严寒地区地铁热环境的有效控制措施研究

叶 雷,陈 霖,闫树龙,余 涛

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055； 2.西南交通大学机械工程学院,成都 610031)

1 概述

目前，国内严寒地区已经运营和在建地铁的城市有沈阳、长春、哈尔滨、乌鲁木齐、呼和浩特等。严寒地区地铁冬季运行时，列车“活塞效应”使得车站出入口、风井、隧道洞口等位置大量进入外部冷空气，引起地铁内部温度急剧降低，尤其是靠近洞口的隧道段，温度常常低于GB50157—2013《地铁设计规范》[1]中的5 ℃要求。低温可能引起地铁内部的设备、水管等冻损，影响地铁系统正常运营，安全隐患较大。国外严寒地区地铁研究相对较少，国内在不同气候区地铁隧道热环境实测与模拟[2-5]、地铁隧道洞口段和出入口保温防寒[6-8]、车站通风系统模拟[9-11]、环控系统方案对比[12-14]、环控方案适应性分析[15-17]、系统节能[18-19]等方面做了大量研究。但地铁环控系统在北方严寒地区的适应性目前还缺乏全面研究。

针对严寒地区某典型地铁线路，建立一维通风网络模型，对不同环控系统方案下的车站、隧道热环境与热负荷进行分析，研究合理可行的严寒地区地铁环控系统模式及辅助加热措施，为严寒地区地铁环控系统设计提供技术参考和数据支持。

2 计算模型和计算方法

2.1 典型线路概况

以严寒地区某地铁线路为例，建立典型线路模型。标准站为岛式车站，站厅地面面积1 764 m2，中心里程断面积117 m2，周长47.4 m；站台地面面积1 137 m2，中心里程断面积47 m2，周长30.8 m。标准区间隧道长1 000 m，断面积20.5 m2，断面周长16.7 m。车站在出站端采用单活塞风井，机械风井与活塞风井共用，风井断面积20 m2，周长19.3 m。车站两端设迂回风道，横截面积32 m2，周长23.3 m。站厅与站台之间连接楼梯口部总面积36 m2，总周长41.9 m。站厅出入口4个，每个出入口长50 m，断面积22.1 m2，周长18.4 m。

2.2 一维数值计算模型

为分析不同环控系统模式下的隧道和车站热环境，首先建立了包含10个典型站和11个区间的屏蔽门系统、闭式通风系统、全高安全门系统三种模型，见图1～图3。

图1 屏蔽门系统标准站及区间隧道节点示意(单位：m)

图2 闭式通风系统标准站及区间隧道节点示意(单位：m)

图3 安全门系统标准站及区间隧道节点示意(单位：m)

屏蔽门系统车站安装全封闭站台门，夏季及过渡季运营时，开启车站端的活塞风阀，利用通过列车的活塞效应从室外吸入一定量的新鲜空气对隧道进行通风换气，设置在车站端部迂回风道内的电动组合风阀保持关闭状态。冬季时关闭车站端的活塞风阀，仅开启车站端部迂回风道，使上下行线连通，同时采用小新风机对区间隧道和公共区补充新风，以满足区间隧道和车站公共区新风需求。由于冬季室外温度低，公共区和区间隧道不能直接送室外新风，且送风温度一般不低于5 ℃。若采用电加热方式，全线电耗巨大，不具可行性。而区间隧道由于列车的运行产生大量热量，使隧道空气温度提高，这种余热在冬季可用于加热新风[13]。因此，冬季拟采用“混风模式”，将车站轨行区温度较高的空气与室外低温空气混合，满足送风温度要求后，一部分空气送入站内公共区，保证车站人员新风量要求及站内正压，抑制出入口冷风渗透；另一部分空气送回轨行区，保证区间隧道内人员新风量要求及隧道风量平衡。由于实际模型较复杂，此研究为使模型计算更稳定，新风的补充采用将活塞风井开启2 m2实现，只研究活塞风井进入的风量是否满足下一区间新风需求，不具体讨论送风过程。

闭式通风系统车站无站台门，夏季及过渡季运营时，开启车站端的活塞风阀及风道，利用通过列车的活塞效应从室外和车站的出入口吸入一定量的新鲜空气，对车站和隧道进行通风换气，设置在车站端部迂回风道内的电动组合风阀保持关闭状态。冬季时，通常采用闭式通风运行模式，关闭车站端的活塞风阀，仅开启车站端部迂回风道，使上下行线连通，利用车站的通风路径进行气流交换。

