摘 要:地铁隧道通风系统普遍采用远期最不利工况选型运营对能源的浪费较大，为研究相应节能措施及节能效果，通过分析不同时期客流量、列车运行模式和土壤蓄热等变化因素的影响，采用地铁环境模拟软件对不同运营时期、多种风量工况下地铁热环境进行逐时模拟。结果表明，地铁隧道内全日最高气温出现在晚高峰时刻; 初期、近期关闭轨道排热风井隧道内气温满足规范要求，大量节省能耗; 远期推荐排热风量选取40 m³/ s; 远期活塞井主要表现为引进新风。

关键词: 地铁; 节能; 模拟; 隧道通风系统

 

      随着国家能源法的即将颁布，节约能源已成为国家和全社会日益关注的焦点。地铁环控系统作为能耗大户，也越来越受到地铁运营企业、设计部门和相关学者的重视，因此，合理有效的地铁环控系统设计尤为重要^{［1 ～4］}。

      屏蔽门系统中，隧道通风系统和车站空调系统相对独立。车站空调系统设备一般采用分期投入的原则，隧道通风系统则按远期最不利工况运行。目前，对车站空调系统节能的相关研究较多，对隧道通风系统节能的研究较少^{［5 ～7］}。由于，不同时期客流量、列车运行密度及土壤等因素的影响，隧道内空气温度存在较大差别。因此，本文以西南某城市地铁为例，对地铁内不同时期热环境进行模拟分析，确定合理的通风系统。

 

      地铁隧道内空气流动须满足连续性方程、动量方程和能量方程^［8］。

式中: A 为地铁隧道断面积，v 为气流速度，F 为流体所受外力，T 为气温，S 为热源。

      影响地铁隧道内空气温度的因素较多，图 1 给出了地铁隧道内空气的主要热量得失途径。分析图 1 可知，屏蔽门系统中，影响隧道内空气温度的主要因素有列车的产热包括列车牵引和列车辅助设备的散热、空气与周围土壤的换热、隧道通风系统引起的热交换、隧道内基本设施的散热和隧道内水的吸热。

      地铁投入运营后，客流量逐年增加，列车运行密度不断增大，土壤蓄热能力逐渐下降。在地铁运营初期和近期隧道通风系统按远期最不利工况运行，势必浪费风机容量。

      本文采用地铁环境模拟软件对不同运营时期、多种风量工况下地铁热环境进行逐时模拟，以此确定不同时期最佳的排热风量。

 

     本文以我国西南某城市地铁 1 号线为例，建立6 个典型地下车站的简化模型。该 6 个车站均为地下岛式站台车站，车站设置屏蔽门系统，在车站采用隧道内轨顶和站台下同时排风方式，在车站出站端设置一座活塞风井。每座车站站台有效长度为 120 m，站内隧道断面积 18． 7 m²，站间距为1 000 m。出站为下坡，坡度为 － 0． 3% ; 进站为上坡，坡度为 0． 53%，列车停站时间按 30 秒考虑。列车采用 3 节动车 3 节拖车，列车最高时速为80 km / h，起动平均加速度为 0． 83 m / s²，正常运行时平均减速度为1 m/s²，紧急停车时最大减速度为1． 3 m / s²。

      为准确模拟全天隧道内最高气温，本文将进行逐时模拟，计算实例选取夏季一典型日作为室外条件，室外逐时气象参数如表 1^［9］。

      图 2 给出了全日客流的时段分布，从图中可知，在早晚各出现一个高峰客流，早高峰客流最大。

      列车开行对数为 10 对/h，图 3 给出了初期轨道排风量为 30 m³/ s 时，隧道内逐时最高气温的分布。从图中可知，隧道内最高气温出现在 18 时，此时正处于晚高峰时刻，且室外气温较高。本文还对多种风量工况进行模拟，逐时温度分布规律一致。因此，以下仅给出不同工况时晚高峰时刻隧道内气温的分布。

