基于地鐵環(huán)境模擬的地鐵通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃莉媛

中鐵二局集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司

地鐵系統(tǒng)中熱量主要來自列車制動系統(tǒng)，推進(jìn)系統(tǒng)以及車上輔助系統(tǒng)，列車運(yùn)動同時(shí)也會帶動隧道，站點(diǎn)和通風(fēng)井內(nèi)的空氣，產(chǎn)生活塞效應(yīng)。地鐵通風(fēng)系統(tǒng)必須在溫度和空氣質(zhì)量方面提供可接受的地下空氣環(huán)境。作為地鐵系統(tǒng)的重要組成部分，地鐵通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能控制是非常有必要的，不僅可以節(jié)省地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的耗能，也為優(yōu)化地鐵系統(tǒng)提供基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)了解環(huán)境對其建設(shè)，維護(hù)和運(yùn)營的影響，將通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)整體熱工性能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更高效、持續(xù)的通風(fēng)功能[1-6]。本文通過仿真計(jì)算地鐵通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)前期的各個(gè)參數(shù)影響，明確各參數(shù)的最佳工作數(shù)值范圍，并在設(shè)計(jì)階段將各參數(shù)最優(yōu)值進(jìn)行優(yōu)化結(jié)合，從而最大程度實(shí)現(xiàn)既經(jīng)濟(jì)又可持續(xù)的工程設(shè)計(jì)方案。

1 模型建立和參數(shù)設(shè)置

本文建立一個(gè)四站臺地鐵通風(fēng)系統(tǒng)通用模型，配有獨(dú)立站臺末端的通風(fēng)井（每個(gè)隧道配一個(gè)，直通室外環(huán)境），通過地鐵環(huán)境模擬軟件（SES）進(jìn)行建模仿真，用以研究通用地鐵通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)。表1 列出了各參數(shù)初始假設(shè)值，通過模型模擬得到的參數(shù)均與之進(jìn)行比較，模型模擬環(huán)境僅針對夏季，并假設(shè)系統(tǒng)在正常條件下運(yùn)行且未進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)或冷卻，通過模擬軟件仿真計(jì)算各參數(shù)變化對隧道和站臺的溫度影響[7]。

表1 各參數(shù)初始假設(shè)值

2 分析與討論

2.1 通風(fēng)井尺寸

通風(fēng)井的橫截面積直接影響隧道與周圍環(huán)境之間的空氣交換量。對于夏季無空調(diào)地鐵站，應(yīng)考慮盡可能多地與環(huán)境空氣進(jìn)行熱交換，來降低整個(gè)站內(nèi)系統(tǒng)溫度。圖1 描繪了各種通風(fēng)井尺寸的隧道和地鐵站點(diǎn)的溫度變化。

圖1 站內(nèi)自然通風(fēng)地鐵系統(tǒng)內(nèi)溫度變化效果

結(jié)果表明，對于地鐵站臺，在所討論的通風(fēng)井橫截面面積的變化范圍內(nèi)對其溫度的影響有限。對于隧道內(nèi)溫度，通風(fēng)井橫截面積的變化影響效果更明顯，橫截面積15 m2的通風(fēng)井相比橫截面積35 m2的通風(fēng)井，其溫度增加約4 ℃?？梢钥闯?，進(jìn)一步增加通風(fēng)井橫截面面積可以有效地降低地鐵隧道內(nèi)溫度，但空間限制和建筑成本等其他因素也決定通風(fēng)井橫截面不宜過大。同時(shí)，如果地鐵站點(diǎn)的空氣溫度低于環(huán)境溫度，則與環(huán)境的空氣交換通常對隧道有利，但對站點(diǎn)不利。

地鐵站點(diǎn)深度通常由隧道深度和巖土工程考慮決定。更深的地鐵站點(diǎn)意味著更長的通風(fēng)井、更大的空氣阻力。這些因素導(dǎo)致通風(fēng)井流通空氣量減少了，且當(dāng)流動方向改變時(shí)，需增加再循環(huán)的空氣量。因此，如果其他參數(shù)保持不變，則相對較深的地鐵站點(diǎn)（30～40 m）的溫度通常比一般地鐵站點(diǎn)的溫度高約2 ℃。

