地铁隧道活塞风实测及特征分析.docx

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地铁隧道活塞风实测及特征分析

地铁隧道活塞风实测及特征分析

齐江浩1，赵蕾1，王君1，李德辉2，郭永桢2，邓保顺2

【摘要】摘　要:

对西安地铁2号线某站上、下行线隧道以及活塞风道中的风速和温度进行监测，分析冬季最冷月和夏季最热月列车行驶过程中隧道与活塞风道内气流的运动特性及其动态变化规律。

研究结果表明：

对于安装有屏蔽门的车站，列车活塞风对隧道空间和活塞风道环境影响巨大，活塞风大小主要受室外与地下温度差异、隧道结构、列车运行状况、行驶空气阻力、空气与壁面之间的摩擦及列车会车情况等因素影响。

【期刊名称】铁道科学与工程学报

【年（卷）,期】2016（013）004

【总页数】8

【关键词】西安地铁；市图书馆站；测试；活塞风

目前，地铁已成为构建多层次、高能效、立体化城市轨道交通的重要方式。

地铁活塞风对于封闭于地下的隧道和车站环境的通风换气至关重要。

活塞风量的大小与列车在隧道内的阻塞比、行驶速度、空气阻力系数和隧道的阻力、是否设置有通风竖井、竖井的个数和位置以及地铁系统的运行方式等因素有关。

迄今，围绕活塞风的特性、活塞风对地铁环境的影响已经开展了大量研究。

如王树刚等[1-3]均对地铁活塞风进行了实测。

但是，以上实测研究均针对于非屏蔽门系统的地铁车站。

西安地铁2号线线路全长26.4 km，共设21座车站，平均站间距1.2 km，车站均采用屏蔽门系统。

采用B2型列车，最高行车速度80 km/h，初、近、远期列车均按6辆编组，远期运能4.32万人次/h。

为了解西安地铁2号线活塞风在隧道通风中所发挥的作用，探索地铁环控系统的节能运行模式，笔者于2014年1月16,17和21日早高峰以及7月17,18和21日晚高峰时段，分别在2号线纬一街、钟楼、市图书馆站3个有代表性的车站对列车运行过程中隧道及活塞风道内的风速及温度状况进行了现场实测。

1　测试方案

1.1　测试仪器

测试仪器选用能达到微风启动的、可以同时测量温度、湿度、风速、压力等多个参数、储存容量约为1.8 G的 Testo480多功能测量仪，内置2个K型热电偶接头和3个数字探头，该仪器由一高度约为1.3 m的三脚架支撑。

该仪器温度测量范围为-200.0～+1 370.0 ℃，精度为±（0.3 ℃+测量值的0.1%）；所内置的差压传感器的量程为-25～25 hPa，精度为±0.3 Pa，分辨率为0.1 Pa；内置的大气压传感器的量程为700～1 100 hPa，精度为±3 hPa，分辨率0.1 hPa；内置的热线风速传感器的量程为0～20 m/s，精度为±0.03 m/s，分辨率为0.01 m/s。

1.2　测试方案

本文仅对市图书馆站的测试数据加以分析。

市图书馆站为地下2层岛式车站，车站全长208 m，标准段宽度18.5 m，有效站台长度120 m，岛式站台宽10 m，站厅公共区面积1 188 m2，站台层公共区面积1 050 m2，设备及管理用房分设于车站地下1层、2层南北两端。

在车站南、北端地面上分别设有1座区间隧道活塞机械风亭，1座新风亭和1座排风亭。

南面为大明宫西站，北面为凤城五路站，下行线出站端设有配线与上行线进站段连通。

西安地铁2号线全线采用单活塞风道的运行方案，沿行车方向的远端活塞风阀常开，而近端活塞风阀常闭，即风阀1和4开启，而2和3闭合，如图1所示。

测试分为4个工况进行，主要监测了上、下行线站台隧道及活塞风道内的风速、温度以及室外气温。

每个工况测量30 min，设定Testo480的采样周期为1 s，室外温度则每10 min记录1次。

并在测试站和相邻两站记录上、下行线列车到站及驶离时间。

测点布置以及各测试工况分别如图1及表1～2所示。

根据流体力学的基本原理，当管内流体雷诺数Re>4 000时，流动逐渐转化为湍流。

地铁活塞风可视为湍流，且整个流动横断面上的速度及温度分布比较均匀，可近似视为沿隧道方向的一维流动[4-5]。

因此，监测隧道横断面上某点的风速可代表整个断面的平均风速。

活塞风道内VP1和VP3测点布置在活塞风道内，距离竖向活塞风阀2 m处。

站台隧道VP5～VP8测点布置在屏蔽门系统端门外阶梯平台上，距离边壁1.2 m。

以上测点高度均为1.3 m。

2　测试结果与分析

2.1　室外温度实测状况

2014-01-21和7-21测试时段分别为7∶00～9∶30和17∶00～19∶00，测得室外温度动态变化情况如图2所示，冬、夏季测试时段内的最低温度分别为-1.2和35.5 ℃。

