屏蔽门制式地铁隧道气温测试及规律研究

刘 伟,周小涵,徐清荣

(1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司,南京 210009；2.苏交科集团股份有限公司,南京 210017)

我国城市地铁的大规模建成，为民众出行带来了很大便利，在日后运行中，如何在服务好民众的前提下节能，成为各地铁公司必须面对的难题。排热风机作为大能耗常开设备，按最不利情况选型，功率一般在50～70 kW，如果按照最大功率每天开启16 h(国内地铁主流运行时间)，对于30个车站的地铁线路，其一天耗电48 000～67 200 kW·h，耗电量巨大。又因风机耗功率与风量的3次方成正比，风量减少10%，风机耗功率可理论减少27.1%，故对于需常年部分负荷运行的排热风机来说，其节能空间巨大，但何时开启及以多少频率开启风机，因缺乏车站隧道气温等数据支撑，实际运行中难以把控。为实现排热风机节能运行，必须对隧道气温变化规律进行研究。虽然当前对隧道气温方面的研究已有开展[1-9]，但主要针对活塞风进行研究，在隧道气温变化规律方面的研究较少[10-13]，故对实际地铁隧道气温进行了测试并研究隧道气温变化规律。

1 温度测试

1.1 测试地点选取

选取苏州地铁2号线一期(屏蔽门制式，2013年12月28日开通试运营)某车站及其前后区间为例开展研究。

1.2 测试设备选取

综合考虑测试精度、数据连续性及设备布置方便性，采用具有数据记录功能的温湿度测试设备，每个测点设置1台测试设备，在隧道内放置一定时间，获取隧道内各测点连续的温湿度数据。

温湿度测试选用仪器参数见表1。

1.3 测试位置

隧道内完整的气流温度场较难测试，而排热风机是否开启及其开启频率的设置依据的是隧道内最高气温，故在可测出车站隧道最高气温的地方布设温度测点。根据相关研究[14]，沿车站隧道纵向，气温最高点位于端头和中部位置，在隧道截面上，气温最高点位于隧道顶部，因此在上述位置布设测温点。

表1 测试设备参数

1.4 测试安排

(1)测点1和测点5分别设置于陆慕站—平泷路东站区间(1 400 m长)和平泷路东站—平河路站区间(640 m长)中部；

(2)测点2、测点3、测点4分别设置在平泷路东站左端车站侧距活塞风孔10 m处、车站隧道中部、右端车站侧距活塞风孔10 m处；

(3)测点(探头)距轨面3.5 m高。

2 数据分析

2.1 夏季温度变化

2.1.1 一天温度变化

夏季测试日室外气温，最高为40 ℃，最低为31 ℃。各测点夏季测试数据见图1。由图1可知。

首先，在白天(6：00至23：00)温度呈锯齿形周期变化，其变化周期与约7 min的发车间隔相同，说明白天隧道温度变化主要受车辆影响。

其次，地铁停运后，各测点温度逐渐降低，地铁运营后开始缓慢升温，并且车站隧道降温幅度大于区间隧道。车站隧道受隧道壁降温及车站空气升温双重作用，隧道气温降幅较小。区间隧道只受隧道壁降温作用影响，降温幅度大。

图1 各测点7月27日温度变化曲线

其三，在最高温度方面，白天与晚上(当日23：00至第二天6：00)5个测点温度排序相同，均为测点3>测点4>测点2>测点5>测点1。究其原因，主要是因为车站隧道主要受室外空气、隧道侧壁、站台空气、车辆散热影响[15]，而区间隧道只受室外空气、隧道侧壁、车辆散热影响，车站站台空调设计温度为28 ℃，基本高于隧道气温，且刹车进站车辆单位时间散热增加，故车站隧道气温高于区间隧道。

比较车站隧道各测点，中部温度高于两端，上行端温度小于下行端温度。比较区间隧道测点，上行端隧道气温小于下行端隧道气温。对于车站隧道各测点，因中间部分受室外空气影响最小，且车辆散热在隧道中部有聚集效应，故中间温度高。车站隧道下行端因车辆散热在隧道内不能全靠活塞效应排出[16]，积聚而产生堆积，导致下行端气温高于上行端。区间隧道不同测点温度差异也是因隧道热量聚集效应引起的。

