地铁运营初期关闭OTE/UPE风机运行的可行性探讨

胡浩明,赵　蕾,李德辉,郭永桢,邓保顺

(1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院,西安　710055；

2.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安　710043)



地铁运营初期关闭OTE/UPE风机运行的可行性探讨

胡浩明1,赵蕾1,李德辉2,郭永桢2,邓保顺2

(1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院,西安710055；

2.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安710043)

摘要：对全线采用屏蔽门系统的西安地铁2号线某区间隧道及与之相连的站台隧道温度进行长期监测,并建立其全尺寸CFD动态仿真模型,参考实测值设定隧道壁面温度,对地铁线路运营初期和远期轨顶和轨底(OTE/UPE)排热风机开启及关闭4种工况下列车在其中行驶过程中隧道内的气流温、速度和压力场进行动态模拟。结果分析表明,地铁线路运营初期,即使不开启OTE/UPE风机,在炎热的夏季地铁隧道内也不会出现超温现象；而运营远期,若仍不开启OTE/UPE风机时,则隧道内温度较高；当区间隧道壁温升高到34℃,夏季站台隧道超温现象严重；当区间隧道壁温达到28℃,下游站台隧道有可能超温。运营初期采取不开启OTE/UPE风机的运行模式是可行的。

关键词：地铁隧道；屏蔽门系统； OTE/UPE风机； CFD动态仿真；超温现象

地铁将逐渐成为国内各大城市的主要公共交通工具之一[1]，但是其运营也带来了巨大的能耗问题[2]，其中地铁环控通风空调系统的能耗占整个地铁系统用电量的45%～60%[3]。因此，急需设法降低其运行能耗。

规范规定列车车厢设置空调、车站设置屏蔽门的地铁隧道夏季的最高温度应不得高于40 ℃[4]。因此，为了揭示地铁线路在运营最初一定时期内采用站台隧道关闭连接轨顶/轨底(OTE/UPE)排热风机隧道内是否会出现超温现象，就需要对开启或关闭OTE/UPE风机时列车运行过程中隧道内的气流温、速度和压力场进行研究。但是，大量实测研究受地铁线路安全性和加装传感器费用高昂的制约而难以实施[5-7]，而CFD仿真技术在这一领域相关研究中的应用却越来越广泛[8-10]。因此，基于对地铁线路隧道内温度的实测数据，确定模拟用壁面边界条件，采用CFD软件及其动网格技术开展动态数值仿真研究。通过对模拟结果的对比分析来探讨关闭排热风机实现地铁环控系统节能运行的可行性。

1地铁隧道仿真模型的建立

1.1几何模型和网格划分

以全线采用屏蔽门系统的西安地铁2号线为背景，选取该线路中最长的一段区间隧道和与之相连的2个车站为原型，建立了三维全尺寸仿真几何模型，如图1所示，包括上、下游2个站台隧道及区间隧道3部分。视结构对称、形状规整而分别将2个站台隧道简化为2个178 m×4.8 m×4.9 m的长方体，区间隧道为一个φ5.2 m、长1 433 m的圆柱，行车里程从上游站台隧道端头0点到下游站台隧道的另一端头共长1 789 m；因设有屏蔽门，故忽略站台环境对轨行区的影响；隧道采用远端设置单活塞风井的方案，活塞风井与隧道接口的尺寸为5 m×4 m；整个站台隧道设有24组OTE和UPE风口，站台隧道两端分别设排热风机1台，各分担12组间距0.5 m尺寸为0.8 m×0.4 m的轨顶和轨底排热风口的排热量；视该隧道区段内只有单辆B型列车(尺寸为120 m×2.8 m×3.8 m)行驶。

图1　地铁隧道示意

由于列车运行过程中隧道内的气流运动空间随列车位置的变化而不断变化，列车的车速随时间变化曲线如图2所示。因此，采用非结构化网格对模型计算空间进行划分，生成270万个初始非结构化网格，并依据车速变化采用动网格技术不断进行网格重构。

图2　列车运行速度和运行距离随时间变化曲线

1.2数学模型及模拟工况边界条件设定

为了模拟列车从上游站台加速出站、匀速行驶直至匀减速驶入下游站台的100 s的整个过程中隧道内动态气流温、速度以及压力场的动态变化情况，选用标准κ-ε紊流模型和Novia-Stokes方程，采用有限体积法在所构建的网格体系中对方程进行离散，采用SIMPLE算法进行流场数值求解[11]。方程定解的边界条件和初始条件设定如下。

