城市地铁活塞风对地铁环境的影响规律与有效应用分析

柯亚楠

摘要：活塞风通过隧道和出入口引起地铁环境的变化,是地铁能耗的重要影响因素，在过渡季节和冬季充分利用活塞风是实现地铁通风系统进一步节能的有效措施。风口屏蔽门系统可有效利用活塞风,因其兼具安全、舒适的特点，较之传统的半高安全门系统和屏蔽门系统具有许多优点，重点探讨活塞风对地铁环境的影响规律、活塞风的有效利用对地铁通风空调系统能耗的影响和带风口屏蔽门系统在北方城市的适用性。

关键字：城市地铁 活塞风 地铁环境 影响规律 有效应用

1.某城市地铁概况

某城市地铁里程全长26.188公里，全线共设22座车站，其中高架站有8座，地下站有 13 座，地面车站有1座，站间距离最小为 0.784 公里，最大为 1.624 公里，平均为 1.225 公里，站台有效长度均为 120 m，站台两端部均有站端风井，每站4条，区间隧道有双跨矩形有中柱(双线单洞)、双跨矩形有隔墙、单跨矩形、圆型盾构四种，车站两端各有两个机械风井，既有线各区间中部均有两个机械风井，列车车厢尺寸长宽高值分别为19.52m、2.8m、3.51m，动车自重37t，拖车自重 27 t,带司机室车定员 252 人，一列载额定乘客列车总质量为 298.2t。安装了平均高度为 1.4m 的安全门，拓宽看乘客在候车时的站立空间,适当减少活塞风对站台的影响，降低列车进出站时产生的噪声，在过渡季和冬季还可以利用活塞风满足车站新风需求。

2.活塞风速理论计算

当列车在隧道中运行时，隧道中的空气被列车带动而顺着列车运行前进的方向流动，这一现象称为列车的活塞作用，所形成的气流称为活塞气流。列车在隧道中运行时,由于隧道壁所构成空间的限制,列车所推挤的空气不能全部绕流到列车后方,必然有部分空气会被

列车向前推动，排出到隧道出口之外，而列车尾端后方存在着负压涡旋区域，因

此也必然会有相应空气经开口被引入到隧道中，由此形成活塞风。如下图所示：

图1：活塞风形成原理示意图

空气的流动要受到物理守恒定律的支配,其理论基础是空气动力学原理,即空气流动过程中的质量守恒、能量守恒和动量守恒定律，其质量守恒方程为：

按照按一维运动连续性微分方程考虑，则有：

其中A代表隧道横断面积，p代表空气密度，v代表气流平均速度。

地铁车站活塞风量的影响因素很多，如活塞的风井数量及位置、车辆对数及组数、列车运行速度、车站形式、隧道形式等，风井的位置和隧道形式不同,计算得出进站口和出站口活塞风速均不相同。此外，车辆对数的增加将增加每小时带来的活塞风量，列车越长活塞风速越大。

3.活塞效应下车站温度变化影响因素

地铁车站温度的变化与其本身存在的内热源的大小有关,如照明散热量、设备散热量、客流量、列车散热量、车辆对数及编组数等有关,同时也与车站的形式、隧道的形式有关,车站的自然通风量和机械通风量关系到站内余热量排除情况,因此对车站温度变化产生了决定性的影响,而对于自然通风量大的车站,室外气温的变化也会对车站温度变化产生较大的影响。客流量的增加使得室内余热量增加,则在通风工况不变的情况下室内空气温度将会升高，如下午 16:00 左右客流量很少,此时室外气温为 16℃，低于站内空气温度，列车即将进站时温度开始上升,列车出站后温度迅速下降。这是因为由于列车运行、刹车和启动均产生大量热量,使得空间温度升高,而列车出站后,在站内形成负压,室外空气由出入口吸入站内,将列车留下的余热带走,则空间温度降低。过渡季节室外新风的温度比较低,当新风量增加的时候,可降低室内温度。活塞风作用下,站台靠近出入口处温度变化随着室外气温的降低而有所降低。

4.地铁活塞风对站台环境影响规律数学模型的建立及验证

计算流体力学)是通过计算机数值计算和图像显示,对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。通过数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区等。

