活塞效应与地铁车站新风换气

1000km ·
527km
10.00
年日均客运量（万人次）
6.00
2.00
0.00
2020年
数据来源:
问题
1. 地铁车站内空气品质
PM
CO2
如何实现地铁系统的节能减排？
2. 地铁环控系统能耗巨大
自控 16%
列车 53%
数据来源: 北京地铁通风空调系统优化与节能研究课题研究报告(2011)
活塞风井排风率ε1:68.8%
A井 C井 A口
B口 B井 D井
单活塞风井设置模式
活塞风井排风率ε1:56.8%
A井 A口 B井
B口
总排风量：11786m³
总排风量：11215m³
单、双活塞风井设置模式比较
列车离站 （进风）
双活塞风井设置模式
地面出入口进风率ε2:26.3%
A井 C井 A口 B口 B井 D井
算 例 1
A井 C井 A口
B井D井 B口
算 例 2
A 井
A井 A口
B井 B口
50m
算 例 3
A口 B口 B井
100m
求解方法
建模 以安定门车站及相连区间隧道为原型
C井
网格划分
方程及边界条件离散化 求解 解收敛否？
是 否
区间隧道动网格， 车站及风井静网格 总网格数为2100,000个 标准k- ε湍流模型
列车驶向车站
时 间(s)
100 150 200 250
tc~td
tf
30 20 10 0 -10 0 -20 -30
列车运行速度
-10
100 200 300
-20 -30
列车驶停泊车站
ta tb tc
td
tf
下行线
上行线
单活塞风井模式空气速度变化特性
6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3
100 200 300
2、如何高效利用地铁活塞效应
3、CFD动网格分析方法
4、计算结果分析
5、结论
计算结果分析
双、单活塞风井模式的影响比较
地铁活塞效应作用下的隧道空气压力分布
下行线列车 上行线列车
300 200 100
下行线 上行线
压力(Pa)
0
0
500
1000
1500
2000
-100 -200 -300
下行线列车行程(m)
A 井
A口 D井 B口 B井
PISO算法
结果分析
计算方法有效性验证
B口风速计算值与实测值对比
6 4
计算值
B通 道风 速 (m/s)
2 0 -2 -4 -6 -8
时 间（ s）
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
实测值
96s 126s 列车到站 列车离站
主要内容
1、地铁发展现状及问题
单活塞风井设置模式
地面出入口进风率ε2:51.8%
A井 A口 B口 B井
优
总进风量：10496m³
总进风量：9901m³
计算结果分析
活塞风井设置位置的比较
单活塞风井设置位置的比较
列车进站 （排风）
活塞风井距离站台50m
活塞风井排风率ε1:56.8%
A井 A口 B口
活塞风井距离站台100m
活塞风井排风率ε1:62.7%
A井 A口 B口 B井
B井
优
总排风量：11215m³
总排风量：9644m³
单活塞风井设置位置的比较
列车离站 （进风）
活塞风井距离站台50m
地面出入口进风率ε2:51.8%
A井
A口 B口 B井
活塞风井距离站台100m
地面出入口进风率ε2:57.7%
A井 A口 B井
优
B口
总进风量：9901m³
总进风量：8490m³
计算结果分析
区间隧道长度对活塞风井排风率的影响
区间隧道长度对活塞风井排风率的影响
列车进站 （排风）
16.1%
A井
21.7%
B井
排风量：6523m³
排风量：8494m³ 1200m
300 200 100
736m
下行线 上行线
压力(Pa)
区间隧道长度越长， 活塞风井的排风率减小。
0 -100 -200 -300 0 500 1000 1500 2000
20 10 0
时间 (h)
通过地面出入口通道在引入室外空气，改善地 铁车站内空气品质的同时，还可利用室外低焓空气 降低地铁车站的空调负荷。
协同发展 领引未来
2014 年第十九届全国暖通空调制冷学术年会
双活塞风井模式空气压力变化特性
A井C井
A口
B井D井 B口
40 30 20 10
压力(Pa)
0
A口 B口 A井 B井 C井 D井 时 间 (s)
0 50 100 150 200 250
t
a
t
b
tc~td t
e
30 20 10 0 -10 0 -20 -30
列车运行速度
-10 -20
100
200
300
时 间(s)
200 250
30 20 10 0 -10 0 -20 -30
列车运行速度
te tf
列车驶向车站
列车驶停泊车站
100
200
300
ta tb
tc
td tetf tg
下行线
上行线
tg
单活塞风井模式空气压力变化特性
40 30 20
A口 B口 A井 B井
列车驶离车站
ta
tb
压力(Pa)
10 0 0 50
下行线列车行程(m)
主要内容
1、地铁发展现状及问题
2、如何高效利用地铁活塞效应
3、CFD动网格分析方法
4、计算结果分析
5、结论
结论
