地鐵屏蔽門滲透風對車站空調負荷影響的數值模擬研究

中建五局三公司設計研究院 李 亮清華大學 李曉鋒 王春旺 李 嚴

0 引言

地鐵列車在區間隧道內運動會產生活塞風，活塞風會通過屏蔽門及屏蔽門的縫隙流入車站，不僅影響車站站臺和通道上的乘客舒適性，更會影響車站的空調負荷。隨著地鐵客流量、發車密度及運行年限增加，地鐵隧道內溫度逐年升高，實測北京地鐵區間隧道內夏季最高溫度己經達到31 ℃[1],而廣州地鐵區間隧道內夏季最高溫度達35 ℃[2]。屏蔽門滲透風帶入車站的熱量是地鐵公共區空調負荷的主要組成部分之一，區間隧道溫度的升高，必然導致車站負荷的增加。楊暉分析了流速對候車乘客舒適性的影響,計算了活塞風所造成的站臺通風量,分析了其對改善空氣質量所起的作用，并提出了未來地鐵站臺環控系統設計應當考慮的問題[3]；董書蕓對活塞風對地鐵環境的影響規律進行了研究分析,并探討了能夠有效利用活塞風的帶風口屏蔽門系統在北方城市地鐵中的應用前景,為地鐵工程設計提供了必要的依據[4]；李俊提出采用網絡法估算屏蔽門漏風量，并研究了屏蔽門漏風對站內空調系統負荷的影響,給出了屏蔽門漏風所引起的空調負荷的計算公式[5]?，F有研究中缺少通過屏蔽門滲透到車站的空氣中到底有多少進入了空調回風而成為車站空調負荷的研究。本文以某標準地下2層島式地鐵車站站臺為研究對象，根據站臺的實際幾何尺寸建立物理數學模型，采用CFD數值模擬軟件對屏蔽門滲入風進入空調回風的風量與屏蔽門滲入風量的比例進行模擬計算，模擬采用K-ε兩方程模型，應用SIMPLE算法求解。

1 數值計算模型

1.1 車站模型

圖1為車站站臺一半區域(另一側基本相同)的空調風系統平面示意圖。主要參數如下：1) 站臺公共區尺寸(長×寬×高)為114.0 m×10.0 m×4.0 m，站臺與站廳之間有2個連接通道，每個通道口寬3.0 m，長2.0 m；2) 屏蔽門有18個滑動門，滑動門高度為2.2 m，頭尾的2個門寬度為1.6 m，中間16個門的寬度為2.0 m；3) 圖中的綠線風管為送風管，站臺的總送風量為60 000 m3/h，風口數量為42個，單個風口尺寸為0.3 m×0.2 m；4) 圖中的紅線風管為回風管，站臺的總回風量為54 000 m3/h，風口數量為10個，單個風口尺寸為0.6 m×0.3 m。車站CFD模型如圖2所示。

圖1 站臺層空調送回風平面圖

圖2 車站CFD模型

實際站臺內部結構及運行情況較為復雜，模型作如下簡化：忽略站臺內結構支柱、樓梯等構件對空氣流動的影響。

1.2 邊界條件

1) 站臺與站廳通過2座樓梯連接，連接口定義為壓力邊界；2) 空調送風口和回風口均定義為風量邊界，風量分別取0.4 m3/s和1.5 m3/s；3)隧道通過屏蔽門的滲透風定義為風量邊界，不同方案的風量見表1。

表1 不同方案屏蔽門滲透風量 m3/h

1.3 模擬工況

為了分析不同屏蔽門滲透風量對車站空調負荷的影響，設置25種工況，見表1。

1.4 計算方法

從車站區間隧道滲入站臺的空氣，一部分通過站臺又進入隧道，另一部分進入站臺的空調回風，其余進入站廳。為了定量分析屏蔽門滲透風量中到底有多少進入車站空調回風系統而產生車站的空調負荷，引入摻混率的概念。

Q=Q1+Q2+Q3

(1)

(2)

(3)

η=ηp+ηh

(4)

式(1)～(4)中Q為從屏蔽門滲入車站的風量；Q1為從車站滲入屏蔽門的風量；Q2和Q3分別為屏蔽門滲入風進入站臺和站廳空調回風的風量；ηp、ηh、η分別為站臺、站廳和整個車站的摻混率。

2 模擬計算結果及分析

2.1 站臺

屏蔽門滲出風量、滲入風量與站臺摻混率的關系分別見圖3、4。站臺摻混率模擬結果如表2所示。分析可得出如下結果。

1) 站臺摻混率與屏蔽門滲出風量呈線性關系(見圖3)，且風量對摻混率的影響較小。

滲入風量為1.0萬、1.5萬和2.0萬m3/h時，

圖3 屏蔽門滲出風量與站臺摻混率的關系

圖4 屏蔽門滲入風量與站臺摻混率的關系

表2 站臺摻混率模擬結果 %

摻混率隨著滲出風量的增大而減小，滲出風量每增大0.5萬m3/h，摻混率減小約2.5%；滲入風量為2.5萬和3.0萬m3/h時，摻混率隨著滲出風量的增大而增大，滲出風量每增大0.5萬m3/h，摻混率增大約1.0%。

