地铁运营初期区间隧道气温变化规律研究

姜 波



地铁运营初期区间隧道气温变化规律研究

姜 波

（苏交科集团股份有限公司，南京 210003）

对苏州地铁2号线3个连续区间的隧道气温进行测试，分析隧道气温在夏季最热月和冬季最冷月的特征及动态变化规律。结果表明夏季隧道气温比冬季隧道气温高，夏季和冬季隧道气温分别在23.5～27.5℃和16.5～20℃之间变化；当室外气温达到30℃以上时，隧道风机对隧道气温有提升作用，车辆运营和停运时分别可提升约1.5℃和2℃。车辆运行时，冬季和夏季隧道气温均以行车间隔为周期呈锯齿形变化，冬季可能出现倒锯齿形变化；车辆运行与停运时隧道气温比较，夏季车辆运行时高，冬季车辆运行时低；夏季区间隧道中部气温与隧道长度呈正相关关系，冬季时隧道中部气温与隧道长度无规律性关系。

地铁；区间隧道；隧道气温；测试；变化规律

近几年，地铁在国内快速发展，大幅改善了城市的交通状况，如何在节能的前提下为乘客营造舒适的乘车环境，成为各地铁运营公司面临的难题[1-2]。地铁在运营过程中，车辆长期在地下区间隧道内行进，隧道环境温度严重影响车厢内环境，如果隧道环境温度超过列车空调使用温度，将使地铁车辆空调制冷减弱或失效，车厢温度超出乘客舒适范围，极大影响乘客舒适性，因此有必要对地铁区间隧道环境温度进行研究。

地铁区间隧道环境温度受客流量、隧道壁温、车辆散热、隧道风机等众多因素影响[3-6]，且其温度随地铁运营年限变化而变化。为研究区间隧道受各因素影响及其随运营年限的变化规律，有必要按地铁运营年限分别开展研究，本文首先就站台门系统在地铁线路运营初期时的隧道气温开展研究。

虽然通过SES、STESS等[7-11]模拟软件，可以预测地铁区间隧道环境温度，并能通过模拟分析各因素对区间隧道环境温度的影响，但模拟分析毕竟是建立在理论计算的基础上，具有较大局限性。目前隧道模拟软件在预测精度、隧道气温的瞬时变化、隧道气温各影响因素随时间变化等方面表现欠佳，而这些又是分析区间隧道气温变化规律的关键，故本文结合隧道气温测试开展隧道气温变化规律的研究。

1 温度测试

1.1 测试地点选取

选取运营年限不超过5年的苏州地铁2号线，对4座紧邻车站之间的3个区间进行温度测试。苏州地铁2号线隧道通风为站台门系统模式，车站与隧道完全分隔，车站端头分别设置2个活塞风井用于区间隧道通风，平时由活塞风对隧道进行通风换气，阻塞或火灾工况时利用活塞风道内的隧道风机进行通风或排烟。

1.2 测试设备选取

考虑数据的连续性及测试的灵活性，采用具有数据记录功能的温湿度测试设备，在每个测点设置一台测试设备，以获取隧道内各测点连续的温湿度数据。选用仪器参数见表1。

表1 测试设备参数

Tab.1 Test equipment parameters

注：记录采用间隔可自由设定，测试设定10 s间隔。

1.3 测试位置

隧道内气温为一温度场，因场温度较难测试，且判定隧道气温是否超标，主要依据隧道内最高气温，故在隧道内布设温度测点时，应选择可测出车站隧道最高气温的地方。因隧道中部受室外气温影响最小，故纵向方向上测点布置在隧道中部。在隧道截面上，气温最高点位于隧道上部，将测点布置在隧道上部。

1.4 测试安排

为便于对比，对区间在夏季和冬季隧道气温进行测试，并选取夏冬两季中室外气温明显不同的两天。苏州地铁2号线隧道风机平常不开启，只在阻塞或火灾情况下或每月15—18日的23：00—24：00之间连续4日进行检查性开启，每次风机运行约10 min。为验证隧道风机对区间隧道气温的影响，测试隧道对应隧道风机新增了开启计划，见表2和图1。

