北京新建地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)模擬分析

1、北京新建地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)模擬分析     摘要本研究以北京新建地鐵四號線第三標段隧道和車站為對象,借助SES軟件,建立數(shù)學(xué)模型,對兩種典型的通風空調(diào)系統(tǒng)方案正常工況運行進行數(shù)值模擬。分析得出產(chǎn)熱量的分布規(guī)律;列車行車狀況、活塞風井、不同形式車站及區(qū)間隧道通風空調(diào)系統(tǒng)對隧道內(nèi)速度場、溫度場及新風量的影響規(guī)律。研究同時對通風空調(diào)系統(tǒng)方案進行了初步的技經(jīng)濟比較。本研究為分析地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)的空氣流動與傳熱提供了參考,為新建地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)方案的選擇、設(shè)計及科學(xué)地運管理提供有價值的數(shù)據(jù)資料。關(guān)鍵詞地鐵;通風空調(diào);設(shè)計方案;數(shù)值模擬 1 緒論1·

2、;1 研究背景及意義      地鐵和輕軌作為城市快速軌交通的重要組成部分,具有低污染、低能耗、容量大、安全快捷、正點率高等優(yōu)點,被公認為“綠色交通”,是城市大運量公交系統(tǒng)首選。      地鐵一般深處地下,是一個由多個車站通過隧道連接成的相對封閉空間1,與外界的空氣交換只能通過車站出入口和有限的隧道風井來進行,因此必須合理設(shè)計地鐵通風空調(diào)系統(tǒng),利用人工方法對地鐵內(nèi)的溫度、濕度、有害物濃度和空氣流速等進行控制,為乘客提供適宜的環(huán)境;并在緊急情況下保證乘客的安全。在實際運行中,地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)的耗

3、電僅次于列車牽引用電,投資直接影響地工程建設(shè)的總費用。因此,地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)的合理設(shè)計及節(jié)能研究成為發(fā)展地鐵交通設(shè)施的重要課題之一。1·2 研究目的及內(nèi)容      本研究旨在為新建地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)方案的選擇、系統(tǒng)的合理設(shè)計與科學(xué)的運行管理提供有價值的數(shù)據(jù)資料,為地鐵環(huán)控系統(tǒng)流動傳熱與節(jié)能研究提供參考。具體研究內(nèi)容包括以下三點:      (1)結(jié)合正在承擔的北京地鐵四號線通風空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計任務(wù),對地鐵四號線第三設(shè)計標段三站兩區(qū)間(陶然亭-菜市口-宣武門)擬出兩種典型通風空調(diào)設(shè)計方案;&

4、#160;     (2)建立數(shù)學(xué)模型和交點圖,借助SES數(shù)值計算軟件,對通風空調(diào)系統(tǒng)方案的速度場、溫度場和產(chǎn)熱量進行數(shù)值模擬,得出產(chǎn)熱量的分布規(guī)律,活塞風井、車站及區(qū)間隧道不同型式通風空調(diào)系統(tǒng)對隧道內(nèi)流場、溫度場及新風量的影響規(guī)律。      (3)采用數(shù)值模擬分析與技術(shù)經(jīng)濟比較相結(jié)合的方式,綜合考慮車站規(guī)模、通風空調(diào)設(shè)備初投資、安全可靠性及控制難易程度等因素對兩種典型設(shè)計方案進行比較;并依據(jù)北京地鐵實際情況,選出適合北京地鐵四號線的較優(yōu)方案。2 通風空調(diào)系統(tǒng)方案研究2·1 地鐵環(huán)控系統(tǒng)研究方

5、法      目前,世界各國研究地鐵環(huán)控的主要方法有試驗方法和數(shù)值模擬方法。試驗方法分為全尺寸現(xiàn)車試驗和縮尺寸模型試驗;數(shù)值模擬研究方法分為有限差分法、有限元法和特征線法等2?，F(xiàn)車試驗和模型試驗組織、實施難度較大,工作量也巨大。利計算機編制程序?qū)Ω鞣N方案進行數(shù)值模擬是經(jīng)濟、可靠的研究手段,已經(jīng)越來越多的為設(shè)計者所采用3。2·2 北京地鐵四號線通風空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方案研究2·2·1 工程概況      北京地鐵四號線線路全長28.154km,設(shè)23座地下車站和1座地面車站

6、。線路南起南四環(huán)路以北的馬家堡西路,終點至頤和園以北的龍背村,是一條穿越豐臺、宣武、西城、海淀四個行政區(qū)貫穿市中心區(qū)的南北向軌道交通主干道4。      本次模擬的對象為第三設(shè)計標段:陶然亭-菜市口-宣武門,三站兩區(qū)間。這三座車站均為地下雙層島式車站,兩個區(qū)間施工工法為馬蹄形礦山法。2·2·2 可選方案      地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計,決定著車站規(guī)模、通風空調(diào)設(shè)備、運行成本、安全可靠性和控制效果,其系統(tǒng)方案的選擇十分重要。為得出較優(yōu)通風空調(diào)系統(tǒng),對以下兩種典型方案在正常工況下

