地铁车站地道风系统降温效果的数值分析

韩立辰　冯　炼 袁艳平（西南交通大学机械工程学院　成都　610031）



地铁车站地道风系统降温效果的数值分析

韩立辰冯炼 袁艳平
（西南交通大学机械工程学院成都610031）

【摘要】地铁运营能耗中通风空调系统的能耗占总能耗的30%～40%。地铁车站四周土壤资源丰富，为地道风系统的利用提供了良好的条件。针对这一特点对地铁站台地道风系统建立模型，运用FLUENT模拟夏季典型最热天地道出风温度变化规律、计算分析地道风系统的换热效果和冷却效率。结果表明，经地道处理过后新风温度满足地铁车站通风温度标准，其在地铁车站中的应用具有节能性。

【关键词】地道风；冷却效率；地铁站台节能

0　引言

随着地铁车站的发展，如何降低系统运行所带来的高能耗成为了我国现阶段地铁发展的重中之重。有资料表明[1]，地铁运营能耗中通风空调系统的能耗占总能耗的30%～40%。

地道风降温系统是利用土壤这一天然冷源来冷却空气从而达到降温目的的节能措施。因此，对于地铁车站，分析地道风在车站中的节能效果对车站节能具有重大意义。

1　地道风系统传热模型建立

1.1模型简化

地铁车站土壤-空气计算模型较为复杂，因此在建立模型分析节能性之前必须对模型进行简化。模型简化如下：（1）土壤热惰性大，对于短期研究假定土壤物性参数恒定；（2）Slayer学者发现湿度对于土壤换热效果影响小于0.1%[2]，故本文也忽略湿迁移对土壤换热的影响；（3）空气-地道换热过程主要考虑热传导和对流换热，忽略热辐射的影响。

1.2数学模型描述

为了研究地道风系统在车站中的应用，需对系统进行建模并对地道和四周土壤进行计算单元的离散，离散计算单元绘制如图1所示。

由图1所示，地铁车站中地道传热特点有别于圆管地道传热。地道为矩形管且与土壤的换热非四面传热，因此在xy平面内车站地道系统土壤传热问题无法等效为一维径向传热。

图1　车站地道风计算单元离散图Fig.1 The discrete graph of the station tunnel wind calculation unit

在地道传热计算过程中，当地道长度远大于地道截面尺寸时，土壤沿轴向（图1中Z轴方向）的传热量很小[4]。因此对于车站地道，沿轴向的土壤传热可以忽略，土壤导热为二维导热。

导热计算方程如式（1）所示：

式中：Tx、Ty分别为土壤温度在xy界面上的温度分量；τ为短期工况下地道运营时间。

对于地道内空气，空气导热为三维传热，同时沿管长方向温度变化遵循能量守恒方程，取微元体能量平衡示意图如图2所示。

图2　地道换热计算示意图Fig.2 Typical schematic Heat Transfer

建立地道内空气能量平衡方程式如式（2）～（5）所示：

式中：ρ为空气密度；v为控制体体积；G为空气内质量流量；Q为地道与空气换热量。h为地道壁面换热系数；Tb,z为壁面处温度；Tk,z为空气平均温度；Re为雷诺数；λ为空气导热系数；Di当量直径。

针对上述求解方程，给出控制条件如下：

（1）地道上表面设置绝缘边界；（2）地铁车站埋深远大于15m，土壤初始温度可认为恒定[5]。资料显示[6]：重庆土壤初始计算温度为19℃；（3）土壤前后截面设置绝热边界；（4）模型地道-空气壁面处热流、温度无法预先给出，根据式（6）热流和温度的连续性条件进行耦合计算：

上述方程组和控制条件即为非稳态传热的基础，建立相应方程组后利用控制容积法对控制方程组进行离散。对于地道耦合传热问题的离散计算，采用FLUENT模拟软件进行。

模型物理参数如下：车站地道长度为150m，地道面积为7m2，经计算车站新风量为10000m3/h，气象参数均采用《中国建筑热环境分析专用气象参数集》中数据。车站新风系统一天中工作时间为早上7:00～晚上11:00，运营时长为16小时。

2　模拟计算

在上述模型基础上，以夏季最热天为例，分析重庆地区某车站利用地道降温后的新风出风温度及其节能性。

经过模拟计算，截取地道运行16h后地道出口温度云图如图3所示。

图3　地道出口温度云图Fig.3 The outlet temperature cloud of the tunnel

由图3所示，由于换热特点的影响，地道出口温度并不均匀。由上图数据可知，在靠近换热面处地道出口空气温度约为22℃；但在靠近绝热面处，地道出口温度约为26.5℃；出口平均温度为24.5℃，出口截面各处温度差异较大。

为了分析地道风系统节能效果，记录车站运营时地道内各距离段平均温度的变化情况。计算结果汇总如表1所示。

表1　地道内各距离段平均温度随时间变化表Table 1 Time variation of temperature in the tube

由表1中数据可知，经过150m地道处理后，空气温度有显著下降。

经模拟计算，典型最热天地道出口平均温度一天中最高为28.33℃，而在《地铁设计规范》中规定：地铁车站站厅的设计空气温度应比空调室外计算干球温度低2℃～3℃，站厅比站台低1℃～2℃；重庆夏季空调室外计算温度为35.5℃；由此可见，在典型最热天，地道出风平均温度完全满足车站内空气温度标准，地道降温节能效果明显。

计算管内各距离段平均温度随运营时间的变化规律，整理数据如图4所示。

图4　管内各监测点平均温度随运营时间变化规律图Fig.4 The variation regularity of the average temperature in the tunnel

