非屏蔽门地铁车站隧道与站台空气交换量模拟研究

2024-01-25栾承志李晓锋

暖通空调 2024年1期

栾承志李晓锋

(清华大学,北京)

0 引言

城市基础交通设施的建设在城市化发展过程中发挥着重要作用。与私家车和传统公交相比,城市轨道交通在运量、速度和运行方式等方面具有明显优势,因此在近些年得到了快速发展[1]。而随着地铁在全国范围内的大量建设,地铁运营的能耗问题也日益受到关注。2022年,全国城市轨道交通能耗227.9亿kW·h,比上年增长6.89%,能耗巨大[2]。相关研究表明,通风空调系统能耗费用一般占整个地铁工程运营费用的1/3以上[3]。因此,很多学者对如何降低地铁空调系统的运行能耗进行了深入研究,其中隧道与站台的空气交换量是影响空调系统能耗的重要因素之一[4]。

隧道与站台的空气交换量与地铁环控系统安装的车门形式有直接的关联。目前我国的地铁环控系统主要包括屏蔽门系统和非屏蔽门系统。在典型的北方地区城市,地铁通风空调以非屏蔽门系统作为主要的系统模式;而在南方地区则以屏蔽门系统作为主要的系统模式[5]。

当前,对于地铁站内隧道与站台的空气交换量,主要的研究方法为现场测试方法和数值模拟方法。对于现场测试方法,张培红等人利用风速仪对沈阳地铁2号线世纪广场站的站台层进行了风速测试,分析了站台两端、扶梯口及站台中部各断面速度场的变化规律[6]。王春旺等人对位于南京的某屏蔽门地铁站台进行了漏风量测试,得出了屏蔽门漏风量的变化趋势,定量分析了漏风量对车站空调负荷的影响[7]。林炎顷等人对设置了可调通风型站台门的地铁车站在过渡季节的通风性能进行了测试,并认为在过渡季节可以关闭车站风机,依靠列车活塞效应引起的通风量便可满足过渡季节车站风量的设计要求[8]。

数值模拟方法主要包括CFD模拟方法和网络方法。杨晖利用CFD模拟方法,分析了单列车进、出站过程中的流场分布,计算了活塞风所造成的站台通风量,并对未来环控系统的运行提出了建议[9]。李亮等人采用理论分析和CFD模拟计算的方法,分析了地铁屏蔽门渗透风对车站空调负荷的影响,给出了可用于指导空调负荷计算的掺混率计算公式和参考取值[10]。刘庚等人通过CFD模拟方法,对采用非屏蔽门系统的天津地铁下瓦房站进行了研究,比较了采用不同湍流模型时地铁站台的气流组织[11]。研究认为,利用CFD模拟方法对地铁站台建立热环境数值模型时,湍流模型的选择对模拟结果会有较大的影响,采用不同的计算模型会使结果存在一定差异。

由于现场测试方法无法在设计阶段对隧道与站台的空气交换量进行估计,而CFD模拟方法计算复杂、技术性强、不确定性高,2种方法都只能测试或模拟少量案例,难以得到普遍性结论,无法快速计算非屏蔽门地铁系统隧道与站台的空气交换量。

另一类模拟方法为网络法。与前2种方法相比,网络法可以较快得到相对准确的计算结果,适用于长时间动态模拟。由清华大学建筑技术科学系开发的地铁热环境模拟软件STESS即是利用网络法对通风量进行模拟计算的软件之一。学者们通过STESS软件,在我国地铁工程应用中进行了大量的实际计算,计算结果也在多个实际线路中得到了验证[12]。朱培根等人利用STESS软件得出了各种运营模式下的地铁通风空调能耗曲线,确定了地铁通风空调系统优化的运营模式[3]。唐超等人利用STESS软件分析了严寒地区地铁在不同通风模式下对应的运行能耗及经济效益[13]。Li等人利用STESS软件对地铁屏蔽门系统隧道与站台的空气交换量进行了研究,并给出了计算地铁屏蔽门系统隧道与站台空气交换量的拟合公式,为研究和工程计算提供了便捷[14]。

