葉 雷,陳 霖,閆樹龍,余 濤

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055； 2.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院,成都 610031)

1 概述

目前，國內(nèi)嚴(yán)寒地區(qū)已經(jīng)運營和在建地鐵的城市有沈陽、長春、哈爾濱、烏魯木齊、呼和浩特等。嚴(yán)寒地區(qū)地鐵冬季運行時，列車“活塞效應(yīng)”使得車站出入口、風(fēng)井、隧道洞口等位置大量進(jìn)入外部冷空氣，引起地鐵內(nèi)部溫度急劇降低，尤其是靠近洞口的隧道段，溫度常常低于GB50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》[1]中的5 ℃要求。低溫可能引起地鐵內(nèi)部的設(shè)備、水管等凍損，影響地鐵系統(tǒng)正常運營，安全隱患較大。國外嚴(yán)寒地區(qū)地鐵研究相對較少，國內(nèi)在不同氣候區(qū)地鐵隧道熱環(huán)境實測與模擬[2-5]、地鐵隧道洞口段和出入口保溫防寒[6-8]、車站通風(fēng)系統(tǒng)模擬[9-11]、環(huán)控系統(tǒng)方案對比[12-14]、環(huán)控方案適應(yīng)性分析[15-17]、系統(tǒng)節(jié)能[18-19]等方面做了大量研究。但地鐵環(huán)控系統(tǒng)在北方嚴(yán)寒地區(qū)的適應(yīng)性目前還缺乏全面研究。

針對嚴(yán)寒地區(qū)某典型地鐵線路，建立一維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，對不同環(huán)控系統(tǒng)方案下的車站、隧道熱環(huán)境與熱負(fù)荷進(jìn)行分析，研究合理可行的嚴(yán)寒地區(qū)地鐵環(huán)控系統(tǒng)模式及輔助加熱措施，為嚴(yán)寒地區(qū)地鐵環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計提供技術(shù)參考和數(shù)據(jù)支持。

2 計算模型和計算方法

2.1 典型線路概況

以嚴(yán)寒地區(qū)某地鐵線路為例，建立典型線路模型。標(biāo)準(zhǔn)站為島式車站，站廳地面面積1 764 m2，中心里程斷面積117 m2，周長47.4 m；站臺地面面積1 137 m2，中心里程斷面積47 m2，周長30.8 m。標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間隧道長1 000 m，斷面積20.5 m2，斷面周長16.7 m。車站在出站端采用單活塞風(fēng)井，機械風(fēng)井與活塞風(fēng)井共用，風(fēng)井?dāng)嗝娣e20 m2，周長19.3 m。車站兩端設(shè)迂回風(fēng)道，橫截面積32 m2，周長23.3 m。站廳與站臺之間連接樓梯口部總面積36 m2，總周長41.9 m。站廳出入口4個，每個出入口長50 m，斷面積22.1 m2，周長18.4 m。

2.2 一維數(shù)值計算模型

為分析不同環(huán)控系統(tǒng)模式下的隧道和車站熱環(huán)境，首先建立了包含10個典型站和11個區(qū)間的屏蔽門系統(tǒng)、閉式通風(fēng)系統(tǒng)、全高安全門系統(tǒng)三種模型，見圖1～圖3。

圖1 屏蔽門系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)站及區(qū)間隧道節(jié)點示意(單位：m)

圖2 閉式通風(fēng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)站及區(qū)間隧道節(jié)點示意(單位：m)

圖3 安全門系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)站及區(qū)間隧道節(jié)點示意(單位：m)

