地铁通风系统设计研究

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摘要：地铁运输比路面交通方式更具可持续性，通风系统作为地铁系统中的重要组成部分，设计人员应了解环境对其建设，维护和运营的影响，应将通风系统设计与系统整体热工性能相结合，从而实现更高效、持续的通风功能。本文通过仿真计算地铁通风系统设计前期的各个参数影响，明确各参数各自的最佳工作数值范围，并在设计阶段将各参数最优值进行优化结合，从而最大程度实现既经济又可持续的工程设计方案。

关键词：地铁;通风系统;温度;新风;排烟;自然通风;风机

地铁系统中热量主要来自列车制动系统，推进系统以及车上辅助系统，列车运动同时也会带动隧道，站点和通风井内的空气，产生活塞效应。地铁通风系统必须在温度和空气质量方面提供可接受的地下空气环境。作为地铁系统的重要组成部分，地铁通风系统的节能控制是非常有必要的，不仅可以节省地铁通风空调系统的耗能，也为优化地铁系统提供基础，设计人员应了解环境对其建设，维护和运营的影响，将通风系统设计与系统整体热工性能相结合，实现更高效、持续的通风功能[1-6]。本文通过仿真计算地铁通风系统设计前期的各个参数影响，明确各参数的最佳工作数值范围，并在设计阶段将各参数最优值进行优化结合，从而最大程度实现既经济又可持续的工程设计方案。

1模型建立和参数设置

本文建立一个四站台地铁通风系统通用模型，配有独立站台末端的通风井（每个隧道配一个，直通室外环境），通过地铁环境模拟软件（SES）进行建模仿真，用以研究通用地铁通风系统设计参数。表1列出了各参数初始假设值，通过模型模拟得到的参数均与之进行比较，模型模拟环境仅针对夏季，并假设系统在正常条件下运行且未进行机械通风或冷却，通过模拟软件仿真计算各参数变化对隧道和站台的温度影响[7]。

