北京新建地鐵通風空調系統(tǒng)模擬分析

1、<p>　　北京新建地鐵通風空調系統(tǒng)模擬分析</p><p>　　[摘　要]本研究以北京新建地鐵四號線第三標段隧道和車站為對象,借助SES軟件,建立數(shù)學模型,對兩種典型的通風空調系統(tǒng)方案正常工況運行進行數(shù)值模擬。分析得出產熱量的分布規(guī)律;列車行車狀況、活塞風井、不同形式車站及區(qū)間隧道通風空調系統(tǒng)對隧道內速度場、溫度場及新風量的影響規(guī)律。研究同時對通風空調系統(tǒng)方案進行了初步的技術經濟比較。本研究為分析地鐵

2、通風空調系統(tǒng)的空氣流動與傳熱提供了參考,為新建地鐵通風空調系統(tǒng)方案的選擇、設計及科學地運行管理提供有價值的數(shù)據資料。</p><p>　　[關鍵詞]地鐵;通風空調;設計方案;數(shù)值模擬</p><p><b>　　1 緒　論</b></p><p>　　1·1 研究背景及意義</p><p>　　地鐵和輕軌作為城

3、市快速軌道交通的重要組成部分,具有低污染、低能耗、容量大、安全快捷、正點率高等優(yōu)點,被公認為“綠色交通”,是城市大運量公交系統(tǒng)首選。</p><p>　　地鐵一般深處地下,是一個由多個車站通過隧道連接成的相對封閉空間[1],與外界的空氣交換只能通過車站出入口和有限的隧道風井來進行,因此必須合理設計地鐵通風空調系統(tǒng),利用人工方法對地鐵內的溫度、濕度、有害物濃度和空氣流速等進行控制,為乘客提供適宜的環(huán)境;并在緊急情況

4、下保證乘客的安全。在實際運行中,地鐵通風空調系統(tǒng)的耗電僅次于列車牽引用電,其投資直接影響地鐵工程建設的總費用。因此,地鐵通風空調系統(tǒng)的合理設計及節(jié)能研究成為發(fā)展地鐵交通設施的重要課題之一。</p><p>　　1·2 研究目的及內容</p><p>　　本研究旨在為新建地鐵通風空調系統(tǒng)方案的選擇、系統(tǒng)的合理設計與科學的運行管理提供有價值的數(shù)據資料,為地鐵環(huán)控系統(tǒng)流動傳熱與節(jié)能研究

5、提供參考。具體研究內容包括以下三點:</p><p>　　(1)結合正在承擔的北京地鐵四號線通風空調系統(tǒng)設計任務,對地鐵四號線第三設計標段三站兩區(qū)間(陶然亭-菜市口-宣武門)擬出兩種典型通風空調設計方案;</p><p>　　(2)建立數(shù)學模型和交點圖,借助SES數(shù)值計算軟件,對通風空調系統(tǒng)方案的速度場、溫度場和產熱量進行數(shù)值模擬,得出產熱量的分布規(guī)律,活塞風井、車站及區(qū)間隧道不同型式通風

6、空調系統(tǒng)對隧道內流場、溫度場及新風量的影響規(guī)律。</p><p>　　(3)采用數(shù)值模擬分析與技術經濟比較相結合的方式,綜合考慮車站規(guī)模、通風空調設備初投資、安全可靠性及控制難易程度等因素對兩種典型設計方案進行比較;并依據北京地鐵實際情況,選出適合北京地鐵四號線的較優(yōu)方案。</p><p>　　2 通風空調系統(tǒng)方案研究</p><p>　　2·1 地鐵環(huán)控

7、系統(tǒng)研究方法</p><p>　　目前,世界各國研究地鐵環(huán)控的主要方法有試驗方法和數(shù)值模擬方法。試驗方法分為全尺寸現(xiàn)車試驗和縮尺寸模型試驗;數(shù)值模擬研究方法分為有限差分法、有限元法和特征線法等[2]?，F(xiàn)車試驗和模型試驗組織、實施難度較大,工作量也巨大。利用計算機編制程序對各種方案進行數(shù)值模擬是經濟、可靠的研究手段,已經越來越多的為設計者所采用[3]。</p><p>　　2·2