将列车顶部冷凝器的散热量简化设定为沿列车顶部整个表面的常热流边界条件，热流密度为90 W/m2，而将列车的制动散热量简化为从80 s开始作用在列车下部整个表面上的常热流边界条件，热流密度为135 W/m2。此外，隧道内没有其他热源。

笔者在西安地铁2号线开通运营近2年之后的2013年8月，在该线路某车站站台和区间隧道内布置了多个温度传感器，进行了动态温度监测，所得到的8月份站台隧道和区间隧道内的日平均温度变化曲线如图3所示。可见，8月份的室外气温日平均值为23～32 ℃，整个8月站台隧道内温度处于22.5～23.5 ℃，区间隧道中的温度略低。

图3　2013年8月份隧道内温度逐日变化曲线

西安地铁沿线地层地温测试数据[12]表明测试站附近土壤地中温度在19～20 ℃，隧道内列车运行过程中的散热量通过隧道壁面传递给土壤，并随着列车运营年代的增加而会逐渐上升并达到热平衡。因此，结合本次对隧道内温度的实测值，设定地铁运营初期和远期隧道壁面温度分别为20 ℃和34 ℃，即采用第一类边界条件，对地铁线路运营初期和远期最热月列车行驶过程中隧道内的温湿度状况进行模拟，以判断是否会出现超温现象，未关注隧道壁面与周围土壤间的传热。

对于OTE/UPE风机关闭的情况，设定排热风口与隧道内部不存在压差，设定相对压力为0 Pa；对于OTE/UPE风机开启的情况，依次设置由站台隧道两端至其中部的各12组OTE和12组UPE风口的相对压力分别为-60、-55、-50、-45、-40、-35、-30、-25、-20、-15、-10 Pa和-5 Pa，均为压力入口边界条件。模拟了初期和远期分别关闭、开启OTE/UPE风机4种工况下的气流温、速度和压力场，相应的边界条件设置情况如表1所示。

表1　隧道壁面边界条件及风机运行状态设置情况

将活塞风井口及站台与区间隧道交界面设定为自由出入边界条件，活塞风口外部的气温参照西安8月气温值设为35 ℃。隧道内初压为西安夏季大气压95.92 kPa，初温为288.16 K，初速为0 m/s。

2模拟结果分析

下面，对4种工况的模拟结果分别按列车在隧道中的匀加速、匀速和匀减速行驶的3个阶段的状况加以分析。

2.1列车匀加速出站阶段

列车匀加速启动运行10 s时，列车沿行驶方向处于上游车站100～220 m，图4对比给出了该时刻4种工况下上游车站隧道内各断面内气流最高温度的沿程分布状况。

图4　第10 s时刻上游车站隧道断面最高温度变化曲线

可见，地铁运营初期，若开启OTE/UPE风机，则车站隧道内的气流温度明显比关闭时低。这是因为当风机开启时，车顶冷凝器散发的热量会被轨顶排热风口有效捕集并排至室外，而若不开启排热风机，则散热量会不均匀地分布在隧道内或聚集在排热风口附近。图4显示100～110 m处温度显著升高。这是因为此时列车车尾处于此区域，在该区域内形成气流负压区，使列车顶部冷凝器散发的热量随活塞风向后扩散，在110 m处的轨顶排热风口处聚集，从而使这一断面上温度较隧道其他区域温度显著升高，因地铁运营初期开启和关闭OTE/UPE风机时上游车站隧道断面温度变化趋势相同，故截取其中关闭排热风机工况下车尾后部区域隧道断面气流压力和温度分布图，如图5所示。

图5　第10 s时刻车尾后方气流参数分布

图4表明风机关闭时，地铁线路运营初期隧道内的最高温度值为303.9 K，风机开启时，最高温度值为301 K，即开启OTE/UPE风机则隧道温度将会降低2 ℃左右，但隧道内气流温度均远低于地铁设计规范规定的极限值。而若运营远期仍关闭OTE/UPE风机，则上游车站隧道中的最高温度值将达314.1 K，比运营初期升高10.2 K。表明若地铁运营远期仍不开启排热风机且隧道壁面温度达到34 ℃时，上游车站隧道内就会出现超温现象，而若开启排热风机，则上游隧道内温度可降低至规范的极限值以下。