2分析与讨论

2.1通风井尺寸。通风井的横截面积直接影响隧道与周围环境之间的空气交换量。对于夏季无空调地铁站，应考虑尽可能多地与环境空气进行热交换，来降低整个站内系统温度。结果表明，对于地铁站台，在所讨论的通风井横截面面积的变化范围内对其温度的影响有限。对于隧道内温度，通风井横截面积的变化影响效果更明显，横截面积15m2的通风井相比横截面积35m2的通风井，其温度增加约4℃。可以看出，进一步增加通风井横截面面积可以有效地降低地铁隧道内温度，但空间限制和建筑成本等其他因素也决定通风井横截面不宜过大。同时，如果地铁站点的空气温度低于环境温度，则与环境的空气交换通常对隧道有利，但对站点不利。地铁站点深度通常由隧道深度和岩土工程考虑决定。更深的地铁站点意味着更长的通风井、更大的空气阻力。这些因素导致通风井流通空气量减少了，且当流动方向改变时，需增加再循环的空气量。因此，如果其他参数保持不变，则相对较深的地铁站点（30~40m）的温度通常比一般地铁站点的温度高约2℃。另一方面，地铁站点的布局对隧道/站台环境有影响。分别建立从地铁站台至地面配置三个出口、两个出口和一个出口的模型，站台层设置两个横截面积为7.5m2的楼梯间。站台地铁站点出口数量对温度的影响如图2所示。通常也可以通过改变出口面积而不是数量来实现等效结果，但出口数量通常取决于预期乘客量和站点建筑设计等因素。应该注意的是，模拟是基于一个夏天环境温度和自然通风情况，如果要对机器进行机械冷却，应尽量减少环境空气的渗透。2.2轨道坡度。轨道结构布局会影响列车制动和推进时产生热量的多少，从而影响系统温度。理想情况下，地铁站点高度应相对较高，使得列车进站时处于上坡降速，从而减少制动产生的热量。列车驶离地铁站点时，轨道设计成下坡利于提速，充分利用列车自重加速，从而减少列车推进过程产生的热量。为了实现最佳效果，一般需要驾驶员完美实现列车进站上坡和驶离站点下坡的位置把控。本文建立了一个依据典型地铁隧道结构沿着轨道方向随机坡度变化的模型，并设置三种轨道坡度———驼峰坡度，下沉坡度和平坦轨道，仿真计算时所有其他参数保持不变。如图3所示，仿真结果表明，与基础情况相比，自然通风系统中的站点站台温度，“驼峰坡度”情况约低3℃，“平坦轨道”情况约升高1℃，对于“下沉坡度”情况温度约升高4℃。显然，“驼峰坡度”的轨道设置更有利于控制车站环境，并且可以降低牵引力需求。但需要注意的是，较大的隧道坡度会以其他方式影响通风系统，如临界速度和浮力增加将需要增加通风能力，以保证在发生火灾时排烟能力。与此同时，也会增加排水装置和运营成本。要实现降低列车进出站制动和牵引产生的热量，另一种做法是减少列车重量或速度来降低列车进出站动能。虽然减少列车重量在功耗和发热方面效果显著，但必须考虑其他因素，如安全、火灾等。实际上，全球各地的不同地铁系统之间的列车重量（含乘客）差异很大，这表明列车重量可作为改善地铁通风系统的考虑因素之一。列车速度对地铁系统通风和温度的影响很复杂。每次列车制动时，降低列车的速度会减少转换为热量的动能。同时，降低了列车的活塞效应，从而降低了进入地铁系统的外部空气量。此外，根据所使用的信号系统的类型，降低最大列车速度可能会影响线路的乘客容量。因此，通风设计要求不限制设定列车实际运行速度。2.3通风系统设计。创建更舒适的车站环境可能有助于增加地铁乘客量，相比传统制冷循环，利用可持续冷却系统制冷方案可以达到更加节能环保的效果，例如利用地热、河流、海水、地下水冷却或蒸发冷却，用于冷却车站或隧道，循环使用。图4典型站台底部排烟，隧道顶部排烟和空气供应系统根据列车制动系统和/或车载空调装置的位置，可以考虑通过站台底部排烟（UPE）和/或隧道顶部排烟（OTE）系统进行机械排风来实现，如图4所示。设置OTE对于组织排放列车上方隧道顶部的烟雾效果明显。使用空调系统有利于确保车站内部略微保持正压，因此内部循环气流需与外部新风供应保持平衡，以减少来自隧道气流渗透的负荷损失。根据站台长度设置单位长度站台循环气流流量，可以有效地降低整个车站站台温度约10℃[8]。通常在拥挤和紧急模式下使用的隧道通风机也可以替换UPE/OTE的风机。风机设备的这种功能共享限制了风机设备在车站两端的位置，但是大大节省了空间，资金和生命周期成本。如果选择这种集成式风机设计，则隧道通风井应远离站台，朝隧道侧倾斜，以便提高进入入口隧道的空气比例，从而最小化风机室的尺寸。隧道通风机是纵向推力装置，通常安装在隧道顶部、墙壁或角落上。大量空气从一侧被吸入，受限制的高速空气射流从另一侧喷出，并通过高速流卷吸带动更大量的空气在隧道内流动。在没有隧道通风机的系统中，空气将向阻力最小的路径流动，主要流向开放式站台或非进入隧道，如图5所示。利用隧道通风机可以改变这种通风效果，并且还可以在紧急情况下帮助加压逃生路线，如图6所示。给定风机设备后，进入隧道的有效空气流量百分比与该隧道内运行的隧道通风机数量（每个标称推力700N）相对应，如图7所示，所有模拟均基于两个车站之间隧道段火灾强度为15MW。另外，也可以使用紧急隧道通风机在夜间对系统进行通风，比自然通风移除更多的热量。但是，必须权衡冷却效果与运行风机的成本。整体而言，隧道通风机可以提供一种经济有效的方法来实现隧道中所需的流动并辅助空气流动。与此同时，还有其他可以显著改善地铁通风系统设计的因素，但许多仍存在相当大的技术难题，且需要考虑初投资和维修成本，例如增加屏蔽门系统隔绝站台和隧道热环境。

3结论

地铁通风系统需要外部空气来控制地铁系统内的温度，为乘客提供新鲜空气，并且在紧急情况下，控制烟雾流动帮助乘客安全逃离。在某些情况下，可能需要对站点进行机械冷却以实现全年所需的条件。通常，地铁通风系统的通风量由消防应急模式要求确定。通过对整个地铁通风系统和其他相关系统范围的参数设计，可以降低通过机械通风来控制温度和提供外部空气的需求。这种可持续的地铁系统通风设计方法既减少了系统对环境的影响，也降低了资金和运营成本。

作者:黄莉媛 单位:中铁二局集团勘察设计院有限责任公司