地铁运营初期车站隧道气温变化规律研究

2018-06-19胡海明徐清荣姜波李娟房烁

建筑热能通风空调 2018年12期

胡海明徐清荣姜波李娟房烁

1苏交科集团股份有限公司

2苏州市轨道交通集团有限公司

近年来，随着国内地铁的大力建设，我国开通地铁的城市数量不断增加。限于地铁在我国起步晚，我国在地铁运营阶段的相关研究尚不完善，尤其在运营阶段隧道温度方面的研究[1-3]。国内外关于隧道温度方面的研究，主要采用现场实测[4-7]，模型试验[8]及数值模拟[9-11]等方法。

目前，国内期刊文献有关地铁隧道内温度实测研究成果极少[4]，但温度实测数据又是地铁隧道风机、排热风机等控制的关键数据，同时也是影响车厢空气质量的关键因素，因此，有必要对地铁隧道温度开展相关研究。在地铁隧道中，按照惯例可将地铁隧道分为区间隧道和车站隧道，它们分别指车站端头之间的隧道与车站范围的隧道。本文就单个车站隧道温度变化展开了探讨，采用温度的实测法获取相关数据以开展研究。

1 现场温度实测

1.1 测试地点选取

选取运营时间不超3年的苏州地铁2号线作为测试线路，测试其中一个地下车站范围内隧道气温。

1.2 测试设备选取

综合考虑测试精度，数据连续性及设备布置方便性，选用单台设备测试一个测点的方法，选取具有数据记录功能的温湿度测试设备，分别安装至测试点，通过后期数据读取获得所有测点温湿度数据。

温湿度测试，选用仪器参数如表1：

表1 测试设备参数表

1.3 测试位置

隧道气温为温度场，因其较难测试，且隧道内较高气温的应用价值更高，因此设置温度测点时，主要测试车站隧道的最高温度值，根据相关研究及工程经验，车站隧道气温最高点出现在车站端头和车站隧道中间等位置，因此在上述位置进行选点，如图1。

图1 测点布置简图

考虑运营安全、便于安装、测点数据适用性等多种因素，将测试设备捆扎在下行线隧道右侧侧壁上方，安装高度约为3.5 m。

1.4 测试安排

为验证各因素对隧道气温的影响，测试中加入隧道风机和排热风机两部分因素。

具体测试安排为：测试日期2016年7月24日～2016年7月30日，隧道风机，7月26日00:52:00～0:54:00开启，沿车行方向上行端送风，下行端排风，其他时段不开启，排热风机，13:00-15:00，频率50Hz开启，全线开启，15:00-16:00，频率30Hz开启，全线开启，其他时段不开启。

2 数据分析

2.1 总体分析

经过前后10多天的测试工作，获取了测点1、测点2、测点3在2016年7月24日～7月30日之间的温度数据，具体见图2：

图2 各测点7月24日～7月30日温度曲线

根据图2，总体看，各个测点温度数据有5个主要特点：

1）测点1、测点2、测点3温度数据变化趋势基本相同，均以24h为一个周期呈锯齿形变化，白天出现温度高峰，晚上出现温度低谷，每天22:00点以后隧道内温度呈明显下降趋势，在第二天早上6:00点左右达到温度最低点，而后随着地铁运营，隧道内温度逐渐升高，至15:00点左右达到温度最高点，而后缓慢下降，至22:00点明显下降。

2）温度峰值每天均不同，且有一定的趋势，从7月24日-7月30日的温度数据可知，峰值温度从7月24日开始逐渐升高，至7月27日、7月28日达到最大值，而后逐渐降低。

3）从5:30至22:50，隧道内温度呈锯齿形变化（如测点1在7月27日温度变化，见图3），温度变化幅度介于1～2℃之间，其变化与地铁列车运行对应，列车经过测点时温度升高，经过后温度降低，且隧道温度在白天的最低温度和平均温度分别基本稳定在25.5℃、26℃左右。

