058地铁侧式站台空调通风气流组织模拟研究

地铁侧式站台空调通风气流组织模拟研究韩荣山由世俊张欢(天津大学环境科学与工程学院天津300072)摘要：随着城市地铁的大规模建设，地铁站台环境成为研究人员越来越关心的课题。本文针对天津地铁改扩建工程西北角站台特殊的土建条件,提出了变风量侧送侧回的地铁侧式站台空调通风气流组织方案，并利用Fluent公司推出的专业软件Airpak2．1对其气流组织方式进行了模拟研究。分析得出此方案不仅能保证合理的气流组织及热舒适性,而且对降低初投资,节省运行费用,建筑节能具有重大意义。同时表面改模拟研究对地铁侧式站台空调通风气流组织设计具有重要的指导意义。关键词：地铁站侧式站台通风气流组织变风量CFD模拟SimulationandStudyontheAir-conditioningSystemintheSide-PlatformSubwayStationHanRongshan,YouShijun,ZhangHuan(Schoolofenvironmentscienceandtechnology,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)Abstract:Withthelarge-scaleconstructingofthesubwayinChina,theplatformenvironmentinsubwaystationisconcernedbymoreandmoreresearcher.InallusiontothespecialconstructionoftheNorth-WestStationwhichisoneoftheRebuildProjectofTianjinMetro,thethesis.Suggestedaair-conditioningsystemdesignthatVAVSystemofsidewayairsupplyandairreturn.WiththeaidofAirpak2.1,thermalcomfortandairdistributionofthestationweresimulated．Itwasderivedthatthesystemhasstrongpointofreasonableairdistributionandthermalcomfort，lowerinitialcapitalcost&runningcost，buildingenergysaving．TheresearchisimportanttoguideairconditioningsystemenergysavingandoptimizationdesigninSide-PlatformSubwayStation．Keywords：SubwayStationtheventilationofSide-PlatformStationairdistributionVAVSystemCFDsimulation1前言在一个地铁系统中，热量主要来自于电能的转换，其中一小部分来自人们新陈代谢的散热量，部分热量将通过周围地面的吸收（当地铁环境温度比地面的温度高时）或是由活塞效应散失到大气中。另一部分没有被排出的热量，必须由机械通风（当外界温度低于地铁内设计温度时）或由人工制冷来排除。具体来讲，一个满意的站台空调系统，必须满足乘客和车站工作人员的舒适性要求和安全需要，站台上过大的局部风速，可能对人员造成不舒适，甚至有不安全感。清华大学【1】,天津大学【2,3,4】在地铁环控方面曾经做了大量的研究工作。本文针对天津地铁1号线改扩建工程西北角站特殊的土建条件,提出了变风量侧送侧回的地铁侧式站台空调通风气流组织方案,并利用Fluent公司推出的Airpak2．1这一专业软件对方案进行了模拟研究，力求提出一种技术上可行、经济上合理、满足乘客舒适性要求的地铁改造线路侧式站台气流组织和系统送排风方式。