高铁地下站内气流流动对空调系统的影响研究

刘 冰 李 坤

（1.中铁工程设计咨询集团有限公司 北京 100055；2.中交水运规划设计院有限公司 北京 100007）

0 引言

截至2021年底，中国高速铁路运营总里程已突破3.96 万公里，世界排名第一[1]。由于地理条件的限制，高速铁路出现越来越多的地下隧道和地下车站。高铁地下站通常埋深较深，大部分公共区位于地下，且通常采用半高安全门，隧道与车站内外联通。冬夏季站内外温差大，站内热压作用强，由热压引起的气流流动贯穿整个车站内外；同时，列车在隧道中高速越行时，车站内还会产生大量的活塞风[2]。当乘客进出站开门时，热压风和活塞风的作用会影响车站内温度分布，增加空调系统负荷。

目前大部分学者针对列车运行形成的活塞风对地铁车站内热环境[3,4]、风环境[5-7]和空调系统[8-10]的影响进行了研究。但缺少活塞风对高铁地下车站热环境的影响研究，尤其是热压风和活塞风共同作用对站内温度和空调系统运行的影响。

本文以京张高铁八达岭长城地下站为例，建立站内气流流动与传热的三维CFD 数值计算模型，以实测温度和风速数据作为边界条件，分别计算热压风和活塞风对站内温度和空调系统的影响，为类似高铁地下站空调系统的设计和运行提供技术参考。

1 数值模型的建立

1.1 车站概况

八达岭长城站位于京张高铁八达岭隧道内，车站总长470m，总宽80m，轨面埋深102m，是目前国内埋深最深的高铁地下站。如图1所示，车站每侧站台分别设2 个进站口和2 个出站口通过电梯到达进站通道层和出站通道层，进站通道层与地面站房地下一层的候车厅通过电梯相连接，出站通道层与地面站房地面层通过电梯相连接。

图1 八达岭长城地下站示意图[11]Fig.1 Schematic diagram of Badaling Great Wall underground station

八达岭长城站进站厅、候车厅及进站过厅的平面图如图2所示，仅在进站厅及候车厅设有空调系统，站内其他区域均为自然通风。当乘客进站乘车时，需开启进站厅和候车厅的门，从而在一段时间内室外和隧道内空气进入进站厅和候车厅，影响车站内热环境和空调系统运行。本文将重点分析热压风和活塞风对站内空调区域的影响。

图2 进站厅、候车厅及进站过厅平面图（单位：mm）Fig.2 Plan of entrance hall,waiting hall and entrance hall(Unit:mm)

1.2 数值计算模型

对京张高铁八达岭长城站物理模型做如下简化：

（1）进站楼梯和进站通道中间位置安装镂空吊顶，模型中按净流通面积相同的均匀断面进行简化。

（2）忽略行人对车站出入口气流的影响，以及门突然开启或关闭的瞬间对流动的影响。

根据长城站的设计方案与实测数据建立的三维数值计算模型如图3所示。

图3 数值计算模型Fig.3 Numerical calculation model

1.3 边界条件

采用Fluent 软件进行模拟计算，将模型中进站通道左端设为速度入口边界，利用冬夏季现场实测的进站通道风速和温度作为输入参数；进站厅层左右两侧的门设为压力出口边界。进站厅和候车厅设置喷口送风空调系统，如图4所示，送风口为速度入口边界，同侧下方的回风口为速度出口边界。不同区域壁面边界条件的温度均采用实测温度。

图4 候车厅空调系统球形喷口及回风口Fig.4 Spherical nozzle and return air outlet of air conditioning system in waiting hall

模拟计算中湍流模型选择具有较好收敛性的Realizablek-ε模型。

2 夏季气流流动对空调区域的影响

2.1 仅热压风对车站空调区域的影响

夏季进站厅和候车厅的室内负荷和空调设计参数如表1所示。

表1 进站厅及候车厅空调设计参数表Table 1 Air conditioning design parameters of arrival hall and waiting hall

通过前期实测[12]发现，八达岭长城站夏季室外空气温度31℃、湿度56%，夏季由热压风引起的进站通道平均风速为1.0m/s，且一直从室外流入进站厅。乘客进站时，候车厅与进站过厅处开启5 扇门，空气净流通面积共24.3m 。进站厅和候车厅初始平均温度分别为28.1℃和27.0℃，进站通道及进站过厅平均温度27.2℃。