图3 测点1于7月27日温度变化图

4）每次车辆经过测点，其引起的温度变化不同，但每次温度变化差值在2℃之内，其与每次车辆经过测点时对测点周围空气扰动及车辆散热不同有关。

图4 测点1在7月25日5∶40～6∶40的温湿度变化趋势图

5）各测点每天5:50分左右会出现一天的最低温度点，三个测点中测点1温度低点最明显，测点3最不明显，初步分析主要有两个因素。一个是运营初期车辆运动加速了隧道空气与隧道壁的热量交换，且运营初期车辆散热小于隧道空气散至隧道壁及室外的热量，出现短暂的温度低值点，随客流增加及车辆散热在隧道内集聚，隧道气温逐渐升高。另一个是车辆的运行加速了隧道内水分蒸发，可能起降温作用，从测点1在7月25日5:40～6:40的温湿度变化图（图4）可知（图4中温度值加了68℃），出现温度峰值时就会出现湿度谷值，温度谷值又与湿度峰值对应。从温湿度峰谷值点的相关空气参数可知，温度的变化未引起湿度的大幅度变化，考虑设备精度问题，其湿度可基本认为不变。由此可知，水分蒸发对隧道空气温度基本无影响。故，隧道气温的主要受隧道空气与隧道壁的热量交换及车辆散热影响，基本不受隧道内水分蒸发影响。

2.2 不同位置测点温度比较

比较测点1、测点2、测点3温度数据，可以发现，虽然各点温度变化趋势类似，但仍有诸多不同之处。

1）在多日温度变化幅度方面，测点1温度在24℃～27℃之间变化，白天（5:30至22:50）温度基本在25℃以上，晚上温度基本稳定在24℃以上。测点2温度在25～29℃之间变化，白天基本在25.5℃以上，晚上基本稳定在25℃以上。测点3温度在24.8～27.5℃之间变化，白天基本在25℃以上，晚上温度基本稳定在24.8℃以上。对比可知，测点2温度变化幅度最大，为4℃。测点1次之，为3℃，测点3为2.7℃。上述情况可理解为各测试点受车辆散热、室外等外部因素影响不同，其中测点2受外部因素影响最大，测点1次之，测点3最小。出现上述情况，主要是因各测点相对外部因素位置不同，测点1位于车行方向上方，受室外气流影响在三测点中最大、车辆散热影响最小。测点2位于车站隧道中部，受室外气流影响居中，受车辆影响最大。测点3位于车行方向上方，受室外气流影响最小，受车辆影响居中，又因车辆散热是隧道气温的主要影响因素，故出现上述情况。

2）在一日温度变化幅度方面，测点1、测点2、测点3在白天的变化幅度分别为1.9℃、2.5℃、1.5℃。出现上述情况与也是因各测点受外部因素影响不同。

3）在每天最高、最低温度方面，三个测点为测点2＞测点3＞测点1。上述情况，主要因测点布置位置不同及室外气温影响。测点1和测点3处隧道空气与室外空气有交换，而测点2处车站中部，加之车辆在车站短暂停靠，导致测点2处车辆散热集聚，故出现测点1、测点3的最低温度低于测点2的现象。对于测点1和测点3，因测点1位于车行方向的后侧，测点3位于车行方向的前方，测点1受室外新风影响大于测点3。加之出现最低温度时刻一般为5:50，该时刻，室外气温基本处于28℃～31℃之间（见图5），室外气流经过约50 m的通风道到达测点时，其温度已经降至约25℃左右，对测点的升温作用已很小。故此时车辆散热基本成为影响各测点气流温度的唯一主要因素，所以三测点最高、最低温度测点2＞测点3＞测点1。