屏蔽門系統(tǒng)車站安裝全封閉站臺門，夏季及過渡季運營時，開啟車站端的活塞風(fēng)閥，利用通過列車的活塞效應(yīng)從室外吸入一定量的新鮮空氣對隧道進(jìn)行通風(fēng)換氣，設(shè)置在車站端部迂回風(fēng)道內(nèi)的電動組合風(fēng)閥保持關(guān)閉狀態(tài)。冬季時關(guān)閉車站端的活塞風(fēng)閥，僅開啟車站端部迂回風(fēng)道，使上下行線連通，同時采用小新風(fēng)機對區(qū)間隧道和公共區(qū)補充新風(fēng)，以滿足區(qū)間隧道和車站公共區(qū)新風(fēng)需求。由于冬季室外溫度低，公共區(qū)和區(qū)間隧道不能直接送室外新風(fēng)，且送風(fēng)溫度一般不低于5 ℃。若采用電加熱方式，全線電耗巨大，不具可行性。而區(qū)間隧道由于列車的運行產(chǎn)生大量熱量，使隧道空氣溫度提高，這種余熱在冬季可用于加熱新風(fēng)[13]。因此，冬季擬采用“混風(fēng)模式”，將車站軌行區(qū)溫度較高的空氣與室外低溫空氣混合，滿足送風(fēng)溫度要求后，一部分空氣送入站內(nèi)公共區(qū)，保證車站人員新風(fēng)量要求及站內(nèi)正壓，抑制出入口冷風(fēng)滲透；另一部分空氣送回軌行區(qū)，保證區(qū)間隧道內(nèi)人員新風(fēng)量要求及隧道風(fēng)量平衡。由于實際模型較復(fù)雜，此研究為使模型計算更穩(wěn)定，新風(fēng)的補充采用將活塞風(fēng)井開啟2 m2實現(xiàn)，只研究活塞風(fēng)井進(jìn)入的風(fēng)量是否滿足下一區(qū)間新風(fēng)需求，不具體討論送風(fēng)過程。

閉式通風(fēng)系統(tǒng)車站無站臺門，夏季及過渡季運營時，開啟車站端的活塞風(fēng)閥及風(fēng)道，利用通過列車的活塞效應(yīng)從室外和車站的出入口吸入一定量的新鮮空氣，對車站和隧道進(jìn)行通風(fēng)換氣，設(shè)置在車站端部迂回風(fēng)道內(nèi)的電動組合風(fēng)閥保持關(guān)閉狀態(tài)。冬季時，通常采用閉式通風(fēng)運行模式，關(guān)閉車站端的活塞風(fēng)閥，僅開啟車站端部迂回風(fēng)道，使上下行線連通，利用車站的通風(fēng)路徑進(jìn)行氣流交換。

安全門系統(tǒng)車站安裝全高安全門，頂部有1 m高的空間使站臺與軌行區(qū)連通。夏季及過渡季運營時，開啟車站端的活塞風(fēng)閥及風(fēng)道，迂回風(fēng)閥關(guān)閉，利用通過列車的活塞效應(yīng)從室外和車站出入口吸入一定量的新鮮空氣，實現(xiàn)車站和隧道的通風(fēng)換氣。冬季時采用閉式通風(fēng)運行模式，關(guān)閉活塞風(fēng)閥，僅開啟迂回風(fēng)閥，使上下行線連通，利用車站的通風(fēng)路徑進(jìn)行氣流交換。相比于無安全門的閉式系統(tǒng)，安全門系統(tǒng)下站臺、站廳受隧道活塞風(fēng)影響小。

3 計算結(jié)果及分析

所選地鐵線位于某嚴(yán)寒地區(qū)，冬季隧道通風(fēng)室外空氣計算溫度為-15.3 ℃。列車采用B型車6節(jié)編組，最高運行速度80 km/h，停站30 s，發(fā)車密度初期早高峰12對/h，遠(yuǎn)期晚高峰30對/h。隧道洞口設(shè)1臺熱風(fēng)幕，功率50 kW；車站每個出入口設(shè)4臺熱風(fēng)幕，功率合計70 kW。模擬分析不同系統(tǒng)模式下區(qū)間隧道和車站的溫度及區(qū)間新風(fēng)量。