由图4可以看出，地道风降温效果明显，随着地道距离的增加，地道内温度随入口温度的波动幅度降低。如图中数据显示：入口处运营时长内温度最大值与最小值的差值为6.88℃；90m处这一温差减小为4.87℃；地道出口处此温差仅为3.86℃。

由此可见，地道风不仅能起到降温作用还能减缓新风温度因日波动而带来影响，能更好的为车站提供稳定舒适的新风。

以模拟当天中午12点为例，地道内温度变化趋势整理如图5所示。

图5中可以看出在地道内空气沿着管长方向逐渐降低。地道前30m温降为1.43℃；地道后30m温降为0.71℃，变化幅度改变不明显。因此，在地铁车站中，地道沿管平均温度为线性下降。

图5　管内各监控点平均温度趋势图Fig.5 The average temperature trend chart of the monitoring points in the tunnel

3　冷却效率分析

在评价地道换热效果时，地道冷却效率是重要的指标。为了探讨地铁车站中地道风系统的节能性，也有必要对冷却效率进行分析。

地道冷却效率表达式如式（7）所示[9]：

式中：t1为地道进口温度；t3为地道出口温度；t0为地层土壤初始温度；η为地道冷却效率。

按上式计算管道冷却效率，整理如图6所示。

图6　地道冷却效率随时间波动图Fig.6 The cooling efficiency of the tunnel in different times

由图6可以看出，随着运行时间的增加地道冷却效率逐渐下降。以地道出口为例，当系统运行1h后地道冷却效率为41%；当系统运行16h后地道冷却效率下降为35%。

结合图5、6不难发现，地道入口温度随时间变化巨大，但地道出口处冷却效率却只随运营时间的增加而缓慢下降。为此，分别模拟不同长度地道、不同送风温度下地道冷却效率，整理如图7所示。

由图7所示：入口温度的改变对冷却效率产生的影响很小，几乎可以忽略，但地道长度会对冷却效率产生不可忽略的影响。

图7　不同送风温度下地道冷却效率随管长波动图Fig.7 Fluctuation of cooling efficiency of tunnel under different cooling temperature

4　结论

本文建立了地铁车站地道风换热模型并利用此模型模拟了典型最热天内地道风系统的运行效果，分析了其作为车站新风预冷系统的可行性，并研究了运行时间、地道长度对地道内温度、冷却效率的影响，可得到结论如下：

（1）车站地道风系统具有很好的降温节能作用，经处理后的空气满足车站通风温度要求，具有很好的发展前景。

（2）地道风系统能减缓入口温度随日波动带来的影响。管长越长，地道风出口温度随日波动越稳定，越有利于保持车站内稳定的热环境。

（3）对于地铁车站地道系统，管内温度沿管长方向下降且下降趋势为线性。

（4）地道冷却效率会随着系统运行时间的增加而缓慢减小，随着地道长度增加而增加，但冷却效率并不随送风温度的变化而变化。

参考文献：

[1]朱培根,田义龙,何志康,等.地铁通风空调系统节能分析[J].解放军理工大学学报,2012.

[2] Slayer R O. Plan-t water Relationships[M]. London: Academic Press,1971.

[3]陶文铨.计算传热学（第二版）[M].西安:西安交通大学出版社,2001.

[4]夏春海,周翔,欧阳沁,等.地道通风系统的数值模拟与分析[J].太阳能学报,2006,27(9):923-928.

[5]张锡虎.地道风降温的热工计算[J].建筑技术通讯:暖通空调,1981,(4):5-11.

[6]张华民.重庆市浅层地温能资源量调查评价研究[D].重庆:重庆交通大学,2012.

[7] Goswami D Y, Dhaliwal A S. Heat transfer analysis in environmental control using an underground air tunnel[J]. Journal of Solar Energy Engineering,1985,107:141-145.

[8] Goswami D Y, Ileslamlous S. Performance analysis of a closed-loop climate control system using underground air tunnel[J]. Journal of Solar Energy Engneering, 1990,112:76-81.

[9]牟灵泉.地道风降温计算与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,1982:1-60.

[10]王丹宁.空气经地道降温的动态模拟与分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2002.

[11]朱培根.地下建筑风冷热泵空调系统的仿真与优化研究[D].南京:东南大学,2002.

[12]江晴,李戬洪,梅建滨.温室空气-土壤换热系统的数值模拟[J].太阳能学报,2004,23(2):227-232.

[13]刘凯,王晓亮,何磊,等.地下车站列车停靠方式对站内热环境的影响[J].制冷与空调,2014,(1):22-25.

Numerical Analysis of Cooling Effect of Tunnel Ventilation System in Subway Station

Han Lichen Feng Lian Yuan Yanping
( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

【Abstract】Energy consumption of ventilation and air conditioning system in subway operating energy consumption accounts for 30%～40% of total energy consumption. The soil around the subway station is rich, which provides good conditions for the use of the tunnel air system. This paper establish a model of metro station tunnel air system and use FLUENT simulation analysis underground air temperature of short-term conditions in the most typical summer hot weather, calculation and analysis of tunnel ventilation system of the heat exchange efficiency and cooling efficiency. The results show that the air temperature in the subway station is satisfied with the standard of air temperature, and the energy saving of the subway station is confirmed.

【Keywords】Tunnel ventilation system; Cooling efficiency; Energy-saving in subway

中图分类号TU962

文献标识码A

文章编号：1671-6612（2016）01-001-04

基金项目：建筑环境与能源高效利用四川省青年科技创新研究团队项目（NO：2015TD0015）

通讯作者：冯炼（1964-），女，博士，教授，E-mail：lancyfeng90@163.com

收稿日期：2015-10-10