表2 测试时间安排

注：测点距轨面高3.5 m。

图1 设备安装点

2 数据分析

2.1 夏季温度变化

2.1.1 特征分析

夏季测试时，依据中国天气网，对室外每小时气温进行记录，7月28日和8月5日当天温度变化范围分别为30～39℃和27～33℃。整理夏季测试数据，绘制成图2和3，从图中可看出隧道气温有5个主要特征。

图2 7月28日隧道气温变化曲线

1）观察3个测点2天气温变化，发现隧道气温以一天为周期呈周期性变化，5：30—23：00隧道气温波动变化，0：00—5：30隧道气温逐渐下降，23：00— 24：00隧道气温快速下降。隧道气温周期性变化与其每天所受影响因素有关，车辆运营时，隧道气温主要受车辆散热、活塞风、隧道壁吸热、室外空气等因素影响，而当车辆停运时，其主要受隧道壁散热影响，列车每天运营时间基本稳定，故造成隧道气温呈周期性变化。

图3 8月5日隧道气温变化曲线

2）隧道在15：00左右气温最高，在5：30左右气温最低。隧道气温在15：00左右出现最高值主要是因为车辆运营后车辆散热在隧道内不断积聚，且室外在15：00左右达到最高气温，在活塞风作用下，隧道出现气温峰值。

3）各测点气温虽然时刻变化，但总体大小关系并未随车辆运行与否及时间变化而变化，呈测点1>测点3>测点2的规律排序。从各测点所在隧道长度来看，测点1>测点3>测点2，与隧道气温排序相同，即长度越长的区间隧道，其在隧道中间位置的温度越高。隧道中部气温与隧道长度呈正相关关系。出现上述现象是因为隧道越短，其活塞效应越明显，各种热量在隧道内积聚量就越小，因此隧道气温越低。

4）车辆运行时隧道气温呈锯齿形周期变化（见图4和图5），由图可知其变化周期约为7 min，与行车间隔相同（工作日：高峰时段7：45—9：00、17：00—19：00，行车间隔5 min 30 s；其他时段为平峰，行车间隔6 min 45 s），7月28日和8月5日，测点1、测点2、测点3的变化幅度分别为1℃、0.7℃、1.2℃和0.8℃、0.6℃、0.9℃，比较各测点变化幅度，7月28日比8月5日大。

图4 7月28日13：00—16：00隧道气温变化曲线

图5 8月5日13：00—16：00隧道气温变化曲线

5）观察各测点在车辆停运后的气温情况，可知各测点在4：00～5：30时已基本不变化，因隧道气流基本不流动，可认为此时的隧道壁温与隧道气温相同。对比图2和图3中该时间各测点温度可知，当室外气温变化时，测点1和测点3的隧道气温基本相同，而测点2有变化，可知短隧道的壁温受室外气温影响更大。

2.1.2 影响因素分析

1）隧道风机影响。车辆运营和停运时，因7月28日隧道风机有开启计划，在开启时刻均出现了温度突升的现象，而8月5日隧道风机未开启，整日隧道气温未出现温度突升现象，说明隧道风机在夏季室外气温较高时，对隧道气温有提升作用，车辆运营和停运时分别可提升约1.5℃和2℃。车辆停运后，隧道风机开启，测点1、测点2和测点3可达到的最高气温分别为26.4℃、25.0℃、25.5℃；车辆运营时，隧道风机开启，测点1、测点2和测点3可达到的最高气温分别为27.6℃、27.0℃、26.1℃。在车辆停运和运营开启风机时刻，室外平均温度分别为31℃和39℃，由此可知车辆停运时开启隧道风机，隧道气温更接近室外气温，这是因为隧道壁温度与夜间室外空气温度相差较小，并非因隧道气温在车辆停运时受室外气温影响更大。