3.1 冬季熱環(huán)境和新風(fēng)量模擬結(jié)果

3種系統(tǒng)模式下冬季(初期12對/h)正常運營區(qū)間隧道、站臺及站廳溫度見圖4～圖6。

圖4 屏蔽門系統(tǒng)冬季隧道溫度沿線變化

圖5 閉式系統(tǒng)冬季隧道溫度沿線變化

圖6 安全門系統(tǒng)冬季隧道溫度沿線變化

由圖4～圖6可見，采用屏蔽門系統(tǒng)時，除出入口段外，隧道全線溫度高于5 ℃，且大部分區(qū)間溫度在16 ℃以上；采用閉式通風(fēng)系統(tǒng)時，出入口段及部分車站隧道段溫度低于5 ℃，區(qū)間隧道段溫度維持在10～25 ℃，由于站廳的冷風(fēng)通過樓梯侵入站臺，會造成站臺局部溫度陡降至0 ℃左右；采用安全門系統(tǒng)時，由于安全門阻擋列車活塞風(fēng)的作用，冷風(fēng)侵入較閉式系統(tǒng)小，除出入口段和第一個車站外，隧道溫度維持在15～25 ℃。

3種系統(tǒng)模式下隧道、站臺及站廳溫度結(jié)果見表1～表3。采用閉式通風(fēng)系統(tǒng)，列車發(fā)熱量由隧道進(jìn)入站臺較多，使得閉式通風(fēng)系統(tǒng)站臺溫度高于安全門系統(tǒng)。由于站廳出入口冷風(fēng)侵入量大，使得其余2種工況下站廳溫度普遍偏低但差別不大。

高潮再也無心吃飯，站起身，在同事們驚詫的眼神中，游魂一般地走向辦公室。一進(jìn)辦公室，高潮就一屁股坐在電腦前，在“百度”搜索框里輸入關(guān)鍵詞，搜索起來自這座城市的在“溫州動車事故”中的遇難人員來。

表1 屏蔽門系統(tǒng)冬季基本工況模擬結(jié)果 ℃

表2 閉式系統(tǒng)冬季基本工況模擬結(jié)果 ℃

表3 安全門系統(tǒng)冬季基本工況模擬結(jié)果 ℃

從3種系統(tǒng)模式的結(jié)果對比來看，冬季采用屏蔽門系統(tǒng)，除洞口段外，區(qū)間和車站隧道的空氣溫度均滿足規(guī)范中不低于12 ℃的要求。采用閉式系統(tǒng)和安全門系統(tǒng)，站臺、站廳受活塞風(fēng)作用影響大，空氣溫度均有低于0 ℃的現(xiàn)象。此外，采用屏蔽門系統(tǒng)時，站臺、站廳幾乎不受活塞風(fēng)作用，站廳可采用熱風(fēng)幕和門簾，并結(jié)合輔助采暖的方式維持站內(nèi)溫度在12 ℃以上。綜合來看，冬季采用屏蔽門運行模式，車站和隧道空氣溫度更能滿足要求。

屏蔽門系統(tǒng)運行時，需要開啟一定面積的活塞風(fēng)井以保證隧道內(nèi)新風(fēng)需求。圖7和圖8分別表示初期和遠(yuǎn)期不同對數(shù)時從車站出站端活塞風(fēng)井進(jìn)入下一區(qū)間隧道的風(fēng)量，該風(fēng)量也是下一區(qū)間隧道內(nèi)新風(fēng)量。根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：區(qū)間隧道內(nèi)新風(fēng)量每個乘客每小時不少于12.6 m3，列車滿載斷面客流為1 440人，初期開行列車12對/h，每個區(qū)間按行駛2 min計算，可得斷面新風(fēng)量需要約2.0 m3/s。從圖7、圖8結(jié)果來看，即使按遠(yuǎn)期30對/h列車計算，斷面滿載客流時所需新風(fēng)量約為5.0 m3/s，基本所有區(qū)間的新風(fēng)量都滿足要求。

