摘  要: 对地铁运行产热的因素作了详细的阐述。根据列车的运行状态，对产热量进行定量分析，拟合了单列列车在 1 000 m 区间隧道运行中，在不同时速运行条件下，单次列车通过区间得热量。对列车动态环境下的热量分配进行了线性回归，表明留在区间隧道内热量较小，大部分热量随着活塞风的传递作用进入前方站台和前方区间隧道，列车运行速度对热量分配具有不同的影响。

关键词: 地铁; 区间隧道; 热负荷; 产热量; 活塞风; 热量分配

 

      地铁作为一种地下建筑、具有一定的密封性。其内部有明显的内热源，包括列车启动和制动系统产热，列车空调产热，人员产热等。它是影响区间隧道及站台热环境的主要因素。由于客流量的变化，内热源的强度也随之变化。根据《地铁设计规范》( GB50157—2003) ，地铁区间隧道夏季的最高温度应符合下列规定:

      1) 列车车厢不设置空调时，不得高于 33 ℃ 。

      2) 列车车厢设置空调，车站不设屏蔽门时，不得高于 35 ℃。

      3) 列车车厢设置空调，车站设屏蔽门时，不得高于 40 ℃。

      仅靠空气的自然流动和扩散，是无法排除如此巨大的热湿负荷，从而难以保持地铁内部热环境满足地铁设备正常运转的需要，因此，必须设置地铁环控系统。

      目前，地铁环控系统冷水机组、空调机组和区间通风系统包括车站排热系统兼排烟系统( 又称UPE / OTE 系统) 、区间隧道活塞通风和机械通风系统兼排烟系统( 简称 TVF 系统) 。这些设备的装机容量都比较大，设备投资较高，运行能耗较大。在地铁运营初期，环控系统能耗甚至超过总能耗的50% ，关系到地铁运营的经济性。夏季，外界的焓值要大于地铁内部环境的焓值，采用闭式系统制式的地铁环控系统热季采用闭式运行，地铁内部基本上与外界大气隔绝。通常关闭隧道通风井，打开车站内迂回风道，车站一般采用空调系统，而区间隧道的冷却是借助列车运行的活塞效应和在站台处UPE / OTE 系统排除余热。所以，区间得热的研究对选择控制区间温升的方法及设备容量的选型和节能运行具有重要意义。

 

      列车在区间内的运行，伴随着将输入的电能转换为热量排放到区间内。列车的运动和发热构成了区间隧道中的移动热源，其产热量通过活塞效应在区间隧道内输送。列车运行产热量大体可分为4 部分。

      启动过程中的电能损失，亦即电机损失和电机控制机构损失，在地铁热环境得热量中是一项重要的影响因素。电机损失主要是电机绕组上的电流造成热量损失; 电机控制机构损失主要来源于在加速时为防止电机过载而用来控制电机电路的加速电阻而产生的热量损失( 见表 1) 。

      大多数地铁车辆都设有多重制动系统，包括摩擦式的盘式制动器和电力制动装置。当采用盘式制动装置时，由列车动能转化而来的热能将释放到电阻器的散热片上，最终以热量形式( 通过车轮摩擦作用，通过电阻器的栅板散热) 散发出去; 电力制动时，牵引电机起到和发电机相同的作用，其中再生式制动器的使用，可将列车制动时产生能量的75% 重新利用。

      由于列车车速和加速性能的提高，要求列车的功率更加强大，最终导致了功率损失的增加。在这些损失中，主要来自于制动和加速。其中，制动是最重要的。列车运行时，所输入能量中大约有 50%分配给了制动系统，或者说是整个地铁系统产生热量的 45%。

      在列车平稳运行过程中，所消耗的牵引力基本上是以热能的形式散发出去。热量主要由空气阻力、机械阻力和牵引电机损失所产生的热量组成。

      空气阻力来自于列车与隧道之间环形区域内的空气流过列车表面，对列车造成的阻力。空气阻力与速度的平方成正比，因此空气阻力随车速提高增加很快。粘滞空气阻力增加了地铁系统内空气的内能，并使散失到隧道的热量增加。机械阻力即机械摩擦损失，由轴颈摩擦、车轮及周边摩擦、摆动及振动阻力构成。

