活塞風(fēng)通過隧道和出入口引起地鐵環(huán)境的變化,是地鐵能耗的重要影響因素，在過渡季節(jié)和冬季充分利用活塞風(fēng)是實現(xiàn)地鐵通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)一步節(jié)能的有效措施。風(fēng)口屏蔽門系統(tǒng)可有效利用活塞風(fēng),因其兼具安全、舒適的特點(diǎn)，較之傳統(tǒng)的半高安全門系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，重點(diǎn)探討活塞風(fēng)對地鐵環(huán)境的影響規(guī)律、活塞風(fēng)的有效利用對地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響和帶風(fēng)口屏蔽門系統(tǒng)在北方城市的適用性。
    某城市地鐵概況
    某城市地鐵里程全長26.188公里，全線共設(shè)22座車站，其中高架站有8座，地下站有13 座，地面車站有1座，站間距離最小為0.784 公里，最大為1.624 公里，平均為1.225 公里，站臺有效長度均為120 m，站臺兩端部均有站端風(fēng)井，每站4條，區(qū)間隧道有雙跨矩形有中柱(雙線單洞)、雙跨矩形有隔墻、單跨矩形、圓型盾構(gòu)四種，車站兩端各有兩個機(jī)械風(fēng)井，既有線各區(qū)間中部均有兩個機(jī)械風(fēng)井，列車車廂尺寸長寬高值分別為19.52m、2.8m、3.51m，動車自重37t，拖車自重27 t,帶司機(jī)室車定員252 人，一列載額定乘客列車總質(zhì)量為298.2t。安裝了平均高度為1.4m 的安全門，拓寬看乘客在候車時的站立空間,適當(dāng)減少活塞風(fēng)對站臺的影響，降低列車進(jìn)出站時產(chǎn)生的噪聲，在過渡季和冬季還可以利用活塞風(fēng)滿足車站新風(fēng)需求。
    活塞風(fēng)速理論計算
    當(dāng)列車在隧道中運(yùn)行時，隧道中的空氣被列車帶動而順著列車運(yùn)行前進(jìn)的方向流動，這一現(xiàn)象稱為列車的活塞作用，所形成的氣流稱為活塞氣流。列車在隧道中運(yùn)行時,由于隧道壁所構(gòu)成空間的限制,列車所推擠的空氣不能全部繞流到列車后方,必然有部分空氣會被列車向前推動，排出到隧道出口之外，而列車尾端后方存在著負(fù)壓渦旋區(qū)域，因此也必然會有相應(yīng)空氣經(jīng)開口被引入到隧道中，由此形成活塞風(fēng)。如下圖所示：
   空氣的流動要受到物理守恒定律的支配,其理論基礎(chǔ)是空氣動力學(xué)原理,即空氣流動過程中的質(zhì)量守恒、能量守恒和動量守恒定律。
地鐵車站活塞風(fēng)量的影響因素很多，如活塞的風(fēng)井?dāng)?shù)量及位置、車輛對數(shù)及組數(shù)、列車運(yùn)行速度、車站形式、隧道形式等，風(fēng)井的位置和隧道形式不同,計算得出進(jìn)站口和出站口活塞風(fēng)速均不相同。此外，車輛對數(shù)的增加將增加每小時帶來的活塞風(fēng)量，列車越長活塞風(fēng)速越大。
    活塞效應(yīng)下車站溫度變化影響因素
    地鐵車站溫度的變化與其本身存在的內(nèi)熱源的大小有關(guān),如照明散熱量、設(shè)備散熱量、客流量、列車散熱量、車輛對數(shù)及編組數(shù)等有關(guān),同時也與車站的形式、隧道的形式有關(guān),車站的自然通風(fēng)量和機(jī)械通風(fēng)量關(guān)系到站內(nèi)余熱量排除情況,因此對車站溫度變化產(chǎn)生了決定性的影響,而對于自然通風(fēng)量大的車站,室外氣溫的變化也會對車站溫度變化產(chǎn)生較大的影響?？土髁康脑黾邮沟檬覂?nèi)余熱量增加,則在通風(fēng)工況不變的情況下室內(nèi)空氣溫度將會升高，過渡季節(jié)室外新風(fēng)的溫度比較低,當(dāng)新風(fēng)量增加的時候,可降低室內(nèi)溫度。活塞風(fēng)作用下,站臺靠近出入口處溫度變化隨著室外氣溫的降低而有所降低。
    地鐵活塞風(fēng)對站臺環(huán)境影響規(guī)律數(shù)學(xué)模型的建立及驗證
    4.1構(gòu)建數(shù)學(xué)模型
