劉 冰 李 坤

（1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司 北京 100055；2.中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司 北京 100007）

0 引言

截至2021年底，中國高速鐵路運營總里程已突破3.96 萬公里，世界排名第一[1]。由于地理條件的限制，高速鐵路出現(xiàn)越來越多的地下隧道和地下車站。高鐵地下站通常埋深較深，大部分公共區(qū)位于地下，且通常采用半高安全門，隧道與車站內(nèi)外聯(lián)通。冬夏季站內(nèi)外溫差大，站內(nèi)熱壓作用強，由熱壓引起的氣流流動貫穿整個車站內(nèi)外；同時，列車在隧道中高速越行時，車站內(nèi)還會產(chǎn)生大量的活塞風(fēng)[2]。當(dāng)乘客進(jìn)出站開門時，熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)的作用會影響車站內(nèi)溫度分布，增加空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷。

目前大部分學(xué)者針對列車運行形成的活塞風(fēng)對地鐵車站內(nèi)熱環(huán)境[3,4]、風(fēng)環(huán)境[5-7]和空調(diào)系統(tǒng)[8-10]的影響進(jìn)行了研究。但缺少活塞風(fēng)對高鐵地下車站熱環(huán)境的影響研究，尤其是熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)共同作用對站內(nèi)溫度和空調(diào)系統(tǒng)運行的影響。

本文以京張高鐵八達(dá)嶺長城地下站為例，建立站內(nèi)氣流流動與傳熱的三維CFD 數(shù)值計算模型，以實測溫度和風(fēng)速數(shù)據(jù)作為邊界條件，分別計算熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)對站內(nèi)溫度和空調(diào)系統(tǒng)的影響，為類似高鐵地下站空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計和運行提供技術(shù)參考。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 車站概況

八達(dá)嶺長城站位于京張高鐵八達(dá)嶺隧道內(nèi)，車站總長470m，總寬80m，軌面埋深102m，是目前國內(nèi)埋深最深的高鐵地下站。如圖1所示，車站每側(cè)站臺分別設(shè)2 個進(jìn)站口和2 個出站口通過電梯到達(dá)進(jìn)站通道層和出站通道層，進(jìn)站通道層與地面站房地下一層的候車廳通過電梯相連接，出站通道層與地面站房地面層通過電梯相連接。

圖1 八達(dá)嶺長城地下站示意圖[11]Fig.1 Schematic diagram of Badaling Great Wall underground station

八達(dá)嶺長城站進(jìn)站廳、候車廳及進(jìn)站過廳的平面圖如圖2所示，僅在進(jìn)站廳及候車廳設(shè)有空調(diào)系統(tǒng)，站內(nèi)其他區(qū)域均為自然通風(fēng)。當(dāng)乘客進(jìn)站乘車時，需開啟進(jìn)站廳和候車廳的門，從而在一段時間內(nèi)室外和隧道內(nèi)空氣進(jìn)入進(jìn)站廳和候車廳，影響車站內(nèi)熱環(huán)境和空調(diào)系統(tǒng)運行。本文將重點分析熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)對站內(nèi)空調(diào)區(qū)域的影響。

圖2 進(jìn)站廳、候車廳及進(jìn)站過廳平面圖（單位：mm）Fig.2 Plan of entrance hall,waiting hall and entrance hall(Unit:mm)

1.2 數(shù)值計算模型

對京張高鐵八達(dá)嶺長城站物理模型做如下簡化：

（1）進(jìn)站樓梯和進(jìn)站通道中間位置安裝鏤空吊頂，模型中按凈流通面積相同的均勻斷面進(jìn)行簡化。

（2）忽略行人對車站出入口氣流的影響，以及門突然開啟或關(guān)閉的瞬間對流動的影響。

根據(jù)長城站的設(shè)計方案與實測數(shù)據(jù)建立的三維數(shù)值計算模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值計算模型Fig.3 Numerical calculation model

1.3 邊界條件

采用Fluent 軟件進(jìn)行模擬計算，將模型中進(jìn)站通道左端設(shè)為速度入口邊界，利用冬夏季現(xiàn)場實測的進(jìn)站通道風(fēng)速和溫度作為輸入?yún)?shù)；進(jìn)站廳層左右兩側(cè)的門設(shè)為壓力出口邊界。進(jìn)站廳和候車廳設(shè)置噴口送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，如圖4所示，送風(fēng)口為速度入口邊界，同側(cè)下方的回風(fēng)口為速度出口邊界。不同區(qū)域壁面邊界條件的溫度均采用實測溫度。

