地铁车站自然通风模型实验研究

2022-06-28肖益民渠永通陈永江曹树勇

都市快轨交通 2022年3期

曾臻，肖益民，渠永通，陈永江，曹树勇

（1. 中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031；2. 重庆大学，重庆 401331）

1 研究背景

自然通风作为一种常用的被动节能措施，具有很好的节能潜力和较高的应用价值，在民用建筑中常被广泛采用。因此，将自然风引入地铁车站，对其空气品质的改善和节能具有重要意义[1-5]。然而，针对地铁车站自然通风的相关研究，尤其是与自然通风效果有关的研究较少，其有效应用方式、应用效果和价值有待进一步深入探究。

在当前地铁环控设计过程中，基本未考虑自然通风对地铁车站的能耗影响[6]，造成了设备容量事实上的冗余过剩。笔者通过对地铁车站自然通风模型实验台的搭建，结合实验数据，得到了过渡季不同通风工况下地铁车站的自然通风效果，并给出了地铁车站公共区充分利用自然通风的方式和建议，为地铁车站的设计和运营提供了参考，具有良好的工程应用前景和节能潜力。

2 模型实验

2.1 相似理论

相似理论是模型实验的依据，为实现两个流动问题的力学相似，必须先保证几何相似、运动相似、动力相似，以及两个流动的边界条件和起始条件相似。同时，地铁站内存在大量的发热体，导致通风空调系统的送风温度必然低于站内的空气温度，即送风气流属于非等温射流，其表现为重力和浮升力的不平衡。本研究采用阿基米德数Ar 来代替表征重力相似的弗诺得数，它们在重力作用上相差一个乘数Δρ/ρ0，其中Δρ 是送风气流和工作区气流的密度差，ρ0为送风气流密度。综合阿基米德数Ar、气体状态方程和热平衡方程，可以得到热量阿基米德数为

式中：T0为送风气流温度，℃；q 为站内余热，W；Cp为空气定压比热容，J/(Kg·K)；υ0为平均送风风速，m/s；F 为送风口的面积，m2；ρ0为送风气流空气密度，kg/m3；Arq为热量阿基米德数。

最终拟以Arq代替Ar，实际上是用室内余热量q取代反映浮升力作用的温差ΔT0，从而使其包含的各个参数均成为工程应用中可知或者可控的参数。

2.2 相似比例尺

确定模型的几何比例尺Cj，一般认为Cj越大，越容易真实地模拟原型，但Cj越大，模型的造价越高，需要的试验场地越大，试验观察的难度就越大。在充分考虑了试验经费和试验场地的实际情况后，确定本次模型试验的几何比例尺为Cj=1∶20。根据沙坪坝地铁站的原始内部空间尺寸和几何比例尺Cj=1/20，确定模型的内部空间尺寸，如表1 所示。

表1 原型和模型内部空间尺寸 Table 1 Summary of internal space dimensions of the prototype and the model mm

模型主体结构的几何尺寸严格按照原型进行设计制作，同时把一些对实验结果影响很小的结构进行简化处理。其中，站厅层原型为微拱形，模型将站厅层处理为长方体，站台层根据原型尺寸搭建，只考虑一辆列车到站、站台门打开时的情况，因此只在一侧方向上设置24 个站台门，每个站台门开度2 m，高度2 m，另一侧不设置站台门以及站内隧道。站内隧道长度按160 m 的原型尺寸考虑，涵盖了车站两端的活塞风井和排热风井。与站台方向平行的隧道部分宽3.8 m，高5.0 m，地铁列车采用A 型车辆，6 辆编组，全长120 m，宽度3 m，高度3.8 m。模型主体结构及搭建完成的实物实验台如图1 所示。

图1 搭建完成的实物实验台 Figure 1 Completed physical test bench

3 测点布置

3.1 发热量及热源尺寸

地铁车站内部热源主要有设备散热、照明散热、人员散热以及站台门传热等，根据相似理论所确定的几何比例尺Cj=1/20 和热量比例尺Cq=1 789，结合当前设备设计容量，可以计算出模型内部设备的几何尺寸和发热设备的发热量。

发热设备按所处位置可分为3 类：第一类位于楼板上，如自动售票机、安检设备和进出闸机等；第二类位于壁面上，如广告牌、指示牌以及站台门传热等；第三类则位于天花板上，如照明设备、线缆发热等。对于第一类发热设备，可按照就近原则，将多个热源组合为一个发热体，并采用电阻值为133Ω/m 的碳纤维发热线外包薄壁铁皮外壳来模拟；对于第二类发热设备，可直接将碳纤维发热线均匀粘贴于模型内侧壁面；对于第三类发热设备，可在对发热线上部做隔热处理的基础上，将发热线均匀粘贴在对应层顶板上。此外，由人员分布具有随机性，可将该发热量视为站内单位面积的均匀热源，并简化为以碳纤维发热线为实验热源的“线型”热负荷。地铁站内第一类发热设备的外壳尺寸及布置如图2 所示。

图2 站厅层第一类发热设备尺寸及布置 Figure 2 Dimension and layout of class I heating equipment on the station hall floor

3.2 隧道通风系统设计

重庆地铁1号线沙坪坝站采用全封闭站台门系统，在该系统的列车运行及空调散热量中，50%以上释放在车站车行道[7]。为了准确模拟真实情况，需要在模型实验台设置通风排热系统来控制隧道内的温度。由于隧道和站台空气流动处于阻力平方区，站台门处等效局部阻力系数只与其几何形状有关，因此在制作模型时，要严格根据实际隧道、列车及站台门的实际尺寸按相似比例制作。隧道活塞风对地铁车站的影响呈周期性正负压作用，因此在一定的周期内，影响车站自然通风效应的主要因素为车站隧道排热风机。为了能够实现对地铁车站间歇性负压效应的模拟，实验台在隧道两侧安装有两台风机，以模拟列车停站、站台门开启时的工况条件。