图5 测试时期当地室外气温

各测点温度曲线沿温度轴由高至低，基本呈测点2、测点3、测点1顺序分布，可用图6简述三个测点温度、位置关系。

由图6可知，车站隧道空气温度呈中间高两端低分布，其中车站起点（车辆入站点）温度低于终点温度（车辆出站端）。限于测点较少，难以准确获得车站隧道空气具体温度分布，根据测点所在位置，隧道气流流动状况及车辆散热情况，可能主要有四种情况，如图中A、B、C、D四条曲线，对应关系为：A—线性曲线，B—多项式曲线，C—无规律曲线，D—幂指曲线。因车站端头气流充分混合，车辆经过及离开时能较大改变隧道空气温度，气温相对较低。根据三测点温度变化幅度测点2＞测点1＞测点3，可知在相同时间内三个测点温度变化速率为2＞测点1＞测点3。故车站隧道沿车行方向气温分布曲线最可能为曲线B和C，又因为车站隧道气温影响因素沿车行方向无突然、多变因素，故车站隧道气温分别应呈多项式曲线形式，是否为该形式可在后期测试研究中进行验证。

3 影响因素分析

3.1 隧道风机的影响

为判断隧道风机对隧道内空气温度的影响，设计测试方案时加入了隧道风机开启项目。具体开启方案见“1.4节”，测试结果显示各测点在2016年7月26日00:53左右均出现一个温度峰值，1:10左右隧道气温恢复正常，具体数据见图7。

图7 各测点7月26日00∶00∶00～2∶00∶00温度曲线

从图7可知，各测点出现温度峰值时刻先后顺序为测点1＞测点2＞测点3，其与测点相对气流的位置有关，隧道风机送入隧道的室外新风，先后经过测点1、测点2与测点3，因此出现上述情况。另外，各测点温度峰值分别为29.4℃、28.8℃、26.6℃，测点2＞测点1＞测点3，该日最高最低室外温度分别为38℃、29℃。三测点最高峰值温度与一天中最低温度接近，而隧道风机开启时刻也基本为一天气温最低时刻，印证了隧道风机开启后能较大改变隧道内气体温度，使其温度接近室外气温。

图8 各测点气流流动示意图

从各测点温度变化来看，隧道风机送风气流在通过三个测点时，应该是一个气温逐渐下降过程，测点1的峰值温度应该最高，但现实是测点2峰值最大。此时各测点不受车辆散热影响，三测点隧道内气流速度因隧道截面相同而基本相同，各测点受隧道内水分蒸发也应基本相同。排除车辆散热与水分散热影响后，还剩气流扰动影响。因为三个测点距离活塞风孔位置不同，气流在各测点流动也不同，测点1和测点3由于处于风口位置，存在气流混合与扰动，测点2气流相对平稳，类似活塞一样利用室外空气将隧道空气挤出室外（图8）。从气流组织看，测点1、测点3处为紊流非等温射流，测点2处为等温层流射流。测点1处室外空气与隧道空气激烈混合，测点3处降温后的室外空气与隧道空气激烈混合，测点2处经过初步降温的室外空气，故测点2温度更接近室外空气温度，三个测点温度峰值出现测点2＞测点1＞测点3的状况。

3.2 排热风机到影响

近年，随着国内开通地铁城市的增多，对应排热风机效果的质疑也在不断增加。排热风机对车站隧道降温效果如何，成为业内讨论的热点，对此在进行隧道空气温度测试时考虑了排热风机影响，在测试周期内对排热风机进行控制，图9列出三个测点在7月28日、7月29日的温度数据。

图9 各测点7月28日、7月29日温度曲线

从图9可知，7月29日温度曲线与7月28日明显不同。7月28日温度曲线为典型曲线（见图1），7月29日不同温度曲线的出现，是因为排热风机在13:00～17:00开启造成的。7月28日各测点温度曲线有三个显著特点：一是，温度曲线呈阶段性变化，在排热风机开启的第一小时，即13:00～14:00温度曲线快速下降，而后上升，至17:00基本恢复正常情况。在13:00～14:00、14:00～15:00、15:00～17:00三个时段，三个测点温度峰值相对正常情况均分别平均降低0.5℃、1.75℃、1℃，温度谷值分别降低0.15℃、0.4℃、0.25℃。二是，三个测点温度曲线呈层次分布，从上至下依次为测点2、测点3、测点1，各测点温度变化趋势基本一致。三是，开启排热风机，对车站隧道气温谷值的影响小于峰值。出现上述三个特点，可从排热风机开闭及测点所处位置来分析。