列车进站过程中，单、双活塞风井的排风率ε1 相差不 大；列车离站过程中，单活塞风井地面出入口通道的可引 入更多室外风量，地面出入口进风率ε2 是双活塞风井的 2倍（51.8%），单活塞风井模式更优！ 单活塞风井模式下，活塞风井距离站台进站端的间距增大 时（50m、100m ），活塞风井的排风率ε1增加 （56.8%~62.7%），地面出入口的进风率ε2 也增加 （51.8%~57.7%），适当加大距离有利！ 地铁区间隧道长度长，活塞风井排风率ε1减小，不利！
结论
50 90
车站内设计焓值范围
45
80 70
室外温度(℃)
40
35 30 25 20
60
50 40 30
室外焓值
车站内设计温度范围
00… 01… 02… 03… 04… 05… 06… 07… 08… 09… 10… 11… 12… 13… 14… 15… 16… 17… 18… 19… 20… 21… 22… 23…
24 城市规划中
北京1969
天津1976 上海1995
广州1997
数据来源: 2012年中国城市轨道交通年报
北京地铁发展
1970s，1、2号线
2013年，600 16条线路 10号环线全线贯通 车站数量（座）
400
300 4.00 200 100 0 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2012 2013 2014 2011 500 运营里程（kM） 8.00
列车进站时： 活塞风井排风率ε1
活塞风井排风量
活塞风井排风量+地面出入口排风量
=
列车离站时： 地面出入口进风率ε2 =
地面出入口进风量 活塞风井进风量+地面出入口进风量
如何定量确定进、排风量？
主要内容
1、地铁发展现状及问题
2、如何高效利用地铁活塞效应 3、CFD动网格分析方法
4、计算结果分析ຫໍສະໝຸດ 5、结论站台门对活塞效应的影响
除屏蔽门外，其他站台门形式对活塞效应的影响很小
活塞风井模式对活塞效应的影响
双活塞风井模式
单活塞风井模式
活塞风井在出站端
活塞风井在进站端
如何有效利用地铁活塞效应
列车进站时：将隧道及车站废热空气及时排至室外
进站端活塞风井
列车离站时：将更多室外空气通过出入口引入地铁车站内
地铁活塞效应有效利用的评价指标
主要内容
1、地铁发展现状及问题
2、如何高效利用地铁活塞效应 3、CFD动网格分析方法
4、计算结果分析
5、结论
地铁活塞效应
列车进站时
区间隧道 及站内废 热气排出
进站端活塞风井 出站端活塞风井
地铁车站及区间隧道结构形式决定 着地铁活塞效应引起的区间隧道及车站 列车离站时 内的空气流动特性
室外新风 被吸入
协同发展 领引未来
2014 年第十九届全国暖通空调制冷学术年会
活塞效应与地铁车站新风换气
主要内容
1、地铁发展现状及问题
2、如何高效利用地铁活塞效应 3、CFD动网格分析方法
4、计算结果分析
5、结论
中国地铁发展
截至2013年3月 17 城市运营中，64条线路, 运营里程2000km
12 城市建设中
30 20 10 0 -10 0 -20 -30
列车运行速度
100
200
300
下行线
上行线
动网格模型守恒方程
(1)
速度向量 移动网格的网格速度 时间导数项,可用一阶向后差分格式写成:
(2)
n和n+1代表不同的时间层
网格构筑方式
弹簧光滑模式(spring-based smoothing)
局部重画模式(remeshing)
-30 -40
列车驶向车站
列车驶停泊车站
列车驶离车站
t
f
ta tb tc
td tetf tg
t
g
下行线
上行线
双活塞风井模式空气速度变化特性
A井C井
A口
B井D井 B口
6 5 4 3 2
A口 B口 A井 B井 C井 D井
列车驶离车站
ta
tb
tc~td
速度(m/s)
1 0 -1 -2 -3 -4 -5
0 50 100 150
基本计算求解思路
30 20 10 0 -10 0
列车运行速度
三维复杂流动 列车运动导致流场形状随时间改变 列车运动速度变化
250
50
100
150
200
-20
-30
下行线
上行线
一维模拟软件（SES） 静网格
CFD动网格模型
CFD动网格模型
Fluent 动网格模型
动网格模型可以用来模拟流场形状由 于边界运动而随时间改变的问题。例如 内燃机、阀门、弹体投放和火箭发射都 是包含有运动部件的例子。 边界的运动形式可以是预先定义的运 动，即可以在计算前指定其速度或角速 度。
A口 B口 A井 B井
列车驶离车站
ta
tb
速度(m/s)
时 间(s)
0 50
列车驶向车站
30 20 10 0 -10 0 -20 -30
列车运行速度
100
150
200
250
tc~td
tf
列车驶停泊车站
-4 -5
ta tb tc
td
tf
下行线
上行线
单、双活塞风井设置模式比较
列车进站 （排风）
双活塞风井设置模式
动态辅层模式(dynamic layering)
适用于与运动边界相邻的网格为结构型网格 的模型，网格更新时的合并因子与分割因子可分别 设置。
计算对象
A井 C井 A口 B口
B井 D井
鼓楼大街站
安定门站
雍和宫站
1200m
140m
736m
分析问题
1. 双、单活塞风井模式哪种好？ 2. 活塞风井距离站台端多少合适？ 3. 区间隧道长度变化对活塞效应 的影响？