安全门系统地铁通风空调能耗模拟分析
发布时间：2009-06-03 作者：丁大勇 朱培根
我国许多大、中城市已开通或正在筹建地铁。1969年北京地铁建成通车,我国第一条地铁线路建成。之后,天津地铁和上海地铁分别于1984年和1995年建成通车[1]。目前,南京地铁1号线已建成,2号线正在施工中,苏州也在积极筹建地铁。而地铁通风空调系统能耗巨大,某种程度上制约了地铁的快速发展,有必要对系统能耗进行分析。近年来,部分城市地铁车站开始设计安装安全门系统,研究该系统对通风空调能耗的影响有利于地铁环控系统的节能。本文以南京地铁1号线通风空调系统为研究对象,就安全门系统对通风空调能耗的影响进行研究。
1 地铁安全门系统简介
地铁安全门是一种上部不封顶或者下部有隔栅的玻璃隔离墙,有的是一种不锈钢的篱笆门,与屏蔽门相比,造价较低,安装位置基本相同,但结构相对简单,高度较低,空气可以通过上部或者下部隔栅流通,主要起到一种提供站台乘客安全的目的。
安全门门体由滑动门、固定门、应急门组成。当列车到达车站停车后,滑动门和列车门正好对齐同时开启,上下乘客后,滑动门和列车门同时关闭,列车驶离车站,目前采用的安全门高度从1.1 m～2.5 m不等[2],其样式如图1所示。
本文研究中,地铁车站站台板距离顶部装饰板3.0m,安全门系统中固定门底部始终保持0.75 m高百叶孔隙,门高2.00 m～2.70 m。
2 安全门系统对热环境的影响
2.1 安全门系统对车站热环境的影响
地铁通风空调系统在空调季节一般采用闭式运行,即区间与车站机械通风机均关闭,活塞风道、机械风道关闭,仅依靠地铁活塞风作用从乘客出入口吸入室外空气或者通过新风机送入一定的新风进入空调箱[3]。对于未设置安全门系统的地铁车站,由于活塞效应比较强,一般通过乘客出入口进入的新风就能满足新风量要求,但与此同时,隧道中温度相对高的空气,特别是列车刹车进站停靠阶段产生的大量制动热也以空气为载体,通过活塞效应流入了站台,导致车站温度短时间内迅速升高,这部分热量也成为了空调负荷影响了空调能耗。地铁车站安装安全门系统以后,车站与隧道直接连通的面积减小(其面积大小由安全门的结构形式决定),因活塞效应进入站台的高温空气量同时减小,空调负荷降低,车站热环境受到的影响程度也降低。
2.2 安全门系统对隧道人环境的影响
对于未设置安全门系统的地铁,由于站台和隧道之间是连通的,车站的部分冷量可以通过活塞风的作用进入隧道,从而起到冷却隧道的作用。而当地铁设置安全门系统后,站台与隧道间的连通面积减小,理论上讲,由活塞风带入的冷量也相应减少,很可能无法消除列车排入区间隧道的热量,由于热量的堆积效应,整个隧道围护结构被缓慢加热升温,围护结构的蓄热能力降低,长此以往,当围护结构蓄热能力逐渐被削弱后,隧道空气温度开始上升,最终超过设计规范[4]的热环境标准。因此,为了保证安装安全门系统后隧道同样的热环境标准要求,必须利用机械通风来排除列车排入隧道的热量,特别是列车停靠站台时排出的大量的制动热量,可能导致局部区间温度瞬间升高。加大区间通风量,采用夜间通风围护结构蓄冷来控制日间高峰气温可能是解决此问题的途径,其代价是通风电耗大大上升[3]。且由于当地气象参数的限制,若通过加大区间通风量等手段均不能达到控制区间温度的目的,就必须采用其他的补救措施。
3 地铁通风空调系统三维模型建立与求解
在建立地铁通风空调系统三维模型(图2)的基础之上,通过CFD模拟方法,可以分析地铁车站安装安全门系统前后气流变化情况,从而求得网络模型求解所必需的参数值。
可以用掺混系数的概念来表征列车活塞风对车站热环境的影响程度。所谓掺混系数,即活塞风中影响站台负荷部分占进入活塞风总量的百分比。图3为典型的双隧道岛式站台示意图。从隧道入口进入的活塞风可分为四个部分。一部分进入站台,一部分进入下游隧道,一部分通过迂回风道进入对面隧道,一部分进入轨顶排风管(OTE)和站台底排风管(UPE)。其中,流入站台及轨顶站台底排风口排走的部分将影响站台空调负荷[5]。