圖4 候車廳空調(diào)系統(tǒng)球形噴口及回風(fēng)口Fig.4 Spherical nozzle and return air outlet of air conditioning system in waiting hall

模擬計算中湍流模型選擇具有較好收斂性的Realizablek-ε模型。

2 夏季氣流流動對空調(diào)區(qū)域的影響

2.1 僅熱壓風(fēng)對車站空調(diào)區(qū)域的影響

夏季進(jìn)站廳和候車廳的室內(nèi)負(fù)荷和空調(diào)設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 進(jìn)站廳及候車廳空調(diào)設(shè)計參數(shù)表Table 1 Air conditioning design parameters of arrival hall and waiting hall

通過前期實測[12]發(fā)現(xiàn)，八達(dá)嶺長城站夏季室外空氣溫度31℃、濕度56%，夏季由熱壓風(fēng)引起的進(jìn)站通道平均風(fēng)速為1.0m/s，且一直從室外流入進(jìn)站廳。乘客進(jìn)站時，候車廳與進(jìn)站過廳處開啟5 扇門，空氣凈流通面積共24.3m 。進(jìn)站廳和候車廳初始平均溫度分別為28.1℃和27.0℃，進(jìn)站通道及進(jìn)站過廳平均溫度27.2℃。

采用非穩(wěn)態(tài)的方法模擬開進(jìn)站廳門5 分鐘、關(guān)閉門、再計算10 分鐘站內(nèi)空氣溫度的變化，0～900s內(nèi)進(jìn)站廳及候車廳空氣平均溫度變化如圖5所示。

圖5 進(jìn)站廳及候車廳空氣平均溫度變化Fig.5 Average air temperature change in arrival hall and waiting hall

由圖5可見，0～180s 內(nèi)，由于熱壓風(fēng)作用，室外熱空氣進(jìn)入進(jìn)站廳，空氣平均溫度明顯升高。180s～300s 時，進(jìn)站廳空氣平均溫度呈緩慢增長，最高達(dá)到30.5℃，已接近室外溫度。300s～900s，關(guān)閉進(jìn)站過廳門，熱壓風(fēng)的影響逐漸減弱，空調(diào)作用使進(jìn)站廳溫度迅速降低。

0～900 s 的候車廳空氣平均溫度變化并不大，最高僅升高到27.3℃，熱壓風(fēng)對候車廳的影響有限。主要是由于室外空氣首先進(jìn)入進(jìn)站廳，降溫后再通過樓梯進(jìn)入候車廳區(qū)域。

熱壓風(fēng)的作用將會給車站空調(diào)系統(tǒng)帶來額外的冷負(fù)荷。夏季在門開啟的情況下，引起的空調(diào)負(fù)荷可由式（1）計算。

式中：Q為空調(diào)系統(tǒng)附加冷負(fù)荷，kW；m˙為進(jìn)站通道空氣質(zhì)量流量，kg/s；h1為室內(nèi)空氣焓值，kJ/kg干空氣；h2為室外或進(jìn)站過廳空氣焓值，kJ/kg干空氣。

門開啟次數(shù)與停站列車數(shù)有關(guān)，參考實際運營數(shù)據(jù)，門的開啟次數(shù)約為每小時3 次。僅熱壓風(fēng)作用下，不同區(qū)域每小時空調(diào)系統(tǒng)附加負(fù)荷如表2所示。在熱壓風(fēng)作用下，進(jìn)站廳的空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷變化比候車廳更大，主要是由于室外空氣首先進(jìn)入進(jìn)站廳，降溫后的空氣再流入候車廳。

表2 熱壓風(fēng)對不同區(qū)域空調(diào)負(fù)荷的影響Table 2 Influence of buoyancy-driven wind on air conditioning load in different regions

2.2 熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)共同作用對車站空調(diào)區(qū)域的影響

列車在隧道中越行時，整個過程大約持續(xù)5 分鐘。列車高速越行時，車站內(nèi)會產(chǎn)生活塞風(fēng)，此時若進(jìn)站廳的門開啟，活塞風(fēng)和熱壓風(fēng)將共同作用影響車站內(nèi)熱環(huán)境和空調(diào)系統(tǒng)運行。

通過文獻(xiàn)[12]中的實測壁面溫度和進(jìn)站通道風(fēng)速作為邊界條件，進(jìn)站通道風(fēng)速變化如圖6所示。同樣，采用非穩(wěn)態(tài)的方法模擬開進(jìn)站廳門5 分鐘活塞風(fēng)和熱壓風(fēng)同時作用、關(guān)閉門、再計算10 分鐘站內(nèi)溫度的變化。15 分鐘內(nèi)，進(jìn)站廳及候車廳的空氣平均溫度隨時間變化如圖7所示。