7、運行進行數(shù)值模擬分析。      (1)車站及區(qū)間隧道集成的通風空調(diào)系統(tǒng)4(方案一)      該方案區(qū)機械風道內(nèi)設(shè)置TVF風機及大型表冷器,通過風閥轉(zhuǎn)換兼容區(qū)間隧道及車公共區(qū)通風空調(diào)、排煙各種工況。方案應(yīng)用于北京新建地鐵五號線、四號線通風空調(diào)系統(tǒng)。系統(tǒng)原理見圖1。      (2)車站及區(qū)間隧道獨立通風空調(diào)系統(tǒng)(活塞風道和機械風道相結(jié)合)(方案二)      該方案在車站設(shè)有公共區(qū)通風空調(diào)機房,

8、內(nèi)設(shè)組合式空調(diào)箱及回/排風機,獨立負擔車站公共區(qū)的通風空調(diào)及事故排煙;站端設(shè)活塞風井(活塞風井與機械風井合用),風井內(nèi)設(shè)置供區(qū)間隧道專用的TVF風機及組合風閥,獨立負擔區(qū)間隧道的通風及事故排煙。此方案目前應(yīng)用于上海、南京、廣州等地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)。系統(tǒng)原理見圖2、3。3 數(shù)值模擬3·1 物理模型      地鐵區(qū)間隧道內(nèi)空氣流動是三維可壓縮流體非恒定紊流。由于隧道長度遠大于隧道的斷面幾何尺寸,且隧道斷面上氣流速度和壓強分布比較均勻。為簡化計算,可將地鐵隧道、車站內(nèi)空氣流動簡化為以當量直徑de作為特征尺寸的、以斷面上氣流各要素取平均值作為

9、變量的圓管內(nèi)氣流一維非恒定流動5。由于隧道內(nèi)氣流速度較低,空氣的Ma小于0.36,且溫度變化較小,可將隧道內(nèi)的空氣流動近似為不可壓縮流體流動。因此,隧道內(nèi)空氣的流動與傳熱,可簡化為不可壓縮流體在圓管內(nèi)一維非恒定流動與傳熱。3·2 模擬計算方法3·2·1 初始風向設(shè)置      區(qū)間風向設(shè)置:由陶然亭菜市口宣武門(上行區(qū)間方向)為正向;迂回風道風向:下行上行為正向;出入口及風井風向:由室內(nèi)室外大氣為正向;如模擬計算值為“+”,與初始設(shè)置方向一致;否則反向。3·2·2 初始條件及邊界條件 

10、     假定模擬計算邊界條件:隧道峒口、風井入口、車站出入口壓力邊界值為0;瞬時所有節(jié)點匯總至一個節(jié)點的總空氣流量等于0。假定初始條件:各點的壓力值均設(shè)為0。3·2·3 其他原則      計算中采用疊代法求解方程組,調(diào)整節(jié)點壓力進行計算。模擬計算的時間隨節(jié)點圖的大小和復(fù)雜程度而定。模擬正常工況,列車從陶然亭站到宣武門站運行時間為263s,將模擬運行時間定為1200s(約為5個運行周期)可以得出合理的數(shù)據(jù)。3·3 建立節(jié)點圖    &

11、#160; 本次模擬對象為:陶然亭-菜市口-宣武門,三站兩區(qū)間。根據(jù)國際上對地鐵環(huán)境系統(tǒng)分析的大量實踐證明,列車模擬運行于由3個車站、10座風井和11個通風區(qū)段組成的系統(tǒng),其計算結(jié)果付諸于地鐵實體系統(tǒng),則具有可行性和有效性7。      環(huán)控模擬之前,首先建立反映隧道的布置及隧道交接點的特性,反映風井、交叉道及折返區(qū)位置的一個幾何模型,即交點圖9。這是計算的基礎(chǔ),其中組成元素包括節(jié)點(node)、節(jié)(section)、段(segment)、子段(subsegment)、風井(ventshaftsegment)和車站/區(qū)間(station/tun

12、nelsegment)等。各個元素都需要有對應(yīng)的參數(shù),如長度、坡度、斷面、周長、阻力系數(shù)等。節(jié)點通過各段和子段相互連接,氣流通過節(jié)點流向節(jié)點。3·4 輸入數(shù)據(jù)      模擬需輸入隧道及站軌布置、列車營運數(shù)據(jù)、客流資料、隧道外界氣象參數(shù)及土壤熱工特性、列車數(shù)據(jù)等。主要數(shù)據(jù)如下:3·4·1 氣象數(shù)據(jù)      地鐵空調(diào)計算采用的室外計算參數(shù)為近20年夏季地下鐵道晚高峰負荷時平均每年不保證30h的干(濕)球溫度10。室外氣象參數(shù):晚高峰室外計算干球溫度為32.0;晚高峰