圖7 屏蔽門系統(tǒng)冬季初期12對/h活塞風(fēng)井進(jìn)風(fēng)量

圖8 屏蔽門系統(tǒng)冬季遠(yuǎn)期30對/h活塞風(fēng)井進(jìn)風(fēng)量

3.2 冬季滿足熱環(huán)境設(shè)計要求的熱負(fù)荷

從3.1節(jié)可以看出，3種系統(tǒng)模式均不滿足《地鐵設(shè)計規(guī)范》中隧道段溫度大于5 ℃、站廳和站臺溫度大于12 ℃的要求。本節(jié)進(jìn)一步分析各段滿足設(shè)計要求下的冬季熱負(fù)荷。屏蔽門系統(tǒng)站廳、站臺的熱負(fù)荷可根據(jù)滲透風(fēng)(屏蔽門漏風(fēng)+風(fēng)壓熱壓作用)按10 m3/s計算[20-22]；閉式系統(tǒng)和安全門系統(tǒng)采用區(qū)域溫度控制所需熱負(fù)荷進(jìn)行模擬計算。全線10個車站熱負(fù)荷結(jié)果見表4。

表4 不同系統(tǒng)模式的全線熱負(fù)荷 kW

由于沒有安全門的阻擋，閉式系統(tǒng)受活塞風(fēng)影響最大，從隧道和車站出入口到站臺的冷空氣多，故閉式系統(tǒng)洞口段、站臺和站廳的熱負(fù)荷均大于其他系統(tǒng)。從總負(fù)荷來看，屏蔽門系統(tǒng)的總熱負(fù)荷最小，在冬季采用屏蔽門模式運行的能耗最小。

3.3 夏季熱環(huán)境模擬結(jié)果

為分析夏季時各系統(tǒng)模式的特性，對3種系統(tǒng)模式下夏季晚高峰(遠(yuǎn)期30對/h)正常運營時的區(qū)間隧道溫度、站臺及站廳溫度進(jìn)行模擬分析，結(jié)果見圖9～圖11。

圖9 屏蔽門系統(tǒng)夏季隧道溫度沿線變化

圖10 閉式系統(tǒng)夏季隧道溫度沿線變化

圖11 安全門系統(tǒng)夏季隧道溫度沿線變化

由圖9～圖11可見，采用屏蔽門系統(tǒng)時，列車運行產(chǎn)生的活塞風(fēng)對車站站臺層影響較小，產(chǎn)生的熱量大部分在活塞風(fēng)作用下，流至下游區(qū)間隧道，造成列車運行段隧道空氣溫度逐漸升高，后半段隧道空氣溫度在40 ℃以上，為防止隧道內(nèi)溫度超過規(guī)范要求，必須依靠軌道排熱系統(tǒng)來排除隧道內(nèi)熱量；采用閉式系統(tǒng)時，隧道內(nèi)溫度相對比較穩(wěn)定，區(qū)間隧道段溫度在28 ℃左右，但由于列車停站放熱及站臺熱源的影響，軌行區(qū)及站臺附近溫度波動大，局部溫度高于35 ℃，閉式系統(tǒng)仍需軌道排熱系統(tǒng)排除隧道內(nèi)熱量；采用安全門系統(tǒng)時，由于安全門對列車活塞風(fēng)的阻擋，站臺受軌行區(qū)熱源影響小，且軌行區(qū)處活塞風(fēng)大，有利于熱量的排除，區(qū)間隧道溫度維持在25～32 ℃。從結(jié)果對比來看，夏季采用全高安全門系統(tǒng)運行模式，有利于隧道內(nèi)熱量的排除，遠(yuǎn)期隧道空氣溫度分布滿足規(guī)范要求。

根據(jù)不同系統(tǒng)運行模式下隧道、站臺、站廳夏季溫度結(jié)果可知，當(dāng)不采用軌道排熱系統(tǒng)時，閉式系統(tǒng)模式運行下站臺、站廳空氣溫度高于35 ℃；而全高安全門系統(tǒng)模式下站臺、站廳空氣溫度低于30 ℃，滿足設(shè)計溫度要求，如表5所示。采用閉式系統(tǒng)模式，由于列車的發(fā)熱量由隧道進(jìn)入站臺較多，其站臺空氣溫度高于安全門系統(tǒng)，站廳也受活塞風(fēng)作用大，隧道熱量會影響站廳；而全高安全門系統(tǒng)能減小活塞風(fēng)作用，使站廳受隧道熱量影響小，故安全門系統(tǒng)站廳空氣溫度低。