另外，对于开启隧道风机时，各测点温度变化趋势并不一样。开启隧道风机，测试测点1、测点2、测点3隧道气温在车辆停运时分别升高1.8℃、1.4℃、1.4℃，在车辆运营时分别升高0.7℃、1.8℃、0.3℃。测点1、测点2、测点3所在隧道长度分别为706 m、480 m、651 m，可知车辆停运时，隧道风机对长隧道气温提升作用大于短隧道；车辆运营时，隧道风机对短隧道气温提升作用大于长隧道。

2）室外气温影响。将测试时间段内室外每小时气温与隧道每小时平均气温整理成图，如图6和图7所示。

图6 7月28日隧道及室外气温小时平均值

图7 8月5日隧道及室外气温小时平均值

由图6和图7可知，对于不同的测试日期，隧道气温变化趋势基本与室外气温变化趋势相同，说明室外气温对隧道气温有影响。比较隧道与室外气温变化幅度，隧道气温变化幅度较小，对室外气温影响有一定的阻尼作用，即室外气温大幅提升时，隧道气温仅小幅提高，并不会因室外气温的快速提升而快速升高。

比较图6和图7可知，当隧道与室外气温相差6℃时，隧道气温并未有明显区别，说明隧道气温受室外气温影响有限。

另对比图2和图3可知，当室外气温较高时，3个测点温度差别大，即各测点温度差别与室外气温呈正相关关系。

2.2 冬季温度变化

2.2.1 特征分析

冬季测试时，依据中国天气网，对室外每小时气温进行记录，1月1日和1月21日当天温度变化范围分别为6～16℃和–2～6℃。整理冬季测试数据，绘制成图，如图8和图9所示。

图8 1月1日隧道气温变化曲线

图9 1月21日隧道气温变化曲线

从图8和图9可知，隧道气温有5个主要特征：

1）冬季，隧道气温仍以一天为周期呈周期性变化，5：30—23：00隧道气温波动变化，0：00—5：30隧道气温逐渐上升，23：00—24：00隧道气温快速上升。隧道气温周期性变化与夏季原因相同，呈现不同的变化规律，主要是影响隧道气温的室外空气温度不同，由夏季的比隧道气温高变为比隧道气温低。

2）室外气温不同时，隧道各测点气温变化趋势有区别。当车辆停运时，1月1日室外气温较高，3个测点在3：00之前的温度排序为测点3>测点2>测点1，3：00～5：30，测点1温度变为比测点2高，这可能与测点1所在隧道较长、受室外气温影响较小有关。1月21日测点1和测点3也出现了类似情况，其原因与1月1日相同。当车辆运行时，1月1日测点2和测点3同样存在温度高低互换的情况，其与测点2所在隧道较短且室外气温较低有关。1月21日测点2和测点3未发生温度高低互换的情况，主要是因为该日室外气温较低。

3）车辆运行时隧道气温呈锯齿形周期变化（见图10和图11），其变化周期与夏季类似，与行车间隔相同；与夏季不同的是，测点1和测点3会因室外气温不同呈现不同的变化规律，室外气温高时呈锯齿形变化，室外气温低时呈倒锯齿形变化（温度先降低后升高），这是因为室外气温较低时，其对隧道气温降温作用已大于车辆等的散热作用。

图10 1月1日13：00～16：00隧道气温变化曲线

图11 1月21日13：00～16：00隧道气温变化曲线

4）当室外气温较高时，隧道最高气温出现在车辆运行时，当室外气温较低时，隧道最高气温出现在车辆停运时，同样是因为随室外气温降低，室外气温对隧道气温降温作用逐渐大于车辆等散热作用导致的。

5）当车辆运行时，3个测点相比，测点2每周期温度变化幅度大于测点1和测点3，与测点2所在隧道较短有直接关系，隧道短，活塞效应强，车辆散热在活塞风作用下波动大，故温度变化幅度大。