2) 站臺摻混率隨著屏蔽門滲入風量的增大而減小(見圖4)，且風量對摻混率的影響較大。

滲出風量為1.0萬、1.5萬、2.0萬、2.5萬和3.0萬m3/h時，隨著滲入風量從1.0萬m3/h增大到3.0萬m3/h，摻混率從83%～93%逐漸減小為61%～66%，且減小速度逐漸加快，平均減小約25%。

3) 站臺平均摻混率約為79%，說明滲入車站的空氣主要進入了站臺的空調回風。

由于屏蔽門滲出風量對摻混率的影響較小，所以可忽略其影響，以滲出風量1.5萬m3/h的模擬結果建立屏蔽門滲入風量與站臺摻混率的數量關系，見圖5，可以看到，二者呈二次函數關系，相關系數R2超過了0.99，相關性極強，站臺摻混率可直接利用式(5)計算得到。

ηp=-0.072Q2+0.167Q+0.781

(5)

圖5 屏蔽門滲入風量與站臺摻混率的擬合曲線

2.2 站廳

1) 站廳摻混率隨著屏蔽門滲出風量的增大而減小(見圖6)，且風量對摻混率的影響較大。

圖6 屏蔽門滲出風量與站廳摻混率的關系

滲入風量為1.0萬、1.5萬和2.0萬m3/h時，站廳摻混率基本都為0；滲入風量為2.5萬m3/h和3.0萬m3/h時，滲出風量從1.0萬m3/h增大到3.0萬m3/h，摻混率分別從25%和30%逐漸減小為1%和8%。

2)站廳摻混率隨著屏蔽門滲入風量的增大而增大(見圖7)，且風量對摻混率的影響較大。

圖7 屏蔽門滲入風量與站廳摻混率的關系

滲出風量為1.0萬、1.5萬、2.0萬、2.5萬和3.0萬m3/h時，隨著滲入風量從1.0萬m3/h增大到3.0萬m3/h，摻混率從0逐漸增大為8%～30%，平均增大約20%。

3)站廳平均摻混率約為6%，說明滲入車站的空氣只有一小部分進入了站廳的空調回風。站廳摻混率模擬結果見表3。

屏蔽門滲入風量小于2.0萬m3/h時，站廳摻混率都為0；屏蔽門滲入風量為2.5萬m3/h和3.0萬m3/h時，摻混率同時受到屏蔽門滲入和滲出風量的影響，無法建立站廳摻混率與屏蔽門滲入/滲出風量的函數關系，站廳摻混率可根據表4采用插值法取值。

表3 站廳摻混率模擬結果 %

表4 站廳摻混率參考取值表 %

2.3 對車站空調負荷的影響

根據站臺和站廳摻混率的計算結果，得到整個車站的摻混率，可以看到：整個車站摻混率在74%～98%之間，平均值約為85%，說明滲入車站的空氣中絕大部分進入了空調回風，其中分別平均約有79%和6%進入了站臺和站廳的空調回風，這部分滲透風將會增加車站的空調負荷。

隧道溫度按照規范中的限值取40 ℃[6]，站臺和站廳溫度分別取28 ℃和29 ℃，計算可得，屏蔽門滲風所增加的站內空調負荷在37～122 kW之間，平均約為75 kW。整個車站摻混率統計如表5所示。

表5 整個車站摻混率統計 %

3 結論

1) 站臺摻混率受屏蔽門滲出風量的影響較小，主要是受屏蔽門滲入風量的影響，且摻混率隨著滲入風量的增大而減??；擬合得到了站臺摻混率與屏蔽門滲入風量的二次函數關系式。

2) 站廳摻混率同時受到屏蔽門滲出風量和滲入風量的影響，隨著屏蔽門滲出風量的增大而減小，隨著屏蔽門滲入風量的增大而增大。屏蔽門滲入風量小于2.0萬m3/h時，站廳摻混率都為0；屏蔽門滲入風量大于2.0萬m3/h時，站廳摻混率可采用插值法并根據參考取值表取值。

3) 整個車站摻混率在74%～98%之間，平均值約為85%，說明隧道滲入車站的空氣主要進入了空調回風，其中平均約有79%進入了站臺空調回風，約有6%進入了站廳空調回風。這部分滲風將會增加車站的空調負荷。隧道溫度按運行遠期取40 ℃，計算得到滲風所增加的站內空調負荷約為37～122 kW，平均值約為75 kW。

4) 給出屏蔽門不同滲入/滲出風量時站臺摻混率的計算公式和站廳摻混率的插值取值表，可用于地鐵車站空調負荷計算時取值參考，指導空調系統的設計。