通过调研地铁站内气流组织的相关研究后发现,对屏蔽门系统地铁隧道与站台的空气交换量已有大量研究成果,而对非屏蔽门系统隧道与站台空气交换量的相关研究较少。因此,本文利用STESS软件,通过网络法对各类工况下的非屏蔽门地铁系统进行了模拟计算。文献[14]认为,影响隧道与站台空气交换量的重要因素包括隧道长度、发车对数、双向列车到站时间间隔等。本文分析了这些因素对非屏蔽门系统隧道与站台空气交换量的影响,并给出了适用于估算实际工程非屏蔽门系统地铁站台与隧道空气交换量的拟合公式。

1 研究方法

1.1 计算模型及工况设定

图1为在STESS软件中构建的地铁网络模型。整个地铁网络由区间隧道支路、通风井支路、站台支路、非屏蔽门支路、出入口支路及连接支路的节点组成。对于非屏蔽门系统,双向列车到站时间间隔对隧道与站台的空气交换量的影响较大,为分析其对隧道与站台空气交换量的影响,专门建立了较长的地铁线路模型(共包含28站);设定地铁列车的最高运行速度为80 km/h[15];根据我国地铁线路的实际情况,设定的隧道长度分别为800、1 000、1 200、1 400 m;列车每小时的发车对数为6～30对;模型相关参数如表1所示。

表1 模型相关参数

注:S-1、S0、S1为地铁站台。图1 地铁网络模型

图2为地铁站台与隧道的相对位置示意图。研究的站台为S0,其上游的站台分别为S-3、S-2和S-1,下游的站台分别为S1、S2和S3;隧道根据起点和终点的站台编号,如用T1表示S0-S1段隧道。

图2 研究的地铁站台与隧道的相对位置

1.2 模拟结果验证

为了验证模拟结果的准确性,对南京某采用非屏蔽门系统的地铁车站进行了现场测试。根据质量守恒原理,隧道与站台的空气交换量会导致进出口气流的变化。为了便于测试,选择对出入口的风量进行测量,并将试验实测结果与软件模拟结果进行对比,如图3所示。从图3可以看出,模拟结果与实测结果的变化趋势和峰值基本一致,验证了模拟方法的准确性。模拟结果与出入口总风量的实测结果基本一致,相对误差约为12%,如表2所示。因此,该模拟方法能够较为准确地计算出隧道与站台的空气交换量。

表2 出入口风量实测结果与模拟结果对比

图3 地铁站出入口风量实测结果与模拟结果对比

2 结果分析

2.1 隧道长度

对于采用屏蔽门系统的某一站台的隧道与站台的空气交换量,主要受列车在与其相邻的6个隧道中行驶过程的影响(相邻上游的3个隧道和下游的3个隧道)[14]。即列车离开S-3、进入隧道T-3时,研究所选取的地铁站隧道与站台的空气交换量开始发生变化。之前的隧道由于距离过远,列车驶经该隧道产生的活塞风造成的影响可以忽略。此外,风量曲线还呈周期性波动,与列车运行速度曲线相对应。

但对于非屏蔽门系统,由于与隧道连通的面积远大于屏蔽门系统,使得列车在隧道中产生的活塞风大部分都进入了与该隧道相邻的站台。因此,隧道与站台空气交换量的变化主要受列车在与站台相邻的上下游隧道中行驶的影响,列车在其他隧道行驶时产生的影响可以忽略。风量模拟的结果可以佐证这一点。图4显示了非屏蔽门系统隧道与站台的空气交换量。从图4可以发现,非屏蔽门系统隧道与站台空气交换量的变化曲线存在2个波峰和2个波谷。该图中,风量峰值较大的波形,是由于上行列车进站和出站导致的隧道与站台的空气交换量。当上行列车进站时,列车前方空气受到挤压,压力升高,隧道中的活塞风通过非屏蔽门进入站台;当列车出站时,其尾部为负压,使站台的空气通过非屏蔽门流入隧道。而对于其中风量峰值较小的波形,则是下行列车进出站导致的。当下行列车进站时,其挤压出的活塞风一部分进入站台,另一部分则通过非屏蔽门进入上行隧道;当下行列车出站时会抽吸空气,其中一部分来自站台,另一部分则来自上行隧道。