8、北京地鐵四號線通風空調系統(tǒng)設計方案研究</p><p>　　2·2·1 工程概況</p><p>　　北京地鐵四號線線路全長28.154km,設23座地下車站和1座地面車站。線路南起南四環(huán)路以北的馬家堡西路,終點至頤和園以北的龍背村,是一條穿越豐臺、宣武、西城、海淀四個行政區(qū)貫穿市中心區(qū)的南北向軌道交通主干道[4]。</p><p>　　本次模擬

9、的對象為第三設計標段:陶然亭-菜市口-宣武門,三站兩區(qū)間。這三座車站均為地下雙層島式車站,兩個區(qū)間施工工法為馬蹄形礦山法。</p><p>　　2·2·2 可選方案</p><p>　　地鐵通風空調系統(tǒng)設計,決定著車站規(guī)模、通風空調設備、運行成本、安全可靠性和控制效果,其系統(tǒng)方案的選擇十分重要。為得出較優(yōu)通風空調系統(tǒng),對以下兩種典型方案在正常工況下運行進行數(shù)值模擬分析。

10、</p><p>　　(1)車站及區(qū)間隧道集成的通風空調系統(tǒng)[4](方案一)</p><p>　　該方案區(qū)間機械風道內設置TVF風機及大型表冷器,通過風閥轉換兼容區(qū)間隧道及車站公共區(qū)通風空調、排煙各種工況。方案應用于北京新建地鐵五號線、四號線通風空調系統(tǒng)。系統(tǒng)原理見圖1。</p><p>　　(2)車站及區(qū)間隧道獨立通風空調系統(tǒng)(活塞風道和機械風道相結合)(方案二)

11、</p><p>　　該方案在車站設有公共區(qū)通風空調機房,內設組合式空調箱及回/排風機,獨立負擔車站公共區(qū)的通風空調及事故排煙;站端設活塞風井(活塞風井與機械風井合用),風井內設置供區(qū)間隧道專用的TVF風機及組合風閥,獨立負擔區(qū)間隧道的通風及事故排煙。此方案目前應用于上海、南京、廣州等地鐵通風空調系統(tǒng)。系統(tǒng)原理見圖2、3。</p><p><b>　　3 數(shù)值模擬</b&g

12、t;</p><p><b>　　3·1 物理模型</b></p><p>　　地鐵區(qū)間隧道內空氣流動是三維可壓縮流體非恒定紊流。由于隧道長度遠大于隧道的斷面幾何尺寸,且隧道斷面上氣流速度和壓強分布比較均勻。為簡化計算,可將地鐵隧道、車站內空氣流動簡化為以當量直徑de作為特征尺寸的、以斷面上氣流各要素取平均值作為變量的圓管內氣流一維非恒定流動[5]。由于隧道

13、內氣流速度較低,空氣的Ma小于0.3[6],且溫度變化較小,可將隧道內的空氣流動近似為不可壓縮流體流動。因此,隧道內空氣的流動與傳熱,可簡化為不可壓縮流體在圓管內一維非恒定流動與傳熱。</p><p>　　3·2 模擬計算方法</p><p>　　3·2·1 初始風向設置</p><p>　　區(qū)間風向設置:由陶然亭→菜市口→宣武門(上行

14、區(qū)間方向)為正向;迂回風道風向:下行→上行為正向;出入口及風井風向:由室內→室外大氣為正向;如模擬計算值為“+”,與初始設置方向一致;否則反向。</p><p>　　3·2·2 初始條件及邊界條件</p><p>　　假定模擬計算邊界條件:隧道峒口、風井入口、車站出入口壓力邊界值為0;瞬時所有節(jié)點匯總至一個節(jié)點的總空氣流量等于0。假定初始條件:各點的壓力值均設為0。&l

