地铁屏蔽门渗透风对车站空调负荷影响的数值模拟研究

中建五局三公司设计研究院 李 亮清华大学 李晓锋 王春旺 李 严

0 引言

地铁列车在区间隧道内运动会产生活塞风，活塞风会通过屏蔽门及屏蔽门的缝隙流入车站，不仅影响车站站台和通道上的乘客舒适性，更会影响车站的空调负荷。随着地铁客流量、发车密度及运行年限增加，地铁隧道内温度逐年升高，实测北京地铁区间隧道内夏季最高温度己经达到31 ℃[1],而广州地铁区间隧道内夏季最高温度达35 ℃[2]。屏蔽门渗透风带入车站的热量是地铁公共区空调负荷的主要组成部分之一，区间隧道温度的升高，必然导致车站负荷的增加。杨晖分析了流速对候车乘客舒适性的影响,计算了活塞风所造成的站台通风量,分析了其对改善空气质量所起的作用，并提出了未来地铁站台环控系统设计应当考虑的问题[3]；董书芸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[4]；李俊提出采用网络法估算屏蔽门漏风量，并研究了屏蔽门漏风对站内空调系统负荷的影响,给出了屏蔽门漏风所引起的空调负荷的计算公式[5]。现有研究中缺少通过屏蔽门渗透到车站的空气中到底有多少进入了空调回风而成为车站空调负荷的研究。本文以某标准地下2层岛式地铁车站站台为研究对象，根据站台的实际几何尺寸建立物理数学模型，采用CFD数值模拟软件对屏蔽门渗入风进入空调回风的风量与屏蔽门渗入风量的比例进行模拟计算，模拟采用K-ε两方程模型，应用SIMPLE算法求解。

1 数值计算模型

1.1 车站模型

图1为车站站台一半区域(另一侧基本相同)的空调风系统平面示意图。主要参数如下：1) 站台公共区尺寸(长×宽×高)为114.0 m×10.0 m×4.0 m，站台与站厅之间有2个连接通道，每个通道口宽3.0 m，长2.0 m；2) 屏蔽门有18个滑动门，滑动门高度为2.2 m，头尾的2个门宽度为1.6 m，中间16个门的宽度为2.0 m；3) 图中的绿线风管为送风管，站台的总送风量为60 000 m3/h，风口数量为42个，单个风口尺寸为0.3 m×0.2 m；4) 图中的红线风管为回风管，站台的总回风量为54 000 m3/h，风口数量为10个，单个风口尺寸为0.6 m×0.3 m。车站CFD模型如图2所示。

图1 站台层空调送回风平面图

图2 车站CFD模型

实际站台内部结构及运行情况较为复杂，模型作如下简化：忽略站台内结构支柱、楼梯等构件对空气流动的影响。

1.2 边界条件

1) 站台与站厅通过2座楼梯连接，连接口定义为压力边界；2) 空调送风口和回风口均定义为风量边界，风量分别取0.4 m3/s和1.5 m3/s；3)隧道通过屏蔽门的渗透风定义为风量边界，不同方案的风量见表1。

表1 不同方案屏蔽门渗透风量 m3/h

1.3 模拟工况

为了分析不同屏蔽门渗透风量对车站空调负荷的影响，设置25种工况，见表1。

1.4 计算方法

从车站区间隧道渗入站台的空气，一部分通过站台又进入隧道，另一部分进入站台的空调回风，其余进入站厅。为了定量分析屏蔽门渗透风量中到底有多少进入车站空调回风系统而产生车站的空调负荷，引入掺混率的概念。

Q=Q1+Q2+Q3

(1)

(2)

(3)

η=ηp+ηh

(4)

式(1)～(4)中Q为从屏蔽门渗入车站的风量；Q1为从车站渗入屏蔽门的风量；Q2和Q3分别为屏蔽门渗入风进入站台和站厅空调回风的风量；ηp、ηh、η分别为站台、站厅和整个车站的掺混率。

2 模拟计算结果及分析

2.1 站台

屏蔽门渗出风量、渗入风量与站台掺混率的关系分别见图3、4。站台掺混率模拟结果如表2所示。分析可得出如下结果。

1) 站台掺混率与屏蔽门渗出风量呈线性关系(见图3)，且风量对掺混率的影响较小。

渗入风量为1.0万、1.5万和2.0万m3/h时，

图3 屏蔽门渗出风量与站台掺混率的关系

图4 屏蔽门渗入风量与站台掺混率的关系

表2 站台掺混率模拟结果 %

掺混率随着渗出风量的增大而减小，渗出风量每增大0.5万m3/h，掺混率减小约2.5%；渗入风量为2.5万和3.0万m3/h时，掺混率随着渗出风量的增大而增大，渗出风量每增大0.5万m3/h，掺混率增大约1.0%。

