沈阳地铁冬季隧道的温度特性实验研究

薛 鹏，由世俊，李博佳，王奕然，陈克松

(1.天津大学环境科学与工程学院，天津300072;2.北京城建设计研究总院有限责任公司，北京100037)

现有的地铁热环境及活塞风的研究，多数集中在寒冷地区和夏热冬冷地区，在这些地区，大量实验发现，地铁活塞风对隧道热环境有巨大影响［1]，与此同时数值模拟方法也被广泛用于计算地铁隧道流场分布［2－4]，及分析高效的送风形式［5]和活塞风的作用［6]。过渡季节活塞风中对地铁隧道进行通风换气，有效地与外界进行热量交换［7]，节约风机能耗。夏季活塞风携带一部分车站空调冷风进入隧道，冷却隧道内的空气［8];冬季携带大量隧道热量进入站台，加热站台空气［9]。过渡季节利用活塞通风代替机械通风与空调系统，保证车站环境的舒适性的同时达到节能目的［10－15]。

但在我国严寒地区，夏季空调期较短，其他季节只需要通风就可满足地铁内部的空气环境要求。冬季最冷月室外平均气温在－15℃以下，极端天气及活塞效应以及地下建筑围护结构的热特性对隧道的热环境将产生一定影响。本文将通过测量沈阳地铁1号线的隧道温度、壁面温度等参数来分析我国严寒地区影响隧道温度特性因素的作用，从而为严寒地区地铁设计提供合理参数及建议，为进一步的模拟计算提供边界条件。

1 实验方法

沈阳地铁1号线是我国北方严寒地区修建的第一条地铁线路，车站为岛式站台，采用2.5 m高的安全门，列车隧道均为单行隧道，半径2.7 m，共设车站22座。实验选取了沈阳站至南市场站的区间隧道为研究对象，为了更好的了解室外极端天气对隧道的影响，同时也选取了与地面直接相通的出、入段线隧道为研究对象。本次实验主要测量列车运行时，隧道入口热风幕在开关两个状态下的隧道内空气温度、壁面温度及站台温度。图1显示沈阳站至南市场站的区间隧道测点分布。实验时间为2011年1月20日2:40至2011年1月24日22:00，属于沈阳的最冷月，室外气象条件最为不利。测试方法是每个测点放置量程－40～85℃，精度 ±0.2℃，计数周期为1分钟的温度自记仪以测量测点的空气温度，并用红外线测温仪测量隧道壁面温度，量程－32～535℃，精度±1℃。

2 实验结果及分析

在实验过程中，活塞风阀处于关闭状态，避免室外天气对隧道温度的影响，区间实验数据主要反映了列车运行时活塞效应对隧道温度的影响。在出、入段线，隧道和地面相通，该部分实验结果反映了室外极端天气及热风幕的开启对隧道温度的影响。

2.1 活塞效应对区间隧道温度的影响

选取隧道轴向Δx距离的横截面为一个控制体，忽略流体径向的温度变化，热平衡微分方程如下:

通过有限差分法得到离散方程

式中T－温度，℃;Ux－空气沿随到的轴向流速，m/s;α－空气的热扩散系数，m2/s;SΦ－源项，℃/s;Tw－壁面温度，℃;Tf－空气温度，℃;Tv－列车温度，℃;t－时间，s;R－隧道半径，m;S－列车横断面周长，m;hw－空气与壁面的对流换热系数，W/(m2·℃);hv－空气与列车的对流换热系数，W/(m2·℃);ρ－空气密度，kg/m3;Cp－空气比热，kJ/(kg·℃);λf－空气导热系数，W/(m·℃);i－此节点;i+1为下一个节点。

离散过程中定义影响隧道空气温度的因素有空气的流速、壁温和列车的产热。式(2)中的第一项为壁面通过对流换热传入控制体的热量，第二项为列车通过对流换热传入控制体的热量，第三项为轴向方向产生的对流换热，第四项为列车作为热源的产热，第五项为轴向方向的导热。当(Twi－Tfi)＞0，壁面放热;(Twi－Tfi)＜0，壁面吸热，但并不能吸收所有的热量，热量会随着活塞风到达下一个节点。隧道壁面非稳态的传热过程就是围护结构蓄热蓄冷的原因所在。区间隧道平均壁面温度及空气温度在各个测点的数据如表1。

表1 太原街附近区间隧道空气温度与壁面温度Tab.1 Running tunnel temperature and wall temperature near Taiyuanjie station

实验结果显示壁面温度与空气温度相差在±0.7℃，考虑到设备引起的误差，壁面和空气的温度整体趋于平衡，反映壁面温度对隧道温度的影响能力是有限的。与此同时，列车运行产热也是地铁隧道的主要热负荷，主要包括列车表面空气阻力摩擦生热，车轮与钢轨间及车轮与轴承间摩擦生热等。我们通过温度自记仪在14个测点测量的数据来对比分析列车产热，如图2所示。

通过图2可以看出，各测点的空气温度在每日地铁开始运营后有所提升，每辆列车的运行都会引起隧道内温度的小幅波动。但是由于监测段地铁投入运行时间较长，活塞风阀处于关闭状态，区间维护结构蓄热多、热容量大，区间隧道各点温度浮动范围在1℃之内。在图2a和2b中，测点6和测点8的温度值在列车不运行时波动相对较大，此两点同处于站台隧道端点。隧道环境将在隧道端点通过活塞效应直接同站台环境相互作用。将站台周围的测点数据单独拿出来进行比对分析，太原街站站台附近隧道及站台的温度变化，如图3所示。