15、t;/p><p>　　3·2·3 其他原則</p><p>　　計算中采用疊代法求解方程組,調整節(jié)點壓力進行計算。模擬計算的時間隨節(jié)點圖的大小和復雜程度而定。模擬正常工況,列車從陶然亭站到宣武門站運行時間為263s,將模擬運行時間定為1200s(約為5個運行周期)可以得出合理的數(shù)據。</p><p><b>　　3·3 建立節(jié)點圖

16、</b></p><p>　　本次模擬對象為:陶然亭-菜市口-宣武門,三站兩區(qū)間。根據國際上對地鐵環(huán)境系統(tǒng)分析的大量實踐證明,列車模擬運行于由3個車站、10座風井和11個通風區(qū)段組成的系統(tǒng),其計算結果付諸于地鐵實體系統(tǒng),則具有可行性和有效性[7]。</p><p>　　環(huán)控模擬之前,首先建立反映隧道的布置及隧道交接點的特性,反映風井、交叉道及折返區(qū)位置的一個幾何模型,即交點圖[

17、9]。這是計算的基礎,其中組成元素包括節(jié)點(node)、節(jié)(section)、段(segment)、子段(subsegment)、風井(ventshaftsegment)和車站/區(qū)間(station/tunnelsegment)等。各個元素都需要有對應的參數(shù),如長度、坡度、斷面、周長、阻力系數(shù)等。節(jié)點通過各段和子段相互連接,氣流通過節(jié)點流向節(jié)點。</p><p><b>　　3·4 輸入數(shù)據&

18、lt;/b></p><p>　　模擬需輸入隧道及站軌布置、列車營運數(shù)據、客流資料、隧道外界氣象參數(shù)及土壤熱工特性、列車數(shù)據等。主要數(shù)據如下:</p><p>　　3·4·1 氣象數(shù)據</p><p>　　地鐵空調計算采用的室外計算參數(shù)為近20年夏季地下鐵道晚高峰負荷時平均每年不保證30h的干(濕)球溫度[10]。室外氣象參數(shù):晚高峰室外計

19、算干球溫度為32.0℃;晚高峰室外計算相對濕度為65%。</p><p>　　3·4·2 區(qū)間隧道參數(shù)</p><p>　　區(qū)間隧道參數(shù)如表1所示。</p><p>　　3·4·3 土壤熱工特性</p><p>　　土壤導熱系數(shù)λ為1·367W/(m·k),導溫系數(shù)α為7.74

20、15;10-7m2/s,土壤溫度為13℃。</p><p>　　3·4·4 客流數(shù)據</p><p>　　客流數(shù)據采用遠期2032年晚高峰小時模擬車站上、下客流量和區(qū)間斷面客流通過量。</p><p>　　3·4·5 列車參數(shù)</p><p>　　列車參數(shù)如表2所示。</p><p&

21、gt;　　3·4·6 人員負荷</p><p>　　乘客進站時總停留時間4min,其中站廳逗留時間為1.5min,站臺逗留時間為2.5min;乘客出站時總停留時間3min,其中站廳逗留時間為1.5min,站臺逗留時間為1.5min;乘客在車站區(qū)域人體產熱(全熱)按182W/人計算。</p><p><b>　　4 模擬結果</b></p>

22、;<p>　　4·1 模擬結果選取</p><p>　　本次模擬總時長為1200s(列車對開10對),模擬計算數(shù)據節(jié)選①第1020s瞬時下行區(qū)間隧道和車站各斷面風量、風速、溫度(此時16號車加速行駛,18號車停靠在菜市口站,20號車?？吭谛溟T站); ②420~1020s的600s時間內下行區(qū)間隧道和車站各斷面平均流速、平均溫度、產熱量數(shù)據。</p><p><

