地铁区间隧道热环境与土体蓄放热特性的监测研究*

2021-05-12上海理工大学王丽慧

暖通空调 2021年4期

关键词：热流壁面断面

上海理工大学王丽慧孙彬

上海申通地铁集团有限公司郑懿△ 宋洁

上海市政工程设计研究总院有限公司张继华

上海核工程研究设计院有限公司胡田伟

0 引言

随着地下轨道交通的全面发展，地铁隧道内的热环境问题逐渐凸显，尤其是在一些运营时间长的地铁线路，存在地铁区间隧道内空气温度过高的问题。地铁隧道温升问题涉及到区间隧道内空气温度、壁面温度及土体热流密度的演化特性，引起了社会各界学者的广泛关注。

武伟等人在无限长隧道模型的基础上，对地铁围岩传热量的计算公式进行了推导，发现地铁围岩吸热量在空调负荷中占有一定的比例，有一定的节能空间[1]；肖琳等人利用模型实验研究了隧道围岩内的温度分布[2]；胡增辉等人利用FLAC3D程序模拟了围岩温度场的传热能力，并采用数值模拟方法分析了各个因素对围岩传热的影响，得到了变温层传热范围的经验公式及围岩传热稳定时间、传热量等[3]；王丽慧等人以地铁隧道围岩土壤温度场分布为研究对象，利用CHAMPS-BES热湿耦合传递软件得出土壤热物性参数的变化对土壤温度场分布有明显影响，在确定的土壤热物性参数情况下，随着地铁运行年限的增长，土壤温度场峰值增大，土体温度场厚度增加[4]。以上研究均采用数值模拟对隧道围岩蓄放热进行分析，缺少对地铁区间隧道真实情况的实测分析。

因此，本文选取上海地铁1号线A站与B站之间的区间隧道为监测对象，通过监测土体壁面热流密度、壁面温度、区间隧道空气温度等参数，分析上述区间隧道热环境参数变化特性，为后续有效解决远期运行区间空气温度过高等问题提供技术参考。

1 现场监测方案

本次监测是为了分析包括地铁车站轨行区在内的地铁区间隧道热环境参数变化特性。在上海地铁1号线A、B两车站之间的隧道布置多个自动记录仪，监测隧道不同位置的空气温湿度、壁面温度和热流密度等参数。A站和B站的车站及隧道尺寸如下：站厅长120 m，宽18 m，高5.5 m；站台长120 m，宽8 m，高5 m；车站轨行区长120 m，隧道长1 200 m。两车站春秋季不送风，夏季送风温度均为21.5 ℃，站厅送风量为92 000 m3/h，站台送风量为78 000 m3/h。因车站设有屏蔽门，因此车站空调系统对区间的影响有限。

图1为A站轨行区及隧道(A、B站之间)布点示意图。在A站轨行区选取3个监测断面，分别为车站轨行区左断面、中断面及右断面；在A、B站之间的隧道选取4个监测断面，分别为靠近列车进站方向活塞风井断面及隧道左断面、中断面、右断面。其中，各处布点均以不影响地铁列车正常安全运行为原则。轨行区的布点分别取上、下排热风口和车站对面侧墙，如图2所示；隧道内部测点则以侧墙中部为宜，如图3所示。

注：一～七分别代表7个断面；★为小球气温仪器布点(1～11)；▼为壁面温度纽扣仪器布点(一～七)；■为热流密度仪器布点(A～D)。图1 A站轨行区及隧道(A、B站之间)布点俯视图

图2 车站轨行区空气温度测点剖面图

图3 隧道温度和热流密度测点剖面图

实测参数包括壁面温度、壁面热流密度、隧道空气温湿度及室外空气温度，采用的自动记录仪的相关参数见表1。监测时间为2018年8月至2019年10月，因仪器存储数据量有限，各参数读取记录的时间间隔为30 min，每2个月需要从隧道中取出仪器，导出数据后再重新放置到隧道中。

表1 区间长期监测仪器参数

2 结果与分析

2.1 区间空气温度实测结果分析

2.1.1区间月平均空气温度对比

图4显示了区间7个断面和室外全年逐月月平均空气温度变化情况。可以看出：不同断面区间空气温度均逐月波动，夏季(7—9月)较高，冬季(12、1、2月)较低；室外空气温度全年波动范围为4～30 ℃，而区间隧道内空气温度则在16～34 ℃之间波动，可见由于列车散热和区间土体蓄放热作用，区间空气温度普遍高于室外空气温度。此外，室外空气温度与区间空气温度的波动振幅和相位存在如下关系：一方面，从温度振幅来看，冬季室外空气温度与区间隧道空气温度的振幅温差高达13 ℃，说明冬季区间土体放热显著，减弱了区间空气温度受室外温降的影响程度，而夏季室外空气温度与区间空气温度的差值只有4 ℃，说明夏季土体吸热作用较小，对区间空气温度影响不大。另一方面，从温度波动的相位来看，区间隧道空气温度在8月初达到最高，而室外空气温度在8月下旬达到最高，两者相差近1个月，可见室外空气温度与区间隧道空气温度最大值出现的时间存在相位差。室外空气温度主要通过设置在车站两端的活塞风井的有效换气量来影响区间空气温度，地铁车站两端设置有4个活塞风井，列车进站时产生正压作用，区间空气通过活塞风井排向室外，而列车离站时产生负压作用，将室外空气带入区间，基于此，实现了区间空气与室外空气的热质交换，使得室外空气温度影响区间空气温度。