表5 安全門系統(tǒng)夏季工況模擬結(jié)果 ℃

3.4 地鐵環(huán)控系統(tǒng)模式對比分析

通過不同系統(tǒng)模式的運行結(jié)果來看，嚴(yán)寒地區(qū)地鐵在冬季宜采用屏蔽門運行模式，以減小室外冷空氣影響，且在洞口段能最大限度減小低溫段；在夏季宜采用全高安全門運行模式，充分利用活塞風(fēng)作用對車站和隧道降溫，且不用開啟軌排系統(tǒng)就能保持隧道和車站熱環(huán)境，節(jié)能性好。

顯然，為使地鐵環(huán)控系統(tǒng)在夏季、冬季運行時兼具安全門系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)的優(yōu)勢，宜采用可調(diào)通風(fēng)型站臺門系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了屏蔽門與安全門的特點，空調(diào)或供暖季節(jié)關(guān)閉門體上的開口，按屏蔽門模式運行；非空調(diào)季節(jié)開啟門體上的開口，按安全門模式運行。通過以上分析，可以認(rèn)為在嚴(yán)寒地區(qū)采用可調(diào)通風(fēng)型站臺門實現(xiàn)冬夏季運行模式切換是最優(yōu)方案。

此外，從模擬結(jié)果來看，不管采用何種模式隧道洞口始終有部分段空氣溫度低于5 ℃，且車站出入口處受室外冷風(fēng)作用也強，溫度普遍較低。結(jié)合工程實際，可采用在洞口設(shè)置防寒門、小型熱風(fēng)幕、陽光罩棚，車站出入口設(shè)置熱風(fēng)幕和門簾，洞口段設(shè)置迂回風(fēng)閥及風(fēng)井處水管加保溫等防寒措施，以改善洞口段和車站出入口段的熱環(huán)境。

4 結(jié)論

以嚴(yán)寒地區(qū)某典型地鐵線路為研究對象，采用數(shù)值模擬方法對屏蔽門系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)和全高安全門3種系統(tǒng)模式下的隧道和車站熱環(huán)境進(jìn)行模擬計算，分析了嚴(yán)寒地區(qū)地鐵適宜的環(huán)控系統(tǒng)方案，得到如下結(jié)論。

(1)冬季屏蔽門系統(tǒng)可減少室外冷風(fēng)作用，洞口附近及區(qū)間隧道空氣溫度比其他兩種模式溫度高；車站站臺、站廳幾乎不受活塞風(fēng)影響，輔助采暖即可滿足設(shè)計要求，且熱負(fù)荷最小。

(2)夏季全高安全門系統(tǒng)時，安全門對列車活塞風(fēng)有一定阻擋作用，有利于軌行區(qū)排熱和減小對站臺、站廳的熱擾作用，不開啟軌道排熱系統(tǒng)就能滿足區(qū)間隧道和車站公共區(qū)空氣溫度設(shè)計要求。

(3)嚴(yán)寒地區(qū)地鐵采用可調(diào)通風(fēng)型站臺門系統(tǒng)，在夏季按全高安全門模式運行、冬季按屏蔽門模式運行，并在洞口和出入口進(jìn)行保溫防寒設(shè)計，可使地鐵隧道和車站內(nèi)全年熱環(huán)境滿足設(shè)計要求。

研究提出的冬夏季不同環(huán)控系統(tǒng)模式，可為嚴(yán)寒地區(qū)地鐵環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計提供參考依據(jù)。后期可結(jié)合實際線路的運行情況，進(jìn)一步分析洞口段和車站出入口的防寒措施效果，完善嚴(yán)寒地區(qū)地鐵環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計理論。