地铁新环控系统可行性分析及性能优化

杨 昭，马 锋，贾士红，余龙清

(1. 天津大学机械工程学院，天津 300072；2. 天津路安电气化监理有限公司，天津 300250)

地铁环控系统是地铁的重要组成部分，担负着为乘客提供安全舒适的人工环境、满足事故通风要求的任务[1-4]．目前，越来越多的地铁车站使用屏蔽门系统或安全门系统，二者皆有优缺点：在空调季节，屏蔽门系统可有效避免隧道内的热量进入站台，大大减少地铁车站夏季空调能耗，但在非空调季节，地铁车站不能有效利用隧道活塞风进行通风，增大了通风能耗；安全门系统能够有效利用活塞风进行通风，降低非空调季节通风能耗，但空调季节活塞风的影响使车站空调能耗增加[5-7]．笔者结合屏蔽门系统和安全门系统的特点，提出一种带可控风口的新环控系统．目前，国内外对类似系统的研究报告较少，系统各参数的确定和优化缺乏理论依据，方案具体节能效果缺乏量化评价，因此，笔者对该系统进行了深入研究，旨在为地铁环控系统的节能提供理论依据和指导．

1 新环控系统运行原理

新环控系统的基本思想是在系统中安装可控风口以使其兼具屏蔽门系统和安全门系统的节能优势．对可控风口的面积、安装位置等参数优化分析[8]后，确定新环控系统方案，如图1所示．

图1 新环控系统示意(局部)Fig.1 Schematic of new environmental control system(part)

通过控制可控风口的开启与关闭，切换系统的运行模式：空调季节可控风口关闭，系统按照传统屏蔽门系统运行，保持了屏蔽门系统空调季节的节能优势；非空调季节可控风口开启，系统按照安全门系统运行，车站可有效利用隧道活塞风进行通风以降低站台站厅通风能耗．

以新环控系统在我国南方某新建地铁的应用为例，利用计算流体力学软件 Fluent模拟隧道内活塞风的变化规律及活塞风对地铁车站的影响，以进一步分析新环控系统的舒适性及节能效果．

2 模型与方法

可控风口关闭时，系统按屏蔽门系统运行，隧道内的活塞风对车站内气流组织没有影响，因此主要针对可控风口开启时的工况进行分析．

模拟过程中忽略风机运行、人员等因素对空气流动的影响，仅关注由列车运行产生的活塞风及其对地铁车站的影响．

2.1 物理模型

根据地铁车站及隧道实际尺寸建立可控风口开启时的二维、三维简化模型，分别如图2和图3所示．

由于地铁列车运行情况复杂，隧道内活塞风大小、方向多变，模拟时分别考虑列车进站过程和出站过程，以车站 B为参考．进站过程指从 t＝0时刻开始列车从车站 A出发驶向车站 B的过程；出站过程指从t＝0时刻开始列车从车站B出发驶向车站C的过程．列车加速阶段加速度为 0.83,m/s2，最高运行速度22.2,m/s，列车减速阶段加速度为-1,m/s2．

图2 二维模型Fig.2 Two-dimensional models

图3 三维模型Fig.3 Three-dimensional model

2.2 数学模型

当空气流动速度小于 68,m/s时，其密度变化小于 1%，可将地铁内空气视为不可压缩流体[9-10]．考虑地铁系统内气体流动状态为不可压缩非稳态湍流，采用湍流运输模型中的标准 k-ε双方程模型[10-15]对模型进行非稳态模拟．

质量守恒方程

动量守恒方程

k 方程

ε方程

式中：ui为流体在 i方向上的速度，m/s；xi为坐标在 i方向上的分量，m；t为时间，s；ρ为空气密度，kg/m3；p为静压，Pa；ηt为湍流黏性系数，Pa·s.

2.3 边界条件

二维模拟中，隧道断面、活塞风井出口采用压力边界条件；隧道、车站、列车等壁面采用非滑移边界条件．

三维模拟中，隧道口 1、隧道口 3采用速度边界条件，风速为二维模拟中模拟出的活塞风速值；隧道口 2、隧道口 4、楼梯口及活塞风井出口采用压力边界条件，隧道及车站壁面采用非滑移边界条件．

