北京新建地铁通风空调系统模拟分析

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

地铁和轻轨作为城市快速轨道交通的重要组成部分,具有低污染、低能耗、容量大、安全快捷、正点率高等优点,被公认为“绿色交通”,是城市大运量公交系统首选。

地铁一般深处地下,是一个由多个车站通过隧道连接成的相对封闭空间[1],与外界的空气交换只能通过车站出入口和有限的隧道风井来进行,因此必须合理设计地铁通风空调系统,利用人工方法对地铁内的温度、湿度、有害物浓度和空气流速等进行控制,为乘客提供适宜的环境;并在紧急情况下保证乘客的安全。在实际运行中,地铁通风空调系统的耗电仅次于列车牵引用电,其投资直接影响地铁工程建设的总费用。因此,地铁通风空调系统的合理设计及节能研究成为发展地铁交通设施的重要课题之一。

1.2 研究目的及内容

本研究旨在为新建地铁通风空调系统方案的选择、系统的合理设计与科学的运行管理提供有价值的数据资料,为地铁环控系统流动传热与节能研究提供参考。具体研究内容包括以下三点:

(1)结合正在承担的北京地铁四号线通风空调系统设计任务,对地铁四号线第三设计标段三站两区间(陶然亭-菜市口-宣武门)拟出两种典型通风空调设计方案;

(2)建立数学模型和交点图,借助SES数值计算软件,对通风空调系统方案的速度场、温度场和产热量进行数值模拟,得出产热量的分布规律,活塞风井、车站及区间隧道不同型式通风空调系统对隧道内流场、温度场及新风量的影响规律。

(3)采用数值模拟分析与技术经济比较相结合的方式,综合考虑车站规模、通风空调设备初投资、安全可靠性及控制难易程度等因素对两种典型设计方案进行比较;并依据北京地铁实际情况,选出适合北京地铁四号线的较优方案。

2 通风空调系统方案研究

2.1 地铁环控系统研究方法

目前,世界各国研究地铁环控的主要方法有试验方法和数值模拟方法。试验方法分为全尺寸现车试验和缩尺寸模型试验;数值模拟研究方法分为有限差分法、有限元法和特征线法等[2]。现车试验和模型试验组织、实施难度较大,工作量也巨大。利用计算机编制程序对各种方案进行数值模拟是经济、可靠的研究手段,已经越来越多的为设计者所采用[3]。

2.2 北京地铁四号线通风空调系统设计方案研究

2.2.1 工程概况

北京地铁四号线线路全长28.154km,设23座地下车站和1座地面车站。线路南起南四环路以北的马家堡西路,终点至颐和园以北的龙背村,是一条穿越丰台、宣武、西城、海淀四个行政区贯穿市中心区的南北向轨道交通主干道[4]。

本次模拟的对象为第三设计标段:陶然亭-菜市口-宣武门,三站两区间。这三座车站均为地下双层岛式车站,两个区间施工工法为马蹄形矿山法。

2.2.2 可选方案

地铁通风空调系统设计,决定着车站规模、通风空调设备、运行成本、安全可靠性和控制效果,其系统方案的选择十分重要。为得出较优通风空调系统,对以下两种典型方案在正常工况下运行进行数值模拟分析。

(1)车站及区间隧道集成的通风空调系统[4](方案一)

该方案区间机械风道内设置TVF风机及大型表冷器,通过风阀转换兼容区间隧道及车站公共区通风空调、排烟各种工况。方案应用于北京新建地铁五号线、四号线通风空调系统。系统原理见图1。

(2)车站及区间隧道独立通风空调系统(活塞风道和机械风道相结合)(方案二)

该方案在车站设有公共区通风空调机房,内设组合式空调箱及回/排风机,独立负担车站公共区的通风空调及事故排烟;站端设活塞风井(活塞风井与机械风井合用),风井内设置供区间隧道专用的TVF风机及组合风阀,独立负担区间隧道的通风及事故排烟。此方案目前应用于上海、南京、广州等地铁通风空调系统。

