北京新建地铁通风空调系统模拟分析
[摘 要]本研究以北京新建地铁四号线第三标段隧道和车站为对象,借助SES软件,建立数学模型,对两种典型的通风空调系统方案正常工况运行进行数值模拟。分析得出产热量的分布规律;列车行车状况、活塞风井、不同形式车站及区间隧道通风空调系统对隧道内速度场、温度场及新风量的影响规律。研究同时对通风空调系统方案进行了初步的技术经济比较。本研究为分析地铁通风空调系统的空气流动与传热提供了参考,为新建地铁通风空调系统方案的选择、设计及科学地运行管理提供有价值的数据资料。 [关键词]地铁;通风空调;设计方案;数值模拟
1 绪 论
1·1 研究背景及意义
地铁和轻轨作为城市快速轨道交通的重要组成部分,具有低污染、低能耗、容量大、安全快捷、正点率高等优点,被公认为“绿色交通”,是城市大运量公交系统首选。
地铁一般深处地下,是一个由多个车站通过隧道连接成的相对封闭空间[1],与外界的空气交换只能通过车站出入口和有限的隧道风井来进行,因此必须合理设计地铁通风空调系统,利用人工方法对地铁内的温度、湿度、有害物浓度和空气流速等进行控制,为乘客提供适宜的环境;并在紧急情况下保证乘客的安全。在实际运行中,地铁通风空调系统的耗电仅次于列车牵引用电,其投资直接影响地铁工程建设的总费用。因此,地铁通风空调系统的合理设计及节能研究成为发展地铁交通设施的重要课题之一。 1·2 研究目的及内容
本研究旨在为新建地铁通风空调系统方案的选择、系统的合理设计与科学的运行管理提供有价值的数据资料,为地铁环控系统流动传热与节能研究提供参考。具体研究内容包括以下三点: (1)结合正在承担的北京地铁四号线通风空调系统设计任务,对地铁四号线第三设计标段三站两区间(陶然亭-菜市口-宣武门)拟出两种典型通风空调设计方案; (2)建立数学模型和交点图,借助SES数值计算软件,对通风空调系统方案的速度场、温度场和产热量进行数值模拟,得出产热量的分布规律,活塞风井、车站及区间隧道不同型式通风空调系统对隧道内流场、温度场及新风量的影响规律。
(3)采用数值模拟分析与技术经济比较相结合的方式,综合考虑车站规模、通风空调设备初投资、安全可靠性及控制难易程度等因素对两种典型设计方案进行比较;并依据北京地铁实际情况,选出适合北京地铁四号线的较优方案。 2 通风空调系统方案研究 2·1 地铁环控系统研究方法
目前,世界各国研究地铁环控的主要方法有试验方法和数值模拟方法。试验方法分为全尺寸现车试验和缩尺寸模型试验;数值模拟研究方法分为有限差分法、有限元法和特征线法等[2]。现车试验和模型试验组织、实施难度较大,工作量也巨大。利用计算机编制程序对各种方案进行数值模拟是经济、可靠的研究手段,已经越来越多的为设计者所采用[3]。 2·2 北京地铁四号线通风空调系统设计方案研究 2·2·1 工程概况
北京地铁四号线线路全长28.154km,设23座地下车站和1座地面车站。线路南起南四环路以北的马家堡西路,终点至颐和园以北的龙背村,是一条穿越丰台、宣武、西城、海淀四个行政区贯穿市中心区的南北向轨道交通主干道[4]。
本次模拟的对象为第三设计标段:陶然亭-菜市口-宣武门,三站两区间。这三座车站均为地下双层岛式车站,两个区间施工工法为马蹄形矿山法。 2·2·2 可选方案
地铁通风空调系统设计,决定着车站规模、通风空调设备、运行成本、安全可靠性和控制效果,其系统方案的选择十分重要。为得出较优通风空调系统,对以下两种典型方案在正常工况下运行进行数值模拟分析。
(1)车站及区间隧道集成的通风空调系统[4](方案一) 该方案区间机械风道内设置TVF风机及大型表冷器,通过风阀转换兼容区间隧道及车站公共区通风空调、排烟各种工况。方案应用于北京新建地铁五号线、四号线通风空调系统。系统原理见图1。