      列车安装了顶置式空调装置，用于保证乘客在乘坐地铁过程中具有良好的舒适性。热量从车厢内抽出来，通过冷凝器排到周边环境内。作为空调单元的整体部分，空调压缩机的工作也将产生热量。

      此外，车厢内主要的附属设备是气动操作所需的空压机，采用气动操作的设备主要是制动器，以及供照明或为其它电气装置提供电能的发电机组。以上这些热量也将进入地铁区间中。

      电能一般通过一个设在轨道旁的第三轨，或设在顶部的接触网，从供电所将电能传输给地铁列车。电流再经过行驶轨道或分离式返回轨道连接装置返回供电所。第三轨中的能量损失在列车加速过程中电机电流最大时最大。这部分损失将以热量形式进入地铁系统中。

 

      启动过程的发热量主要包括启动阻力发热、空气阻力发热及该过程的辅机散热。在列车启动时，原来停止的车辆轴与轴承间由于油膜被破坏而呈金属间直接接触，这时的磨擦阻力最大。在走行速度为 2 ～3 km/h 时阻力最小。另外，启动阻力的大小还与轴承接触面的形状、加油情况、气候等有关，一般取 1． 5 ～3 kgf/T，此处取 2． 0 kgf/T。

      启动阻力所消耗的功，当列车行驶距离为 l₁( m) ( 当速度为 2 ～ 3 km/h 时，一般取 10 m) 时，启动阻力所消耗的功为:

R₁= r₁W_el₁          ( 1)

式中: r₁———启动阻力( kgf/T)

      W_e———列车总重量( T) ，为列车自重 W_t与列车人员平均载重重量 W_p之和;

      l₁———行驶距离( m) 。

      启动阻力的发热量 Q_s( J)

Q_s= 9． 8R₁         ( 2)

      为了使列车加速运行，就必须有克服走行阻力产生加速度的牵引力，这时产生的力就叫做加速阻力。加速度所需要的力，根据运动第二定律求解。

F = W_e·a              ( 3)

式中: F———加速所需要的力( N) ;

        a———列车加速度( m / s²) 。

      其中 a 为列车实际所需的加速度 a₁，再考虑一个惯性系数。该系数英国一般取 0． 08，日本一般取0． 09，本文采用 0． 09。因此:

a = ( 1 + 0． 09) a₁= 1． 09a₁   ( 4)

      当加速距离为 l₂( m) 时，走行阻力所消耗的功 R₂的计算式为:

R₂= FW_el              ( 5)

      加速阻力的产热量 Q_a( J) ，表示为:

Q_a= 1 000R₂         ( 6)

      列车在直线上行走的阻力包括车轴与轴承之间的摩擦，车轮与钢轨间的摩擦，列车前后部的负压及车辆连接部的空气涡流、空气阻力等。该状态发热主要来源于列车与隧道之间环形区域内的空气流过列车表面的空气阻力。

      空气阻力的产热量 Q_d定义为:

Q_d= F_d·S                 ( 7)

式中 F_d为空气阻力，表示为

F_d= A_f·ρ·C_d· ( 8)

式中: A_f———车头截面积，m²A_f= S = 14． 37 m²;

         ρ———空气密度，kg /m³= 1． 25 kg / m³;

      C_d———空气动力学系数 C_d= 4． 4;

      V_ave———列车平均速度，m/s V_ave= 12． 5 m / s;

      S———行驶路程，m。

      我国地铁列车大都采用接触网直流供电，牵引系统大都是变压变频的交流传动系统。列车牵引时从电网吸收能量，制动时采用反馈制动把制动能量反馈回电网。制动发热是由于制动作用，使列车的动能或者势能转变成热能。与此同时，安装再生制动装置的列车动能的一部分，转换成电能返送回电车线路。

      根据上海地铁列车的运行现状，制动过程分为两部分:

      第一部分为列车在无牵引力下的减速过程，此时电动机变为了发电机，将动能转化成电能。当电网电压升高到一定程度( 1 800 V) 时采用电阻制动，列车配置了制动电阻来消耗列车制动时线路其它列车不能吸收的制动能量，产生热量。

      第二部分为在站台近停车位处，直接采用机械制动，由于机械摩擦力作用将动能转化成热能。

      制动过程列车的发热量为空气阻力发热，其中:

      机械阻力:

      F_m= 5． 8 × 10^－3+ ( 516 / W_e) +4． 5 × 10^－4× V_ave，N/kg ( 9)

      机械阻力产热量 Q_m= F_mSW_e，( J)   ( 10)

      机械阻力发热在启动、加速、正常行驶时不计，仅在机械制动时考虑。

      动能变化 KE =0． 5 × W × ( ) ( 11)

      制动过程中，第三轨发热量取转化效率为 42%( 58%是可再生能) 。即

      Q_third= ( KE － Q_m) × 42%    ( 12)

 

      以单车通过 1 000 m 区间隧道的计算为例。列车为 6 节编组，基本参数见表 2，列车运行情况见表 3。

      列车制动过程大部分为在无牵引力下的减速过程，表现为 ED( Electro Dynamic) 制动效应从平稳水平在距离停车点 2m 距离时骤降为 0，与之同时，摩擦制动效应骤增，列车采用机械制动。

      表 4 为运行过程产热过程热量分布。由于列车匀速时间较长，匀速运行时的列车产热占到了54% 。制动过程列车发热量占总发热量的 38% ，其中大部分主要是电阻制动过程中的第三轨发热。机械制动过程将动能直接转换为热能，列车 2 m 的运行距离其产热量占到了总热量的 3%。启动至加速过程中由于为克服加速阻力而伴随复杂的机械运动的产热，发热量占到总发热量的 8%。

      表 5 为不同类型产热量分布。由列车冷凝器为主的辅机产热量占到了总产热量的 57%，其次是制动过程中的第三轨产热，机械阻力发热及空气阻力产热量较小。

      对于 1 000 m 的运行距离，按现行列车最高时速达到 60 km/h，即 12． 5 m/s，列车运行的过程发热量为 38 153． 8 kJ，平均 421． 65 kW。列车运行过程中，电阻制动时的产热强度最大( 见图 1) 。

      图 2 描述了单列列车在运行 1 000 m 中，以不同时速运行的情况下单次列车通过区间的得热量。拟和上述曲线，得如下关系:

Q_total= 231． 12 － 5 660 + 68 514 ( 13)

式中: Q_total———总得热量( kJ) ;

         v_max———最高时速( km/h) 。

      由于列车运动同时影响了地铁环境中固定热源的散热分布，热负荷的实际分布情况皆与列车的运动状态相关。

      列车运动引起的活塞风效应作为热量的载体，将热量在列车运行线路中重新分配，大部门热量都传递给前方站台和隧道区间，特别是站台热环境受活塞风传递热量影响最严重。上海地铁 2 号线为避免受由活塞风携带的列车运行产热量影响，在进站台区域的区间隧道上方设计了冷却阻尼风系统。其设计风量为大系统空调送风总量的 20% 左右，利用冷风幕作用阻止活塞风侵入站台，并可起到冷却活塞风的效果，尽量降低列车进站前活塞风对站台环境的影响。

      对上述热量分配进行回归，见图 3。

      对上述的热量分配进行一元线性回归表明，留在隧道区间的热量及进入前方隧道的热量随列车速度的增加而增大，进入前方隧道的热量受列车运行速度影响更明显; 而进入车站的热量随列车速度的增加而减小。

 

      列车运行产热量分为列车启动和制动过程、列车平稳运行过程、列车空调设备及辅助设备及第三轨能量损失等产热量组成。由列车冷凝器为主的辅机散热量及列车制动时的发热量构成了区间隧道得热的主要部分。制动过程的发热强度最大，而列车动态环境下的热量分配，留在区间隧道内热量较小，大部分热量随着活塞风的传递作用进入前方站台和前方隧道区间，对前方区间和车站热环境影响较大。列车运行速度对热量分配存在不同的影响。

 

［1］ 陈宗器． 中国轨道交通的现状和展望［J］． 电器工业，2003． 4:1 － 5．

［2］ GB 50157—2003 地铁设计规范［S］．

［3］ 葛柳平，关张欢，由世俊． 地铁环境控制系统的计算与设计［J］． 供热制冷，2003，10: 46 －49．

［4］ 刘晶． 地铁热环境影响因素研究［D］． 天津: 天津大学，2003．

［5］ 钟星灿． 地铁空调负荷分析及估算［J］． 暖通空调 HVAC，2006，36( 6) : 72 － 76．