3.3 温度测点和工况安排

地铁站温度场和速度场的分布情况需通过专业仪器测试得到，因此，模型实验台设计中需根据站内结构和设备布置，合理地确定温度和风速测点。其中，温度测点按均布原则分别在站内公共区中部、主体附属接口和出入口通道，按实际距离约900 m 间隔设置；风速测点则位于各出入口通道中部，截面内采用九点法均匀布置。站厅层温度测点布置方案如图3 所示。

图3 站厅层温度测点布置 Figure 3 Layout of temperature measuring points on station hall floor

本模型实验共安排了6 组实验工况，其中：1～3组工况为出入口之间无高差工况，重点通过改变站内设备的运行工况，以便来观察车站自然通风规模的变化情况；4～6 组工况为车站内部发热量一致的工况，重点通过改变出入口之间的高差，以便来观察该因素对车站自然通风规模的影响。具体工况安排如表2 所示。

表2 模型实验工况安排 Table 2 Working condition schedule of model test

4 结果分析

4.1 内部发热量的影响

根据既定的实验工况，开启对应的设备，进行测点温度和出入口风速的测试，并将不同工况下的测试结果记录汇总，形成模型实验工况1～3 的实测结果，如表3 所示。另外，需要特别说明的是：表中所有的测试数据均为多点、多次实测结果的平均值，以避免测试过程中的偶然误差对结果造成不利的影响。

表3 实验工况1～3 的实测结果 Table 3 Summary of measured results under test conditions 1-3

其中：+表示进风，自然风从室外吹入地铁车站；-表示出风，地铁车站排风至室外。从测试数据可以看出：工况1 由于热压作用，自然风从1 出入口通道引入，流经站厅层和站台层，温度逐渐升高，再从2 和3 出入口通道流出，即自然通风客观存在且规模可观，工况2、3 亦有类似结论。同时，工况1～3 的测试结果均表明：在站厅层实测发热功率比站台层更大的情况下，站厅平均温度更低，且温度分布均匀，在相同条件下，流经站台层的通风规模较站厅层的更小，即该通风规模中的较大部分路径主要由出入口通道+站厅层+出入口通道组成。

工况2 在开启全部风量的排热风机后，其自然通风的规模和方向与工况1 十分接近，且两个工况下站厅层与室外空气平均温度的差值分别为15℃和15.1℃，热压作用亦基本相同。因此，可以得出：车站隧道通风系统对自然通风量的影响作用不明显，在无室外风压作用的情况下，自然通风的主要动力来源为站内热源释放热量所形成的空气热压。工况3 将隧道排热风机的风量调整为1/2 后，1 号和2 号出入口通道的通风方向反向，但总的通风规模变化不大。结合前述分析不难得出：车站隧道通风系统虽然对自然通风规模的影响作用十分有限，但站内热压所形成的空气流动方向本身具有不确定性；在包含车站隧道通风系统在内的外部条件变化的影响下，形成了特定方向的初始通风流向，并在后期热压作用的自然通风过程中维持不变。

同时，通过测得的壁面温度以及站内不同区域温度，可估算得到各区域向围护结构(实际车站为土壤)的总散热量，其中站厅、站台、出入口通道可以计算其当量直径，将它们近似于水平管道来进行计算，站厅层表面传热系数取1.41 W/m2·℃，站台层取1.86 W/m2·℃，出入口取2.32 W/m2·℃，最终算得的散热量如表4 所示。

可以看出：无论是站厅层、站台层还是出入口，工况1 站内环境向围护结构的传热量均相对较大；工况2 将排热风机开启后，由于隧道通风系统对车站轨行区的排热影响，轨行区壁面温度较低，但受室外空气温度(实验工况下与环境温度为同一温度)降低更多的影响，它向围护结构的总传热量反而减小，导致自然通风需带走更多的站内热量；当工况3 在工况2 的基础上调小隧道通风规模时，虽然受车站轨行区通风规模减小的影响，轨行区维护结构的壁面温度略有提高，但此时环境温度升高明显，站台层向围护结构的总传热量增加，在站内发热功率差异不大的情况下，自然通风进、排风温差明显减小。因此，可以得出结论：自然通风对地铁车站的排热作用受室外环境温度的影响较大，实验结果与理论分析一致。

表4 实验工况1～3 围护结构的散热量 Table 4 Heat dissipation scale of enclosure structure under test conditions 1-3

4.2 出入口间高差的影响

实际车站的出入口受地面地坪高度的影响，不同出入口之间存在一定的垂直高差，尤其是在类似于重庆这种山地城市中，体现更为明显。为了进一步探究出入口间的高差对车站自然通风规模的影响，在维持站内散热量等条件不变的前提下，进行了工况4～6的模型测试，测试过程中环境温度保持27.5℃不变，测试结果如表5 所示。

从测试数据可以看出，当两个出入口之间高差分别为0.2、0.4 和0.6 m 时(几何比例尺Cj=1/20，即4、8 和12 m)，由于热压作用，自然风均从3 号出入口通道引入并流经站厅层，吸收站内余热后温度逐渐升高，再从1 号出入口通道流出。在这3 种高差情况下，模型实验台内部的温度场以及壁温几乎没有什么变化，散热量基本相同，3 号出入口通道由于排风，其平均温度明显高于1 号出入口通道的平均温度，得到的散热量如表6 所示。