最高温度分别为1.2和37.5 ℃。

2.2　站台隧道及活塞风道中的风速和温度

2.2.1　工况1时段风速与温度变化情况

工况1以下行线为测试线路，分别在冬季早高峰7∶10～7∶45时段和夏季晚高峰17∶00～17∶30时段进行，冬、夏季测试时段内下行线分别共有5或6趟列车经过市图书馆站。

监测了站台隧道及活塞风道内1，3，5和7测点处的风速和温度，其动态变化曲线分别如图3～4所示。

可见，各测点的风速和温度随着列车的驶入和驶离呈周期性的变化。

活塞风道内的测点VP1和VP3受室外进出气流的影响不仅风速变化显著，而且温度也起伏有序地变化。

冬季活塞风道中测点VP1和VP3风速的波动幅度较夏季的小，且其温度冬、夏季分别在3～14 ℃和28～35 ℃之间波动。

站台隧道进站端测点VP7的风速波动幅度比出站端测点VP5的风速波动幅度大，但因其均处于隧道内部，故温度整体稳定，仅有微小波动。

冬季早高峰测点VP5温度为17.49 ℃左右，VP7的为18.54 ℃左右；夏季晚高峰测点VP5温度为26.02 ℃左右，VP7的为25.59 ℃左右。

2.2.2　工况1第3个行车周期内风速变化规律分析

为了更清楚地揭示列车在车站和区间隧道中启停和行驶过程中活塞风所发挥的通风作用，以第3趟列车为对象加以分析。

该列车冬季早高峰7∶33∶04车头驶离大明宫西站，行驶274 s后于7∶37∶38车头到达凤城五路站；该列车夏季晚高峰17∶06∶21车头驶离大明宫西站，行驶252 s后于17∶10∶33车头到达凤城五路站。

即冬、夏季的第1 058～1 332 s和623～875 s时段该列车分别在测试站相邻的两个区间段内行驶。

其中,该列车冬、夏季分别从第1 058 s和第623 s开始，依次处于大-市区间中运行、减速进站、在站停靠、加速离站和在市-凤区间运行列状态，冬季历时94 s（大-市区间），22 s（减速进站），44 s（停站），18 s（启动离站）和95 s（市-凤区间）以及夏季历时86 s（大-市区间），19 s（减速进站），43 s（停站），16 s（启动离站）和85 s（市-凤区间）。

冬、夏季工况1测试时段各测点的风速变化曲线对比分别如图5所示。

1）站台隧道内风速的变化规律

图5表明，冬季早高峰列车启动加速驶入大-市区间中时，带动气流运动，并卷席室外空气经上游车站活塞风道进入区间隧道中，站台隧道内进站端测点VP7的风速随着列车的加速驶来先逐渐增大，最大可达5 m/s，当列车达到匀速行驶后，该测点风速在波动中不断降低；当列车减速进站时该点的风速急剧下降至0.5 m/s；当列车在站停靠后，因列车尾流效应仍较强，故VP7的风速有所回升，达到2 m/s，后随尾流效应的减弱而又逐渐降低；列车加速离站时因行驶速度尚不高且逐渐驶远，所形成的尾流效应较微弱，故该点风速保持在1 m/s左右。

站台隧道出站端测点VP5的风速变化规律与VP7的基本类似，但列车驶来时因其距离列车尚较远，受隧道的沿程和局部阻力以及站台隧道内所设的轨顶和轨底排热风口的共同作用[4]，测点VP5比测点VP7的风速小，只是在列车加速离站后的约10 s内，该点风速会急剧上升到5 m/s,而后又逐渐降低到1 m/s左右。