其四，最低温度方面，白天与晚上排序不同，白天为测点3>测点4>测点5>测点1>测点2，晚上排序为测点3>测点4>测点2>测点5>测点1。

白天由于地铁运行在隧道内产生活塞效应，各测点在列车经过后，受到不同的气流影响，见图2。各测点在列车通过后，测点3因车辆靠站(车辆散热大、影响时间长，站台层公共区气流(28 ℃)流入车站隧道)及远离活塞风井，测点最低温度最高；测点4除受车站靠站加热影响外，还受一定活塞风井冷却作用(室外空气经过长风道降温，已基本低于隧道气温)，最低温度次高；温度测点1与测点5受气流影响相同，因隧道热量堆积效应，测点5最低温度高于测点1，列车过后测点2除接触类似测点1气流外，还受室外降温空气影响，故最低温度最低。

图2 各测点在车辆经过时气流示意

对于晚上，因无车辆运行，隧道内无活塞效应，各测点最低温度排序同最高温度。

其五，各测点白天温度呈驼峰形，列车运行后缓慢上升，14：00左右达到一日的最高温度，而后温度逐渐降低，至列车停运时温度高于列车开始运行时。并且随隧道气温上升，其温度变化幅度也在变大。

最后，各测点温度均在24～29 ℃，一天内温度变化幅度在4 ℃以内，其中测点1、测点5温度变化范围在3 ℃以内，其他测点一天温度变化幅度在4 ℃以内。在白天温度周期变化时，测点1与测点5每周期温度变化幅度在1.5 ℃之内，其他测点在2.5 ℃之内。

2.1.2 典型时段温度变化

为比较隧道不同位置温度变化规律，分析一天中典型时段隧道气温，截取一天中12：00～13：00各测点温度数据进行研究，见图3。

图3 7月27日12：00～13：00各测点温度曲线

由图3可知，各测点温度呈锯齿形周期变化，变化周期与苏州地铁2号线行车间隔相同(工作日：高峰时段7：45～9：00、17：00～19：00，行车间隔5 min30 s；其他时段为平峰，行车间隔6 min 45 s)，各测点温度高低与2.1.1节分析相同。提取各测点在12：00～13：00时段内最高、最低温度，见图4、图5。

图4 12：00～13：00各测点温度峰值

图5 12：00～13：00各测点温度谷值

由图4和图5可知，在最高温度方面，测点1和测点5变化较小，在0.2 ℃之内，其他测点变化在1 ℃之内。最低温度方面，各测点温度变化均在0.2 ℃之内。由上可知，最低温度变化小于最高温度变化，因隧道气温在一日内变化主要受车辆散热影响，车辆通过测点时测点温度达到最高点，温度提升较大，而最低温度因主要受隧道壁吸热而下降，因行车间隔基本相同，故最低温度基本相同，变化不大。

依各测点最低、最高温度出现时间，计算得出各测点在不同温度周期内温升和温降速率，见图6、图7。

图6 12：00～13：00各测点温升变化率

图7 12：00～13：00各测点温降变化率

由图6、图7可知，在温升变化率方面，测点1最大，其他测点相差不大，排序为测点1>测点2≈测点3>测点4≈测点5。上述排序，隧道断面不同、影响热源不同、车辆速度不同成为主要因素。车辆经过测点1时速度快，升温历时短，距最近活塞风井距离超700 m，无其他热源影响，故温升快；车辆进站经过测点2、测点3、测点4时，速度较慢，温升历时长，且3个测点所在隧道截面积大于区间隧道截面积，温升热源除车辆散热外还有站台门散热及车辆刹车散热，综合结果呈现为温升率小于测点1；由于车辆进站为逐渐减速停车过程，车辆散热到达测点4时车辆已基本停站，故测点4温升率小于测点2、测点3；测点5虽然温升历时短，但温升小(因区间总长640 m左右，受临站活塞风井进风影响大)，综合体现为温升率最小。