(2)车站及区间隧道独立通风空调系统(活塞风道和机械风道相结合)(方案二) 该方案在车站设有公共区通风空调机房,内设组合式空调箱及回/排风机,独立负担车站公共区的通风空调及事故排烟;站端设活塞风井(活塞风井与机械风井合用),风井内设置供区间隧道专用的TVF风机及组合风阀,独立负担区间隧道的通风及事故排烟。此方案目前应用于上海、南京、广州等地铁通风空调系统。系统原理见图
2、3。
3 数值模拟 3·1 物理模型 地铁区间隧道内空气流动是三维可压缩流体非恒定紊流。由于隧道长度远大于隧道的断面几何尺寸,且隧道断面上气流速度和压强分布比较均匀。为简化计算,可将地铁隧道、车站内空气流动简化为以当量直径de作为特征尺寸的、以断面上气流各要素取平均值作为变量的圆管内气流一维非恒定流动[5]。由于隧道内气流速度较低,空气的Ma小于0.3[6],且温度变化较小,可将隧道内的空气流动近似为不可压缩流体流动。因此,隧道内空气的流动与传热,可简化为不可压缩流体在圆管内一维非恒定流动与传热。 3·2 模拟计算方法 3·2·1 初始风向设置
区间风向设置:由陶然亭→菜市口→宣武门(上行区间方向)为正向;迂回风道风向:下行→上行为正向;出入口及风井风向:由室内→室外大气为正向;如模拟计算值为“+”,与初始设置方向一致;否则反向。 3·2·2 初始条件及边界条件
假定模拟计算边界条件:隧道峒口、风井入口、车站出入口压力边界值为0;瞬时所有节点汇总至一个节点的总空气流量等于0。假定初始条件:各点的压力值均设为0。 3·2·3 其他原则
计算中采用叠代法求解方程组,调整节点压力进行计算。模拟计算的时间随节点图的大小和复杂程度而定。模拟正常工况,列车从陶然亭站到宣武门站运行时间为263s,将模拟运行时间定为1200s(约为5个运行周期)可以得出合理的数据。 3·3 建立节点图
本次模拟对象为:陶然亭-菜市口-宣武门,三站两区间。根据国际上对地铁环境系统分析的大量实践证明,列车模拟运行于由3个车站、10座风井和11个通风区段组成的系统,其计算结果付诸于地铁实体系统,则具有可行性和有效性[7]。
环控模拟之前,首先建立反映隧道的布置及隧道交接点的特性,反映风井、交叉道及折返区位置的一个几何模型,即交点图[9]。这是计算的基础,其中组成元素包括节点(node)、节(section)、段(segment)、子段(subsegment)、风井(ventshaftsegment)和车站/区间(station/tunnelsegment)等。各个元素都需要有对应的参数,如长度、坡度、断面、周长、阻力系数等。节点通过各段和子段相互连接,气流通过节点流向节点。 3·4 输入数据
模拟需输入隧道及站轨布置、列车营运数据、客流资料、隧道外界气象参数及土壤热工特性、列车数据等。主要数据如下: 3·4·1 气象数据
地铁空调计算采用的室外计算参数为近20年夏季地下铁道晚高峰负荷时平均每年不保证30h的干(湿)球温度[10]。室外气象参数:晚高峰室外计算干球温度为32.0℃;晚高峰室外计算相对湿度为65%。 3·4·2 区间隧道参数
区间隧道参数如表1所示。
3·4·3 土壤热工特性
土壤导热系数λ为1·367W/(m·k),导温系数α为7.74×10-7m2/s,土壤温度为13℃。 3·4·4 客流数据
客流数据采用远期2032年晚高峰小时模拟车站上、下客流量和区间断面客流通过量。 3·4·5 列车参数
列车参数如表2所示。 3·4·6 人员负荷
乘客进站时总停留时间4min,其中站厅逗留时间为1.5min,站台逗留时间为2.5min;乘客出站时总停留时间3min,其中站厅逗留时间为1.5min,站台逗留时间为1.5min;乘客在车站区域人体产热(全热)按182W/人计算。 4 模拟结果 4·1 模拟结果选取
