CN108979696B - 一种地铁隧道排热系统优化排风方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地铁隧道排热系统优化排风方法，包括步骤：步骤1、通过实验或模拟获得地铁车站范围隧道中的温度场分布；步骤2、将地铁车站范围内隧道等分，分段数等于轨顶排风道风口组数，并保证每段隧道中只包含一组轨顶排风道风口；步骤3、计算每段隧道空气平均温度，并计算每段隧道平均温度与隧道活塞风温度的差值，使轨顶各进风口进风量比与各差值比相同；步骤4、根据轨顶排风道各组进风口的进风量比计算得到各组进风口的开口面积比，并按照所述开口面积比对排热系统各组风口开度进行调节。本发明通过对地铁轨顶排风道风口的开度调节措施，从而在不增加排热系统风机功率的前提下，提高地铁排热系统的排热效果，达到节能的目的。

Description

一种地铁隧道排热系统优化排风方法

技术领域

本发明涉及地铁车站范围内隧道排风，尤其涉及一种地铁隧道排热系统优化排风方法，该方法利用现有的地铁隧道排热系统在不改变系统功率及风道结构的前提下，提出一种有利于隧道整体温度场均衡下降的优化排风策略，车针对隧道高温区域，调节改变轨顶排热风道个进风口开度，达到隧道高效排热和高效节能效果。

背景技术

地铁运营时，隧道内热量的主要来源是列车运行时地铁列车空调系统中冷凝器排进隧道的热量及列车刹车制动产生的摩擦热，如果这部分产热不能很好的排出隧道，会导致隧道内空气温度的升高。根据地铁运营经验，地铁隧道内空气温度不得高于40摄氏度，而且过高的隧道空气温度会加重列车车载空调系统的负荷造成空调能耗上升，影响乘客舒适性。隧道排风分为车站区间隧道排风和车站范围内隧道排风两种情况，对于车站区间隧道，列车运行产生活塞风可以起到良好的排热作用，所以本申请只针对车站范围内隧道排风提出优化方法。

对于车站范围内隧道，由于列车停站，活塞风减弱，同时列车刹车制动产生的摩擦热增加，导致排热更为必要和重要。车站范围内隧道排热系统由轨顶排热系统与轨底排热系统组成。轨顶排热系统风口设置在列车空调系统冷凝器正上方，轨底排热系统风口设置在列车停站时车轮位置，列车散热通过轨顶轨底排热风道汇集，经排热风机排到环境。现有的排热系统排风量固定，仅利用起停调节将隧道内温度控制在40℃以下。这种运营方式虽简单易操作，但存在一定的节能潜力。

部分学者研究了排热系统的变频运行策略，起到较好的节能效果。以深圳地铁6A编组为例，有效站台长度为140m，轨顶、轨底风口数量超过100个。排热风机布置在隧道前后两端，轨顶轨底排热系统风口多、风道长，加之列车阻塞比大，列车停站时中部的新风不及路径长，热量不能较好的排出隧道。轨顶排风系统对车站中部隧道的排热效果明显差于对车站两端隧道的排热效果，要降低车站中部隧道的空气温度势必需要增加排热风机的抽风功率，这就导致地铁通风系统能耗增加。而针对隧道高温区域，调节轨顶排热风道风口开度，优化控制隧道整体温度场均衡下降，可以在排热风机运行风量一定的情况下，具有更优的排热和节能效果。

发明内容

本发明旨在提供一种地铁隧道排热系统优化排风方法，通过对地铁轨顶排风道风口的开度调节措施，从而在不增加排热系统风机功率的前提下，提高排热系统的排热效果，达到节能的目的。

