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天津市地铁既有车站两种送风模式CFD模拟结果的比较与分析

1前言
在天津市地铁1#线扩改建工程中,为了节约工程造价,既有线改造后继续使用,车站需重新建设。但是受条件限制,存在着车站内高度偏小,站台顶部无法设置送风风道,使车站改造遇到很大困难。目前有如下两种空调送风模式可以解决这一问题:一、车站两端送风、站台板下排风;二、在站台板下设置送风风道,由站台板引出多个竖直的风管来,横向朝站台送风。本文根据AIRPAK 2.1专业软件对这两种空调送风模式的模拟结果,比较分析了两种站台空气温度场、速度场分布状况,最终推荐送风模式二。
天津地铁既有线除西站车站外,其余几个车站的环控布置方式相同,本文将以西南角车站作为典型车站进行讨论。改建后的车站结构形式见图1。车站结构尺寸为:长×宽×高=132×17.438×4.65米。
1  改建后的车站结构示意图 
2送风模式一的站台CFD模拟结果和分析
改建后的站台通风形式采用模式一,具体的风口布置见图2
2  方案一的送风形式
根据《地下铁道设计规范》,站台夏季通风设计温度t≤30℃。从图3中,我们可以看到列车停靠侧站台,站台板上1.7米高度处,出入口处的空气温度平均大致在32℃~34之间,而在X=61附近,温度达到40以上,这部分区域一般来说正是乘客等车聚集的主要区域之一,如此高的温度,乘客是难以忍受的。尽管出入口和列车进站口之间的区域气温比较理想,但是可以看到站台的整个列车停靠侧,温度场的分布极不平衡:出入口左侧温度达到24℃~26℃,而一过出入口处,温度就一下子上升到了32℃~34℃,甚至更高。
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从图3中,我们还可以看到造成中部温度过高的原因之一:由于列车冷凝器发散了巨大的热量,而这部分热量不能及时被冷气流冷却,又无法迅速被排除站台之外,因此它们便扩散到了站台上造成了两出入口之间区域温度过高的现象,在该断面上,温度平均达到34.5℃左右,超过标准中规定设计温度4.5℃。
造成温度场分布不平衡的另一个主要原因:就是出入口的“泄流作用”(或“短路作用”)。从图4中,我们可以清楚的看到这一点:由于出入口的存在,大部分送风冷气流未到达站台的中间区域就从出入口流出站台外(列车停靠侧),使得两出入口之间的风速很低,小于0.4m/s,事实上,小于0.4m/s的速度,基本上就意味着没有多少新风能够到达那里,因为,没有列车进站时,站台风速也就那么大。因此,这个区域形成了“盲区”,新鲜空气无法达到那里。
除了速度场、温度场的不平衡,以及温度超出初步的设计值外,送风模式一还存在以下两个主要方面的问题:第一个就是在站台的某些区域或地点的风速过高:从图4中,我们可以看到,在乘客出入口处,风速最大能达到3.2m/s,尽管此风速大小不算很大,乘客可能能够承受,由于此风速可以看成是时间平均风速(因为速度边界条件取得是时间平均值),因此如果考虑到风速的瞬时性,在3.2m/s为基础上可能出现瞬时较大的风速。在图4中,我们可以看到,在站台垂直中心线断面上,出入口与列车进站口之间的部分,风速有2.5m/s,由于是机械通风,因此,较长时间呆在这里的人,将在一定程度上,感觉不适。另外一方面,该图此断面上,由中间的“盲区”走向乘客出入口,乘客将感受到较大的风速变化(大致在0.4~2.5m/s之间),也会感到一定的不适。(具体的舒适程度,有待确证)
第二点就是该送风系统的通风效率不会很好:大部分由引进来得新风都直接从出入口流出,未到达中间广大的区域,造成盲区,送风的效果没有达到,送风机空耗电能,从外界引来的风被短路返回到大气中。
综上所述:由于存在温度、速度场不平衡,站台温度过高,通风效率差,某些地方风速较大,能量利用率低等等情况表明,送风模式一有待完善。
3送风模式二的站台CFD模拟结果和分析
改建后的站台通风形式采用模式二,具体的风口布置见图5
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由于送风模式二是把送风量均匀的分配到站台的不同区域,所以,温度场、速度场是相当均匀平衡的。从图6可以看出,当采用相同的温度图例时(24℃~40℃),送风模式二和送风模式一的图3比较起来,前者明显要优化的多:出入口之间区域的温度由原初步设计中的32℃,减少到28℃左右,而且,站台的整体气温也有所降低,这从两图上的颜色分布的不同,明显可以看出,这说明原来那些直接从出入口流出的新风,较好的和站台的热流混合,有效减小了站台的温度。28℃左右的温度,完全满足了规范中要求的站台空气计算温度值(≤30℃),没有增加通风量,只是改变了送风的形式,便达到了设计要求。同时,如果考虑到节约能量的因素,还完全可以略微提高站台的温度,降低温度标准,或减少送风量,达到更经济的运行。
从图7中可以看到:站台的速度场是相当均匀的,原有设计在站中部造成的盲区,由于设置了横向的送风口送风,完全不存在了。在站台板上1.7米高度处,最大的风速只有1.67m/s左右,进站乘客在送风模式一当中可能遭受的吹风感大大减小。由于是横向送风,新风朝向列车、隧道送出,既减小了列车由隧道可能带来的污浊空