本次模拟总时长为1200s(列车对开10对),模拟计算数据节选①第1020s瞬时下行区间隧道和车站各断面风量、风速、温度(此时16号车加速行驶,18号车停靠在菜市口站,20号车停靠在宣武门站); ②420~1020s的600s时间内下行区间隧道和车站各断面平均流速、平均温度、产热量数据。 4·2 模拟结果
4·2·1 区间隧道和车站产热量分布
区间隧道和车站在600s内产热量随行车方向上的变化见图4,可以看出:地铁内沿行驶方向上的产热量分布不同,主要集中在车站处,且车站内的区段越长,产热量越大。这是因为列车在区间隧道内行驶产热量主要为列车三轨产热,而车站内产热量包括站台上人员散热、车站照明、广告灯箱发热及车站内垂直电梯、扶梯散热及列车刹车产热等;长的区段上设备及人员散热量也较多。
4·2·2 区间隧道和车站风速、风量分布
(1)在1020s区间及车站出入口瞬时风速分布分别见图
5、6,可以看出:隧道内列车行驶状况不同产生的活塞风速不同。列车加速行驶时活塞风速也随之增加,停车时车后部的风由于惯性仍然向行车方向运动并处于较大值。列车行驶状况不同,会使车站楼梯、出入口处于正压或负压,从而排风或为从室外吸入新风,形成通风换气。设置活塞风井的方案二,列车通过时车站和出入口风速降低;表明活塞风井具有泄压作用。
表3~5分别为瞬时风井及车站出入口总进排风量比较、瞬时车站出入口进排风量比较和出入口及风井进入新风量与区间隧道总风量比较,由这三个表可以得出:设置活塞风井的方案二,活塞风井及车站出入口总进排风量比不设活塞风井的方案一出入口进排风量大,说明设置活塞风井可增加通风换气量;设置活塞风井的方案二从车站出入口引入新风含量比方案一隧道内新风含量增加14%~20%,可有效改善隧道内空气品质,从而使得列车车厢内的新鲜空气量增多。
(2)在600s内各断面平均风速分布如图7所示,可以看出:隧道内平均风速随着列车行车速度变化,基本成线性关系。因为车站断面大于区间隧道断面,区间隧道内风速较高;车站站台附近平均风速低;列车活塞风速最大可达6~8m/s。设置活塞风井的方案二,车站站台处各段风速均略小于方案一的相应各段风速。
4·2·3 区间隧道和车站温度分布
(1)在1020s区间隧道及车站瞬时断面平均温度变化如图8所示,可以看出:列车行驶及停站处空气温度较高,经过后空气温度逐渐降低。沿行车方向,列车出站端隧道空气温度高于进站端隧道空气温度;这是由于列车出站时,活塞风会将列车停车时的刹车散热带入隧道。设置活塞风井,有利于列车行驶产生的热空气排出,引进室外空气,增加隧道内空气流动,因此方案二区间隧道各段温度普遍低于方案一。
(2)在600s时间区间隧道内断面平均温度变化如图9所示,可以看出:车站设置空调系统,其空气温度低于隧道内空气温度;区间和车站衔接处温度波动幅度较大,在29~34℃之间波动;隧道中部温度波幅较小,约保持在30℃左右;两种方案正常工况下区间隧道内空气温度均低于35℃;即使对远期运营计划,夏季热环境也不会出现超温现象,满足设计规范[10]要求。 4·3 方案比较
4·3·1 主要技术经济指标比较 本文对典型站的两种方案分别从技术方面、主要通风空调设备的造价及额定用电负荷等进行比较。
两方案设备选型、机房占地面积等的比较,见表6。方案一的风道数量及机房面积明显少于方案二,土建造价低。两方案额定用电负荷、初投资的比较,见表7。方案二设置活塞风井,可利用活塞风冷却区间隧道,减少冷冻机运行时间,两种方案的空调运行期长短有所不同。车站的BAS系统自动监测室外空气焓值并控制空调设备启停,运行费用有待根据实际运营参数计算得出。故本次技术分析未涉及到年运行费用,仅对一个设备满负荷运转空调日(5∶00~23∶00)进行运行费用对比。电费采用北京电网销售电价0.53元/kWh(大工业用电)。