图4 非屏蔽门隧道与站台的空气交换量(模拟条件:发车对数为6对/h,隧道长度为800 m)

由于列车在隧道中的行驶情况会对隧道与站台的空气交换量产生较大影响,所以隧道的长度及列车的行驶速度是重要的影响因素。图5显示了不同隧道长度下列车的速度曲线。可以看出,在该模型设定的条件下,列车在不同长度隧道中行驶的最大速度均相同,这也符合当前地铁实际的运行情况。图6显示了不同隧道长度下隧道与站台的空气交换量,可以看出,当发车对数较少时,在相同发车对数下,隧道越长,列车行驶的时间越久,导致隧道与站台的空气交换量越大。

图5 不同隧道长度下列车的速度曲线

图6 不同隧道长度下隧道与站台的空气交换量(模拟条件:发车对数为6对/h)

但随着发车对数的增加,影响隧道与站台空气交换量的因素变得复杂,将在下文作具体说明。

2.2 列车发车对数

列车的发车对数也是影响非屏蔽门系统隧道与站台空气交换量的重要因素。图7显示了在相同隧道长度下,发车对数不同时隧道与站台的空气交换量的变化情况。可以看出,随着发车对数的增加,隧道与站台的空气交换量呈现先增大后减小的变化规律。原因是当发车对数较少时,随着发车对数的增加,隧道与站台的换气频率增大,隧道与站台的空气交换量有增大的趋势;但随着发车对数的进一步增加,列车的间距减小,前后列车造成的活塞风发生相互干扰,使得隧道与站台的空气交换量减小。因此当发车对数较多时,隧道与站台的空气交换量的影响因素较为复杂,隧道与站台的空气交换量会随发车对数的增加呈现先增大后减小的变化规律。对于不同的隧道长度,该变化规律相同,但出现隧道与站台最大空气交换量所对应的发车对数并不一致。

图7 同一车站在不同发车对数时的单侧隧道与站台的空气交换量(模拟条件:隧道长度为1 200 m)

2.3 双向列车到站时间间隔

从隧道进入站台的气流主要向2个方向流动,其中一部分主要流向站台,另一部分则通过对侧的非屏蔽门流入对侧隧道。图8显示了上下行列车同时到站时站台两侧隧道与站台的空气交换量。可以看出,当两侧列车同时到站时,站台两侧非屏蔽门的隧道与站台的空气交换量曲线几乎完全重合。

图8 上下行列车同时到站时站台两侧隧道与站台的空气交换量(模拟条件:隧道长度为1 200 m,发车对数为10对/h)

但当双向列车到站时间不同时,两侧隧道的隧道与站台的空气交换量将会发生明显变化。图9显示了上下行列车不同时到站时站台两侧隧道与站台的空气交换量。可以看出,此时站台两侧隧道与站台的空气交换量的变化曲线之间存在相位差,并且有明显不同。原因如前文所述,非屏蔽门系统流入对侧隧道的隧道与站台的空气交换量远大于屏蔽门系统。该部分气流会对对侧隧道与站台的空气交换量产生很大影响。此时风量曲线通常不再是2.1节中分析的双波峰波谷形状,因为来自本侧的隧道与站台的空气交换量会与来自对侧的隧道与站台的空气交换量相互影响。比如图9即为下行列车进站时,上行列车刚好出站的情况。当两侧列车同时进出站时,风量曲线会形成如图8所示的单波峰波谷形状。