在温降变化率方面，各测点大小排序为：测点3>测点2>测点4>测点1>测点5。温降速率主要影响因素为隧道空气与传热，各测点基本为自然降温，降温热源多的测点温降速率大。测点2、测点3、测点4除有隧道壁降温外，从活塞风井传入车站隧道的室外空气也对车站隧道有降温作用，故测点1和测点5温降速率小；测点3因最高温比其他测点高1～1.5 ℃，与隧道壁热交换速率更快，故测点3温降速率最大；测点2因受室外空气影响大于测点4，故测点2温降速率大于测点4；因测点1温升较测点5大0.5倍左右，测点1与隧道壁换热速率大于测点5(换热量与温差呈正比，两区间隧道壁温差不多)两个测点温降时间相差不大，故测点1温降速率大于测点5。

将各测点温升、温降变化率比值作图，见图8。

图8 12：00～13：00各测点温升与温降变化率比值

由图8可知，各测点温升基本均为温降的4倍以上，由传热来看，温升时换热速率是温降时的4倍以上。

分析温升与温降热源，测点1与测点5，温升热源主要为车辆散热[17]，温降热源主要为隧道壁吸热；测点2、测点3、测点4，温升热源主要为车辆散热和车站热气流，温降热源主要为隧道壁吸热及室外空气。测点2、测点3、测点4温升与温降变化率之比较为稳定，与车辆进站、出站速度较为稳定有较大关系；测点1、测点5温升与温降变化率之比变化较大，因温升、温降热源单一及车辆速度不同导致不同的活塞气流，成为温升与温降变化率之比变化较大的主要原因。

据热量平衡：(K散-K壁)t1/K壁t1=Q空气吸收/Q空气释放

因Q空气吸收=t1×m×CP×v1，Q空气释放=t1×m×CP×v2，则v1/v2=(K散-K壁)t1/K壁t1

式中K散——车辆与隧道空气的综合换热系数，W/m2·℃；

K壁——隧道壁与隧道空气的换热系数，

W/m2·℃；

t1——传热时间，s；

m——空气质量，kg；

CP——空气的定压比热容，J/(kg·℃)；

v1——空气温升速率，℃/s；

v2——空气温降速率，℃/s。

对于测点2、测点3、测点4，v1/v2≈4.5，计算得K散=5.5K壁。

由上可知，对于车站隧道，车辆单位时间向隧道空气的散热量，约为隧道壁单位时间从隧道空气吸热量的5.5倍。

对于区间隧道，因温升变化率与温降变化率比值基本在6以上，故车辆单位时间向隧道空气的散热量，约为隧道壁单位时间从隧道空气吸热量的7倍以上。

2.2 冬季温度变化

2.2.1 一天温度变化

冬季测试日室外气温，最高16 ℃，最低6 ℃，整理一天测试数据，详见图9。

图9 2017年1月1日各测点温度曲线

由图9可知，隧道气温在冬季有以下特点。

首先，隧道气温在一天内温度变化可分为3个阶段，每个阶段对应时间为00：00：00～5：30：00和23：00：00～24：00：00、5：30：00～8：30：00、8：30：00～23：00：00，分别为稳定阶段(车辆停运)、大幅规律变化阶段、小幅规律变化阶段，3个阶段在10 min内温度变化幅度均较小，分别为0.1、0.5、0.2 ℃。可知，在冬季，列车运行及停运阶段，隧道得热与失热均呈基本平衡，隧道气温变化小。

其次，隧道气温在5：30：00～23：00：00，温度呈周期变化，变化周期与列车约7 min的发车间隔吻合。各测点温度变化趋势不一致，有些测点呈先上升后下降周期变化，有些测点呈先下降后上升周期变化。

其三，各测点在不同阶段温度排序不同，第一阶段排序为：测点1>测点4>测点5>测点3>测点2；第二阶段排序为：测点1>测点4>测点3>测点2>测点5；第三阶段排序为：测点1>测点3>测点2>测点4>测点5。各阶段不同测点温度排序不同，主要因各测点受热源不同及热量在隧道内积聚等影响。