    某車站結(jié)構(gòu)尺寸為120m×19.2 m×8.13 m，列車尺寸規(guī)格為117.12 m×2.8 m×3.58m，列車?yán)淠髟谲図敳浚苿与娮柙谲噹撞?。站廳層只設(shè)送風(fēng)口,尺寸為600mm×300mm,共64 個,布置在距站廳底部裝修面3.0m的高度上，站臺層采用上送風(fēng),軌頂排風(fēng)以及軌底回/排風(fēng)的氣流組織形式，送風(fēng)口尺寸為700mm×350mm，共72個，分兩排均勻布置在距站臺板3.0m高度位置，軌頂排風(fēng)口尺寸為1000mm×500mm，共108個，距站臺板3.0m軌底回/排風(fēng)口尺寸為500mm×300mm，兩排共120個，均勻布置在站臺板下面站臺兩側(cè)距站臺邊緣約200mm的位置，設(shè)有平均高度1.4m的安全門。                
    在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上離散方程的精確解偏離該點(diǎn)上相應(yīng)的微分方程精確解的值，稱為該點(diǎn)上的離散誤差。離散誤差的大小同離散方程的截斷誤差有關(guān)"在相同的網(wǎng)格步長下，一般地說，截斷誤差的階數(shù)提高，離散誤差會隨著減小，對于同一離散格式，網(wǎng)格加密，離散誤差也會減小。網(wǎng)格質(zhì)量是CFD 模型中非常重要的因素之一，好的網(wǎng)格對于好的模擬結(jié)果非常重要，好的網(wǎng)格要求恰當(dāng)?shù)姆直媛省⒐饣?、低偏斜率和適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格數(shù)量。
    4.2建模誤差分析
    由于動網(wǎng)格的計算量比較大,并且建模過程比較復(fù)雜,不容易精確的再現(xiàn)實際過程,本文采用了非穩(wěn)態(tài)方法，通過方波函數(shù)設(shè)置活塞風(fēng)速來模擬列車通過對站臺帶來的影響，這樣就將列車的啟動、運(yùn)行、剎車過程簡化了，僅考慮其帶來的活塞風(fēng)作用。在過渡季節(jié)的模擬中采用了非穩(wěn)態(tài)方法，隧道口風(fēng)速設(shè)定采用方波函數(shù)設(shè)定。
    帶風(fēng)口屏蔽門系統(tǒng)活塞風(fēng)數(shù)值模擬結(jié)果分析
    活塞風(fēng)的綜合利用必然很大程度的減少風(fēng)機(jī)能耗,過渡季節(jié)和冬季的舒適性仍需考慮，CFD 模擬是一個可行的研究方法,大量的實驗驗證也說明模型建立的比較合理,從而實現(xiàn)了屏蔽門系統(tǒng)改造的優(yōu)化設(shè)計。列車自動操作時，屏蔽門是絕對有必要的，列車手動操作時，屏蔽門亦非常有用，屏蔽門可以十分有效地提高站臺安全，避免乘客因自殺、在站臺里走動、推擠等而落入軌道，可以增加站臺的可用表面，可以避免未經(jīng)授權(quán)的人進(jìn)入隧道，屏蔽門降低了空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗和隧道內(nèi)不必要的能耗，屏蔽門可以減少隧道灰塵、列車噪音以及列車弛行的活塞效應(yīng)產(chǎn)生的氣流進(jìn)入站臺。
    地下鐵道發(fā)生火災(zāi)時造成的人員傷亡，絕大多數(shù)是由于煙霧中的有毒氣體的熏倒、中毒或窒息所致，有效的排煙已成為地鐵火災(zāi)救援的重要措施。為此，要求設(shè)置排煙設(shè)備，在布置風(fēng)道時，確保排煙口的風(fēng)速不宜大于10m/s，當(dāng)排煙干管采用金屬管道時,管道內(nèi)的風(fēng)速不應(yīng)大于20m/s，設(shè)置帶風(fēng)口屏蔽門，相同高度下帶風(fēng)口屏蔽門系統(tǒng)的高溫區(qū)域比屏蔽門系統(tǒng)小得多，可以為火災(zāi)事故情況乘客的順利疏散爭取了時間。經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn),可控風(fēng)口在過渡季節(jié)活塞風(fēng)可滿足近期的新風(fēng)要求,并帶走大量余熱,軌底排風(fēng)可有效控制列車產(chǎn)生的熱量不進(jìn)入站臺公共區(qū),在滿足乘客舒適性要求的同時,達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能的效果。