4.1构建数学模型

某车站结构尺寸为120m×19.2 m×8.13 m，列車尺寸规格为117.12 m×2.8 m×3.58m，列车冷凝器在车顶部，制动电阻在车厢底部。站厅层只设送风口,尺寸为 600mm×300mm,共 64 个,布置在距站厅底部装修面3.0m的高度上，站台层采用上送风,轨顶排风以及轨底回/排风的气流组织形式，送风口尺寸为 700mm×350mm，共72个，分两排均匀布置在距站台板

3.0m高度位置，轨顶排风口尺寸为 1000mm×500mm，共108个，距站台板3.0m轨底回/排风口尺寸为500mm×300mm，两排共120个，均匀布置在站台板下面站台两侧距站台边缘约200mm的位置，设有平均高度1.4m的安全门。

采用控制容积积分法来建立离散方程，确保离散方程守恒特性，则其能量方程为：

紊流能量耗散率方程为：

在网格节点上离散方程的精确解偏离该点上相应的微分方程精确解的值，称为该点上的离散误差。离散误差的大小同离散方程的截断误差有关"在相同的网格步长下，一般地说，截断误差的阶数提高，离散误差会随着减小，对于同一离散格式，网格加密，离散误差也会减小。网格质量是 CFD 模型中非常重要的因素之一，好的网格对于好的模拟结果非常重要，好的网格要求恰当的分辨率、光滑度、低偏斜率和适当的网格数量。

4.2建模误差分析

由于动网格的计算量比较大,并且建模过程比较复杂,不容易精确的再现实际过程,本文采用了非稳态方法，通过方波函数设置活塞风速来模拟列车通过对站台带来的影响，这样就将列车的启动、运行、刹车过程简化了，仅考虑其带来的活塞风作用。在过渡季节的模拟中采用了非稳态方法，隧道口风速设定采用方波函数设定。

5.带风口屏蔽门系统活塞风数值模拟结果分析

活塞风的综合利用必然很大程度的减少风机能耗,过渡季节和冬季的舒适性仍需考虑，CFD 模拟是一个可行的研究方法,大量的实验验证也说明模型建立的比较合理,从而实现了屏蔽门系统改造的优化设计。列车自动操作时，屏蔽门是绝对有必要的，列车手动操作时，屏蔽门亦非常有用，屏蔽门可以十分有效地提高站台安全，避免乘客因自杀、在站台里走动、推挤等而落入轨道，可以增加站台的可用表面，可以避免未经授权的人进入隧道，屏蔽门降低了空调系统的能源消耗和隧道内不必要的能耗，屏蔽门可以减少隧道灰尘、列车噪音以及列

车弛行的活塞效应产生的气流进入站台。

地下铁道发生火灾时造成的人员伤亡，绝大多数是由于烟雾中的有毒气体的熏倒、中毒或窒息所致，有效的排烟已成为地铁火灾救援的重要措施。为此，要求设置排烟设备，在布置风道时，确保排烟口的风速不宜大于10m/s，当排烟干管采用金属管道时,管道内的风速不应大于20m/s，设置带风口屏蔽门，相同高度下带风口屏蔽门系统的高温区域比屏蔽门系统小得多，可以为火灾事故情况乘客的顺利疏散争取了时间。经过计算发现,可控风口在过渡季节活塞风可满足近期的新风要求,并带走大量余热,轨底排风可有效控制列车产生的热量不进入站台公共区,在满足乘客舒适性要求的同时,达到进一步节能的效果。

结语

活塞风对地铁环境的影响规律非常复杂,通过站台和出入口引起地铁能耗的变化，是地铁能耗的重要影响因素，在过渡季节和冬季充分利用活塞风是实现地铁通风系统进一步节能的有效措施。重点对活塞风对地铁环境的影响规律进行了研究分析,并探讨了能够有效利用活塞风的带风口屏蔽门系统在北方城市地铁中的应用前景,为地铁工程设计提供了必要的依据。

6.参考文献

[1]任明亮，陈超，郭强.地铁活塞风的分析计算与有效利用[J].上海交通大学报.2008，42(8):

1376~1391.

[2]贾力，黄鹏，杨立新.地铁车站内流动特性的数值模拟[J1.北京交通大学学报.2008，32(l):

83~87.

[3]谭文嘉，张欢，由世俊等.地铁变风量环控系统全年运行方案研究[J].建筑科学.2007，23

[4]樊玲，冯炼.利用/相对热流指标0对地铁系统设计温度的探讨[Jl.城市轨道交通研究.2002，(1):50~52.