安全门系统车站安装全高安全门，顶部有1 m高的空间使站台与轨行区连通。夏季及过渡季运营时，开启车站端的活塞风阀及风道，迂回风阀关闭，利用通过列车的活塞效应从室外和车站出入口吸入一定量的新鲜空气，实现车站和隧道的通风换气。冬季时采用闭式通风运行模式，关闭活塞风阀，仅开启迂回风阀，使上下行线连通，利用车站的通风路径进行气流交换。相比于无安全门的闭式系统，安全门系统下站台、站厅受隧道活塞风影响小。

3 计算结果及分析

所选地铁线位于某严寒地区，冬季隧道通风室外空气计算温度为-15.3 ℃。列车采用B型车6节编组，最高运行速度80 km/h，停站30 s，发车密度初期早高峰12对/h，远期晚高峰30对/h。隧道洞口设1台热风幕，功率50 kW；车站每个出入口设4台热风幕，功率合计70 kW。模拟分析不同系统模式下区间隧道和车站的温度及区间新风量。

3.1 冬季热环境和新风量模拟结果

3种系统模式下冬季(初期12对/h)正常运营区间隧道、站台及站厅温度见图4～图6。

图4 屏蔽门系统冬季隧道温度沿线变化

图5 闭式系统冬季隧道温度沿线变化

图6 安全门系统冬季隧道温度沿线变化

由图4～图6可见，采用屏蔽门系统时，除出入口段外，隧道全线温度高于5 ℃，且大部分区间温度在16 ℃以上；采用闭式通风系统时，出入口段及部分车站隧道段温度低于5 ℃，区间隧道段温度维持在10～25 ℃，由于站厅的冷风通过楼梯侵入站台，会造成站台局部温度陡降至0 ℃左右；采用安全门系统时，由于安全门阻挡列车活塞风的作用，冷风侵入较闭式系统小，除出入口段和第一个车站外，隧道温度维持在15～25 ℃。

3种系统模式下隧道、站台及站厅温度结果见表1～表3。采用闭式通风系统，列车发热量由隧道进入站台较多，使得闭式通风系统站台温度高于安全门系统。由于站厅出入口冷风侵入量大，使得其余2种工况下站厅温度普遍偏低但差别不大。

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表1 屏蔽门系统冬季基本工况模拟结果 ℃

表2 闭式系统冬季基本工况模拟结果 ℃

表3 安全门系统冬季基本工况模拟结果 ℃

从3种系统模式的结果对比来看，冬季采用屏蔽门系统，除洞口段外，区间和车站隧道的空气温度均满足规范中不低于12 ℃的要求。采用闭式系统和安全门系统，站台、站厅受活塞风作用影响大，空气温度均有低于0 ℃的现象。此外，采用屏蔽门系统时，站台、站厅几乎不受活塞风作用，站厅可采用热风幕和门帘，并结合辅助采暖的方式维持站内温度在12 ℃以上。综合来看，冬季采用屏蔽门运行模式，车站和隧道空气温度更能满足要求。

屏蔽门系统运行时，需要开启一定面积的活塞风井以保证隧道内新风需求。图7和图8分别表示初期和远期不同对数时从车站出站端活塞风井进入下一区间隧道的风量，该风量也是下一区间隧道内新风量。根据《地铁设计规范》规定：区间隧道内新风量每个乘客每小时不少于12.6 m3，列车满载断面客流为1 440人，初期开行列车12对/h，每个区间按行驶2 min计算，可得断面新风量需要约2.0 m3/s。从图7、图8结果来看，即使按远期30对/h列车计算，断面满载客流时所需新风量约为5.0 m3/s，基本所有区间的新风量都满足要求。

图7 屏蔽门系统冬季初期12对/h活塞风井进风量

图8 屏蔽门系统冬季远期30对/h活塞风井进风量

3.2 冬季满足热环境设计要求的热负荷

从3.1节可以看出，3种系统模式均不满足《地铁设计规范》中隧道段温度大于5 ℃、站厅和站台温度大于12 ℃的要求。本节进一步分析各段满足设计要求下的冬季热负荷。屏蔽门系统站厅、站台的热负荷可根据渗透风(屏蔽门漏风+风压热压作用)按10 m3/s计算[20-22]；闭式系统和安全门系统采用区域温度控制所需热负荷进行模拟计算。全线10个车站热负荷结果见表4。

表4 不同系统模式的全线热负荷 kW

由于没有安全门的阻挡，闭式系统受活塞风影响最大，从隧道和车站出入口到站台的冷空气多，故闭式系统洞口段、站台和站厅的热负荷均大于其他系统。从总负荷来看，屏蔽门系统的总热负荷最小，在冬季采用屏蔽门模式运行的能耗最小。