圖6 夏季進(jìn)站通道熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)共同作用下的風(fēng)速變化Fig.6 Variation of wind speed in the entrance channel in summer with the couple effect of buoyancy-driven wind and piston wind

圖7 進(jìn)站廳及候車廳空氣平均溫度變化Fig.7 Average air temperature change in arrival hall and waiting hall

通過對比風(fēng)速與溫度的變化關(guān)系可知，0～100s時，熱壓風(fēng)為主要影響因素，室外空氣從進(jìn)站廳的門進(jìn)入，所以進(jìn)站廳溫度變化明顯，候車廳溫度變化不大。100s～164s 時，列車到達(dá)車站附近，活塞風(fēng)為主要影響因素，氣流變?yōu)檫M(jìn)站廳流向室外，來自隧道的低溫空氣對候車廳及進(jìn)站廳降溫，進(jìn)站廳溫度高其降溫效果更明顯。164s～300s 時，列車離開車站，活塞風(fēng)反向，與熱壓風(fēng)方向一致，在熱壓風(fēng)與活塞風(fēng)共同作用下，進(jìn)站廳和候車廳溫度再次升高。300s 后關(guān)閉進(jìn)站廳門，由空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行降溫，進(jìn)站廳的溫度逐漸下降。300s～900s 時，候車廳溫度緩慢降低。

同樣考慮每小時門開啟3 次，每次5 分鐘，利用式（1）對在活塞風(fēng)和熱壓風(fēng)共同作用下空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷變化進(jìn)行計算，結(jié)果如表3所示。進(jìn)站廳空調(diào)負(fù)荷增量大于候車廳空調(diào)負(fù)荷增量，主要原因是熱壓風(fēng)的持續(xù)存在。在熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)共同作用下，0～100s 和164s～300s，熱壓風(fēng)從室外進(jìn)入進(jìn)站廳，使空調(diào)負(fù)荷增加。100s～164s，活塞風(fēng)引起的冷風(fēng)從進(jìn)站通道進(jìn)入進(jìn)站廳和候車廳，整體平均溫度降低。因此，合理選擇門開啟時間，可改善候車廳和進(jìn)站廳的熱環(huán)境，減少空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷。

表3 活塞風(fēng)和熱壓風(fēng)對不同區(qū)域空調(diào)負(fù)荷的影響Table 3 Influence of piston wind and buoyancy-driven wind on air conditioning load in different regions

3 冬季氣流流動對空調(diào)區(qū)域的影響

3.1 僅熱壓風(fēng)對車站空調(diào)區(qū)域的影響

冬季候車廳和進(jìn)站廳均設(shè)置輻射地板供暖，考慮冬季總熱負(fù)荷的20%為滲透風(fēng)引起的熱損失，墻壁和地面溫度采用實測溫度。熱壓作用引起的進(jìn)站通道平均風(fēng)速為0.8m/s，通道內(nèi)空氣溫度為9.8℃，模擬中假定熱壓風(fēng)保持不變。采用非穩(wěn)態(tài)的方法模擬開候車廳門5 分鐘、關(guān)閉門、再計算10 分鐘站內(nèi)溫度的變化，前5 分鐘內(nèi)進(jìn)站廳和候車廳的空氣平均溫度變化如圖8所示。

圖8 進(jìn)站廳及候車廳空氣平均溫度變化Fig.8 Average air temperature change in arrival hall and waiting hall

冬季熱壓風(fēng)由隧道流向車站，隧道內(nèi)空氣溫度低，低溫空氣首先進(jìn)入候車廳，300s 內(nèi)候車廳溫度持續(xù)降低。進(jìn)站廳溫度受到候車廳初始溫度場的影響，前30s 內(nèi)溫度略微升高；30s～120s，由于熱壓風(fēng)的影響，進(jìn)站廳溫度持續(xù)降低；120s～300s 內(nèi)，進(jìn)站廳空氣平均溫度基本維持在15.7℃。

利用式（1）對熱壓風(fēng)引起的供暖系統(tǒng)負(fù)荷變化進(jìn)行計算，結(jié)果如表4所示。對比進(jìn)站廳和候車廳的溫度和負(fù)荷變化，冬季熱壓風(fēng)對于進(jìn)站廳的影響相對較小，主要是由于冬季熱壓風(fēng)首先進(jìn)入候車廳，加熱后的空氣再流向進(jìn)站廳。