2方案提出参考天津大学与天津地下铁道总公司关于《天津市地铁环控系统节能技术研究》的分析计算,在确定天津地铁远期空调设计方案的过程中，注意到下列问题：(1)对于天津地铁既有线，空调送风方式受到了土建条件的限制，轨道标高不能变,站台上顶不能升高。同时地铁风机采用可逆转的变频风机同时兼顾事故通风、正常通风、空调通风,所以空调通分的风量不能太大,又由于地铁站台负荷分布的特点，送风温度成为空调系统设计中考虑的重要因素。(2)地铁环控采用空调系统时，不仅室外空气的温、湿度随时间发生变化，而且地铁车站的客流量、设备的发热量也随时间而变。由于地铁运行的特点，其早、晚高峰期的客流量和列车发车频率都比平时要高得多。因此即使白天正常运行空调，其冷负荷和相应的空调送风量也要比平时大得多。若按最大负荷设计定风量空调系统，在很大一部分运行时间内，地铁送风量过大，即使采用风阀调节风量也并不能完全满足地铁环境控制的需要，而且造成很大的能量浪费。因此，如何控制送风量是涉及到人们普遍关注和研究的环境与能源的问题，也是影响到地铁运行的经济效益和社会效益问题。同时，在改变风量的前提下，站台的环境所受到的影响也成为我们所关心的问题。(3)由于站台负荷主要集中在列车发热,列车下部所产生的制动、启动发热与上部冷凝器的散热有可能在非停靠侧由于横向送风的影响，造成合流，对非停靠侧的站立人群产生扩散影响。如果在列车顶部设置局部的排风将就近排出冷凝器散热，有利于站台热环境的稳定。综上所述，通过分析认为采用变风量侧送侧回的空调方式,并在靠近机车的上部加排风风道。3模型的建立西北角站为既有站，是一个单层车站。站台形式为侧式站台，有效站台长120m，车站结构全长308.51m，设四个出入口，两座风道。车站主体结构净宽17.8m，站台层结构净高4.65m。本文主要是站台(见图2-1)的空调模拟计算，计算选取的结构尺寸为L×W×H＝140m×17.8m×4.65m，站端的设备用房在模型中简化为四个尺寸为L×W×H＝10m×3m×3.1m的房间。列车尺寸：L×W×H=117.12m×2.8m×3.51m，列车冷凝器在车顶部，制动电阻在车厢底部。人员的设定为：人群站立于列车运行线一米之外，模拟中简化为厚度为1.2米、高1.7米、长100米的两个块。本模拟采用的方法是有限容积法，标准kε−双方程模型，问题是三维稳态的不可压缩粘性流体的湍流流动。排风口送风口回排风道送风道列车行人排风口送风口行人回排风道送风道图2—1设置局部排风的站台模型剖面图4控制方程的处理办法对于连续性方程、动量方程、能量方程以及处理湍流问题的k-ε模型都可以表示成以下通用形式[5]：Sgraddivudiv+Γ=)()(φφρ（4-1）式中：φ——通用因变量，代表（u,v,w,T,k,ε,1）；ρ——密度；u——速度矢量；Γ——广义扩散系数；——广义源项。S以公式（1）为基础，采用控制容积法进行离散，考虑标量φ的稳态传输守恒方程，在任意的控制体积V上，积分形式的控制方程如下：dVSdAdAvV∫∫∫+⋅∇Γ=⋅φφφρφ（4-2）在给定的网格上，方程（2）离散为：()VSAAvfnNfffNfffacesfacesφφφφ+∇Γ=∑∑（4-3）离散后的方程可以写成如下的通用形式：baanbnbnbP+=∑φφ（4-4）方程中下标表示相邻的网格，和分别是nbpanbaφ和nbφ的系数，b是源项。5.模拟结果分析5.1送风温度的讨论8℃温差送风由于加大了送风温差，减小了送风的风速，站台空气混合不是很充分，从温度的分布来看(见图5-1)，局部温度较高，但在人员站立区基本上还是可以满足空调的设计温度的。其次从活塞风对站台的影响方面分析,8℃温差送风过程中，横向送风的风速较小，对活塞风的阻挡作用也较小。在第一个列车停靠侧的进站端人员出入口之前受到了活塞风的影响，但是由于空调送风的混合，并没有使这部分的站台温度过分升高，基本上保持在29℃-30℃之间，还是可以基本上满足舒适的要求。在第一个人员出入口之后的站台部分还在受到少量的活塞风的影响，但是影响的程度十分轻微，基本上可以忽略不计。