3.3 夏季热环境模拟结果

为分析夏季时各系统模式的特性，对3种系统模式下夏季晚高峰(远期30对/h)正常运营时的区间隧道温度、站台及站厅温度进行模拟分析，结果见图9～图11。

图9 屏蔽门系统夏季隧道温度沿线变化

图10 闭式系统夏季隧道温度沿线变化

图11 安全门系统夏季隧道温度沿线变化

由图9～图11可见，采用屏蔽门系统时，列车运行产生的活塞风对车站站台层影响较小，产生的热量大部分在活塞风作用下，流至下游区间隧道，造成列车运行段隧道空气温度逐渐升高，后半段隧道空气温度在40 ℃以上，为防止隧道内温度超过规范要求，必须依靠轨道排热系统来排除隧道内热量；采用闭式系统时，隧道内温度相对比较稳定，区间隧道段温度在28 ℃左右，但由于列车停站放热及站台热源的影响，轨行区及站台附近温度波动大，局部温度高于35 ℃，闭式系统仍需轨道排热系统排除隧道内热量；采用安全门系统时，由于安全门对列车活塞风的阻挡，站台受轨行区热源影响小，且轨行区处活塞风大，有利于热量的排除，区间隧道温度维持在25～32 ℃。从结果对比来看，夏季采用全高安全门系统运行模式，有利于隧道内热量的排除，远期隧道空气温度分布满足规范要求。

根据不同系统运行模式下隧道、站台、站厅夏季温度结果可知，当不采用轨道排热系统时，闭式系统模式运行下站台、站厅空气温度高于35 ℃；而全高安全门系统模式下站台、站厅空气温度低于30 ℃，满足设计温度要求，如表5所示。采用闭式系统模式，由于列车的发热量由隧道进入站台较多，其站台空气温度高于安全门系统，站厅也受活塞风作用大，隧道热量会影响站厅；而全高安全门系统能减小活塞风作用，使站厅受隧道热量影响小，故安全门系统站厅空气温度低。

表5 安全门系统夏季工况模拟结果 ℃

3.4 地铁环控系统模式对比分析

通过不同系统模式的运行结果来看，严寒地区地铁在冬季宜采用屏蔽门运行模式，以减小室外冷空气影响，且在洞口段能最大限度减小低温段；在夏季宜采用全高安全门运行模式，充分利用活塞风作用对车站和隧道降温，且不用开启轨排系统就能保持隧道和车站热环境，节能性好。

显然，为使地铁环控系统在夏季、冬季运行时兼具安全门系统和屏蔽门系统的优势，宜采用可调通风型站台门系统。该系统结合了屏蔽门与安全门的特点，空调或供暖季节关闭门体上的开口，按屏蔽门模式运行；非空调季节开启门体上的开口，按安全门模式运行。通过以上分析，可以认为在严寒地区采用可调通风型站台门实现冬夏季运行模式切换是最优方案。

此外，从模拟结果来看，不管采用何种模式隧道洞口始终有部分段空气温度低于5 ℃，且车站出入口处受室外冷风作用也强，温度普遍较低。结合工程实际，可采用在洞口设置防寒门、小型热风幕、阳光罩棚，车站出入口设置热风幕和门帘，洞口段设置迂回风阀及风井处水管加保温等防寒措施，以改善洞口段和车站出入口段的热环境。

4 结论

以严寒地区某典型地铁线路为研究对象，采用数值模拟方法对屏蔽门系统、闭式系统和全高安全门3种系统模式下的隧道和车站热环境进行模拟计算，分析了严寒地区地铁适宜的环控系统方案，得到如下结论。

(1)冬季屏蔽门系统可减少室外冷风作用，洞口附近及区间隧道空气温度比其他两种模式温度高；车站站台、站厅几乎不受活塞风影响，辅助采暖即可满足设计要求，且热负荷最小。

(2)夏季全高安全门系统时，安全门对列车活塞风有一定阻挡作用，有利于轨行区排热和减小对站台、站厅的热扰作用，不开启轨道排热系统就能满足区间隧道和车站公共区空气温度设计要求。

(3)严寒地区地铁采用可调通风型站台门系统，在夏季按全高安全门模式运行、冬季按屏蔽门模式运行，并在洞口和出入口进行保温防寒设计，可使地铁隧道和车站内全年热环境满足设计要求。

研究提出的冬夏季不同环控系统模式，可为严寒地区地铁环控系统设计提供参考依据。后期可结合实际线路的运行情况，进一步分析洞口段和车站出入口的防寒措施效果，完善严寒地区地铁环控系统设计理论。