[摘 要]本研究以北京新建地铁四号线第三标段隧道和车站为对象,借助SES软件,建立数学模型,对两种典型的通风空调系统方案正常工况运行进行数值模拟。分析得出产热量的分布规律;列车行车状况、活塞风井、不同形式车站及区间隧道通风空调系统对隧道内速度场、温度场及新风量的影响规律。研究同时对通风空调系统方案进行了初步的技术经济比较。本研究为分析地铁通风空调系统的空气流动与传热提供了参考,为新建地铁通风空调系统方案的选择、设计及科学地运行管理提供有价值的数据资料。[关键词]地铁;通风空调;设计方案;数值模拟
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。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。
4·2·2 区间隧道和车站风速、风量分布
(1)在1020s区间及车站出入口瞬时风速分布分别见图5、6,可以看出:隧道内列车行驶状况不同产生的活塞风速不同。列车加速行驶时活塞风速也随之增加,停车时车后部的风由于惯性仍然向行车方向运动并处于较大值。列车行驶状况不同,会使车站楼梯、出入口处于正压或负压,从而排风或为从室外吸入新风,形成通风换气。设置活塞风井的方案二,列车通过时车站和出入口风速降低;表明活塞风井具有泄压作用。