另一方面，地鐵站點(diǎn)的布局對隧道/站臺環(huán)境有影響。分別建立從地鐵站臺至地面配置三個(gè)出口、兩個(gè)出口和一個(gè)出口的模型，站臺層設(shè)置兩個(gè)橫截面積為7.5 m2的樓梯間。站臺地鐵站點(diǎn)出口數(shù)量對溫度的影響如圖2 所示。通常也可以通過改變出口面積而不是數(shù)量來實(shí)現(xiàn)等效結(jié)果，但出口數(shù)量通常取決于預(yù)期乘客量和站點(diǎn)建筑設(shè)計(jì)等因素。應(yīng)該注意的是，模擬是基于一個(gè)夏天環(huán)境溫度和自然通風(fēng)情況，如果要對機(jī)器進(jìn)行機(jī)械冷卻，應(yīng)盡量減少環(huán)境空氣的滲透。

圖2 地鐵站出口數(shù)量對地鐵隧道和站臺的環(huán)境影響

2.2 軌道坡度

軌道結(jié)構(gòu)布局會影響列車制動和推進(jìn)時(shí)產(chǎn)生熱量的多少，從而影響系統(tǒng)溫度。理想情況下，地鐵站點(diǎn)高度應(yīng)相對較高，使得列車進(jìn)站時(shí)處于上坡降速，從而減少制動產(chǎn)生的熱量。列車駛離地鐵站點(diǎn)時(shí)，軌道設(shè)計(jì)成下坡利于提速，充分利用列車自重加速，從而減少列車推進(jìn)過程產(chǎn)生的熱量。為了實(shí)現(xiàn)最佳效果，一般需要駕駛員完美實(shí)現(xiàn)列車進(jìn)站上坡和駛離站點(diǎn)下坡的位置把控。

圖3 軌道坡度對自然通風(fēng)系統(tǒng)中的地鐵站臺溫度的影響

本文建立了一個(gè)依據(jù)典型地鐵隧道結(jié)構(gòu)沿著軌道方向隨機(jī)坡度變化的模型，并設(shè)置三種軌道坡度——駝峰坡度，下沉坡度和平坦軌道，仿真計(jì)算時(shí)所有其他參數(shù)保持不變。如圖3 所示，仿真結(jié)果表明，與基礎(chǔ)情況相比，自然通風(fēng)系統(tǒng)中的站點(diǎn)站臺溫度，“駝峰坡度”情況約低3 ℃，“平坦軌道”情況約升高1 ℃，對于“下沉坡度”情況溫度約升高4 ℃。顯然，“駝峰坡度”的軌道設(shè)置更有利于控制車站環(huán)境，并且可以降低牽引力需求。但需要注意的是，較大的隧道坡度會以其他方式影響通風(fēng)系統(tǒng)，如臨界速度和浮力增加將需要增加通風(fēng)能力，以保證在發(fā)生火災(zāi)時(shí)排煙能力。與此同時(shí)，也會增加排水裝置和運(yùn)營成本。

要實(shí)現(xiàn)降低列車進(jìn)出站制動和牽引產(chǎn)生的熱量，另一種做法是減少列車重量或速度來降低列車進(jìn)出站動能。雖然減少列車重量在功耗和發(fā)熱方面效果顯著，但必須考慮其他因素，如安全、火災(zāi)等。實(shí)際上，全球各地的不同地鐵系統(tǒng)之間的列車重量（含乘客）差異很大，這表明列車重量可作為改善地鐵通風(fēng)系統(tǒng)的考慮因素之一。

列車速度對地鐵系統(tǒng)通風(fēng)和溫度的影響很復(fù)雜。每次列車制動時(shí)，降低列車的速度會減少轉(zhuǎn)換為熱量的動能。同時(shí)，降低了列車的活塞效應(yīng)，從而降低了進(jìn)入地鐵系統(tǒng)的外部空氣量。此外，根據(jù)所使用的信號系統(tǒng)的類型，降低最大列車速度可能會影響線路的乘客容量。因此，通風(fēng)設(shè)計(jì)要求不限制設(shè)定列車實(shí)際運(yùn)行速度。

2.3 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

創(chuàng)建更舒適的車站環(huán)境可能有助于增加地鐵乘客量，相比傳統(tǒng)制冷循環(huán)，利用可持續(xù)冷卻系統(tǒng)制冷方案可以達(dá)到更加節(jié)能環(huán)保的效果，例如利用地?zé)?、河流、海水、地下水冷卻或蒸發(fā)冷卻，用于冷卻車站或隧道，循環(huán)使用。

圖4 典型站臺底部排煙，隧道頂部排煙和空氣供應(yīng)系統(tǒng)