2.2匀速运行阶段

图6对比给出了4种工况下列车匀速运行阶段第56 s时刻区间隧道内气流最高温度沿车行方向变化曲线。可见，地铁运营初期和远期，开启与关闭OTE/UPE风机状态下，区间隧道温度沿列车运行方向的变化趋势相同。开启排热风机的情况下，区间隧道200～400 m的范围内，各断面的最高温度比关闭风机时有所降低，而且在线路运行初期开启排热风机时温度的降低程度更明显。这是因为在上游车站隧道内，OTE/UPE风机开启时，排热风口可有效捕集和排出列车冷凝器散发的热量而使涌入区间隧道的热量减少的缘故。运营初期，活塞风对隧道内温度的作用距离可达近300 m；但是，在地铁线路运营远期，由于隧道壁面温度已经很高，随活塞风带入隧道的热量对隧道中温度的影响相对变弱，活塞风产生影响的距离有所减小，大约为200 m左右。深入隧道后沿着车行方向，隧道内温度曲线变化平缓，且OTE/UPE风机开启与否的影响很弱。在列车所处的964～1 084 m位置，2种工况下隧道断面最高温度的变化趋势也相同。

图6　第56 s时刻区间隧道各断面最高温度沿程变化曲线

图6表明地铁线路运营初期车行该时刻区间隧道中最高温度出现在入口端，即180 m附近。这是室外高温空气通过活塞风井进入隧道所产生的影响，温度可达305.4 K；而运营远期隧道内最高温度出现在区间隧道内车身上部空间内，这主要由列车车顶冷凝器散热所致，温度可达310.7 K。两者相差5.2 K，但均低于地铁设计规范规定的极限值。

图7表明，列车运行前10 s，区间隧道入口断面温度由于受车顶冷凝器散热的影响，呈升高趋势，随后在列车通过此断面过程中保持稳定，在列车运行20 s后，列车活塞风卷吸室外高温空气涌入隧道内，该断面温度显著升高达到最大值并保持稳定，随着列车逐渐驶离区间隧道入口断面，活塞风效应减弱运行第45 s后，该断面温度呈下降趋势。开启排热风机的情况下，会使上游站台隧道处于负压状态，因而室外空气活塞风效应消失后仍会涌入隧道内，故此时该断面的温度较关闭排热风机的情况下高。

图7　运营初期区间隧道入口端温度动态变化曲线

2.3匀减速进站阶段

图8对比给出了4种工况下列车匀减速运行阶段第92 s时刻下游车站隧道内气流最高温度的沿程变化曲线，此刻车尾已进入下游站台隧道。

图8　第92 s时刻下游车站隧道断面最高温度变化曲线

可见，地铁运营初期和远期，若开启OTE/UPE风机，则下游车站隧道内的气流温度均比关闭时低，且2种风机状态下，下游车站隧道入口端1610～1630 m之间断面最高温度显著升高。这是因为该区段处于没有设置OTE/UPE排热风口的站台隧道端部、列车顶部和制动散热量均不能有效排出，而列车在区间隧道中所散发出的热量又会随活塞风涌入而影响到下游站台这一区段的缘故。因此，排热风机开启与否对该区段站台隧道内的最高温度影响不大。

图8表明未开启OTE/UPE风机的情况下，沿行车方向隧道各断面的最高温度波动较明显，且列车车头前方隧道内的温度有所下降。这是因为若不开启排热风机，则列车所散发的热量随活塞风运动而会聚集在OTE/UPE风口中无法排出。地铁线路运行初期，OTE/UPE风机关闭和开启状态下，下游车站隧道断面最高温度值分别为310.5 K和308.2 K，比列车加速出站时段上游站台隧道内的温度高。这主要是由于列车减速进站过程中制动散热量会释放出来。但均低于地铁设计规范规定的极限值。而地铁运营远期，关闭排热风机的情况下，下游站台隧道断面上最高温度可高达317.7 K，比运营初期不开启排热风机时升高了7.2 K，且高于地铁设计规范规定的极限值。可见，当隧道壁面温度上升至34 ℃时，关闭OTE/UPE风机列车将无法正常运行，必须开启排热风机。

3下游车站活塞风井排热作用分析

由于下游站台隧道中的最高温度明显高于上游站台隧道，因此下游车站的活塞风井在列车进站中的排热作用会比较显著。图9显示出4种工况中下游车站活塞风井底部断面温度最高值随列车运行时间的变化曲线。