图4 区间各断面全年逐月平均空气温度和室外空气温度对比

2.1.2区间不同位置空气温度对比

为了进一步了解区间不同位置空气温度的变化特性，分别分析了冬季、夏季和春、秋过渡季区间不同位置的空气温度。

图5显示了冬季(12、1、2月)区间不同断面空气温度对比，可见区间空气温度12月和1月较高，2月最低，总体在16～20 ℃之间波动。由图4可知，2月室外平均空气温度比1月略高，因此2月区间空气温度较低的主要原因是土体此时放热量减小。此外，从图5可以看出，相比于其他断面，隧道中断面和隧道右断面的空气温度比其他断面低2 ℃左右，这主要是由于列车在上一车站启动离站过程中，从上一车站的出站端活塞风井吸入大量室外冷空气所导致。

图5 冬季(12、1、2月)区间不同断面空气温度对比

图6显示了夏季(7—9月)区间不同断面空气温度对比，总体而言，区间空气温度8月最高，7月最低，9月介于前两者之间；各断面空气温度均较高，总体在30～34 ℃之间。隧道右断面空气温度相对较低，原因同上。

图6 夏季(7—9月)区间不同断面空气温度对比

图7显示了春、秋过渡季区间不同断面空气温度对比，过渡季区间空气温度总体在20～31 ℃之间。由图7a可以看出：3—4月的平均温升为4 ℃，幅度较大；4—5月温升不明显，为0.7 ℃；而5—6月的平均温升为6 ℃，幅度最大。由图7b可以看出：10—11月的平均降温幅度为2.5 ℃。总体而言区间不同断面的空气温度相差不大，隧道右断面空气温度略低于其他断面。

图7 春秋季区间不同断面空气温度对比

2.1.3区间空气温度代表性截面分析

图8显示了2018年8月至2019年10月每月区间各断面的平均空气温度，并圈出了各月最高温度所在的断面。可以看出，在现场监测的7个断面中，轨行区断面的月平均空气温度大多高于区间隧道各断面，且车站轨行区左断面是最能代表区间月最高平均空气温度的断面。

图8 区间月最高平均空气温度

2.2 区间壁面温度实测结果分析

本次实测中，重点监测了进站端活塞风井附近、区间左侧、区间中部和区间右部4个断面的壁面温度。图9显示了2018年8月至2019年10月上述4个断面的逐月月平均壁面温度，并圈出了月平均壁面温度最高的断面。可知在上述4个断面中，隧道左断面的壁面温度偏高。

图9 每月区间最高平均壁面温度

2.3 区间热流密度实测结果分析

区间土体在冬季的放热对区间温度维持稳定具有重要作用，以下通过同时呈现春、夏、秋、冬4个季节典型日的土体热流密度、区间空气温度、壁面温度和室外空气温度，来分析区间隧道土体蓄放热的基本特性，其中区间土体热流密度数值为正代表土体放热，数值为负代表土体吸热，详见图10。

由图10可知，总体而言，各季节典型日中，在室外空气温度有较大波动时，区间土体热流密度呈现增大的趋势。冬季典型日热流密度在-2～23 W/m2之间波动，以放热为主，尤其是在02：00—04：00室外空气温度显著降低的时段，区间土体热流密度明显上升，土体放热有效降低了区间空气温度受室外温降的影响，维持相对稳定；夏季典型日区间土体以吸热为主，热流密度在-20～0 W/m2之间波动，该地铁站已运营10年以上，夏季土体吸热强度明显低于冬季的放热强度；秋季典型日土体热流密度范围为-21～27 W/m2，春季典型日土体热流密度范围为-3～5 W/m2。

春秋季区间壁面温度和区间空气温度一直相近，但在室外空气温度骤变时，区间空气温度会有一个延时变化，从而导致区间土体热流密度的突变，说明当室外空气温度升高(降低)时，区间热流密度会相应地体现出吸热(放热)的趋势，从而有效减少室外空气温度波动对区间空气温度的影响，使得区间空气温度和壁面温度基本维持在变化较小的水平上。区间土体热流密度会弥补室外空气温度波动的影响，但是秋季热流密度远大于春季。综上所述，不同季节土体热流密度所体现的土体蓄放热均会起到减缓室外空气温度波动对区间空气温度的影响，是区间空气温度维持相对稳定的关键。