔽門滲出風(fēng)量與站廳摻混率的關(guān)系
滲入風(fēng)量為1.0萬、1.5萬和2.0萬m3/h時(shí),站廳摻混率基本都為0;滲入風(fēng)量為2.5萬m3/h和3.0萬m3/h時(shí),滲出風(fēng)量從1.0萬m3/h增大到3.0萬m3/h,摻混率分別從25%和30%逐漸減小為1%和8%。
2)站廳摻混率隨著屏蔽門滲入風(fēng)量的增大而增大(見圖7),且風(fēng)量對(duì)摻混率的影響較大。
圖7 屏蔽門滲入風(fēng)量與站廳摻混率的關(guān)系
滲出風(fēng)量為1.0萬、1.5萬、2.0萬、2.5萬和3.0萬m3/h時(shí),隨著滲入風(fēng)量從1.0萬m3/h增大到3.0萬m3/h,摻混率從0逐漸增大為8%~30%,平均增大約20%。
3)站廳平均摻混率約為6%,說明滲入車站的空氣只有一小部分進(jìn)入了站廳的空調(diào)回風(fēng)。站廳摻混率模擬結(jié)果見表3。
屏蔽門滲入風(fēng)量小于2.0萬m3/h時(shí),站廳摻混率都為0;屏蔽門滲入風(fēng)量為2.5萬m3/h和3.0萬m3/h時(shí),摻混率同時(shí)受到屏蔽門滲入和滲出風(fēng)量的影響,無法建立站廳摻混率與屏蔽門滲入/滲出風(fēng)量的函數(shù)關(guān)系,站廳摻混率可根據(jù)表4采用插值法取值。
表3 站廳摻混率模擬結(jié)果 %
表4 站廳摻混率參考取值表 %
根據(jù)站臺(tái)和站廳摻混率的計(jì)算結(jié)果,得到整個(gè)車站的摻混率,可以看到:整個(gè)車站摻混率在74%~98%之間,平均值約為85%,說明滲入車站的空氣中絕大部分進(jìn)入了空調(diào)回風(fēng),其中分別平均約有79%和6%進(jìn)入了站臺(tái)和站廳的空調(diào)回風(fēng),這部分滲透風(fēng)將會(huì)增加車站的空調(diào)負(fù)荷。
隧道溫度按照規(guī)范中的限值取40 ℃[6],站臺(tái)和站廳溫度分別取28 ℃和29 ℃,計(jì)算可得,屏蔽門滲風(fēng)所增加的站內(nèi)空調(diào)負(fù)荷在37~122 kW之間,平均約為75 kW。整個(gè)車站摻混率統(tǒng)計(jì)如表5所示。
表5 整個(gè)車站摻混率統(tǒng)計(jì) %
1) 站臺(tái)摻混率受屏蔽門滲出風(fēng)量的影響較小,主要是受屏蔽門滲入風(fēng)量的影響,且摻混率隨著滲入風(fēng)量的增大而減小;擬合得到了站臺(tái)摻混率與屏蔽門滲入風(fēng)量的二次函數(shù)關(guān)系式。
2) 站廳摻混率同時(shí)受到屏蔽門滲出風(fēng)量和滲入風(fēng)量的影響,隨著屏蔽門滲出風(fēng)量的增大而減小,隨著屏蔽門滲入風(fēng)量的增大而增大。屏蔽門滲入風(fēng)量小于2.0萬m3/h時(shí),站廳摻混率都為0;屏蔽門滲入風(fēng)量大于2.0萬m3/h時(shí),站廳摻混率可采用插值法并根據(jù)參考取值表取值。
3) 整個(gè)車站摻混率在74%~98%之間,平均值約為85%,說明隧道滲入車站的空氣主要進(jìn)入了空調(diào)回風(fēng),其中平均約有79%進(jìn)入了站臺(tái)空調(diào)回風(fēng),約有6%進(jìn)入了站廳空調(diào)回風(fēng)。這部分滲風(fēng)將會(huì)增加車站的空調(diào)負(fù)荷。隧道溫度按運(yùn)行遠(yuǎn)期取40 ℃,計(jì)算得到滲風(fēng)所增加的站內(nèi)空調(diào)負(fù)荷約為37~122 kW,平均值約為75 kW。
4) 給出屏蔽門不同滲入/滲出風(fēng)量時(shí)站臺(tái)摻混率的計(jì)算公式和站廳摻混率的插值取值表,可用于地鐵車站空調(diào)負(fù)荷計(jì)算時(shí)取值參考,指導(dǎo)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。