屏蔽门系统地铁隧道空气温度分布特性研究

唐 莎 雷 波



屏蔽门系统地铁隧道空气温度分布特性研究

唐 莎 雷 波

（西南交通大学机械工程学院 成都 610031）

利用SES计算软件分析了屏蔽门系统地铁隧道内的空气温度分布特性，讨论了列车停车位置、加减速率大小、轨道排热系统和列车行车对数对温度分布以及最高温度位置的影响。结果表明：地铁隧道内的空气温度呈现相似的变化规律，左、右线隧道温度分布基本相同；隧道最高温度出现在距出站端0～12m的轨行区，并主要受到列车停车位置和加、减速率的影响；列车行车对数从10对/h增加到30对/h最高温度的平均值增加4.49℃，设置轨道排热系统的情况下隧道最高温度的平均值下降2.83℃。

地铁；屏蔽门系统；隧道温度；分布特性；最高温度

0 引言

作为一种城市轨道交通工具，地铁以其用地省、运能大的特点在缓解城市交通压力方面起到了重要的作用，但是随着地铁的陆续开通和运营，许多城市都出现了地铁运行后期隧道热环境恶化的问题[1,2]。根据地铁设计规范，列车车厢设置空调且车站设置屏蔽门的情况下，夏季隧道最高温度不得高于40℃[3]。为了满足设计规范的要求，地铁环控系统需要对隧道最高温度进行监测和调控。然而，怎样合理地对隧道最高温度进行监测，从而实现有效的通风调节是地铁环控系统面临的问题。针对上述情况，并考虑到我国大部分城市采用的是屏蔽门地铁系统[4]，因此有必要以屏蔽门地铁系统为研究对象，对隧道内的空气温度分布特性进行分析，以此为隧道最高温度的监测和测点的布置提供依据。

目前，国内外学者分别对地铁隧道的温度和监测进行过研究：龚蓂杰[5]建立了风速大于1m/s的情况下，进、出口隧道温度的粗略预测公式；王丽慧、吴喜平等人[6]模拟得到了夏季工况下地铁区间隧道中部的平均温度在全天24小时内的变化规律；Marzouk M等人[7]提出了利用无线传感器和BIM分别实现对地铁环境温度的监测和管理；Park Won-Hee[8]建立了一套可用于实时采集隧道温度、湿度、风速等环境参数的监测系统，并验证了该系统运用于地铁领域的可行性。虽然目前关于地铁隧道温度方面已有大量的参考文献，但以监测和布置测点为目的，对隧道最高温度分布进行的研究却较为缺乏。

本文利用SES计算机程序对屏蔽门系统地铁隧道内的空气温度进行了模拟计算，讨论了列车停车位置、列车加减速率、轨道排热系统和行车对数对隧道温度分布以及最高温度位置的影响，从而为隧道最高温度的监测提出建议。

1 地铁模型与计算参数

在屏蔽门系统中，站台屏蔽门将车站公共区与轨行区分隔，地铁隧道成为相对独立的空间。本文以成都地区的地铁为参考，建立了典型的包含7个车站的屏蔽门系统地铁隧道模型。该地铁隧道线路总长7600m，站台有效长度为120m，且均为地下岛式站台。为了满足通风要求，车站轨行区和区间隧道对应设置有轨道排热（OTE/UPE）系统和活塞/机械通风系统（如图1所示），轨排的排风量为80m3/s，列车出站端设置单活塞风井。以成都最热月晚高峰时段地铁正常运行为模拟工况，本文通过SES模拟软件完成了对地铁隧道温度的数值计算，其中车站轨行区被细化成了20个长度为6m的子段。