采用非稳态的方法模拟开进站厅门5 分钟、关闭门、再计算10 分钟站内空气温度的变化，0～900s内进站厅及候车厅空气平均温度变化如图5所示。

图5 进站厅及候车厅空气平均温度变化Fig.5 Average air temperature change in arrival hall and waiting hall

由图5可见，0～180s 内，由于热压风作用，室外热空气进入进站厅，空气平均温度明显升高。180s～300s 时，进站厅空气平均温度呈缓慢增长，最高达到30.5℃，已接近室外温度。300s～900s，关闭进站过厅门，热压风的影响逐渐减弱，空调作用使进站厅温度迅速降低。

0～900 s 的候车厅空气平均温度变化并不大，最高仅升高到27.3℃，热压风对候车厅的影响有限。主要是由于室外空气首先进入进站厅，降温后再通过楼梯进入候车厅区域。

热压风的作用将会给车站空调系统带来额外的冷负荷。夏季在门开启的情况下，引起的空调负荷可由式（1）计算。

式中：Q为空调系统附加冷负荷，kW；m˙为进站通道空气质量流量，kg/s；h1为室内空气焓值，kJ/kg干空气；h2为室外或进站过厅空气焓值，kJ/kg干空气。

门开启次数与停站列车数有关，参考实际运营数据，门的开启次数约为每小时3 次。仅热压风作用下，不同区域每小时空调系统附加负荷如表2所示。在热压风作用下，进站厅的空调系统负荷变化比候车厅更大，主要是由于室外空气首先进入进站厅，降温后的空气再流入候车厅。

表2 热压风对不同区域空调负荷的影响Table 2 Influence of buoyancy-driven wind on air conditioning load in different regions

2.2 热压风和活塞风共同作用对车站空调区域的影响

列车在隧道中越行时，整个过程大约持续5 分钟。列车高速越行时，车站内会产生活塞风，此时若进站厅的门开启，活塞风和热压风将共同作用影响车站内热环境和空调系统运行。

通过文献[12]中的实测壁面温度和进站通道风速作为边界条件，进站通道风速变化如图6所示。同样，采用非稳态的方法模拟开进站厅门5 分钟活塞风和热压风同时作用、关闭门、再计算10 分钟站内温度的变化。15 分钟内，进站厅及候车厅的空气平均温度随时间变化如图7所示。

图6 夏季进站通道热压风和活塞风共同作用下的风速变化Fig.6 Variation of wind speed in the entrance channel in summer with the couple effect of buoyancy-driven wind and piston wind

图7 进站厅及候车厅空气平均温度变化Fig.7 Average air temperature change in arrival hall and waiting hall

通过对比风速与温度的变化关系可知，0～100s时，热压风为主要影响因素，室外空气从进站厅的门进入，所以进站厅温度变化明显，候车厅温度变化不大。100s～164s 时，列车到达车站附近，活塞风为主要影响因素，气流变为进站厅流向室外，来自隧道的低温空气对候车厅及进站厅降温，进站厅温度高其降温效果更明显。164s～300s 时，列车离开车站，活塞风反向，与热压风方向一致，在热压风与活塞风共同作用下，进站厅和候车厅温度再次升高。300s 后关闭进站厅门，由空调系统进行降温，进站厅的温度逐渐下降。300s～900s 时，候车厅温度缓慢降低。

同样考虑每小时门开启3 次，每次5 分钟，利用式（1）对在活塞风和热压风共同作用下空调系统的负荷变化进行计算，结果如表3所示。进站厅空调负荷增量大于候车厅空调负荷增量，主要原因是热压风的持续存在。在热压风和活塞风共同作用下，0～100s 和164s～300s，热压风从室外进入进站厅，使空调负荷增加。100s～164s，活塞风引起的冷风从进站通道进入进站厅和候车厅，整体平均温度降低。因此，合理选择门开启时间，可改善候车厅和进站厅的热环境，减少空调系统负荷。

表3 活塞风和热压风对不同区域空调负荷的影响Table 3 Influence of piston wind and buoyancy-driven wind on air conditioning load in different regions