其四，对于车辆停运时刻，各测点温度基本不变化，表示隧道空气与隧道壁之间达到热交换平衡，隧道气温等于隧道壁温度，故在00：00：00～5：30：00和23：00：00～24：00：00，测点1、测点4、测点3、测点2、测点5所在位置隧道壁温分别为18.5、17.3、17.3、18、17.8 ℃。

其五，随车辆运行和停运，车站隧道气温和区间隧道气温呈现不同特征。对于区间隧道气温，车辆停运时高于车辆运行时；对于车站隧道气温，车辆运行时高于车辆停运时。

最后，各测点气温均在16.5～19 ℃，一天的变化幅度除测点1为1.5 ℃左右，其他测点均在1 ℃范围内。对于第二阶段和第三阶段，各测点每周期温度变化幅度分别为1 ℃之内和0.5 ℃之内。

2.2.2 典型时段温度变化

为比较隧道不同位置温度变化规律，分析一天中典型时段隧道气温，为排热风机运行提供数据参考，截取6：00～7：00和12：00～13：00两个时段，研究各测点温度数据，见图10、图11。

图10 1月1日6：00～7：00各测点温度曲线

图11 1月1日12：00～13：00各测点温度曲线

由图10可知，各测点在6：00～7：00时温度曲线呈倒锯齿形变化(温度先降后升)，变化周期与发车周期相同，且温度在整体逐渐降低。各测点统一出现上述情况，主要因为车辆运行后产生的活塞效应，将部分温度在6 ℃(早上6点左右室外气温接近一天最低气温)的室外空气带入了隧道，其对隧道空气相当于冷源，并且冷源对空气的降温效应大于车辆散热引起的升温效应，导致各测点温度曲线呈现出周期性倒锯齿形变化。

另外，图10中各测点温度排序为测点1>测点4>测点3>测点2>测点5，因降温冷源主要为室外冷空气，故排序基本代表了各测点受室外空气影响大小，各测点受活塞效应影响大小为测点5>测点2>测点3>测点4>测点1。测点1和测点5所在隧道长度分别为1 400 m和640 m，故区间隧道越短，其气温受活塞效应影响越大。对于车站隧道测点，受活塞效应影响沿车行方向逐渐减小。

观察图11发现，各测点温度变化曲线，虽然温度均呈周期性变化，且变化周期相同，但是曲线走势明显分化，测点1、测点2、测点3呈矩形周期变化，测点4、测点5呈倒矩形周期变化(温度先将后升)。

2.3 冬、夏季对比分析

通过对夏季、冬季隧道气温分析，发现冬、夏季隧道气温差别明显，且变化规律明显不同，现进行对比。

2.3.1 相同点分析

首先，冬、夏季隧道气温，随车辆运行和停运均呈不同变化特征。车辆运行时，隧道气温均周期性变化，变化周期均与发车周期相同。车辆停运后，车站隧道和区间隧道温度均较平稳，变化幅度在0.5 ℃之内。

其次，冬季和夏季，活塞风和车辆散热均对隧道气温产生重要影响。活塞风推动车辆散热及室外空气在隧道内运动，车辆散热对隧道气温起关键作用。

其三，室外空气在冬季和夏季均能对隧道气温产生影响，其温度高低决定了车站隧道和区间隧道的整体温度。夏季室外气温高，隧道气温高(24 ℃以上)，冬季室外气温低，隧道气温低(19 ℃以下)。

最后，车辆运行时，区间隧道和车站隧道气温变化趋势相同。随车辆运行逐渐升至最高点，而后下降。

2.3.2 不同点分析

首先，冬季、夏季隧道气温不同。夏季，区间隧道和车站隧道气温分别比冬季高约5 ℃和约8 ℃以上。

其次，各测点温度随季节不同温度高低排序不同。车辆停运时，夏季区间隧道气温低于车站隧道气温，冬季区间隧道气温基本高于车站隧道。车辆运行时，夏季区间隧道气温峰值低于车站隧道气温峰值，而冬季区间隧道气温峰值与车站隧道气温峰值互有高低。