      图 4 和图 5 分别给出了风量为 22 m³/ s 和关闭轨道排热风井时，隧道内平均气温的分布情况。

      从图中可知，隧道内气温分布规律一致，均呈现锯齿状，区间隧道气温明显低于车站气温，下游车站气温基本相同。关闭轨道排热风井隧道内最高气温为 34． 1 ℃，较轨道排热风量为 22 m³/ s 时升高 1 ℃左右，均满足规范要求低于 40 ℃^［10］，说明初期关闭轨道排热风井隧道内气温仍然较低，轨道排热风量对隧道内气温影响不大。

      图 6 和图 7 相应给出了地铁内的风量分布图，本文中风井以排风为正，进风为负。从图中可知，

      ( 1) 轨道风量为 22 m³/ s 时，活塞井承担着排风和进风的双重任务，其作用与列车运行模式有关。除车站一和车站六，其余车站活塞井进风量约为轨道排热风量和活塞井排风量之和;

      ( 2) 关闭轨道排热风井，除车站一和车站六，其余车站活塞井排风量和进风量基本平衡，其风量大小约为轨道风量为 22 m³/ s 时活塞井进风量的一半。

      计算结果表明，初期客流量小，列车运行对数少，土壤蓄热能力强，关闭轨道排热风井，隧道内最高气温较低，满足规范要求。开启轨道排热风机，地铁内风量增加，但对隧道内气温影响不大。

      列车开行对数为 18 对/小时，图 8 和图 9 给出了风量为 20 m³/ s 和关闭轨道排热风井时，隧道内平均气温的分布情况。

      从图 8 至图 9 可知，隧道内气温分布规律与初期一致，关闭轨道排热风井隧道内最高气温为37． 9 ℃ ，较轨道排热风量为 20 m³/ s 时升高了1． 5 ℃ ，较初期升高 3． 8 ℃ ，隧道内温升较明显，但仍满足规范要求。

      图 10 至图 11 为风量分布图。从图中可知地铁内风量分布仍满足初期时风量分布规律。与初期相比，地铁内风量和活塞井的风量均有所增大。

      计算结果表明，近期客流量增加，列车行车对数加大，地铁内风量有所增大，气温有较大幅度升高。近期关闭轨道排热风井，隧道内气温仍满足规范要求。

      列车开行对数为 30 对/小时，图 12 至图 14给出 了 排 热 风 量 分 别 为 30 m³/ s、35 m³/ s 和40 m³/ s时，隧道内平均气温的分布情况。

      从图 12 至图 14 可知，隧道内平均气温较初期、近期有较大幅度升高。排热风量为 30 m³/ s时，地铁内最高气温为 40． 7 ℃，超出规范要求。增大排热风量至 35 m³/ s 和 40 m³/ s 时，最高气温分别为39． 6 ℃和39 ℃，满足规范要求。轨道排热风量的大小对地铁内气温的影响较大。

      图 15 至图 17 给出了风量分布，从图中可知:

      ( 1) 活塞井的进风量远大于排风量，其主要表现为引进新风。

      ( 2) 地铁隧道内风量变化较小。

      ( 3) 与初期、近期相比，地铁内风量和活塞井的风量明显增大。

      计算结果表明，远期随客流和列车运行对数的增加，轨道排热风量的大小对地铁内气温的影响较大。活塞风井主要表现为引进新风。轨道排热风量为35 m³/ s，隧道内最高平均气温最接近规范值，此工况最为节能; 考虑工程设计的安全余量，推荐远期最佳轨道排热风量为 40 m³/ s。

 

      根据不同运营时期，客流分布，列车运行模式，土壤蓄热性能等特点的分析，对地铁隧道内不同节能措施进行模拟计算，得出以下结论。

      ( 1) 对地铁隧道内气温进行逐时工况模拟，全日最高平均气温出现于晚高峰时刻。

      ( 2) 地铁运营初期、近期关闭轨道排热风井，隧道内最高平均气温均满足规范要求，大量的节省通风系统能耗。

      ( 3) 远期轨道排热风量为 35 m³/ s，隧道内最高平均气温满足规范要求，且能最大程度地减少隧道通风系统能耗; 考虑工程设计的安全余量，推荐排热风量选取 40 m³/ s。

      ( 4) 车站活塞井的进风量约为轨道排热风量和活塞井排风量之和，远期活塞井进风量远大于排风量，其主要表现为引进新风。

 

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