而夏季列车从大明宫站加速启动后最初的25 s内，进站端测点VP7的风速则比出站端测点VP5的风速大，而后测点VP5的风速逐渐增强并超过进站端测点的风速；列车减速进站并停靠站台后，测点VP7的风速又逐渐超过VP5的风速；列车加速离站后，测点VP5的风速急剧上升到约6 m/s，而后又逐渐降低到2 m/s，并略高于测点VP7的风速。

因冬季室外气温较低，低温气流易下沉，故当列车从大明宫站启动驶入测试站时，经活塞风道会卷吸更多的室外新风[4]，所以冬季早高峰时段涌入进站端测点VP7的风量明显高于夏季晚高峰时段的值。

2）活塞风道内风速的变化规律

图5表明，列车从大明宫站驶来、在站停靠过程中，下行线活塞风道内测点VP1的风速先逐渐增大而后有所下降；当列车驶离该站进入市—凤区间且车尾经过活塞风口后，该点风速又显著增大，最大可达3.5 m/s，而后再逐渐减小，并在波动中趋于平稳。

冬季早高峰下行线该列车驶离测试站远去时，上行线中列车正在驶来。

由于上行线活塞风道内测点VP3的风速主要受其中列车行驶情况的影响，与下行线中列车进出车站的状况关系不大，故当下行线中有列车驶来之时，测点VP3的风速很小，直到上行线中有列车驶来时，该点风速才会逐渐增大。

因测试站出站端设有配线，故此刻上行线中列车所携带的活塞风会部分渗透到下行线侧，经下行线活塞风道排出,受其影响，测点VP1的风速也较大。

夏季测试时段当下行线中列车从大明宫站驶来时，上行线中正好有列车在站停留，受其影响，测点VP1的风速较大，可达6 m/s，明显大于冬季的值；当列车加速驶离测试站进入区间隧道，车尾后部空间处于负压，尤其是当车尾经过活塞风口后，会从活塞风道吸入室外新鲜空气，故测点VP1风速显著增大，而后随着列车的远离，风速逐渐减小。

此时,上行线内列车正在市-大区间内高速运行，并逐渐远离测试站，故上行线活塞风道内测点VP3的风速呈逐渐减小趋势。

还可以发现，当列车驶过下行线出站端测点（VP5）和活塞风道测点（VP1）时，两测点的风速均较低，且波动不大。

3）各测点的温度动态变化规律

如图6所示，第3列车的行车周期内，站台隧道内测点VP5和VP7在冬季基本稳定在18～19 ℃，进站端测点温度略高于出站端测点；而夏季温度则为26～27 ℃左右，进站端测点温度略低于出站端测点；下行线和下行线活塞风道内的温度随着列车进、出车站呈现逐步升高然后再逐渐下降的周期性变化规律，冬季活塞风道内温度低于站台隧道内的温度，而夏季则高于站台隧道内温度。

这是由于站台隧道内地铁进站端和出站端测点与外界气流不直接相通，故温度较稳定；而列车启动、加速、行驶、上坡、转弯、制动等过程中所产生的热量以及空调冷凝器的散热会进入隧道内[6-8]，随着列车逐渐驶近活塞风口而从活塞风道涌出，列车驶离后则又会卷席外界的冷或热空气进入活塞风道。

冬季测试时段室外温度约为-1.2 ℃，夏季约为37 ℃。

因此，活塞风道内的气流温度冬季呈现先逐渐升高再逐渐降低（从6～8 ℃升高到12～14 ℃再降低到3～4 ℃）的变化规律，而夏季则呈现先逐渐降低再逐渐升高（从33～36 ℃降低到28 ℃再逐渐升高到29 ℃或33 ℃）的变化规律。

上、下行线列车进、出站的时间不同步，且上行线活塞风道内的温度峰值比下行线内的低2～3 ℃。

3　活塞风井通风换气效果

为便于分析，将列车在大明宫西-市图书馆-凤城五路3站运行简化为3站两区间的无坡、直线运行。

列车在隧道内运行产生的热量包括列车启动、加速、走行、减速制动和冷凝器散热。

列车运行产热及活塞风井通风量计算如下。

3.1　冬季早高峰时段

3.1.1　列车运行产热

1）大-市区间走行产热量

走行阻力r1如下式[9]：

（1）

发热量如下式：

R1=9.8r1Wl

（2）

式中：

v为列车正常行驶速度，km/h（正常行驶速度60 km/h）；n为列车编组数（为6节）；l为走行距离（大-市区间为1 200 m）；W为列车总重量（取284 T）。

