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4·2 模拟结果 4·2·1 区间隧道和车站产热量分布 区间隧道和车站在600s内产热量随行车方向上的变化见图4,可以看出:地铁内沿行驶方向上的产热量分布不同,主要集中在车站处,且车站内的区段越长,产热量越大。这是因为列车在区间隧道内行驶产热量主要为列车三轨产热,而车站内产热量包括站台上人员散热、车站照明、广告灯箱发热及车站内垂直电梯、扶梯散热及列车刹车产热等;长的区段上设备及人员散热量也较多。 4·2·2 区间隧道和车站风速、风量分布 (1)在1020s区间及车站出入口瞬时风速分布分别见图5、6,可以看出:隧道内列车行驶状况不同产生的活塞风速不同。列车加速行驶时活塞风速也随之增加,停车时车后部的风由于惯性仍然向行车方向运动并处于较大值。列车行驶状况不同,会使车站楼梯、出入口处于正压或负压,从而排风或为从室外吸入新风,形成通风换气。设置活塞风井的方案二,列车通过时车站和出入口风速降低;表明活塞风井具有泄压作用。 表3~5分别为瞬时风井及车站出入口总进排风量比较、瞬时车站出入口进排风量比较和出入口及风井进入新风量与区间隧道总风量比较,由这三个表可以得出:设置活塞风井的方案二,活塞风井及车站出入口总进排风量比不设活塞风井的方案一出入口进排风量大,说明设置活塞风井可增加通风换气量;设置活塞风井的方案二从车站出入口引入新风含量比方案一隧道内新风含量增加14%~20%,可有效改善隧道内空气品质,从而使得列车车厢内的新鲜空气量增多。 (2)在600s内各断面平均风速分布如图7所示,可以看出:隧道内平均风速随着列车行车速度变化,基本成线性关系。因为车站断面大于区间隧道断面,区间隧道内风速较高;车站站台附近平均风速低;列车活塞风速最大可达6~8m/s。设置活塞风井的方案二,车站站台处各段风速均略小于方案一的相应各段风速。 4·2·3 区间隧道和车站温度分布 (1)在1020s区间隧道及车站瞬时断面平均温度变化如图8所示,可以看出:列车行驶及停站处空气温度较高,经过后空气温度逐渐降低。沿行车方向,列车出站端隧道空气温度高于进站端隧道空气温度;这是由于列车出站时,活塞风会将列车停车时的刹车散热带入隧道。设置活塞风井,有利于列车行驶产生的热空气排出,引进室外空气,增加隧道内空气流动,因此方案二区间隧道各段温度普遍低于方案一。 (2)在600s时间区间隧道内断面平均温度变化如图9所示,可以看出:车站设置空调系统,其空气温度低于隧道内空气温度;区间和车站衔接处温度波动幅度较大,在29~34℃之间波动;隧道中部温度波幅较小,约保持在30℃左右;两种方案正常工况下区间隧道内空气温度均低于35℃;即使对远期运营计划,夏季热环境也不会出现超温现象,满足设计规范[10]要求。 4·3 方案比较 4·3·1 主要技术经济指标比较 本文对典型站的两种方案分别从技术方面、主要通风空调设备的造价及额定用电负荷等进行比较。 两方案设备选型、机房占地面积等的比较,见表6。方案一的风道数量及机房面积明显少于方案二,土建造价低。两方案额定用电负荷、初投资的比较,见表7。方案二设置活塞风井,可利用活塞风冷却区间隧道,减少冷冻机运行时间,两种方案的空调运行期长短有所不同。车站的BAS系统自动监测室外空气焓值并控制空调设备启停,运行费用有待根据实际运营参数计算得出。故本次技术分析未涉及到年运行费用,仅对一个设备满负荷运转空调日(5∶00~23∶00)进行运行费用对比。电费采用北京电网销售电价0.53元/kWh(大工业用电)。 4·3·2 优缺点比较 对上述两种典型方案进行优缺点比较,所得结果见表8。 5 结 论 本文以北京新建地铁四号线第三标段隧道和车站为对象建立数学模型,借助SES软件采用数值模拟法,对两种典型通风空调系统方案正常运行工况下隧道和车站内产热量、气流流场、温度场进行模拟分析,并进行初步技术经济比较,得出以下结论。 5·1 数值模拟的结论 (1)地铁内沿行驶方向上的产热量分布不同,主要集中在车站处,因此地铁车站是首先需设置通风空调系统的部位。 (2)隧道内车行驶状况不同产生的活塞风速不同;区间隧道内风速高于站台风速,列车活塞风速最大可达6~8m/s。 (3)沿行车方向,列车出站端隧道空气温度高于进站端隧道空气温度;区间和车站衔接处,温度波动幅度较大,在29~34℃之间波动;隧道中部温度波幅较小,约保持在30℃左右。 (4)设置活塞风井对车站和出入口具有降低风速和泄压作用,削弱活塞风对车站出入口的影响,提高车站内的环境舒适性; (5)设置活塞风井可增加通风换气量,使隧道内新风含量达到35%,比不设活塞进时增加14%~20%;有效改善隧道以至于车厢内空气品质;有利于列车行驶产生的热空气排出,可使区间隧道各段温度普遍降低。 5·2 初步技术经济比较的结论 (1)方案一车站与区间隧道集成的通风空调系统,土建费用低;但空调设备运行时间较长、操控复杂,运营费用及维护管理工作多。方案二车站与区间隧道独立的通风系统,土建费用高;车站两端设置活塞风井,可削弱列车运行活塞风对站台及出入口风速的影响,全新风空调季可利用活塞风,减少冷冻机的运行时间。 (2)从主要通风空调设备初投资、额定用电负荷及空调日运行费对比可知,方案一以车站与区间隧道的集成通风空调系统设备投资为方案二车站与区间隧道独立设置通风系统(活塞风道和机械风道相结合)的1.02倍;方案一的额定用电负荷为方案二的80%左右;方案一的空调日运行费用为方案二的92%左右。 5·3 北京地铁四号线通风空调系统方案确定 选择最佳通风空调系统设计方案,同时还应依据当地城市对交通的具体要求和自然条件等确定。鉴于以上研究结论,同时考虑北京地区地铁均设置在市政道路下,风道长度大部分在40m以上,活塞风效果不明显。车站与区间隧道的集成通风空调系统(方案一)较车站及区间隧道独立的通风空调系统(方案二)更适合于北京地铁实际情况,北京地铁五号线、四号线通风空调系统设计采用该方案为实施方案。 [参考文献] [1]许斯河.地铁工程设计指南[M].北京:中国铁道出版社,2002. [2]冯炼,刘应清.地铁通风网络的数值分析[J].中国铁道科学,2002,23(1):132~135. [3]王春,刘应清.地下铁道中的环境控制系统[J].地下空间, 2003,23(3):310~313. [4]北京市市政工程设计研究总院.北京市地铁四号线工程初步设计.2003. [5]金学易,陈文英.隧道通风及隧道空气动力学[M].北京:中国铁道出版社,1983. [6]王补宣.工程传热传质学[M].北京:中国科学出版社,1998. [7]SubwayEnvironmentalDesignHandbook,VolumeⅡ.SesUser sManual.1997. [8]郑晋丽,胡维撷.深圳地铁一期工程环境模拟结果要点和分析[J].地下工程与隧道,2000(1):37~44. [9]中华人民共和国建设部.GB50157-2003地铁设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.
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