图1 屏蔽门地铁隧道通风系统

2 计算结果与分析

2.1 地铁隧道空气温度分布基本特性

整理计算结果，得到屏蔽门地铁系统1#～7#站隧道温度分布曲线，如图2所示。由图2可见，隧道内的空气温度呈现相似的分布规律。以车站轨行区及其相邻区间隧道（例如1#车站轨行区与1#、2#站之间的区间隧道）为分析对象，可将隧道空气温度的分布划分为以下区段：车站进站端至出站端，由于列车进站的制动产热和空调冷凝器散热等，隧道内的空气温度沿行车方向不断升高，并在出站端附近达到最大；出站端至活塞风井，隧道温度出现大幅下降，这主要是因为列车不在该区段停留导致该区段内的产热减少，并且活塞效应带走了部分的热量；活塞风井至区间隧道，温度在活塞效应和土壤的热壑作用下持续降低，但降幅远小于上一区段；之后随着列车在隧道内开始制动，温度再次出现小幅度的上升直至下一个车站。

图2 1#～7#站隧道温度分布曲线

图3 车站轨行区节段划分示意图

由图2可见，车站轨行区附近的温度远高于隧道其他地方的温度。为了进一步确定隧道最高温度的分布位置，模拟计算时将120m的车站轨行区划分为3段，共20个子段，各节段划分见图3。以6#站为例，分析该站轨行区附近隧道内的温度分布。如图4所示，6#站轨行区子段19和子段20的温度相同且均为最高，因此该站附近的最高温度将出现在距出站端0～12m的轨行区。

图4 6#站隧道温度分布曲线

统计1#～7#站温度最高的子段，结果显示：各车站隧道的最高温度并不完全相同，但各车站轨行区温度最高的子段基本为子段19和子段20，即隧道空气温度最大值将出现在各站距出站端0～12m的轨行区。

2.2 不同因素对隧道温度分布的影响

隧道内的空气温度分布受多个因素的综合影响，本文将主要对列车停车位置、列车加减速率、轨道排热和行车对数4个因素进行分析和讨论。

图5 列车停靠站时车头位置示意图

以车站的出站端为参考原点，对列车停靠站时车头距参考原点分别为0m、12m、24m和42m四种工况进行SES计算，其中四种工况下列车的停车位置如图5所示，四种工况下隧道温度分布曲线如图6所示。结果显示，隧道最高温度出现的位置随着列车停车位置的改变而发生平移，但大致都出现在列车停车车头附近；停车位置的改变并不会影响隧道内的散热量，因而隧道内的温度值基本没有变化。对于屏蔽门地铁系统，列车基本固定在站端停车，因此隧道的最高温度将出现在距车站出站端0～12m的轨行区。

图6 不同停车位置下隧道温度分布曲线

改变列车加速和减速速率的大小，对表1所示的三种工况进行模拟，得到加、减速率改变的情况下隧道温度分布曲线，如图7所示。根据图7，列车加速和减速速率分别从0.80m/s2和1.11m/s2增加到0.40m/s2和0.49m/s2时，隧道最高温度分布的范围由距出站端0～12m的轨行区扩大到0～24m，隧道内的平均温度有所上升，但涨幅不大。由此可见，列车加、减速率将影响隧道最高温度出现的范围，但对隧道内的平均温度影响不大。

研究有轨道排热系统和没有轨道排热系统两种通风模式下隧道内的温度分布，结果如图8所示。由图8，设置轨道排热时隧道内的温度明显低于无轨排时隧道内的温度，且两种模式下隧道最高温度的平均值相差2.83℃，但隧道最高温度分布的位置基本没有变化。由此可见，设置轨道排热系统有利于隧道降温，但是有、无轨排并不会影响最高温度的分布位置。

表1 三种工况下列车加、减速率

图7 不同加减速率下隧道温度分布曲线

改变发车密度，在行车对数分别为10对/h、20对/h和30对/h的情况下隧道温度分布如图9所示。发车密度对隧道空气温度的数值影响较大，当发车密度由10对/h，依次增加到20对/h和30对/h时，隧道最高温度的平均值分别增加1.25℃和3.24℃。行车对数为30对/h时，最高温度仍将出现在出站端附近的轨行区，但是当行车对数减小到10对/h时，活塞风井附近的隧道温度达到最高。由于发车密度较小时全线的隧道温度都不高，因此并没有必要对活塞风井处进行最高温度的监测。

