地铁出入口活塞风有效通风量分析

地铁出入口活塞风有效通风量分析
中国地铁工程咨询有限责任公司 董书芸，天津大学 曹荣光
摘要： 活塞风的有效利用是实现地铁环控系统节能的有效手段， 但由于新建地铁周边和地下条件的限制， 活塞风道往往过长，当风井或出入口通道超过一定长度，对于既有进风也有排风的活塞风井或出入口， 有一部分风将在风井内循环， 很难与外界新鲜空气交换。

本文通过数值模拟的方式研究北京地铁 5 号线 地下车站出入口引入的新风量。

由于北京地铁 5 号线车站设置了全高安全门， 经由出入口通道进入地铁 站厅的新风量将更少，仅占出入口处新风量的 4%。

关键词：活塞风、通风量、出入口、数值模拟 活塞风的有效利用是实现地铁环控系统节能的有效手段，尤其是在冬季和过渡季节，北京地铁 1 号线就采用了在冬季和过渡季节利用活塞风通风排热的方案。

对于北方城市这种以活塞风通风排热为主 的通风方式应当加以推广，西南部分城市，如成都、昆明等气候条件也适宜在冬季和过渡季节利用活塞 风通风。

活塞风通风由于靠列车的“活塞效应”来实现，需要适当长度的活塞风道和出入口通道，尽量 减少风道阻力，才能更好的实现通风[1-7]。

然而由于新建地铁周边和地下条件的限制，活塞风道往往过长，甚至没有条件设置活塞风井，加上 新建地铁车站设置了安全门，尤其是全高安全门，增加了活塞风进出的阻力。

当风井或出入口通道超过 一定长度，对于既有进风也有排风的活塞风井或出入口，有一部分风将在风井内循环，很难与外界新鲜 空气交换。

在设计计算活塞通风量时一方面应考虑减去一部分风井内部循环风， 另一方面也要尽量减少 活塞风道和出入口通道的长度。

因此有必要研究较长的出入口通道对新风量的引入的影响， 本文就北京 5 号线典型车站做了模拟分析。

1 根据实际典型车站建立物理模型 根据实际典型车站建立物理模型如图 1、图 2 所示。

图 1 平面图
图 2 剖面图


车站结构尺寸为：120m×19.2m×8.13m。

出入口通道：60 米长，4 米宽，3 米高。

安全门上方到顶棚：50cm。

2 边界条件 考虑到活塞风研究的复杂性，先建立简化模型，因此在列车进出站过程中波动变化的风速，分别以 进站和出站过程的平均风速代替。

暂规定隧道进站口风速为 3.31m/s，出站口风速也为 3.31m/s。

列车散热量：520kW 室外温度：-9℃ 以定义的 air-new 气体为示踪气体， 其密度、 热容等特性与空气完全相同。

在四个出入口定义 air-new 气体的浓度为 1（即 100%） 。

初始条件：t=0 时，v=0，air-new 气体浓度=0 行车间隔为 2 分 10 秒，其中 31~50s 为停站时间段，停站前后 30 秒的时间是活塞风影响较大时间 段，即：0~30s 和 51~80s，按下图所示设置活塞风速。

3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 20 40 60 80 100 120 140 时间，s
风速，m/s
图 3 隧道口风速 3 模拟结果 模拟了单侧 4 次进站情况下的浓度场、 速度场， 可以分析得到示踪气体浓度、 风速等的分布变化图。

下图为示踪气体 air-new 在出入口通道靠近站厅处的浓度变化曲线图，可以看出在列车出站过程中 air-new 的浓度迅速升高， 表明室外的空气在列车出站过程中可以被吸入， 出入口通道靠近站厅处 air-new 的浓度大约为 0.05。

当列车离开一段时间后，出入口通道中的 air-new 的浓度逐渐降低，到下一次列车 进站过程中降低到接近 0。

从动态变化图上可以形象的看到大部分室外空气被吸入到通道还未进入站厅 即被下一列车的进站气流推出出入口通道。

因此室外的新鲜空气进入到站台需经过多次的进出站过程。

图 4 示踪气体 air-new 在出入口通道 靠近站厅处的浓度变化图
图 5 出入口通道靠近站厅处的风速变化图 （正值表示向室外方向）


50s
60s
80s
100s
150s
160s 图 6 动态变化图
4 模拟计算结果分析 根据模拟计算可以统计出每个出入口的活塞风量为 349.2m3，总的活塞风量约为 1397m3/车。

下图为出入口附近浓度分布图。

图 7 出入口通道浓度分布图
图 8 出入口通道不同浓度区域划分
根据出入口通道中浓度的分布，划分几个区域，0.9≤浓度≤1、0.7≤浓度≤0.9、0.5≤浓度≤0.7、 0.3≤浓度≤0.5、0.1≤浓度≤0.3、浓度≤0.1，每个区域以其中间值代表其平均浓度，根据体积可以计 算得到每个区域的新风量， 从而可以得到每个区域新风量占总新风量的比例， 即可以得到一列车由出入 口带来的活塞风量可以进入到出入口通道的什么位置。

由表可以看出，约 50%的新风量只能进入到距 离出入口 14.4m 的位置，对于出入口通道长达 60m 的情况，只有不到 4%的新风量进入站厅。

表 1 各区域新风量及比例 区域 0.9≤浓度≤1 0.7≤浓度≤0.9 0.5≤浓度≤0.7 0.3≤浓度≤0.5 0.1≤浓度≤0.3 浓度≤0.1 合计 浓度 1 0.8 0.6 0.4 0.2 长度 14.4 5.5 6.9 4.7 16 截面积 12 12 12 12 12 新风量 172.8 52.8 49.68 22.56 38.4 12.96 349.2 占总新风量的比例 49.48% 15.12% 14.23% 6.46% 11.00% 3.71% 100.00%
5 结论 活塞效应的有效利用可以达到很好的节能效果， 但考虑到由于地下条件及地面条件的限制， 出入口 通道和活塞风井往往超过了一定长度， 并且转弯比较多， 因此活塞风大部分将变为通道或风井内的循环 风，有效的活塞风量将比预期的少。

同时由于北京地铁 5 号线车站设置了全高安全门，经由出入口通道 进入地铁站厅的新风量将更少，仅占出入口处新风量的 4%。

参考文献 [1] 金学易，陈文英，隧道通风及隧道空气动力学[M]，北京：华东交通大学，中国铁道出版社，1983， 66~101 [2] 那艳玲，地铁车站通风与火灾的 CFD 仿真模拟与实验研究：[D]，天津：天津大学，2003 [3] 沈翔，地下铁道活塞风特性的研究：[D]，上海：同济大学，2004 [4] 王韦，王建宇，隧道中高速列车活塞风及空气阻力的计算[J]，中国铁道科学，1999，20(2)，9~16 [5] 李涛，活塞风对地铁站内环境的影响：[D]，天津：天津大学，2005 [6] 张璐璐，地铁站内活塞风的实测与模拟研究：[D]，天津：天津大学，2006 [7] 胡自林 贺利工，广州地铁 6 号线初期隧道通风换气量分析[J]，都市快轨交通，2008，21(6)，76~78













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