3 结果与分析

3.1 隧道内活塞风

根据计算结果可知列车速度及位置对隧道内活塞风有重要影响．可控风口开启时，列车进站、出站过程中隧道内活塞风速的变化如图4所示．

图4 列车速度及隧道口活塞风速Fig.4 Speed of train and piston wind in tunnels

如图 4(a)所示，进站过程中，列车经过联络通道前，隧道口1和隧道口3的活塞风速随列车速度的增加而缓慢增加．列车通过联络通道后，由于列车前方无联络通道的分流作用，隧道口1处的活塞风速突然增大；列车后方，由于负压作用，空气从相邻隧道由联络通道流入，隧道口 3速度逐渐减小最终改变方向．列车开始减速时，隧道口1和隧道口3处的活塞风速开始减小，但活塞风速度减小速率小于列车速度减小速率，当列车停车后，活塞风仍持续一段时间．

如图4(b)所示，出站过程中，由于车站B与车站C之间没有联络通道，隧道口2的活塞风速随列车速度的增加而增加，列车匀速运行时活塞风速仍缓慢增加．当列车开始减速时，活塞风速开始减小，列车停车后，活塞风仍持续一段时间．

3.2 站台速度场

为了满足站台内乘客舒适性要求，站台内瞬时风速不宜超过 5,m/s[16]，由图 4可知隧道内活塞风速最大值可达12 m/s，因此有必要对可控风口打开时活塞风对站台内气流组织的影响进行分析．

新环控系统可控风口位于站台层顶部(见图 1)，活塞风对站台内气流组织的影响从上到下逐渐减弱，因此，只需分析最不利时刻即活塞风对站台内气流组织影响最大时刻乘客头部高度平面的气流组织即可.

图5为列车进站、出站过程中最不利时刻距离站台地面1.7,m平面的气流速度分布．

图5 站台速度场分布Fig.5 Velocity field distribution of platform

如图 5(a)所示，进站过程中，站台内气流速度最大值出现在列车进站端端门处，为 4.5,m/s左右，楼梯口处的风速约 2.5,m/s，站台内大部分区域风速小于2,m/s，人员活动区域风速适宜，舒适性较好．

如图 5(b)所示，出站过程中，站台内气流速度最大值出现在列车出站端端门处，约 3,m/s，楼梯口处风速约 2,m/s，站台内大部分区域风速小于 1,m/s，人员活动区域风速适宜，舒适性较好．

列车进站、出站过程中，站台内速度场满足乘客舒适性要求，新环控系统切实可行．

3.3 节能效果分析

若可控风口开启，列车进站过程中，车站隧道内正压使得空气由隧道进入站台，站台内压力升高，继而促使空气从站台流向临侧隧道和站厅；列车出站过程中，由于车站隧道内负压使得空气由站台流向隧道，站台内压力降低，空气从临侧隧道和站厅流向站台，同时室外新风进入站厅．在隧道温度和室外温度都不高的过渡季节充分利用活塞风进行通风能显著降低地铁车站通风能耗．

站台站厅 1,d中各时间段的活塞风通风量与该时间段的行车对数有关，行车对数越多，活塞风通风量越大．根据计算，可控风口打开时，1 d中各时间段由活塞风引起的站台站厅通风量如图6所示．

图6 1,d中各时间段站台站厅活塞风通风量Fig.6 Ventilation of platform and station hall caused by piston wind during one day

图6 中2条水平直线从上到下分别表示站厅、站台满足5次换气次数所需通风量．可以看出，在活塞风通风量最少时间段，即5∶00—6∶00和22∶00—23∶00时，站台站厅活塞风通风量也能满足 5次换气所需风量要求．

利用活塞风进行通风，一方面会将温度较高的隧道空气带入站台站厅，另一方面又将温度较低的室外空气引入站台站厅，因此，需要结合地铁车站热负荷及室外气象条件，合理控制可控风口的开启与关闭，若利用活塞风进行通风能降低地铁车站的环控能耗，则打开可控风口，反之，则关闭可控风口使之发挥屏蔽门系统的节能优势．

使用温频法对车站进行能耗分析：采用新环控系统后，车站 B空调季节空调能耗 288,938,kW·h，相比于传统屏蔽门系统可减少了 4.5%；非空调季节通风能耗 26,386,kW·h，相比于传统屏蔽门系统可节省65.3%，全年节能17.3%，节能效果明显．

4 结 论

(1) 所提出的新环控系统既可保持屏蔽门系统空调季节的节能优势，又可在非空调季节充分利用活塞风进行通风．

(2) 可控风口开启时，站台内乘客活动区域气流速度小于 5,m/s，满足乘客舒适性要求，新环控系统切实可行．

(3) 与传统屏蔽门系统相比，新环控系统空调季空调能耗减少 4.5%，非空调季节通风能耗减少65.3%，全年节能17.3%，节能效果显著．

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