屏蔽门地铁车站系统排热数值模拟研究

叶晨辉，曹艳华，臧建彬（同济大学机械与能源工程学院，上海201804）

屏蔽门地铁车站系统排热数值模拟研究

叶晨辉，曹艳华，臧建彬
（同济大学机械与能源工程学院，上海201804）

地铁车站屏蔽门系统会阻碍隧道内热量的扩散，不同的隧道排热方式对隧道温度分布有不同影响。本文通过数值模拟，计算分析了轨顶轨底风口对排热的影响。结果表明轨底风口的打开会增大排热风机的排风量，且有利于隧道内整体温度的降低；同时通过观察各风口的风量温度，建议增大上游风口面积以及轨底风口面积，能更有效的提高排热效率。

隧道温度；轨顶轨底风口；排热；风量

0　前言

近年来随着城市化进程的加快，为了缓解过多人口造成的城市交通压力，城市轨道交通系统发展越加迅速。截至2014年低，中国内地共有22座城市拥有城市轨道交通运营线路，总长3155km，新增运营里程409km［1］。而其中大部分城市轨道交通系统都是采用地下轨道运行形式。地铁系统承载着极大的客流量，为了提供乘客舒适的乘车环境，地铁系统的通风空调系统起了最主要作用。而地铁车站的排热对整个列车空调正常运行起了很大的作用，直接影响到列车空调的机组性能。本文研究的地铁车站采用屏蔽门系统，即隧道内通风系统与站厅空调通风系统单独分离开来。

地铁列车在运行过程中会产生大量的热，尤其是在进站前减速过程以及出站后的加速过程，这些热直接排放在隧道中。据统计，列车产热的67%都分布在车站隧道［2］，随着地铁运行时间的推移，必然有部分热量堆积在隧道中，造成隧道内温度升高。

隧道余热一方面会影响列车空调冷凝器的正常运行，造成制冷量下降，影响车内环境舒适度；另一方面会影响地铁衬砌结构寿命，造成安全隐患［3］；同时随着列车停站屏蔽门打开，余热进入站厅影响空气品质。

由于地铁系统运营安全要求很高，且地铁车站范围太大，不利于现场实测。采用商用CFD软件模拟地铁车站排热系统内部流场更有利于研究过程的进行和优化。屏蔽门系统中，在车站设计时设置了轨顶排风口和轨底排风口，用于排出列车空调冷凝器散热和车轮、设备舱散热以及屏蔽门内部地铁隧道中的照明散热等。

郝盛［4］通过CFD数值模拟分析得到车站轨行区上排热采用小风口并位于列车冷凝器上方时排热效果更好，能够有效降低车站隧道温度；曾甫海［5］通过SES数值模拟分析了提升地铁车站排热系统效率的措施；王峰［6］通过SES数值模拟分析了车站活塞风井风量与轨行区排热风量之间的关系；华正博［7］通过SES数值模拟得出没有轨道排热系统的隧道最高温度比有轨道排热系统时隧道最高温度高2.9℃，说明轨顶轨底排热风道对降低隧道内温度起到很好的效果；王丽慧［8］通过SES软件研究了活塞风与地铁通风和能耗关系，区间隧道气温随时间和列车位置的不同而变化，各断面温度最大值在车尾刚刚通过后出现。在上述模拟中，均采用静态方式或SES软件进行模拟，无法给出地铁车站隧道在列车进站、停站以及出站的过程中各个工况点的风速温度情况，与实际存在较大偏差，无法从整体给出排热优化建议。

本文考虑了列车运行进站、停站以及出站的整个过程，通过CFD动网格技术进行模拟，比较了只打开轨底风口和轨顶轨底风口均打开两个工况隧道内的温度分布情况，探究轨底风口对降温的作用，以及探究通过增大排热风机压头来达到更好的排热效果的可行性。

1　研究对象及模型

本次研究的地铁车站为屏蔽门制式，标准岛式站台车站。上下游行车隧道各长200m，直径5.6m，隧道顶部距离地面高度为5.34m。停站隧道与行车隧道不同，是长171m，宽4.15m，高4.81m的长方体隧道，见图1。

车型为B型车6节编组，车辆长度为117.2m，宽度为2.8m，高度为3.8m。车辆定员总重277 t。

轨顶排风口设置在图1站台区域的顶部，分散布置在列车停站位置各节车厢冷凝器风扇的正上方，一个冷凝器上方对应5个轨顶风口，每节车厢顶部前后各一个冷凝器，6节编组12个冷凝器对应60个轨顶风口。因考虑到风口位置与排热风室距离不同而导致各风口风压不一致，为了保证排风量相同采用插板阀控制开度，轨顶风口原始尺寸为1000mm×500mm。具体风口开度见表1。轨底风口布置于屏蔽门一侧下方隧道，与停站时转向架位置对应，分布类似轨顶风口，共有60个，每个风口尺寸均为720mm×200mm。