4·3·2 优缺点比较
对上述两种典型方案进行优缺点比较,所得结果见表8。
5 结 论
本文以北京新建地铁四号线第三标段隧道和车站为对象建立数学模型,借助SES软件采用数值模拟法,对两种典型通风空调系统方案正常运行工况下隧道和车站内产热量、气流流场、温度场进行模拟分析,并进行初步技术经济比较,得出以下结论。
5·1 数值模拟的结论
(1)地铁内沿行驶方向上的产热量分布不同,主要集中在车站处,因此地铁车站是首先需设置通风空调系统的部位。
(2)隧道内车行驶状况不同产生的活塞风速不同;区间隧道内风速高于站台风速,列车活塞风速最大可达6~8m/s。
(3)沿行车方向,列车出站端隧道空气温度高于进站端隧道空气温度;区间和车站衔接处,温度波动幅度较大,在29~34℃之间波动;隧道中部温度波幅较小,约保持在30℃左右。
(4)设置活塞风井对车站和出入口具有降低风速和泄压作用,削弱活塞风对车站出入口的影响,提高车站内的环境舒适性; (5)设置活塞风井可增加通风换气量,使隧道内新风含量达到35%,比不设活塞进时增加14%~20%;有效改善隧道以至于车厢内空气品质;有利于列车行驶产生的热空气排出,可使区间隧道各段温度普遍降低。 5·2 初步技术经济比较的结论
(1)方案一车站与区间隧道集成的通风空调系统,土建费用低;但空调设备运行时间较长、操控复杂,运营费用及维护管理工作多。方案二车站与区间隧道独立的通风系统,土建费用高;车站两端设置活塞风井,可削弱列车运行活塞风对站台及出入口风速的影响,全新风空调季可利用活塞风,减少冷冻机的运行时间。
(2)从主要通风空调设备初投资、额定用电负荷及空调日运行费对比可知,方案一以车站与区间隧道的集成通风空调系统设备投资为方案二车站与区间隧道独立设置通风系统(活塞风道和机械风道相结合)的1.02倍;方案一的额定用电负荷为方案二的80%左右;方案一的空调日运行费用为方案二的92%左右。 5·3 北京地铁四号线通风空调系统方案确定
选择最佳通风空调系统设计方案,同时还应依据当地城市对交通的具体要求和自然条件等确定。鉴于以上研究结论,同时考虑北京地区地铁均设置在市政道路下,风道长度大部分在40m以上,活塞风效果不明显。车站与区间隧道的集成通风空调系统(方案一)较车站及区间隧道独立的通风空调系统(方案二)更适合于北京地铁实际情况,北京地铁五号线、四号线通风空调系统设计采用该方案为实施方案。 [参考文献] [1]许斯河.地铁工程设计指南[M].北京:中国铁道出版社,2002.[2]冯炼,刘应清.地铁通风网络的数值分析[J].中国铁道科学,2002,23(1):132~135.[3]王春,刘应清.地下铁道中的环境控制系统[J].地下空间, 2003,23(3):310~313.[4]北京市市政工程设计研究总院.北京市地铁四号线工程初步设计.2003.[5]金学易,陈文英.隧道通风及隧道空气动力学[M].北京:中国铁道出版社,1983.[6]王补宣.工程传热传质学[M].北京:中国科学出版社,1998.[7]SubwayEnvironmentalDesignHandbook,VolumeⅡ.SesUser sManual.1997.[8]郑晋丽,胡维撷.深圳地铁一期工程环境模拟结果要点和分析[J].地下工程与隧道,2000(1):37~44.[9]中华人民共和国建设部.GB50157-2003地铁设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.
