北方地铁活塞风有效利用研究

北方地铁活塞风有效利用研究
天津大学环境学院尹奎超由世俊董书芸
摘要：地铁活塞风对地铁环控影响复杂，活塞风通过站台和出入口引起地铁能耗的变化，是地铁能耗的重要影响因素。

在过渡季节和冬季充分利用活塞风是实现地铁通风系统进一步节能的有效措施。

本文提出了一种新的屏蔽门形式——带风口屏蔽门，该系统可有效利用活塞风，因其兼具安全、舒适的特点，较之传统的半高安全门系统和屏蔽门系统具有许多优点。

本文就天津地铁车站的大量实测数据分析了既有地铁环控系统下活塞风对地铁环境的影响规律，利用CFD对带风口屏蔽门的系统进行了速度场、温度场，分析了活塞风的有效利用及带风口屏蔽门系统在北方城市的节能性和适用性。

关键词：活塞风,屏蔽门系统,CFD模拟,节能
0 引言
随着城市地铁的迅速发展，地铁环境控制问题也愈来愈引起人们的关注。

地铁列车的运动引起的活塞风使车站通道和站台上的乘客要忍受较高风速的干扰。

列车产生的大量散热以及客流量增高使地铁内温度逐年升高[1]。

如何合理有效地控制利用地铁活塞风，制定出最优的系统运行方案，从而既满足地铁内乘客舒适度要求，保证地铁系统正常运营，又能充分的
图1-3 下瓦房站站台温度测点布置图
1.1 活塞风引起的速度场分析
双层岛式站台隧道进站口速度变化如图1-4所示。

37～55s为进站过程，79～95s为出站过程。

列车进站前30s左右列车进站口风速即开始变大，当列车到达进站口附近时风速可达到5.7m/s，列车有一半车体进站后风速即突降到1m/s左右，列车停稳后进站口风速仍然会有小的波动。

由于天津地铁基本为4节车厢编组[2]，因此列车岀站时，其进站口风速变化不大。

图1-4下瓦房站隧道进站口速度变化图
楼梯口风速：列车进站时最大可达2.41m/s ，列车出站时最大可达1.67m/s 。

下瓦房站
共有3个楼梯口，则列车进站和出站时平均换气量约29m 3
/s ，持续时间40s ，则可得到一次
列车进出站过程可实现换气量1160m 3，按每小时六对列车计算，则换气量为13920 m 3
/h ，站台按160m ×18m ×3m 计算折合站台换气次数约1.6次/h 。

站台风速平均在0.26m/s ，站厅风速平均在0.15m/s ，最大风速在0.51m/s 左右。

基本可满足卫生标准要求。

列车进出站时对站台、站厅温度场的影响。

1.2 活塞风对站台温度场的影响
列车进站、离站时形成的活塞风不仅引起站台速度场发生变化，同时由于隧道、站台、站厅的温度有一定差异，以及列车刹车和启动产生一定热量，引起了站台温度产生一系列的波动。

图1-5所示为冬季下瓦房站台温度变化图，点1.1、点1.2和点1.3靠近双林方向列车进站口，由于隧道中空气温度与站台空气温度相近，因此温度波动不大，上下波动范围在0.5℃左右。

2 带风口屏蔽门系统
带风口屏蔽门，即在屏蔽门上加装可控风口，可分季节调整风口，夏季关闭隔断列车产生的热量和活塞风的影响，过渡季和冬季打开有效利用活塞风降低通风能耗，同时屏蔽门上的风口可兼做火灾工况站台的排烟风口，在火灾工况下打开协助排烟，为火灾事故情况下乘客的顺利疏散争取了时间。

对于改造后的屏蔽门，若从美观角度考虑应将风口设置在屏蔽门上部，并且风口过低将导致活塞风直吹乘客的头部，影响了候车环境的舒适性，若风口设置在下部，则很容易将隧道中的灰尘吹到候车区域。

因此从美观、舒适和卫生的角度考虑屏蔽门风口可设置在2m ～2.5m 高度处，而屏蔽门的控制部分通常放置在门上方，因此风口应安装在两个滑动门之间，如图2-1所示，对应于屏蔽门的两种布置方案，有(a)(b)两种风口布置方案。

012345671
7131925313743495561677379859197103
时间/s
风速/m /s
1
(a) (b)
图2-1风口布置方案
2.1 带风口屏蔽门系统的CFD 模拟分析
本文采用了非稳态方法，通过方波函数设置活塞风速来模拟列车通过对站台带来的影响，这样就将列车的启动、运行、刹车过程简化了，仅考虑其带来的活塞风作用。