图1　地铁站轨行区结构图（列车行进方向是从上游位置开往下游位置）

表1　地铁车站轨顶风口开度

为探究轨底风口对地铁隧道温度的影响，确定以下三个工况进行模拟分析。

工况一:轨顶轨底风口均打开，排热风室的风机频率为30Hz，研究列车进站停站出站整个过程58s的隧道温度分布情况；

工况二:关闭轨底风口（通过关闭排热风室内的轨底总风口来实现），打开轨顶风口，排热风室的风机频率依然为30Hz，研究58s隧道温度分布情况；

工况三:关闭轨底风口，打开轨顶风口，排热风室风机频率增加到50Hz，研究58s隧道温度分布情况。

2　数值方法

模拟中，紊流效应采用标准k-ε方程模型，因为基于雷诺平均（RANS）的CFD模拟在研究列车绕流和压力分布时，已有不少成功的算例。标准k-ε方程湍流模型，基本控制方程包括连续性方程、动量方程和状态方程。

连续性方程:

动量方程:

式中:

式中:

式中:

湍流动能耗散率ε方程:

式中:

计算中总网格数量约为550万，网格已经足够密，数值计算已经实现了网格独立性。

3　边界条件

根据实际运行情况，列车运行分为3段，即减速阶段，停站阶段以及加速出站阶段。不考虑屏蔽门打开，冷凝器采用体热源边界条件，根据负荷算得体热源大小为305.45kW；转向架和设备舱采用面热源边界条件。转向架热源强度因制动或者加速热源大小不一样，简化为3个不同面热源强度，根据列车不同运行阶段散热量大小计算公式［9］算得减速阶段热源大小为2094.12 kW，停站阶段热源大小为418.82 kW，加速离站阶段热源大小为1047.06 kW；设备舱散热简化3个阶段均为为98 kW。考虑墙体和车体之间的热辐射。

隧道入口为压力入口边界条件，入口空气温度为27℃，其表压值确定为0；隧道出口以及两个活塞风口为压力出口边界条件，表压值为0。排热风室的排热风机设为fan边界条件，其速度—压力性能曲线为

隧道壁面为静壁面无滑移墙体，常壁温为17.2℃*。

4　计算结果及分析

计算中将列车运行状况分为三个部分:进站段由18m/s减速至0m/s，耗时15s，减速度为1.19m/s2；而后列车停于站内供人员上下车辆，停站时间为30s；最后列车加速出站，由0m/s加速至18m/s，历时13s，加速度为1.31m/s2。详细列车速度曲线如图2所示。

4.1轨顶轨底风口均打开

图3显示了轨顶轨底风口均打开工况的上下游风机风量变化和上下游活塞风道风量变化。其中活塞风量负值表示由隧道向外界排风，正值表示外界向隧道内进风。可以明显的看出下游风机的排风量大于上游风机的排风量，变化规律都是从刚进站时较大风量慢慢减小，到停站后隧道内气流变缓，压差变大风量逐渐变大，出站时上下游风机风量均减小，但下游风机较上游风机变化过程要延迟几秒，是车尾负压造成的结果。下游活塞风出现明显的延迟效应，停站期间甚至出现进风，出站时上游活塞风也出现进风，同是车尾负压作用出现活塞风倒灌现象。

图2　列车运行速度曲线

图3　轨顶轨底均打开工况风机风量及活塞风量变化

图4显示的是列车进站-停站-出站过程轨底风口和轨顶风口处平均温度变化曲线。其中风口1为站台下游靠近车头处，风口6为站厅上游靠近车尾处。风口1-6的平均温度为每节车厢对应的10个风口表面的空气平均温度。从图中可以看出轨底风口温度变化呈现增大-减小-增大的趋势，即列车减速过程风口风温逐渐增大，停站时由于车底产热减小而风温降低，加速离站时风温继续增大；由于气流运动的延迟效应，风口1的温度变化最滞后，但其最终温度也最高，各风口平均温度从风口6到1逐渐减小。轨顶风口温度变化与轨底不同，除刚开始加速时温度有所降低之外，其他时间温度都是逐渐升高，主要原因是轨顶风口距离冷凝器较近，而冷凝器散热量不随车体运动过程变化而变化，故停站后轨顶风口温度随热量堆积继续升高。轨底风口最高温度出现在56s的风口1处为35.06℃，轨顶风口最高温度出现在56s的风口1处为33.21℃。轨顶风口平均温度要高于轨底风口平均温度。虽然轨底转向架和设备舱散热量远大于轨顶冷凝器，但由于轨顶风口总面积要大于轨底风口；且冷凝器有冷凝风机将热量快速排到上方空间从而从轨顶风口排出；又因热空气密度较小，在浮力作用下向上运动使得轨底大量热量也通过浮升运动通过轨顶风口排出。这几个方面原因造成轨顶风口温高于轨底风口温度。