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气,又使得新风能够被送到乘客人群当中,而不被直接排除站台外。从图7中还可以看出,站台端部设置的用于冷却列车车身的横向风口,发挥了它应有的作用,气流遇到列车以后,随着流进来的活塞风一起沿列车车身而流动,然后部分被站台板下排风排除,部分扩散到站台上,由于有站台竖直风管横向送风的影响,后者的比例较小。
从图8中,我们可以看到,在站台长度方向(X轴的方向)上的中截面,盲区被完全消除了,站台板上的温度平均能达到28℃以下,由列车顶部空调冷凝器产生的热量,以及由列车制动、轨道摩擦产生的热量,并未扩散到站台板上,这主要是因为横向送风方式阻止了热流的扩散,这种作用可以用图8中下图的速度分布来解释:位于站台板上约2米高度上的送风口横向送出,恰好冲向列车顶部的冷凝器,冷却、阻止了热流的扩散,然后这部分送风,遇到车厢后,带着列车顶部的热量,沿车厢侧壁向下流动,被站台板下的排风口排出;另外一部分送风在送风口下边缘和站台板之间的区域内形成了回流区,速度适中(大约有0.9m/s左右),满足乘客的热舒适要求。
乘客人群停留区域的温度,速度场可由图12得到。课题当中,乘客是作为一个整体来考虑,模拟当中用一个立方体来代表它的空间尺寸,它整体产生的热量作为能量方程当中一个均匀分布的源项来考虑。从图9中可以看到:建议方案下的,乘客处在比较令人满意的热环境下,温度大致在2627℃左右。
我们可以看到:建议方案的速度、温度场比初步设计效果好。这又一次说明了所建议设计方案的优点所在。
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但是,有一点是不容忽视的:因为出入口的泄流作用,所以,从模拟结果来看,将有一股热气流从列车顶部流向出入口,使得它所经过的站台部分的气温增加很多,平均大致在32℃左右,图91011显示了这一点。在送风模式一中,没有这种情况发生,这是因为纵向通风的强大气流阻止了热气流的扩散,并对热气流进行了足够的冷却。因此,在建议设计中,由于没有形成足够大的纵向通风气流,站台板上竖直风口的送风量又是均布的,所以,热气流得不到足够的冷却和阻碍,流向了出入口方向。
事实上,乘客进入站台后,将大都集中在站台的两出入口之间的气温适宜的区域,一般不会在乘客出入口部位停留过久,尽管进出站的乘客,会有短暂的不适感,但是,考虑到这个时间比较短,因此,认为出现这种现象是可以接受的。从另一个角度来看,对于进站的乘客来说,由室外气温较高的环境进入到站台上,走过出入口时,虽然温度较高,但是由室外到站台的这一温度变化不大,所以,对热流的感觉经验上来说,不会很大。同时,穿过出入口,进入到温度适宜的站台中部区域时,这期间的温度变化,将会给乘客带来较大的舒适感受。
4两种送风模式的比较与总结
以上分析得出结论:送风模式二在很多方面优于送风模式一,是应该采用的较佳方案。具体来说就是:
a).送风模式二能够为乘客提供很好的热环境。站台平均温度要小于等于27℃,而方案1的站台平均温度(列车停靠侧),温度高达32℃左右,站台中部甚至达到40℃以上,这样的温度乘客是难以忍受的。
b). 送风模式二在站台上的温度场、速度场是分布均匀的,而送风模式一中,在两乘客出入之间(列车停靠侧)速度较小,新风无法达到,形成“盲区”,从而在这里形成了很高的温度。送风模式二的站台上尽管有一些地方存在速度波谷,但是整体上来看,新风以均匀的方式送到站台上,速度场是令人满意的;送风模式一中,站台上有些地方风速高达3.3m/s,而有些地方空气流速很小,即使当列车进站时,也只有0.4m/s左右,而且这种低速出现在范围较大的连续的区域上,这样不均衡的速度场造成了温度场的不均衡。
c). 送风模式二的通风效率要比送风模式一的效率高许多。由于送风模式一中纵向风口的新风很多都通过出入口直接流出了站台外,机械通风的实际效果大大减小。在送风模式二中,横向送风使得新风能够和列车进站产生的热气流、与在站台上乘客人群的热负荷充分混合,然后被站台板下排风口及时排除,达到了较佳的通风效果,通风效率是很高的。如果考虑节能的因素,可以在这种通风方式下,合理减少送风风量,达到节约能量消耗的目的。
d). 送风模式二把送风量分配给多个送风口,通过调节送风口的风阀,可以实现对站台不同区域送风的量的灵活控制,事实上,如果,关小站台端部送风口风阀,开大两个出入口之间,即大部分乘客停留区的风阀,站台上的热环境将会更加令人满意。送风模式一中是实现不了这种功能的。
e). 送风模式二的这种横向通风方式,有效阻止了隧道活塞风、列车产生的热流向站台板的扩散,而送风模式一的纵向通风方式,不能阻止扩散,反而在一定程度上诱导热流、活塞风向站台扩散,这种扩散往往是人为无法控制的。因此,从这个角度出发,送风模式二的机械通风系统是成功的。
当然送风模式二也有它的缺点,比如需要对站台作比较大的改造,在出入口处出现较高的温度等等。但是,地铁作为一种长服役期的交通工具,科学可靠的站台通风设计是保证整个地铁效益的重要因素之一,因此,现代地铁在投建之初,就应该努力实现一步到位,选择令人满意的通风方式,改造既有的站台结构,营建一个良好的乘客候车环境。
参考文献
[1]杨向劲,地铁侧式站台空调方案CFD模拟:【硕士学位论文】,天津:天津大学,2002




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