从最大热源列车在站台的热量的扩散分析：8℃温差送风的情况下(见图5-1)，我们可以看到，列车热源受到人员出入口的泄流作用较为明显，尤其是在列车停靠侧的两个人员出入口附近的站台，有明显的热气流扩散，局部的温度偏高。但是我们也可以看到这样温度偏高的区域十分狭窄，人员在这个区域逗留的时间从常规的分析来看是十分短暂的，因而虽然这部分区域不符合站台的舒适要求，但在实际的运行中还是可以接受的。5.2变风量环控方案的讨论总的来说，当负荷发生变化，变风量的控制方案还是基本上可行的，只是要注意在风量过小的情况下适当提高送风温度，加大送风量，进行有限的局部调整。具体确定这样的分界点还需要多次的模拟分析，和实际运行的测试分析。从本文的估计来看，需要提高送风温度运行的时段将不会超过2个小时，而且这两个小时并不集中一个连续的时段，如果考虑夜间的全面通风的作用，使得在靠近夜间的低负荷时段的站台环境温度本身比我们的模拟运算的设定温度低，这些时段就不需要加大送风速度来改善站台的环境。因而我们认为，这样的最低负荷的8℃送风温差送风的方案在全天的运行中实施还是十分可行的，一天之中只有短暂的时段站台人员活动区的温度偏高，但是考虑到这些时段，在站台停留候车的人也较少，所以除了在站台环境的要求很高的情况，全天8℃温差送风的变风量方案是可以实施的。5.3设置顶部局部排风的讨论对比图5—1和图5—2，如果仔细分析我们可以看到，列车作为主要的散热源所产生的热气流对站台的扩散方式有了很大的变化。列车顶部的冷凝器所产生的热量不再是由于横向送风而横向扩散，而是由于顶部的排风作用向上扩散。列车下部的制动与启动的热量所产生的热气流也有向上扩散的趋势，不再象未设局部排风时一样基本上单方向向站台板下的回风口扩散。从图4—1中我们可以发现，由于横向的扩散，列车顶部冷凝器所产生的热气流与下部的制动与启动所散发的热气流产生了合流，对非列车停靠侧的站立人群产生了一定的影响，使站立人群迎面的温度局部有了一些提高。这样设置了顶部的局部排风使得列车作为主要热源的扩散在区间，也就是轨道空间内完成，从而很好的完成了区间与站台热环境的隔离。同时，热空气所携带的区间中产生的尘土，或者轨道的金属碎屑将在区间的范围内得到排除，不对站台环境发生影响。由于局部排风起到了很好的隔绝作用，活塞风对于站台的影响也相应有所减少。在活塞风对站台影响减小的情况下，人员进出口的泄流也有所减小，从而提高了站台环境的舒适性。综合来看，在顶部设置局部排风装置可以在一定程度上起到对区间与站台阻隔作用。对比设置屏蔽门与加设空气幕的方法，设置局部排风初投资少，技术简单易操作，有很好的应用前景，建议在活塞风对站台影响不是十分突出的场合应用。图5—1西北角站中柱结构，8℃温差送风，温度场剖面图5—2西北角站中柱结构设置顶部排风8℃温差送风，温度场剖面5结论(1)8℃温差送风时的站台速度场与温度场中出现局部的高温与部分的热气流扩散。但是从整个站台综合考虑，8℃温差送风，还是可以满足舒适度的要求的。考虑到空调系统的简化与节能的因素，对于天津市地铁侧式站台空调送风还是采用8℃温差送风较为合理。(2)在站台环境的要求不是很高的情况下，全天8℃温差送风的变风量方案是可以实施的。(3)综合来看，在顶部设置局部排风装置可以在一定程度上起到对区间与站台阻隔作用。同时设置局部排风初投资少，技术简单易操作，有很好的应用前景，建议在活塞风对站台影响不是十分突出的场合应用。参考文献[1]天津地铁一号线环控系统模拟分析，清华大学建筑学院建筑技术科学系,2001.7[2]王峰一，地铁岛式站台通风CFD模拟：[硕士学位论文]，天津：天津大学，2002.12[3]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，2003.6[4]魏巧立,地铁环控系统变风量技术研究：[硕士学位论文],天津:天津大学[5]陶文铨,数值传热学[M].西安：西安交通大学出版社，2001作者简介:韩荣山(1