4.2轨底风口关闭，轨顶风口打开

图5显示了轨底风口关闭，轨顶风口打开工况的上下游风机风量变化和上下游活塞风道风量变化。二者的变化规律和上一工况类似，不同的是上下游风机的风量均小于上一工况，下游风机风量稍大于上游风机，但差别较小，造成这一现象的原因是由于轨底风口关闭，风口数量减少一半，风速对风口内外压力的影响减弱，风量基本一致，但总体风量要小于上一工况。上下游活塞风变化与上一工况完全一致。

图6显示的是列车进站-停站-出站过程轨底风口和轨顶风口处平均温度变化曲线。此时轨底风口不进风。可以看出该工况下轨顶轨底风口温度要低于上一工况轨顶轨底风口温度，且风量也小于上一工况，根据排热量知轨底关闭后通过排热风机排出的热量会减少。而根据模拟温度云图来看，轨底关闭工况中隧道内最高温度超过40℃，这样的高温对列车空调机组是极为不利的，会造成压缩机的停机，而且该计算是在没有考虑长时间运行热量堆积，故实际情况比该工况中的温度还要高。所以不应该关闭轨底风口。

图4　轨底轨顶各风口平均温度变化

5　结论与建议

本文通过建立几何模型进行数值模拟计算，分析了地铁屏蔽门系统车站排热，分别对轨顶轨底风口均打开工况和轨底风口关闭工况进行研究，得出不同风口打开方式对隧道内部温度场的影响。结果表明关闭轨底风口后风机总体排风量会降低，轨顶轨底风口处的温度也会降低，说明风口排热能力的降低，造成热量堆积而使得隧道温度升高，最高温度高于40℃，不利于列车空调冷凝器的正常工作，故建议轨顶风口和轨底风口均打开。且根据各个风口的排风量和温度分布图，下游风口的排风量和温度都高于上游风口。为了能更好的发挥风口的排热能力，建议增大上游风口面积，提高上游风口的排风量进而增大排热量；轨底转向架和设备舱的散热量远大于轨顶冷凝器散热量，但轨顶风口排热能力却高于轨底风口，故建议增大轨底风口的面积，提高轨底风口的排热能力。

图5　轨底关闭工况风机风量及活塞风量变化

图6　轨底轨顶各风口平均温度变化

［1］张琛，李超，贺力霞，等.2014年中国城市轨道交通运营线路统计与分析［J］.都市快轨交通，2015，28 （1）:1-3

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

［3］李萌.高温隧道衬砌结构的平面温度［D］.北京交通大学，2010

［4］郝盛.地铁车站隧道轨顶排热风口设置形式研究［J］.建筑热能通风空调，2011，30（6）:45-47

［5］曾甫海.提高地铁车站排热系统效率的思路浅析［J］.暖通空调，2013，（8）:83-85

［6］王峰，雷波.地铁隧道通风系统节能研究［J］.地下空间与工程学报，2012，8（001）:172-176

［7］华正博.屏蔽门制式地铁轨行区通风模式研究［D］.西南交通大学，2012

［8］王丽慧.地铁活塞风与地铁环控节能［D］.上海:同济大学，2007

［9］刘红星.地铁内的发热及热负荷计算［J］.隧道译丛，1993，（8）:16-25

*宋芳婷，诸群飞，吴如宏，等.中国建筑热环境分析专用气象数据集［J］.全国暖通空调制冷2006学术年会资料集，2006

Heat Exhaust Numerical Simulation of PSD System in Metro Station

YE Chenhui，CAO Yanhua，ZANG Jianbin*
（School of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai201804，China）

The PSD system of ametro station would hinder the diffusion of tunnel heat，and different heat exhaust ways has differenteffecton tunnel temperature.The impactof OTE and UPE to heatexhaustof tunnel has been calculated by numerical simulation.The simulation results indicate that open UPE will increase volume of exhaust fan，as well as decrease the average temperature of tunnel；at the same time，by analysing the air volume and temperature of each vent，it is suggested that the upstream and bottom vents should be bigger for amore effective heat exhaust efficiency.

tunnel temperature；OTE and UPE；heat exhaust；air volume

TU834；TB494 文献标示码:A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.003

ISSN1005-9180（2016）02-012-06

2016-2-21

叶晨辉（1991-），男，硕士研究生。研究方向:制冷及低温工程。Email:ycheart@foxmail.com