摘  要：车站隧道排热是系统设计时需要考虑的重要问题。不同排热方式对隧道内的温度分布有重要影响。本文通过数值模拟，计算分析了在不同排热风口形式、列车顶部冷凝器布置对车站隧道温度的影响。模拟计算结果可为车站隧道轨顶排热风口的优化设计提供重要参考。

关键词：车站隧道 轨顶排热风口 设置形式

 

      地铁列车运行过程中，车轮与铁轨的摩擦会产生大量的热，尤其是在列车进站时刹车将产生更多的摩擦热，这些热直接排放在隧道内。据统计，列车产热的67%都分布在车站隧道^[1]。为保持列车车箱的舒适性，通常在列车的顶部设置空调器，顶部空调冷凝器的大量散热直接排入隧道内。摩擦热及冷凝器的散热使得车站隧道内的空气温度增加，同时也将影响车站内的热舒适性，一方面通过屏蔽门等隔断向车站内传热，另一面也通过渗风的方式影响车站空气品质。

      在地铁车站的设计中，需要在列车停靠在车站时的发热部位设置排风系统^[2]。车站隧道通风系统的服务范围是屏蔽门外侧的列车停站隧道，一般设置轨顶排风和轨底排风，轨顶排风量与轨底排风量之比为1.5:1。地铁列车进站后，各车厢冷凝器进风口从隧道抽新风，并通过冷凝器排风口向隧道散热（冷凝器通常设置于列车顶部），站台隧道轨顶设置排风风道，以助排热。

      在地铁环控系统设计中，如何设置轨顶排风的形式及位置一直是设计工程师关心的问题。不同的顶排风口的形式及位置将对车站隧道内的温度产生不同的影响，同时也影响车站内的环境。本研究通过数值模拟的方法研究典型地铁车站隧道内轨顶不同的顶排风口的形式及位置对隧道内的空气环境的影响。研究结果表明，车站隧道轨顶排热风口应优先采用小风口形式，且小风口应正对列车冷凝器上方，这样可以大大降低隧道内的空气温度。

 

      本次研究的地铁车站为屏蔽门制式，站台形式为岛式，隧道宽度3.65m，高度 4.55m。车型为 B 型车五节编组，车辆宽度 2.80m，高度 3.80m，长度 100m。经过对不同形式的风口及不同列车的冷凝器设置方式（即冷凝器位置与风口的相对位置）的分析，确定以下三种工况进行具体的模拟研究。

      工况 1：轨顶排风口设置在轨顶，分散布置在各节车厢冷凝器风扇正上方，每列车厢顶部前后各 1 台冷凝器，5 节编组供 10 个冷凝器。在第一节车厢的前后冷凝器上方各设置 5 个排风口；在第二节车厢的前后冷凝器上方分别设置 5 个排风口与 4 个排风口；在第三节车厢的前后冷凝器上方各设置 4 个排风口；在第四节车厢的前后冷凝器上方分别设置4个排风口与 5个排风口；在第一节车厢的前后冷凝器上方各设置 5个排风口。每个排风口的尺寸相同，为 1000mm（宽）×500mm（长），共设置 46 个，共 6 组，如图 1（a）所示。

      工况 2：排风口的设置与工况 1 相同，但是该工况的列车与工况 1 的列车不同。虽然每列车上顶部有两个冷凝器，但冷凝器的位置靠近列车的中部，与工况 1的列车的冷凝器布置不同。因而该工况冷凝器与轨顶风口的相对位置与工况 1 不一样，如图 1（b）所示。

      工况 3：该工况的列车与工况 1 的列车一样，但将工况 1 的六组风口分别进行合并，即合并为 6 个风口。尺寸分别为 1000mm（宽）×2500mm（长），1000mm（宽）×5000mm（长），1000mm（宽）×4000mm（长），1000mm（宽）×4000mm （长），1000mm （宽）×5000mm （长），1000mm（宽）×2500mm（长）。从左至右各风口面积比为 1:2:1.6:1.6:2:1，如图 1（c）所示.