其三，车辆运行时，冬、夏季隧道气温变化形式不同、变化幅度不同。夏季，区间隧道和车站均呈锯齿形周期变化，而冬季隧道气温在5：30～8：30呈倒锯齿形变化，在8：30～23：00时，测点1～测点3呈矩形周期变化，测点4、测点5呈倒矩形周期变化。对于每周期变化幅度，夏季明显大于冬季，夏季和冬季各测点变化幅度分别介于1.5～2.5 ℃和基本在0.5℃之内，且夏季区间隧道小于车站隧道，冬季相反。

其四，车辆运行时，夏季隧道气温变化平稳，冬季气温变化不稳定。夏季，车辆运行初期和后期隧道气温周期性变化幅度小，运行中期变化幅度大且稳定。冬季，车辆运行初期隧道气温变化幅度大，较稳定，运行中期和后期变化幅度小，但不稳定，时大时小。

最后，车辆停运期间，夏季隧道气温呈缓慢下降趋势，冬季隧道气温先快速升高(30 min内)，而后处于基本稳定状态。

2.4 地铁隧道气温测试取数间隔分析

数据间隔设置决定测试数据的完整性，也就决定了分析结论与实际的相符度，故需合理设置。对于地铁隧道气温测试，数据时间间隔设置越小，越能完整表达隧道气温变化规律，但将提升测试设备性能要求、测试成本和后期分析难度，下面结合本次测试数据，分析保证隧道气温测试数据不失真的合理测试时间间隔。将夏季各测点数据分别以间隔10 s(图3)、20、40 s进行作图，比较各图的精细化程度和对气温变化规律的呈现，详见图12和图13。

图12 7月27日12：00～13：00间隔20 s温度曲线

图13 7月27日12：00～13：00间隔40 s温度曲线

对比图3、图12、图13，可知图3和图12图形各测点温度曲线变化基本一样，只是图3温度曲线更细腻平滑，故可判断图12可完整反映各测点温度变化规律。对于图13，其与图12有较大差别，在开始阶段，测点2缺少温度谷值，在12：00～13：00整个测试时段，除测点5外，各测点均有较大差别，尤其是在各测点峰谷值方面，存在峰值减小、谷值增大的现象，故图13不能完整反映各测点温度变化规律。所以，对于正常工况行车间隔为405 s(6分45 s)的线路，温度测试时间间隔设置为20 s较为合适，即行车间隔的1/20。因测试线路只是初期行车间隔，在远期，其行车间隔为2 min，对于这样的行车间隔，车辆运行时隧道温度变化周期为2 min，变化周期缩短，为表达完整的温度变化曲线，测试间隔也应缩短，建议取行车间隔的1/20，即6 s。

3 结论与建议

3.1 结论

(1)无论冬季还是夏季，车辆运行时，隧道气温均呈周期性变化，变化周期与发车间隔相同。

(2)车辆运行时，夏季隧道气温周期变化波幅大于冬季，夏季、冬季波幅分别为1.5～2.5 ℃和0.5 ℃之内。

(3)夏季隧道气温比冬季隧道气温高，夏季隧道气温在24～29 ℃变化，冬季隧道气温在16.5～19 ℃变化。

(4)在夏季，车站隧道气温高于区间隧道，在冬季，区间隧道气温在车辆停运时基本高于车站隧道，车辆运行时互有高低。

(5)夏季车站隧道气温沿车行方向规律分布，中间高两端低，且下行端高于上行端。

(6)车辆停运时，隧道气温变化较小。夏季缓慢下降，幅度在0.5 ℃之内，冬季在车辆停运后30 min内上升0.5 ℃左右，而后保持稳定。

3.2 建议

(1)可结合已运营10年以上地铁隧道气温测试及车站隧道排烟实验，判断车站设置排热风机必要性。

(2)在地铁隧道通风设计时，可添加隧道气温探测设备，根据每个行车间隔隧道气温变化不超过3 ℃的情况，设置隧道风机、排热风机开启条件。

(3)对地铁隧道进行气温测试时，合理的取数间隔应设置为发车间隔的1/20。

(4)根测试数据，地铁运营初期，在最高气温下，即使不开启排热风机，车站隧道气温也不超过30 ℃，故可不开启排热风机。

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