2）制动产热量

（3）

式中：

v1为列车正常行驶速度，km/h；v2为列车进站口缓行速度，km/h。

列车进站口缓行速度19.64 km/h。

此阶段车站隧道排热风机未开。

制动再生效率按38%[10]计算。

3）列车在市图书馆站启动产热量

R3=9.8r3·W·L

（4）

式中：

L为列车启动走行距离。

启动阻力r3为19.6 N/T，当速度启动到2～3 km/h，L一般为10 m。

4）加速阻力产热量

（5）

式中：

a为列车加速度，取0.75 m2/s[11]； v4为列车匀速行驶速度，取60 km/h；v3为列车启动阶段速度，取16.38 m/s。

5）市-凤区间走行产热计算同大-市区间。

6）冷凝器发热量

R5=6×40×2×t

（6）

式中：

t为空调运行时间，为273 s。

列车每节车厢配备了2台40 kW的顶置空调器。

通过计算，冬季早高峰列车运行各阶段散热如表3所示，冬季站台与隧道温度偏差不大，列车停站屏蔽门开启时的空气对流换热忽略不计[12]。

3.1.2　活塞风井通风换热量

计算公式如下：

Qd=ρVd（ih-in）

（7）

式中：

ρ为气流密度，取1.29 kg/m3；为气流体积，m3；ih为室外空气焓值，kJ/kg；in为室内空气焓值，kJ/kg。

大-市区间运行，大明宫西站北端活塞风井进风，活塞风井截面积为20 m3，测得平均风速为2.53 m/s。

隧道内温度18.05 ℃，相对湿度为19.3%，室外温度为-1.1 ℃，相对湿度30%。

计算得到，通风换气量为4 756.4 m3，换热量为141 018 kJ。

同样算得各阶段活塞风作用下换气量及换热量如表4所示。

表4　冬季活塞风通风量及换热量

Table 4 Ventilation and heat transfer rate of piston wind operation in winter

3.2　夏季晚高峰时段

3.2.1　列车运行产热

通过上述方法计算得到，夏季晚高峰列车在各阶段散热如表5所示。

夏季车站公共区空调开启，站台与隧道温度偏差较大，列车停站屏蔽门开启时的空气对流换热不能忽略。

如式（7），渗透风量取7 m3/s[13]，站台温度测得为28 ℃，相对湿度为52.5%，列车停站时隧道内温度高达36.5 ℃，相对湿度测得为74.09%。

通过计算得到屏蔽门开启换热量为20 023.73 kJ。

3.2.2　活塞风井通风换热量

大-市区间运行，大明宫西站北端活塞风井平均风速测得为2.04 m/s。

此时隧道内温度26.02 ℃，相对湿度为72.36%，室外温度为37.35 ℃，湿球温度为25.8 ℃。

计算得到，通风换气量为3 508.8 m3，换热量为63 377.98 kJ。

同样算得各阶段活塞风作用下换气量及换热量如表6所示。

表6　夏季活塞风通风量及换热量

Table 6 Ventilation and Heat transfer Rate of piston wind operation in summer

以上可知，冬季早高峰列车从大明宫西到凤城五路站产生483 033.2 kJ热量散发到隧道，而列车运行活塞风量为12 166.2 m3，在站台隧道排热系统未开启的情况下排除362 841.6 kJ的热量。

冬季列车活塞风可有效地排除列车运行散发到隧道内的热量，且增强了隧道与室外的通风换气，提高了隧道空气品质。

夏季期间不仅列车运行产生的热量散发到隧道，活塞通风室外高温空气进入隧道也会加剧隧道温升。

列车活塞风仅仅增强了隧道的通风换气。

4　结论

1）列车在隧道内运行产生的活塞风变化复杂，但各处的风速及温度变化随列车运行呈现有规律的周期性变化。

2）列车活塞风受多种因素影响，主要受到列车运行速度、空气与壁面之间的摩擦、列车会车情况、活塞风井的相对位置、配线位置等因素影响，且活塞风风速在不同情况下变化较大。

3）冬季列车运行产生的活塞风可实现隧道内有效通风换气，且可排除列车运行产生的大部分热量，此处3站2隧道1个行车周期列车产热达483 033.2 kJ，活塞风井通风换气量可达12 166.2 m3，排除362 841.6 kJ的热量。

夏季期间虽然活塞风作用使室外高温气流进入隧道，加剧隧道温升，但活塞风保证了隧道新风供给，改善了隧道空气品质，满足车厢空调器新风要求。

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