      地铁隧道内的空气流动可以认为是三维不可压缩湍流流动，描述其运动规律的方程包括连续性方程、动量方程和能量方程，数学模型通用表达式如下^[3]：

式中：ρ为密度；φ 为通用变量，代表不同方向的速度u，v，w 及温度 T 等求解变量；Г 为广义扩散系数；S 为源项； 为速度。

      式（1）中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项，对于特定方程，φ、Г 和 S 具有特定的形式。在模拟中采用标准的 k-ε 模型，考虑质量守恒，动量守恒，湍动能守恒及耗散比率守恒。采用有限容积法进行方程离散，压力与速度的耦合关系采用 SIMPLE 算法。为了简化计算，只考虑车顶冷凝器散热量和冷凝器的进风量，忽略轨底散热及排风量。

      模型的边界分别为车站隧道的两端断面，轨顶排风道，隧道壁面（包括屏蔽门壁面），冷凝器的出风口边界。边界条件分别为：车站隧道的两端断面为入口边界，确定为压力入口，其表压值确定为常数 0，入口空气温度为 25℃；轨顶排风道为出口边界，确定为压力出口，其表压值确定为负值；隧道壁面为静壁面无滑移的墙体；冷凝器的边界为壁面条件，壁面热流根据冷凝器的排热量设定。

 

      图 2～图 4 分别为工况 1，工况 2 及工况 3 下模拟结果。每种工况选取了三个截面的温度分布，分别为在宽为 2.15 米处的截面，在高为 2.28 米处的截面，及高为 4.00 米处的截面（Y 方向隧道的宽度方向，Z 为隧道的高度方向）。

      图 2 表示在工况 1 条件下冷凝器排放的热量可较有效地通过轨顶风道排除，在靠近排风口处的温度较高，通风系统排出了车站隧道的部分热空气，区间隧道温度相对较低的空气向车站隧道流动，降低车站隧道的温度。计算得到车站隧道段（取 100m）平均温度为36.5℃。

      图 3 表示在工况 2 条件下冷凝器排放的热量不能很好地通过轨顶风口排除。这是由于排风口与冷凝器位置不一致，在排风口之间形成热堆积，大部分热量堆积在列车上方，最高温度可达到45℃。计算得到车站隧道段（取100m）平均温度为 41.1℃。

      工况3 与工况 1 的不同在于工况 3 将工况 1 的小风口合并为大风口。图 4 表示在工况 3 条件下冷凝器排放的热量也能较好地通过轨顶风口排除。排风效果比工况略差，但比工况 2 要好很多。计算得到车站隧道段（100m）平均温度为 37.0℃，较工况 1 温度稍有增加，增加了 0.5℃。

      车站隧道内平均温度降低，这才是排热的最终目的，文中采用车站隧道段平均温度T0来评价排热效果。如表 1 所示，工况 1 平均温度低于工况 3，所以小风口排热效果稍优于大风口，且由工况 2 可见，在列车冷凝器与风口位置不一致时，车站内平均温度达到41.1℃左右，不满足规范要求。

      本文数值模拟了地铁车站隧道内在不同轨顶排热风口设置，不同列车的冷凝器布置位置条件下隧道内的温度分布，分析了不同的排热风口布置方式对隧道温度的影响，同时也分析了列车冷凝器与排风口位置不一致时对隧道温度的影响。结果表明车站隧道轨顶排热风口应优先采用小风口形式，且小风口应正对列车冷凝器上方。车站隧道轨顶风口在施工图设计前应落实好列车车型招标事宜，以利于轨顶排风口的合理设置。

 

[1] 董志周, 吴喜平. 地铁车站热环境分析[J]. 上海节能, 2003, (5):36-40

[2] 国家标准《地铁设计规范》（GB50157-2003）．

[3] 王福军. 计算流体动力学分析. 北京: 清华大学出版社, 2008

[4]陶文铨．数值传热学(第 2 版) [M]．西安: 西安交通大学出版社, 2001