根據(jù)列車制動系統(tǒng)和/或車載空調(diào)裝置的位置，可以考慮通過站臺底部排煙（UPE）和/或隧道頂部排煙（OTE）系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械排風(fēng)來實(shí)現(xiàn)，如圖4 所示。設(shè)置OTE 對于組織排放列車上方隧道頂部的煙霧效果明顯。使用空調(diào)系統(tǒng)有利于確保車站內(nèi)部略微保持正壓，因此內(nèi)部循環(huán)氣流需與外部新風(fēng)供應(yīng)保持平衡，以減少來自隧道氣流滲透的負(fù)荷損失。根據(jù)站臺長度設(shè)置單位長度站臺循環(huán)氣流流量，可以有效地降低整個(gè)車站站臺溫度約10 ℃[8]。

通常在擁擠和緊急模式下使用的隧道通風(fēng)機(jī)也可以替換UPE/OTE 的風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)設(shè)備的這種功能共享限制了風(fēng)機(jī)設(shè)備在車站兩端的位置，但是大大節(jié)省了空間，資金和生命周期成本。如果選擇這種集成式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，則隧道通風(fēng)井應(yīng)遠(yuǎn)離站臺，朝隧道側(cè)傾斜，以便提高進(jìn)入入口隧道的空氣比例，從而最小化風(fēng)機(jī)室的尺寸。

隧道通風(fēng)機(jī)是縱向推力裝置，通常安裝在隧道頂部、墻壁或角落上。大量空氣從一側(cè)被吸入，受限制的高速空氣射流從另一側(cè)噴出，并通過高速流卷吸帶動更大量的空氣在隧道內(nèi)流動。在沒有隧道通風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)中，空氣將向阻力最小的路徑流動，主要流向開放式站臺或非進(jìn)入隧道，如圖5 所示。利用隧道通風(fēng)機(jī)可以改變這種通風(fēng)效果，并且還可以在緊急情況下幫助加壓逃生路線，如圖6 所示。給定風(fēng)機(jī)設(shè)備后，進(jìn)入隧道的有效空氣流量百分比與該隧道內(nèi)運(yùn)行的隧道通風(fēng)機(jī)數(shù)量（每個(gè)標(biāo)稱推力700N）相對應(yīng)，如圖7 所示，所有模擬均基于兩個(gè)車站之間隧道段火災(zāi)強(qiáng)度為15 MW。另外，也可以使用緊急隧道通風(fēng)機(jī)在夜間對系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)，比自然通風(fēng)移除更多的熱量。但是，必須權(quán)衡冷卻效果與運(yùn)行風(fēng)機(jī)的成本。整體而言，隧道通風(fēng)機(jī)可以提供一種經(jīng)濟(jì)有效的方法來實(shí)現(xiàn)隧道中所需的流動并輔助空氣流動。

圖5 無隧道通風(fēng)機(jī)地鐵通風(fēng)系統(tǒng)空氣流動

圖6 配備一對隧道通風(fēng)機(jī)地鐵通風(fēng)系統(tǒng)空氣流動

與此同時(shí)，還有其他可以顯著改善地鐵通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的因素，但許多仍存在相當(dāng)大的技術(shù)難題，且需要考慮初投資和維修成本，例如增加屏蔽門系統(tǒng)隔絕站臺和隧道熱環(huán)境。

圖7 110 m3/s 通風(fēng)量的有效空氣流量與不同隧道通風(fēng)機(jī)數(shù)量的關(guān)系

3 結(jié)論

地鐵通風(fēng)系統(tǒng)需要外部空氣來控制地鐵系統(tǒng)內(nèi)的溫度，為乘客提供新鮮空氣，并且在緊急情況下，控制煙霧流動幫助乘客安全逃離。在某些情況下，可能需要對站點(diǎn)進(jìn)行機(jī)械冷卻以實(shí)現(xiàn)全年所需的條件。

通常，地鐵通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)量由消防應(yīng)急模式要求確定。通過對整個(gè)地鐵通風(fēng)系統(tǒng)和其他相關(guān)系統(tǒng)范圍的參數(shù)設(shè)計(jì)，可以降低通過機(jī)械通風(fēng)來控制溫度和提供外部空氣的需求。這種可持續(xù)的地鐵系統(tǒng)通風(fēng)設(shè)計(jì)方法既減少了系統(tǒng)對環(huán)境的影響，也降低了資金和運(yùn)營成本。