通过模型的建立、初步的网格划分、初始条件和边界条件的设定、控制参数的设定等工作之后，对带风口屏蔽门系统的温度场、速度场、节能效果等进行了分析。

2.1.1 温度场和速度场分析
模拟结果显示，当列车进站后，由于列车刹车产生大量热，使得停车区域温度升高，部分热气流由屏蔽门风口进入站台区域，并且由于热浮升力的作用由楼梯口进入站厅层，使得站厅层楼梯口附近温度升高到了23℃以上。

如图2-2中time=65s 温度分布图所示，由于列车产生的热量对温度场的影响有一定滞后，故在列车停车一段时间后站台站厅温度才升高到最高。

在列车离开时，大量新风可从出入口经由楼梯口进入站台，然后由屏蔽门上的风口进入隧道。

处于过渡季节室外新风温度较低，可带走由于列车刹车和启动带来的热量。

从图2-2温度分布图可以看出列车出站时，站厅层靠近出入口的位置和楼梯口附近温度比较低，在17℃左右。

图2-2 列车进出站对站厅、站台温度场的影响
列车进站时，风口位置的风速最高可达6m/s ，如图2-3中第一个图所示。

但因为风口位置在2m 高度处，位置比较高，在人员活动区风速则降低到最高3m/s ，如图2-3所示第二个图为1.5m 高度站台的速度场，风速除风口附近区域超过1m/s 外，大部分区域均在0.5m/s
左右，符合设计规范[3]
中≤0.5m/s 的要求。

图2-3列车进站时站台速度场图 2-4列车离开时站台速度场
列车离站时，对站台速度场影响比较小，风口附近的风速最高仅有1.5m/s ，如图2-4所示，站台风速基本≤0.5m/s ，符合公共交通等候室的卫生标准。

2.1.3 节能效果分析
列车进站的时候，隧道内形成较大的正压，使得车站内的空气由出入口流出；列车出站的时候，隧道内形成较大的负压，可以将出入口的新风吸入。

图2-5出入口A 风量变化图 图2-6列车进出站时进入站厅的风量变化图 如图2-5所示，四个出入口中的出入口A 的风量变化情况随着列车的运行呈现规律性变化，图中正值为进入地铁站的风量，负值为流出地铁站的风量。

统计4个出入口的风量得
到图2－6所示的列车进出站时进入站厅的风量变化情况。

进入空间的最高风量约为45m 3
/s ，进风时间约为整个周期的1/4，图中是单列列车进出站的情况，实际运行中有双向列车交替
运行，进风时间大约占整个周期的一半时间，按照每人需新风量12.6m 3
/h 计算，由于活塞风作用进入空间的新风量，若按远期2分钟一对列车计算则进入空间的新风量约为
54000m 3/
h ，可满足约4000人/h 的需求，按远期客流量19400人/h 计算，可减少20%新风机的运行时间。

另外由于活塞风的作用将部分热量带走，可相应减少轨底排风的风量。

若按风机功率为60kW ，在屏蔽门系统基础上非空调季273天可再节约能耗212,284,800kJ ，为屏蔽门系统总能耗2,095,754,400kJ 的10%，占屏蔽门系统通风能耗839,606,400kJ 的25%。

3 结论
利用Fluke 多通道数据采集器监测地铁站台温度场变化，得到了因列车运行而形成的波动温度场。

由站台温度的变化规律可以发现，由于列车的活塞作用，可将室外空气吸入室内，当室外焓值低于室内焓值时，可带走站台的余热，有效降低站台温度。

在屏蔽门上加装可控风口从而在过渡季和冬季有效利用活塞风降低通风能耗是一个创新的尝试。

可控风口夏季关闭隔断列车产生的热量，过渡季节和冬季打开利用活塞风作用由出入口吸入新风带走室内余热，综合了屏蔽门系统和半高安全门系统的优势，可为北方城市地铁提供更安全、更舒适和更节能的站台门系统，将为站台门系统的改进和通风空调能耗的降低提供一项新的技术。

参考文献：
[1] 刘国芬，北京地铁通风系统的现状分析和改进意见，铁道建筑，1995，(3)：15-18 [2] 天津市地下铁道1号线工程可行性研究报告，铁道部第三勘测设计院，2001年8月 [3] 北京城建设计研究总院，中华人民共和国国家标准，地铁设计规范（GB50157-2003），
北京：中国计划出版社，2003
尹奎超，男，1983年7月 通讯地址：天津大学环境学院0366信箱 邮编：300072 联系电话：87401917 传真：27400832 电子邮箱：
yinkuichao@
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4045500306090120150180210240270300330360390420450480510
时间/s
风量
m3/s -15
-10-505101520时间/s
风量/m 3/s。