出现第一种特征，显然是受排热风机开启影响。排热风机在13:00～15:00以工况状态运行，车站两端两个排热风机均以50 m3/s向外排风。在15:00～17:00排热风机以小风量运行，在忽略变频衰减时，以30 m3/s向外排风。在风机初始排风时，车辆散热所形成的车站隧道热空气被排至室外，车站隧道气压降低。区间隧道内冷空气、车站冷空气进入车站隧道，车站隧道峰值温度先瞬降1℃，而后在1小时内再逐渐降低1℃。在13:00～14:00，区间隧道及车站冷风，排热风机排风对车站隧道起降温作用，车辆散热及室外新风对车站隧道升温作用，该段时间内前者作用大于后者，呈现出车站隧道温度峰值逐渐降低的现象。至14:00时前者作用与后者作用达到平衡，因隧道壁温变化速率远小于隧道气温的变化速率，隧道散热对隧道气温影响作用逐渐凸显，体现为隧道气温逐渐升高。至15:00时达到新的平衡，而从15:00时开始排热风机风量变小，又出现新的不平衡。车站隧道气温峰值较15:00升高0.3℃作用，至17:00风机关闭，车站隧道气温变化归于正常。

对应第二种现象，可从两个方面来解释。对于三个测点温度曲线分层现象，已在“3.2节”解释。对于开启排热风机后，三个测点在温度曲线分层顺序不变化且变化趋势一致的情况，可从排热风机对三个测点均起到降温作用，且降温效果基本相同来解释。

3.3 室外气温的影响

为判断室外气温对车站隧道温度影响，现将三个测点在7月24日～7月30日的每日最高、最低温度值列出，与7月24日～7月30室外最低气温（室外最低气温与最高气温变化趋势一致）一起制作成图，见图10。

图10 各测点在7月24日～7月30温度峰谷值及室外最低温度曲线

判断室外气温是否对车站隧道气温有影响，可从温度变化趋势、温度值等方面进行判断。判断室外气温对车站隧道影响大小，主要可从室外气温变化量对车站隧道温度变化量的影响来分析。从上图可知，三个测点温度峰谷值变化趋势与室外气温温度变化趋势不完全一致，但总体变化趋势基本相同。在室外气温升高时测点峰值基本均有一定量的升高，在室外气温降低时测点峰谷值有升有降。在测点时期内各测点峰谷值变化幅度较小，分别为0.5℃和1℃，同时期的室外气温变化幅度则为3℃。测试时期车辆散热、隧道壁温等外部因素均变化较小，可知室外气温对车站隧道气温有一定影响，其中对温度峰值提升幅度大于温度谷值。

在室外气温对不同测点影响方面，各测点在室外气温变化幅度在3℃时，测点1、测点2、测点3温度峰值变化分别为0.6℃、1.1℃、0.7℃，温度谷值变化分别为0.6℃、0.6℃、0.5℃，各测点温度变化为测点2＞测点3≈测点1，可知室外气温对车站端头隧道气温影响小于对车站中部气温影响。

3.4 车辆散热的影响

根据图3、图4各测点温度曲线可知，车辆散热是影响车站隧道白天（5:30至22:50）气温变化的主要因素。图3、图4中，各测点白天温度曲线的变化呈周期性的锯齿状，温度变化周期约为6分钟，与测试车站约6分钟的发车间隔一致。晚上无车辆通过时，各测点温度无周期性变化，基本保持不变，由此可知车站隧道白天温度变化的主因是由车辆运行。在引起隧道气温波动升高的热源方面，具体是随活塞风进入的室外空气还是车辆散热，可从隧道气温随室外气温变化，车辆在隧道单位时间散热量，活塞风排热量，隧道最高温与当日最低温对比分析。由图11可知，隧道气温并未随室外气温变化而显著变化，且在室外气温降低的时候，隧道气温某些天还在升高，结合齐江浩[3]等测试数据，测试时段，夏季活塞风引起换热量约为18万kJ，而夏季列车散热量约为52万kJ，故可知，引起隧道锯齿形温升的主要因素为车辆散热。