由图3可知，隧道的空气温度低于15℃，低于冬季室内供热的最低温度，同时也低于站台空气温度。这说明岩土蓄热及列车产热的热量是不能被站台有效利用的，全高安全门系统在沈阳地区冬季运行时相比于屏蔽门系统增大了车站公共区空调通风系统的热负荷。

在图3中测点8的波动幅度大于测点1，测点7较测点14的波动幅度大，由此可知，站台内温度受隧道温度影响较小，反而站台温度对隧道温度影响较为明显。这主要是活塞风作用造成的。

当列车进站的时候，活塞风阀处于关闭状态，活塞风Qa的一部分进入迂回风道Qb，一部分吹向车站Qc，如图4a所示。隧道空气被挤入站台，因此测点1的温度波动主要受列车产热影响，受站台温度影响较小。当列车离站，后方产生负压区，车站Qc＇和迂回风道Qb＇的空气会被抽吸过来，如图4b所示。车站的温度较隧道温度高，因此测点8的温度受列车和站台温度的共同影响，有明显的波动，测试值在 13.5℃ ～14.5℃之间。

站台和站台隧道平时是一个联通空间，它们的压力保持一致，当车辆来时，活塞效应推动的空气应该符合流体力学中简单管路的并联方程，如式(3)、式(4)。

式中Qa－隧道中的总风量，m3/h;Qb－进入迂回风道的风量，m3/h;Qc－吹向站台的风量，m3/h;Sb－迂回风道的阻抗，Pa·h2/m6;Sc－吹向站台侧的阻抗，Pa·h2/m6。

由式(4)可知，地铁隧道各开口的活塞风量是由各段分支阻抗决定的，并联分支段中阻抗大的一段通过活塞风量小。北京科技大学王峰等人［7]与同济大学吴喜平教授等人［9]都以不装站台门时的车站为研究对象。当站台装有全高安全门后，Qc≠Qe，存在一个并联问题。对于进口三通，局部阻力系数，因此Qe较小，隧道对于车站的温度影响较小;而在出口三通中＇较大，站台的温度对隧道的温度影响因此较大。

通过以上数据的分析，隧道温度处于比较平稳的范围，平均温度为13.66℃。这满足规范中规定的冬季隧道平均温度高于5℃［13]。但是隧道空气温度相对于车站供热系统较低，热量不能被站台有效利用，建议我国严寒地区地铁车站安装可调通风型站台门［14－15]。可调通风型站台门可以在夏季实现安全门功能，并在过渡季和冬季运行时实现屏蔽门功能，有效防止车站公共区的能量耗散。

2.2 热风幕对出入段隧道温度的影响

列车的出、入段线隧道通过罩棚与室外直接相连，其温度受室外气温影响较大，具体数据如图5。

由图5知，室外温度日浮动在－20℃ ～－10℃之间，罩棚中的三条曲线同室外温度曲线的趋势基本一致。尤其在6时到20时，温度浮动的同步性很高，由于热风幕没有工作，地铁频繁的运动导致室外空气同罩棚内空气经常性的混合。结果说明对于地铁系统，在出、入段线室外温度对罩棚内的温度影响是显而易见的。夜晚隧道内的温度随着室外气温将持续下降。为了降低此影响，沈阳地铁在隧道入口处加装了两排侧送风热风幕，功率为105kW，送风温度30℃，送风量为29 700m3/h，开启时间为20时至22时。温度自记仪在17个测点测量的数据如图6。

由图6可以看出，20时前气温已经开始下降，但是热风幕的打开，改变了温度变化的趋势。在出段线，列车的活塞效应使热风幕的暖风和室外冷空气一同进入隧道，此时空气温度会比此前略高，由于壁面的热惰性，隧道温度升高出现了一定的延迟性;在出段线，随着进入隧道空气温度的升高，十三号街站站端温度有所提升，在活塞风的作用下，较温暖的空气不断吹向隧道的出口，使入段线隧道温度显著提高。

根据《建筑设计防火规范》中关于隧道防火的规定，严寒地区消防管路和消防栓需采取防冻措施。从图中可以看出，热风幕的开启对隧道起到了很重要的升温作用，如图6b中的样13号站站端测点温度曲线，在21日中该测点最低温度是6时50至58分出现的0.1℃。这表明，在沈阳地铁隧道中的第一站，也受室外极端气温影响最大的车站隧道温度全天保持在零度以上，地铁车站的消防管路可以不设保温即满足防冻要求。

总体来说，出、入段线隧道热环境主要受列车运行情况影响，具体表现在列车的活塞效应致使室外冷空气及热风幕热空气经常性地进入隧道进而影响隧道的热环境。如果较好的利用热风幕可以有效提高地铁区间的温度，减弱室外环境对地铁隧道温度的影响，防止消防管路的冻裂。

3 结论

1)在严寒地区冬季，列车的频繁运动及活塞效应使室外冷空气较大程度地影响了出、入段线隧道的温度，并使之具有很高的同步性。在隧道入口加上热风幕可以有效打破这种同步趋势，利用列车运行时的活塞效应短时间内提高隧道温度，使端点车站隧道温度高于0℃。

2)在严寒地区冬季，活塞竖井关闭的情况下，列车运行热量及站台空气通过活塞效应对隧道温度产生了间歇性的影响，但地下岩土能较好的维持隧道内的温度，使之在1摄氏度范围内波动。

3)在我国严寒地区冬季地铁隧道温度满足平均温度5℃的设计规范，但其仍低于供热的最低温度，且低于实际车站温度，说明冬季隧道热量是不能被站台利用的。建议我国严寒地区地铁车站安装可调通风型站台门，并在冬季运行时实现屏蔽门功能，有效防止车站公共区的能量耗散。

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