3 数值模拟

3.1 物理模型

地铁区间隧道内空气流动是三维可压缩流体非恒定紊流。由于隧道长度远大于隧道的断面几何尺寸,且隧道断面上气流速度和压强分布比较均匀。为简化计算,可将地铁隧道、车站内空气流动简化为以当量直径de作为特征尺寸的、以断面上气流各要素取平均值作为变量的圆管内气流一维非恒定流动[5]。由于隧道内气流速度较低,空气的Ma小于0.3[6],且温度变化较小,可将隧道内的空气流动近似为不可压缩流体流动。因此,隧道内空气的流动与传热,可简化为不可压缩流体在圆管内一维非恒定流动与传热。

3.2 模拟计算方法

3.2.1 初始风向设置

区间风向设置:由陶然亭→菜市口→宣武门(上行区间方向)为正向;迂回风道风向:下行→上行为正向;出入口及风井风向:由室内→室外大气为正向;如模拟计算值为“ ”,与初始设置方向一致;否则反向。

3.2.2 初始条件及边界条件

假定模拟计算边界条件:隧道峒口、风井入口、车站出入口压力边界值为0;瞬时所有节点汇总至一个节点的总空气流量等于0。假定初始条件:各点的压力值均设为0。

3.2.3 其他原则

计算中采用叠代法求解方程组,调整节点压力进行计算。模拟计算的时间随节点图的大小和复杂程度而定。模拟正常工况,列车从陶然亭站到宣武门站运行时间为263s,将模拟运行时间定为1200s(约为5个运行周期)可以得出合理的数据。

3.3 建立节点图

本次模拟对象为:陶然亭-菜市口-宣武门,三站两区间。根据国际上对地铁环境系统分析的大量实践证明,列车模拟运行于由3个车站、10座风井和11个通风区段组成的系统,其计算结果付诸于地铁实体系统,则具有可行性和有效性[7]。

环控模拟之前,首先建立反映隧道的布置及隧道交接点的特性,反映风井、交叉道及折返区位置的一个几何模型,即交点图[9]。这是计算的基础,其中组成元素包括节点(node)、节(section)、段(segment)、子段(subsegment)、风井(ventshaftsegment)和车站/区间(station/tunnelsegment)等。各个元素都需要有对应的参数,如长度、坡度、断面、周长、阻力系数等。节点通过各段和子段相互连接,气流通过节点流向节点。

3.4 输入数据

模拟需输入隧道及站轨布置、列车营运数据、客流资料、隧道外界气象参数及土壤热工特性、列车数据等。主要数据如下:

3.4.1 气象数据

地铁空调计算采用的室外计算参数为近20年夏季地下铁道晚高峰负荷时平均每年不保证30h的干(湿)球温度[10]。室外气象参数:晚高峰室外计算干球温度为32.0℃;晚高峰室外计算相对湿度为65%。

3.4.2 区间隧道参数

区间隧道参数如表1所示。

3.4.3 土壤热工特性

土壤导热系数λ为1.367W/(m.k),导温系数α为7.74×10-7m2/s,土壤温度为13℃。

3.4.4 客流数据

客流数据采用远期2032年晚高峰小时模拟车站上、下客流量和区间断面客流通过量。

3.4.5 列车参数

列车参数如表2所示。

3.4.6 人员负荷

乘客进站时总停留时间4min,其中站厅逗留时间为1.5min,站台逗留时间为2.5min;乘客出站时总停留时间3min,其中站厅逗留时间为1.5min,站台逗留时间为1.5min;乘客在车站区域人体产热(全热)按182W/人计算。

4 模拟结果

4.1 模拟结果选取

本次模拟总时长为1200s(列车对开10对),模拟计算数据节选①第1020s瞬时下行区间隧道和车站各断面风量、风速、温度(此时16号车加速行驶,18号车停靠在菜市口站,20号车停靠在宣武门站); ②420~1020s的600s时间内下行区间隧道和车站各断面平均流速、平均温度、产热量数据。

4.2 模拟结果

4.2.1 区间隧道和车站产热量分布

区间隧道和车站在600s内产热量随行车方向上的变化见图4,可以看出:地铁内沿行驶方向上的产热量分布不同,主要集中在车站处,且车站内的区段越长,产热量越大。这是因为列车在区间隧道内行驶产热量主要为列车三轨产热,而车站内产热量包括站台上人员散热、车站照明、广告灯箱发热及车站内垂直电梯、扶梯散热及列车刹车产热等;长的区段上设备及人员散热量也较多。