图9　下游车站活塞风井底部断面最高温度动态变化曲线

可见，列车运行0～50 s时，列车距离下游车站较远，下游活塞风井断面温度基本稳定，表明该活塞风井尚未发挥排热作用。地铁线路运营初期，在开启OTE/UPE风机的情况下，下游车站在这一时间段处于负压状态，室外高温空气会通过活塞风井流入隧道，故活塞风井底部断面温度高于隧道内部温度；随着列车逐渐驶近，活塞风涌入而使下游站台隧道变为正压状态，隧道内气流将会通过活塞风井排向室外。由于隧道内温度较室外温度低，所以在50～60 s时活塞风井底部断面温度会下降。OTE/UPE风机未开启的情况下，0～50 s活塞风井亦尚未发挥作用，下游车站活塞风井底部断面处于0压状态，其温度为其附近隧道内空气温度，温度较低，而随列车的逐渐驶近，活塞气流携带着热量开始影响下游车站，在50～60 s活塞风井底部断面温度升高，活塞风携带的热能会通过活塞风井向室外排出。2种工况下，风井底部断面最高温度在60～90 s时段内保持稳定，但开启OTE/UPE风机时的温度较未开启时低。90～100 s时间段，列车进入下游车站，受列车制动散热的影响，开启或关闭OTE/UPE风机2种情况下，活塞风井底部断面温度均先升高，直到列车靠站5 s后，活塞风井底部断面温度才有所下降。开启OTE/UPE风机情况下，50～110 s时段活塞风井断面的最高温度明显比OTE/UPE风机关闭时低，也就是说排热风机开启会削弱活塞风井的排热作用。

在地铁线路运营远期，活塞风井底部断面温度明显比运营初期高，且在列车运行过程中温度波动较小。这是因为地铁运营远期，隧道内壁温度较高，与室外温度接近，所以列车运行产生的活塞风通过活塞风井断面时，气流温度较高，且温度变化幅度较运营初期小。在50 s前后的时段内，开启或关闭排热风机时，下游车站隧道活塞风井底部断面温度的变化规律与地铁线路运营初期类似，只是变化幅度很小。

4结论

以西安某地铁车站的隧道温度实测为边界条件设置的依据，应用CFD仿真技术对该地铁隧道进行了动态数值模拟，得到以下结论。

(1)列车匀减速进站过程中下游站台隧道内的最高温度比列车匀加速出站过程中上游站台隧道内的最高温度高。

(2)地铁运营初期OTE/UPE风机无论处于开启还是关闭状态，车站隧道比区间隧道的温度高，但即使室外气温较高，隧道内均不会出现超温现象。因此，地铁运营初期，可关闭OTE/UPE风机进行地铁运营。

(3)开启OTE/UPE风机会削弱下游站台活塞风井的排热作用。

(4)地铁运营远期隧道温度远高于运营初期，若不开启OTE/UPE风机，在当室外气温较高且壁温达到34 ℃时，隧道内将出现严重超温现象。当隧道壁面温度达到28 ℃时[13]，在下游台站隧道内有可能出现超温现象。

(5)地铁隧道内的温度受到其壁面温度高低的影响，十分有必要进一步探索室外高温情况下必须开启OTE/UPE风机的临界壁面温度条件。

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Approach to the Potential of Turn-off of OTE/UPE Fans During Initial Operation Period of Metro LineHU Hao-ming1, ZHAO Lei1, LI De-hui2, GUO Yong-zhen2, DENG Bao-shun2

(1.Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China;

2.China Railway Fist Survey and Design Institute Group Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：After a long-term monitoring of the temperature of the tunnel and connecting platform on No. 2 Xi’an Metro Line to which Platform Screen Door System is applied, a full-scale CFD simulation model is established. The tunnel wall temperature is set with reference to measured values. Four cases representing OTE/UPE fan turn-on and turn-off during initial and long-term operational periods are dynamically simulated to obtain temperature, velocity and pressure of the air flow in the tunnel when a train runs through. Results indicate that overheat never happens in the tunnel in hot summer even if OTE/UPE fans are turned off during the initial operational period. However, after a long-term operation, the temperature in the tunnel will be quite high if OTE/UPE fans are still turned off. Serious overheat occurs in hot summer in the tunnel of metro platform when the tunnel wall temperature reaches 34°C. When the tunnel wall temperature reaches 28°C, the down platform tunnel may suffer overheat. Therefore, turn-off of OTE/UPE fans during initial period is feasible.

Key words：Subway tunnel; Platform Screen door system; OTE/UPE fan; CFD dynamic simulation; Overheat

中图分类号：U231+.5

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.031

文章编号：1004-2954(2015)01-0122-05

作者简介：胡浩明(1987—)，男，硕士研究生，E-mail：657203566@qq.com。

收稿日期：2014-04-22； 修回日期：2014-05-10