表4 熱壓風(fēng)對不同區(qū)域空調(diào)負(fù)荷的影響Table 4 Influence of buoyancy-driven wind on air conditioning load in different regions

3.2 熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)共同作用對車站空調(diào)區(qū)域的影響

利用文獻(xiàn)[11]中的實測壁面溫度和進(jìn)站通道風(fēng)速作為邊界條件，進(jìn)站通道風(fēng)速變化如圖9所示。

圖9 冬季進(jìn)站通道熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)共同作用下的風(fēng)速變化Fig.9 Variation of wind speed in the entrance channel in winter with the couple effect of buoyancy-driven wind and piston wind

采用非穩(wěn)態(tài)的方法模擬開進(jìn)站廳門5 分鐘活塞風(fēng)和熱壓風(fēng)同時作用、關(guān)閉候車廳門、再計算10 分鐘站內(nèi)溫度的變化。5 分鐘內(nèi)，進(jìn)站廳及候車廳的空氣平均溫度變化如圖10 所示。

圖10 進(jìn)站廳及候車廳空氣平均溫度變化Fig.10 Average air temperature change in arrival hall and waiting hall

由圖9和圖10 可知，0～60s 內(nèi)，進(jìn)站通道內(nèi)熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)疊加后的風(fēng)速相對穩(wěn)定，冷空氣從進(jìn)站通道進(jìn)入候車廳，候車廳平均溫度持續(xù)降低，而進(jìn)站廳溫度由于受到候車廳區(qū)域初始溫度場的影響，前30s 內(nèi)溫度略微升高，之后持續(xù)降低。60～120s 時，列車接近車站，熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)疊加后風(fēng)速導(dǎo)致通道風(fēng)速增大，進(jìn)而影響候車廳和進(jìn)站廳的溫度。120～240s 時，列車離站，站內(nèi)熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)疊加后風(fēng)速較小，對進(jìn)站廳的溫度影響較小。240～300s 時，熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)疊加后風(fēng)速持續(xù)影響，候車廳溫度降低，進(jìn)站廳溫度先降低后升高。

參考實際運營數(shù)據(jù)，按每小時候車廳門開啟3次，每次開啟5 分鐘。利用公式（1）對熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)共同作用引起的供暖系統(tǒng)的負(fù)荷變化進(jìn)行計算，結(jié)果如表5所示。0～210s 和248s～300s，由于冬季熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)方向相同，隧道冷空氣通過進(jìn)站通道流向地面站房，進(jìn)站廳和候車廳的負(fù)荷變化較大。但210～248s 時，由于列車離開車站，活塞風(fēng)與熱壓風(fēng)方向相反，疊加后使車站風(fēng)速變小，進(jìn)站廳和候車廳的供暖系統(tǒng)負(fù)荷變化較低。

表5 活塞風(fēng)和熱壓風(fēng)對不同區(qū)域空調(diào)負(fù)荷的影響Table 5 Influence of piston wind and buoyancy-driven wind on air conditioning load in different regions

4 結(jié)論

本文以京張高鐵八達(dá)嶺長城地下站為對象，研究了熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)對高鐵地下站內(nèi)熱環(huán)境和空調(diào)負(fù)荷的影響，得到以下結(jié)論：

（1）夏季，僅熱壓風(fēng)作用下，室外熱空氣先進(jìn)入進(jìn)站廳，降溫后進(jìn)入候車廳，對候車廳熱環(huán)境和空調(diào)系統(tǒng)影響小，每小時進(jìn)站廳和候車廳空調(diào)負(fù)荷分別增加13.4%和3.7%；熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)共同作用下，每小時進(jìn)站廳和候車廳空調(diào)負(fù)荷分別增加12.0%和3.3%，熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)的共同作用比僅熱壓風(fēng)作用對空調(diào)系統(tǒng)的影響稍小。

（2）冬季，僅熱壓風(fēng)作用下，隧道內(nèi)冷空氣先進(jìn)入候車廳，升溫后進(jìn)入進(jìn)站廳，對候車廳熱環(huán)境和空調(diào)系統(tǒng)影響大，每小時進(jìn)站廳和候車廳的空調(diào)負(fù)荷分別增加4.4%和14.3%；熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)共同作用下，每小時進(jìn)站廳和候車廳空調(diào)負(fù)荷分別增加4.0%和12.8%，熱壓風(fēng)和活塞風(fēng)共同作用與僅熱壓風(fēng)作用對空調(diào)系統(tǒng)的影響稍小。