2) 站台掺混率随着屏蔽门渗入风量的增大而减小(见图4)，且风量对掺混率的影响较大。

渗出风量为1.0万、1.5万、2.0万、2.5万和3.0万m3/h时，随着渗入风量从1.0万m3/h增大到3.0万m3/h，掺混率从83%～93%逐渐减小为61%～66%，且减小速度逐渐加快，平均减小约25%。

3) 站台平均掺混率约为79%，说明渗入车站的空气主要进入了站台的空调回风。

由于屏蔽门渗出风量对掺混率的影响较小，所以可忽略其影响，以渗出风量1.5万m3/h的模拟结果建立屏蔽门渗入风量与站台掺混率的数量关系，见图5，可以看到，二者呈二次函数关系，相关系数R2超过了0.99，相关性极强，站台掺混率可直接利用式(5)计算得到。

ηp=-0.072Q2+0.167Q+0.781

(5)

图5 屏蔽门渗入风量与站台掺混率的拟合曲线

2.2 站厅

1) 站厅掺混率随着屏蔽门渗出风量的增大而减小(见图6)，且风量对掺混率的影响较大。

图6 屏蔽门渗出风量与站厅掺混率的关系

渗入风量为1.0万、1.5万和2.0万m3/h时，站厅掺混率基本都为0；渗入风量为2.5万m3/h和3.0万m3/h时，渗出风量从1.0万m3/h增大到3.0万m3/h，掺混率分别从25%和30%逐渐减小为1%和8%。

2)站厅掺混率随着屏蔽门渗入风量的增大而增大(见图7)，且风量对掺混率的影响较大。

图7 屏蔽门渗入风量与站厅掺混率的关系

渗出风量为1.0万、1.5万、2.0万、2.5万和3.0万m3/h时，随着渗入风量从1.0万m3/h增大到3.0万m3/h，掺混率从0逐渐增大为8%～30%，平均增大约20%。

3)站厅平均掺混率约为6%，说明渗入车站的空气只有一小部分进入了站厅的空调回风。站厅掺混率模拟结果见表3。

屏蔽门渗入风量小于2.0万m3/h时，站厅掺混率都为0；屏蔽门渗入风量为2.5万m3/h和3.0万m3/h时，掺混率同时受到屏蔽门渗入和渗出风量的影响，无法建立站厅掺混率与屏蔽门渗入/渗出风量的函数关系，站厅掺混率可根据表4采用插值法取值。

表3 站厅掺混率模拟结果 %

表4 站厅掺混率参考取值表 %

2.3 对车站空调负荷的影响

根据站台和站厅掺混率的计算结果，得到整个车站的掺混率，可以看到：整个车站掺混率在74%～98%之间，平均值约为85%，说明渗入车站的空气中绝大部分进入了空调回风，其中分别平均约有79%和6%进入了站台和站厅的空调回风，这部分渗透风将会增加车站的空调负荷。

隧道温度按照规范中的限值取40 ℃[6]，站台和站厅温度分别取28 ℃和29 ℃，计算可得，屏蔽门渗风所增加的站内空调负荷在37～122 kW之间，平均约为75 kW。整个车站掺混率统计如表5所示。

表5 整个车站掺混率统计 %

3 结论

1) 站台掺混率受屏蔽门渗出风量的影响较小，主要是受屏蔽门渗入风量的影响，且掺混率随着渗入风量的增大而减小；拟合得到了站台掺混率与屏蔽门渗入风量的二次函数关系式。

2) 站厅掺混率同时受到屏蔽门渗出风量和渗入风量的影响，随着屏蔽门渗出风量的增大而减小，随着屏蔽门渗入风量的增大而增大。屏蔽门渗入风量小于2.0万m3/h时，站厅掺混率都为0；屏蔽门渗入风量大于2.0万m3/h时，站厅掺混率可采用插值法并根据参考取值表取值。

3) 整个车站掺混率在74%～98%之间，平均值约为85%，说明隧道渗入车站的空气主要进入了空调回风，其中平均约有79%进入了站台空调回风，约有6%进入了站厅空调回风。这部分渗风将会增加车站的空调负荷。隧道温度按运行远期取40 ℃，计算得到渗风所增加的站内空调负荷约为37～122 kW，平均值约为75 kW。

4) 给出屏蔽门不同渗入/渗出风量时站台掺混率的计算公式和站厅掺混率的插值取值表，可用于地铁车站空调负荷计算时取值参考，指导空调系统的设计。