23、;b>　　4·2 模擬結果</b></p><p>　　4·2·1 區(qū)間隧道和車站產熱量分布</p><p>　　區(qū)間隧道和車站在600s內產熱量隨行車方向上的變化見圖4,可以看出:地鐵內沿行駛方向上的產熱量分布不同,主要集中在車站處,且車站內的區(qū)段越長,產熱量越大。這是因為列車在區(qū)間隧道內行駛產熱量主要為列車三軌產熱,而車站內產熱量包括站臺

24、上人員散熱、車站照明、廣告燈箱發(fā)熱及車站內垂直電梯、扶梯散熱及列車剎車產熱等;長的區(qū)段上設備及人員散熱量也較多。</p><p>　　4·2·2 區(qū)間隧道和車站風速、風量分布</p><p>　　(1)在1020s區(qū)間及車站出入口瞬時風速分布分別見圖5、6,可以看出:隧道內列車行駛狀況不同產生的活塞風速不同。列車加速行駛時活塞風速也隨之增加,停車時車后部的風由于慣性仍然

25、向行車方向運動并處于較大值。列車行駛狀況不同,會使車站樓梯、出入口處于正壓或負壓,從而排風或為從室外吸入新風,形成通風換氣。設置活塞風井的方案二,列車通過時車站和出入口風速降低;表明活塞風井具有泄壓作用。</p><p>　　表3~5分別為瞬時風井及車站出入口總進排風量比較、瞬時車站出入口進排風量比較和出入口及風井進入新風量與區(qū)間隧道總風量比較,由這三個表可以得出:設置活塞風井的方案二,活塞風井及車站出入口總進排

26、風量比不設活塞風井的方案一出入口進排風量大,說明設置活塞風井可增加通風換氣量;設置活塞風井的方案二從車站出入口引入新風含量比方案一隧道內新風含量增加14%~20%,可有效改善隧道內空氣品質,從而使得列車車廂內的新鮮空氣量增多。</p><p>　　(2)在600s內各斷面平均風速分布如圖7所示,可以看出:隧道內平均風速隨著列車行車速度變化,基本成線性關系。因為車站斷面大于區(qū)間隧道斷面,區(qū)間隧道內風速較高;車站站臺

27、附近平均風速低;列車活塞風速最大可達6~8m/s。設置活塞風井的方案二,車站站臺處各段風速均略小于方案一的相應各段風速。</p><p>　　4·2·3 區(qū)間隧道和車站溫度分布</p><p>　　(1)在1020s區(qū)間隧道及車站瞬時斷面平均溫度變化如圖8所示,可以看出:列車行駛及停站處空氣溫度較高,經過后空氣溫度逐漸降低。沿行車方向,列車出站端隧道空氣溫度高于進站端隧

28、道空氣溫度;這是由于列車出站時,活塞風會將列車停車時的剎車散熱帶入隧道。設置活塞風井,有利于列車行駛產生的熱空氣排出,引進室外空氣,增加隧道內空氣流動,因此方案二區(qū)間隧道各段溫度普遍低于方案一。</p><p>　　(2)在600s時間區(qū)間隧道內斷面平均溫度變化如圖9所示,可以看出:車站設置空調系統(tǒng),其空氣溫度低于隧道內空氣溫度;區(qū)間和車站銜接處溫度波動幅度較大,在29~34℃之間波動;隧道中部溫度波幅較小,約保

29、持在30℃左右;兩種方案正常工況下區(qū)間隧道內空氣溫度均低于35℃;即使對遠期運營計劃,夏季熱環(huán)境也不會出現(xiàn)超溫現(xiàn)象,滿足設計規(guī)范[10]要求。</p><p><b>　　4·3 方案比較</b></p><p>　　4·3·1 主要技術經濟指標比較</p><p>　　本文對典型站的兩種方案分別從技術方面、主要通

30、風空調設備的造價及額定用電負荷等進行比較。</p><p>　　兩方案設備選型、機房占地面積等的比較,見表6。方案一的風道數(shù)量及機房面積明顯少于方案二,土建造價低。兩方案額定用電負荷、初投資的比較,見表7。方案二設置活塞風井,可利用活塞風冷卻區(qū)間隧道,減少冷凍機運行時間,兩種方案的空調運行期長短有所不同。車站的BAS系統(tǒng)自動監(jiān)測室外空氣焓值并控制空調設備啟停,運行費用有待根據實際運營參數(shù)計算得出。故本次技術分析未