式(1)~(2)中:Ginlet为上游隧道进入的活塞风量;Gplatform为进入站台的活塞风量;Greturn为进入轨顶站台底排风活塞风量;Goutlet为进入下游隧道的活塞风量;Gshort为进入迂回风道的活塞风量;ηmix为活塞风掺混系数。
通过CFD模拟的方法,可求得安全门系统地铁活塞风掺混系数值,图4显示了安全门高分别为2.00 m、2.35 m、2.70 m,即门上方孔隙分别为1.00 m、0.65 m、0.30 m时的地铁活塞风掺混系数值。该参数将用于网络模型的求解。
4 地铁通风空调系统网络模型建立与求解
以南方某地铁8个相连的地下车站及其区间隧道的通风空调系统为研究对象,在此基础之上,建立络模型,其模型如图5所示。
隧道一端接入地面出入口,与外界相通。各站人员出入口数量不等,均与地面相通。每个车站设4条机械风井,兼做活塞风井使用,站端设有隧道通风机(TVF风机),可正转或反转。车站公共区设有通风空调系统,可以全新风空调、小新风空调、全回风空调模式运行,同时可以作为通风机使用。回排风系统兼做排烟系统使用,车站设有排风竖井。
模拟方案的拟定原则为[6]:
1)充分利用列车活塞作用通风,尽量减少机械通风及空调系统的使用;
2)开式运行时,风机耗能大,只要隧道及车站环境能满足要求,尽量不采用;
3)机械通风时,如果采用大系统风机通风,由于组合式空调机组有表冷器等大阻力管件,能耗大,因此尽量只采用回排风机“只排不送”通风方式,以减少能耗。
根据以上原则选择模拟方案,再根据规范要求的新风量标准,热环境标准以及节能的需求加以验证,综合比较,选出合理的方案。表1显示了模拟方案的选择情况。
假设地铁无安全门系统时,通风空调总能耗为100%,相比于此种情况下,地铁安装了不同高度的安全门系统后,运行初期、近期及远期其通风空调总能耗如图6～图8所示。
由图6～图8分析可得,对于南京地区,在地铁运行的各个阶段(初期、近期和远期),安全门系统地铁通风空调总能耗均比安装系统前有所减少。通风空调总能耗的基本变化趋势为:安全门越高,能耗越低。从图中2.00 m高及2.35 m高安全门所对应的能耗来看,后者与前者基本持平,节省能耗有限。分析原因是,后者的通风空调运行中,需采用夜间通风来冷却隧道,这部分增加的隧道通风机(TVF风机)能耗抵消了部分节省的空调能耗,从而使得节能效果不明显。而随着安全门高度的继续增加,空调负荷迅速下降,相比于增加的夜间通风能耗,节省的空调能耗再次体现出优势,总能耗下降明显,但是下降幅度不超过15%。
5 结论
以南京地铁1号线通风空调系统为研究对象,采用三维模型和网络模型求解相结合的方法,并通过数值模拟技术对地铁车站安装安全门系统前后通风空调能耗的变化进行了研究。结果表明:
①南京地区地铁采用安全门系统能起到降低通风空调能耗的作用;
②在安全门高度允许的范围之内,其通风空调总能耗基本变化趋势为:安全门越高,能耗越低,但下降总幅度不超过15%。
③地铁车站安装了安全门系统后,无需对原有的通风空调系统作过多改造。根据模拟结果,可取2.35m作为临界值,若安装的安全门高度超过2.35 m,需要改变通风空调运行模式,增加夜间通风。
参考文献
[1]黄鹏.地铁隧道及车站内流动特性的数值模拟研究[D][硕士学位论文].北京:北京交通大学,2007
[2]王奕然.地铁站台安全门与地下线通风空调系统[A].见:2005年全国公共建筑及设施安全通风与空调技术交流会论文集[C].2005:58-59
[3]朱颖心,秦绪忠,江亿.站台屏蔽门在地铁热环境控制中经济性分析[J].建筑科学,1997,4:21-22
[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中华人民共和国建设部.中华人民共和国国家标准-地铁设计规范(GB50157-2003)[S].北京:中国计划出版社,2003
[5]邓伟,李晓峰,朱颖心.地铁活塞风掺混系数模拟研究[A].见:全国暖通空调制冷2004年学术文集[C].2004:225-226
[6]朱培根,朱颖心,李晓峰.地铁环控模拟分析[J].地下空间,2004,24(2):161-163