2.2.2 影响因素分析

因在冬季测试时间段内，无隧道风机开启计划，故未测试到隧道风机影响下的隧道气温，其对隧道气温的影响主要跟室外气温有关。当室外气温较低时（比隧道气温低10℃以上），隧道风机可将室外冷的空气送入隧道，大幅降低隧道气温。当室外气温较高时（比隧道气温高），隧道风机对隧道空气可能有加热作用。

为探寻室外气温对隧道气温的影响，将冬季测试时的室外气温与隧道小时均值制作成图，如图12和图13所示。

图12 1月1日隧道及室外气温小时平均值

图13 1月21日隧道及室外气温小时平均值

由图12和图13可知，在室外温度剧烈变化时，隧道气温只有较小变化，但总的变化趋势基本类似，室外气温升高或降低时，隧道气温在一定时间后也会跟着升高或降低。由此可知，室外气温对隧道气温有影响，但影响较小。

2.3 夏冬季对比

对比夏冬季隧道气温变化，可发现如下异同点：

1）隧道气温在夏季和冬季均以一天为周期变化，但夏季较冬季更为规律，夏季室外气温不同时，隧道气温变化趋势更相似。

2）在车辆运行时隧道气温均呈锯齿形周期变化，变化周期均与行车间隔相同，但当室外气温低于6℃、隧道长度大约651 m时，隧道气温将呈倒锯齿形变化，夏季隧道气温则不会出现倒锯齿形变化。

3）随季节不同，各隧道中间部位温度排序不同。夏季时，隧道中部气温与隧道长度呈正相关关系；冬季时隧道中部气温与隧道长度无规律性关系。

4）隧道气温随车辆运行与否而不同。夏季，车辆运行时隧道气温基本高于车辆停运时；冬季，车辆运行时隧道气温基本低于车辆停运时。

3 结语

1）隧道气温在夏季和冬季均以一天为周期变化，一般15：00时出现温度峰值，5：30时出现温度谷值。

2）车辆运行时，冬季和夏季隧道气温均以行车间隔为周期呈锯齿形变化，冬季可能出现倒锯齿形变化。

3）夏季时，隧道中部气温与隧道长度呈正相关关系；冬季时隧道中部气温与隧道长度无规律性关系。

4）区间隧道气温随车辆运行与否而不同。夏季，车辆运行时隧道气温基本高于车辆停运时；冬季，车辆运行时隧道气温基本低于车辆停运时。

5）夏季隧道气温比冬季隧道气温高，夏季和冬季隧道气温分别在23.5～27.5℃和16.5～20℃之间变化。

6）在夏季室外气温较高时，隧道风机对隧道气温有提升作用，车辆运营和停运时分别可提升约1.5℃和2℃。

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（编辑：王艳菊）

Research on Air Temperature of Metro Tunnel during the Initial Stage

JIANG Bo

(JSTI Group, Nanjing 210003)

This paper aims to explore the air temperature characteristics and the change rules of several tunnels for the hottest month of summer and the coldest month of winter. The air temperature of three tunnels of the Suzhou Metro Line 2 was tested. The results show that the air temperature of the tunnel was higher in summer than it was in winter. The summer and winter air temperatures ranged from 23.5℃ to 27.5℃, and 16.5℃ to 20℃, respectively. When the outdoor temperature was above 30℃, the tunnel fan was able to improve the air temperature of the tunnel by 1.5℃ and 2℃ during, respectively, vehicle operation and vehicle outage. In both winter and summer, when the vehicle was running, the tunnel air temperature changed periodically, and the change period was the same as the departure interval. When the vehicle was running, the temperature was higher in summer and lower in winter, relative to the temperatures attained during vehicle outage. In summer, the air temperature at the middle interval of the tunnel was positively related to the length of the tunnel. In winter, the temperature at the interval showed no clear relationship with the length of the tunnel.

metro; metro tunnel; air temperature of tunnel; test; variation rule

U231

A

1672-6073(2018)02-0113-06

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.02.019

2017-06-22

2017-10-24

姜波，男，硕士，高级工程师，从事轨道交通通风系统节能研究，28372211@qq.com

苏州市轨道交通集团有限公司科研项目（SZZG06Y J1030014）