3 冬季气流流动对空调区域的影响

3.1 仅热压风对车站空调区域的影响

冬季候车厅和进站厅均设置辐射地板供暖，考虑冬季总热负荷的20%为渗透风引起的热损失，墙壁和地面温度采用实测温度。热压作用引起的进站通道平均风速为0.8m/s，通道内空气温度为9.8℃，模拟中假定热压风保持不变。采用非稳态的方法模拟开候车厅门5 分钟、关闭门、再计算10 分钟站内温度的变化，前5 分钟内进站厅和候车厅的空气平均温度变化如图8所示。

图8 进站厅及候车厅空气平均温度变化Fig.8 Average air temperature change in arrival hall and waiting hall

冬季热压风由隧道流向车站，隧道内空气温度低，低温空气首先进入候车厅，300s 内候车厅温度持续降低。进站厅温度受到候车厅初始温度场的影响，前30s 内温度略微升高；30s～120s，由于热压风的影响，进站厅温度持续降低；120s～300s 内，进站厅空气平均温度基本维持在15.7℃。

利用式（1）对热压风引起的供暖系统负荷变化进行计算，结果如表4所示。对比进站厅和候车厅的温度和负荷变化，冬季热压风对于进站厅的影响相对较小，主要是由于冬季热压风首先进入候车厅，加热后的空气再流向进站厅。

表4 热压风对不同区域空调负荷的影响Table 4 Influence of buoyancy-driven wind on air conditioning load in different regions

3.2 热压风和活塞风共同作用对车站空调区域的影响

利用文献[11]中的实测壁面温度和进站通道风速作为边界条件，进站通道风速变化如图9所示。

图9 冬季进站通道热压风和活塞风共同作用下的风速变化Fig.9 Variation of wind speed in the entrance channel in winter with the couple effect of buoyancy-driven wind and piston wind

采用非稳态的方法模拟开进站厅门5 分钟活塞风和热压风同时作用、关闭候车厅门、再计算10 分钟站内温度的变化。5 分钟内，进站厅及候车厅的空气平均温度变化如图10 所示。

图10 进站厅及候车厅空气平均温度变化Fig.10 Average air temperature change in arrival hall and waiting hall

由图9和图10 可知，0～60s 内，进站通道内热压风和活塞风叠加后的风速相对稳定，冷空气从进站通道进入候车厅，候车厅平均温度持续降低，而进站厅温度由于受到候车厅区域初始温度场的影响，前30s 内温度略微升高，之后持续降低。60～120s 时，列车接近车站，热压风和活塞风叠加后风速导致通道风速增大，进而影响候车厅和进站厅的温度。120～240s 时，列车离站，站内热压风和活塞风叠加后风速较小，对进站厅的温度影响较小。240～300s 时，热压风和活塞风叠加后风速持续影响，候车厅温度降低，进站厅温度先降低后升高。

参考实际运营数据，按每小时候车厅门开启3次，每次开启5 分钟。利用公式（1）对热压风和活塞风共同作用引起的供暖系统的负荷变化进行计算，结果如表5所示。0～210s 和248s～300s，由于冬季热压风和活塞风方向相同，隧道冷空气通过进站通道流向地面站房，进站厅和候车厅的负荷变化较大。但210～248s 时，由于列车离开车站，活塞风与热压风方向相反，叠加后使车站风速变小，进站厅和候车厅的供暖系统负荷变化较低。

表5 活塞风和热压风对不同区域空调负荷的影响Table 5 Influence of piston wind and buoyancy-driven wind on air conditioning load in different regions

4 结论

本文以京张高铁八达岭长城地下站为对象，研究了热压风和活塞风对高铁地下站内热环境和空调负荷的影响，得到以下结论：

（1）夏季，仅热压风作用下，室外热空气先进入进站厅，降温后进入候车厅，对候车厅热环境和空调系统影响小，每小时进站厅和候车厅空调负荷分别增加13.4%和3.7%；热压风和活塞风共同作用下，每小时进站厅和候车厅空调负荷分别增加12.0%和3.3%，热压风和活塞风的共同作用比仅热压风作用对空调系统的影响稍小。

（2）冬季，仅热压风作用下，隧道内冷空气先进入候车厅，升温后进入进站厅，对候车厅热环境和空调系统影响大，每小时进站厅和候车厅的空调负荷分别增加4.4%和14.3%；热压风和活塞风共同作用下，每小时进站厅和候车厅空调负荷分别增加4.0%和12.8%，热压风和活塞风共同作用与仅热压风作用对空调系统的影响稍小。