图8 有、无轨排下隧道温度分布曲线

图9 不同行车对数下隧道温度分布曲线

3 结论与建议

基于地铁环控系统对隧道最高温度监测的目的，本文对屏蔽门系统地铁隧道内的空气温度分布特性进行了研究，分析确定了地铁隧道最高温度出现的位置，并探讨了不同因素对隧道温度分布及其最高温度位置的影响，得出以下结论：

（1）地铁隧道内的空气温度分布呈现相似的变化规律，全线隧道最高温度将出现在各站距出站端0～12m的轨行区，且各站最高温度并不完全相同。在对隧道最高温度进行监测时，应将测点布置在各站距出站端0～12m的轨行区。

（2）发车密度从10对/h增加到30对/h时，各站最高温度的平均值增加4.49℃；设置轨道排热系统的情况下，各站最高温度的平均值比没有轨排时各站最高温度的平均值降低2.83℃；列车停车位置和加减速率的变化对隧道最高温度的平均值影响不大。

（3）隧道最高温度分布的位置受列车停车位置的影响，将出现在列车停车车头附近；当列车加速和减速速率分别从0.80m/s2和1.11m/s2增加到0.40m/s2和0.49m/s2时，隧道最高温分布的范围由距出站端0～12m的轨行区扩大到0～24m；行车对数和轨道排热系统对隧道最高温度的分布位置基本没有影响。

[1] 高峰,梁波.城市地铁与轻轨工程[M].北京:人民交通出版社,2012:1-9.

[2] 王江.地铁运营评估[M].北京:中国铁道出版社, 2008:1-5.

[3] GB 50157-2013,地铁设计规范[S].北京:中国计划出版社,2013.

[4] 罗燕萍.城市轨道交通工程隧道通风系统研究与优化设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[5] 龚蓂杰.地铁区间隧道温度特性及其对站台环境的影响[D].重庆:重庆大学,2014.

[6] 王丽慧,吴喜平,宋洁,等.地铁区间隧道速度场温度场特性研究[J].制冷学报,2010,31(3):55-62.

[7] Marzouk Mohamed, Abdelaty Ahmed.Monitoring thermal comfort in subways using building information modeling[J]. Energy and Building, 2014,84:252-257.

[8] Park Woo-Hee. Development of Tunnel-Environment Monitoring System and Its Installation Ⅱ-Measurement in GumjungTunnel[J]. Journal of Korea Academia-Industrial Cooperation Society,2016,17:758-765.

[9] 华正博.活塞效应效率对地铁轨道区排热的影响[J].制冷与空调,2014,28(2):183-185.

Study on the Air Temperature Distribution in the Underground Tunnels of theMetro with Platform Screen Doors System

Tang Sha Lei Bo

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

In this paper, the Subway Environment Simulation computer program is used to calculate the air temperature in the underground tunnels of the metro with platform screen doors (PSDs) system, and the influences made by the train’s parking place, acceleration and deceleration, the trackway exhaust system (TES), and the numbers of running trains on the tunnel temperature are discussed. The results reveal that in the left and right metro line tunnels with PSDs system, the air temperature distributes in a similar variation, and the highest temperature appears in the station tunnel which is 0～12 meters away from where the train draw out. Basiclly, the position of the highest temperature is mainly affected by where the train stopped and how fast the train’s speed increased or reduced. Besides, the mean value of the highest temperature will rise 4.49℃ when the numbers of running trains in the tunnel added from 10 to 30, and the value will fall 2.83℃ when there is the trackway exhaust system in the station tunnel.

metro; platform screen doors system; the tunnel air temperature; distribution characteristics; the higest temperature

1671-6612（2018）01-082-04

TU921

A

唐 莎（1991-），女，在读硕士研究生，E-mail：sharon_tangsha@163.com

雷 波（1961-），男，教授，博士生导师，E-mail：lbswjtu@163.com

2017-05-12