31、涉及到年運行費用,僅對一個設備滿負荷運轉空調日(5∶00~23∶00)進行運行費用對比。電費采用北京電網銷售電價0.53元/kWh(大工業(yè)用電)。</p><p>　　4·3·2 優(yōu)缺點比較</p><p>　　對上述兩種典型方案進行優(yōu)缺點比較,所得結果見表8。</p><p><b>　　5 結　論</b></p&g

32、t;<p>　　本文以北京新建地鐵四號線第三標段隧道和車站為對象建立數(shù)學模型,借助SES軟件采用數(shù)值模擬法,對兩種典型通風空調系統(tǒng)方案正常運行工況下隧道和車站內產熱量、氣流流場、溫度場進行模擬分析,并進行初步技術經濟比較,得出以下結論。</p><p>　　5·1 數(shù)值模擬的結論</p><p>　　(1)地鐵內沿行駛方向上的產熱量分布不同,主要集中在車站處,因此地

33、鐵車站是首先需設置通風空調系統(tǒng)的部位。</p><p>　　(2)隧道內車行駛狀況不同產生的活塞風速不同;區(qū)間隧道內風速高于站臺風速,列車活塞風速最大可達6~8m/s。</p><p>　　(3)沿行車方向,列車出站端隧道空氣溫度高于進站端隧道空氣溫度;區(qū)間和車站銜接處,溫度波動幅度較大,在29~34℃之間波動;隧道中部溫度波幅較小,約保持在30℃左右。</p><p&

34、gt;　　(4)設置活塞風井對車站和出入口具有降低風速和泄壓作用,削弱活塞風對車站出入口的影響,提高車站內的環(huán)境舒適性;</p><p>　　(5)設置活塞風井可增加通風換氣量,使隧道內新風含量達到35%,比不設活塞進時增加14%~20%;有效改善隧道以至于車廂內空氣品質;有利于列車行駛產生的熱空氣排出,可使區(qū)間隧道各段溫度普遍降低。</p><p>　　5·2 初步技術經濟比較

35、的結論</p><p>　　(1)方案一車站與區(qū)間隧道集成的通風空調系統(tǒng),土建費用低;但空調設備運行時間較長、操控復雜,運營費用及維護管理工作多。方案二車站與區(qū)間隧道獨立的通風系統(tǒng),土建費用高;車站兩端設置活塞風井,可削弱列車運行活塞風對站臺及出入口風速的影響,全新風空調季可利用活塞風,減少冷凍機的運行時間。</p><p>　　(2)從主要通風空調設備初投資、額定用電負荷及空調日運行費對

36、比可知,方案一以車站與區(qū)間隧道的集成通風空調系統(tǒng)設備投資為方案二車站與區(qū)間隧道獨立設置通風系統(tǒng)(活塞風道和機械風道相結合)的1.02倍;方案一的額定用電負荷為方案二的80%左右;方案一的空調日運行費用為方案二的92%左右。</p><p>　　5·3 北京地鐵四號線通風空調系統(tǒng)方案確定</p><p>　　選擇最佳通風空調系統(tǒng)設計方案,同時還應依據當?shù)爻鞘袑煌ǖ木唧w要求和自然條

37、件等確定。鑒于以上研究結論,同時考慮北京地區(qū)地鐵均設置在市政道路下,風道長度大部分在40m以上,活塞風效果不明顯。車站與區(qū)間隧道的集成通風空調系統(tǒng)(方案一)較車站及區(qū)間隧道獨立的通風空調系統(tǒng)(方案二)更適合于北京地鐵實際情況,北京地鐵五號線、四號線通風空調系統(tǒng)設計采用該方案為實施方案。</p><p><b>　　[參考文獻]</b></p><p>　　[1]許斯河

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