13、室外計算相對濕度為65%。3·4·2 區(qū)間隧道參數(shù)      區(qū)間隧道參數(shù)如表1所示。3·4·3 土壤熱工特性      土壤導(dǎo)熱系數(shù)為1·367W/(m·k),導(dǎo)溫系數(shù)為7.74×10-7m2/s,土壤溫度為13。3·4·4 客流數(shù)據(jù)      客流數(shù)據(jù)采用遠期2032年晚高峰小時模擬車站上、下客流量和區(qū)間斷面客流通過量。3·4·5 列

14、車參數(shù)      列車參數(shù)如表2所示。3·4·6 人員負荷      乘客進站時總停留時間4min,其中站廳逗留時間為1.5min,站臺逗留時間為2.5min;乘客出站時總停留時間3min,其中站廳逗留時間為1.5min,站臺逗留時間為1.5min;乘客在車站區(qū)域人體產(chǎn)熱(全熱)按182W/人計算。4 模擬結(jié)果4·1 模擬結(jié)果選取      本次模擬總時長為1200s(列車對開10對),模擬計算數(shù)據(jù)節(jié)選第1020s瞬

15、時下行區(qū)間隧道和車站各斷面風量、風速、溫度(此時16號車加速行駛,18號車?？吭诓耸锌谡?20號車停靠在宣武門站); 4201020s的600s時間內(nèi)下行區(qū)間隧道和車站各斷面平均流速、平均溫度、產(chǎn)熱量數(shù)據(jù)。     4·2 模擬結(jié)果4·2·1 區(qū)間隧道和車站產(chǎn)熱量分布      區(qū)間隧道和車站在600s內(nèi)產(chǎn)熱量隨行車方向上的變化見圖4,可以看出:地鐵內(nèi)沿行駛方向上的產(chǎn)熱量分布不同,主要集中在車站處,且車站內(nèi)的區(qū)段越長,產(chǎn)熱量越大。這是因為列車在區(qū)間隧道內(nèi)行駛產(chǎn)熱量主要為列車三

16、軌產(chǎn)熱,而車站內(nèi)產(chǎn)熱量包括站臺上人員散熱、車站照明、廣告燈箱發(fā)熱及車站內(nèi)垂直電梯、扶梯散熱及列車剎車產(chǎn)熱等;長的區(qū)段上設(shè)備及人員散熱量也較多。4·2·2 區(qū)間隧道和車站風速、風量分布      (1)在1020s區(qū)間及車站出入口瞬時風速分布分別見圖5、6,可以看出:隧道內(nèi)列車行駛狀況不同產(chǎn)生的活塞風速不同。列車加速行駛時活塞風速也隨之增加,停車時車后部的風由于慣性仍然向行車方向運動并處于較大值。列車行駛狀況不同,會使車站樓梯、出入口處于正壓或負壓,從而排風或為從室外吸入新風,形成通風換氣。設(shè)置活塞風井的方案二,列車通過時車站

17、和出入口風速降低;表明活塞風井具有泄壓作用。      表35分別為瞬時風井及車站出入口總進排風量比較、瞬時車站出入口進排風量比較和出入口及風井進入新風量與區(qū)間隧道總風量比較,由這三個表可以得出:設(shè)置活塞風井的方案二,活塞風井及車站出入口總進排風量比不設(shè)活塞風井的方案一出入口進排風量大,說明設(shè)置活塞風井可增加通風換氣量;設(shè)置活塞風井的方案二從車站出入口引入新風含量比方案一隧道內(nèi)新風含量增加14%20%,可有效改善隧道內(nèi)空氣品質(zhì),從而使得列車車廂內(nèi)的新鮮空氣量增多。      (2)在600s內(nèi)各

18、斷面平均風速分布如圖7所示,可以看出:隧道內(nèi)平均風速隨著列車行車速度變化,基本成線性關(guān)系。因為車站斷面大于區(qū)間隧道斷面,區(qū)間隧道內(nèi)風速較高;車站站臺附近平均風速低;列車活塞風速最大可達68m/s。設(shè)置活塞風井的方案二,車站站臺處各段風速均略小于方案一的相應(yīng)各段風速。4·2·3 區(qū)間隧道和車站溫度分布      (1)在1020s區(qū)間隧道及車站瞬時斷面平均溫度變化如圖8所示,可以看出:列車行駛及停站處空氣溫度較高,經(jīng)過后空氣溫度逐漸降低。沿行車方向,列車出站端隧道空氣溫度高于進站端隧道空氣溫度;這是由于列車出站時,活塞風會將列車停車時的剎車散熱帶入隧道。設(shè)置活塞風井,有利于列車行駛產(chǎn)生的熱空氣排出,引進室外空氣,增加隧道內(nèi)空氣流動,因此方案二區(qū)間隧道各段溫度普遍低于方案一。      (2)在600s時間區(qū)間隧道內(nèi)斷面平均溫度變化如圖9所示,可以看出:車站設(shè)置空調(diào)系統(tǒng),其空氣溫度低于隧道內(nèi)空氣溫度;區(qū)間和車站銜接處溫度波動幅度較大,在2934之間波動;隧道中部溫度波幅較小,約保持在30左右;兩種方案正常工況下區(qū)間隧道內(nèi)空氣溫度均低于35;即使對遠期運營計劃,夏季熱環(huán)境也不會出