本发明通过如下技术方案实现：

一种地铁隧道排热系统优化排风方法，包括步骤：

步骤1、通过实验或模拟获得地铁车站范围隧道中的温度场分布；

步骤2、将地铁车站范围内隧道等分，分段数等于轨顶排风道风口组数，并保证每段隧道中只包含一组轨顶排风道风口；

步骤3、计算每段隧道平均温度与隧道活塞风温度的差值，使轨顶各进风口进风量比与各差值比相同；

步骤4、根据轨顶排风道各组进风口的进风量比计算得到各组进风口的开口面积比，并按照所述开口面积比对排热系统各组进风口开度进行调节。

步骤3的原理如下，第i段隧道空气从列车获得的热量为Q_i＝c_pρVΔT_i，做简化假设，排风系统抽出热风后补给新风温度为隧道活塞风温度，由于新风温度较低，其携有的能量为Q_i′＝c_pρq_iT₀，对隧道产生冷却的效果。输入新风冷量之比应该等于空气的得热量之比即：

Q₁′：Q₂′：…Q_n′＝Q₁：Q₂：…：Q_n

故有：

q₁：q₂：…q_n＝ΔT₁：ΔT₂：…：ΔT_n。

进一步地，所述的步骤1具体包括：

步骤11、通过地铁活塞风公式(1)分别确定车站前方和后方隧道内的活塞风速v，所述活塞风速v用于确定地铁隧道三维通风模拟时的速度边界条件，

其中，v₀，l_o，β分别代表列车运行速度、列车车长、阻塞比；l为车站前后方的两条区间隧道的长度，公式(1)中的N由下式确定：

其中，ξ、ξ₁、ξ₂分别为隧道入口局部阻力系数、列车前方空气进入列车与隧道环状空间局部阻力系数、列车与隧道环状空间空气流出环状空间时局部阻力系数；d、d₀分别为隧道水利与列车的等效直径；λ、λ₀分别为隧道沿程阻力系数和列车与隧道环状空间内的沿程阻力系数；

步骤12、利用三维流程模拟软件建立车站范围隧道的通风排热模型，并进行三维模拟仿真；

步骤13、模拟得到车站范围隧道空气的温度场分布。

进一步地，步骤12中，所述的三维流程模拟软件为SES模拟软件。

进一步地，步骤12中，所述进行三维模拟时，仿真活塞风从车站范围内隧道一端吹入从另一端吹出，吹入与吹出车站范围隧道的活塞风风速为步骤11所得的活塞风速v，吹入活塞风的风温设置为室温；列车冷凝器散热风量及温度由具体的冷凝器参数确定；设置列车底部表面为散热面模拟车轮部分刹车散热。

进一步地，所述的步骤3具体包括：

步骤31、计算每段隧道空气平均温度T_i；

步骤32、计算每段隧道平均温度T_i与隧道活塞风温度T₀的差值ΔT_i；

步骤33、使轨顶各进风口进风量q_i的比例满足下列等式：

q₁：q₂：…q_n＝ΔT₁：ΔT₂：…：ΔT_n。

进一步地，所述的步骤4具体包括：

步骤41、根据排热风机风量和各组轨顶风道进风比，确定各组轨顶风道进风口进风量；

步骤42、求得公式：

式中ξ为进风口附近的局部阻力系数：

ξ＝ξ′+ξ″

ξ′为突缩风道局部阻力系数0.5，ξ″为T型风道局部阻力系数；l为排风口与同属一条风道的距离风机最近侧进风口的中心距；λ为沿程阻力系数，鉴于风道为混凝土结构，气流雷诺数大于10000，λ由下式确定：

K取1.5mm，d为风道水利直径；

步骤43、将轨顶风道进风口面积S_n表示为：

其中Q_n为进风口风量，v_n为进风口风速；

步骤43、根据公式(2)、(3)确定轨顶各进风口面积。

进一步地，所述车站范围内隧道的来车方向为隧道前方，隧道的行车方向为隧道的后方。

进一步地，所述车站范围内隧道的轨行区两侧顶部各有一条轨顶排风道，所述车站范围内隧道前后两端各布置一台排热风机与轨顶、轨底风道连接。

相比现有技术，本发明提供的地铁隧道排热系统优化排风方法通过对地铁轨顶排风道风口的开度调节措施，从而在不增加排热系统风机功率的前提下，提高地铁排热系统的排热效果，达到节能的目的。

附图说明

图1为本发明实施例的地铁隧道排热系统优化排风方法流程示意图。

图2为位于列车和轨顶风道下方隧道内的水平截面温度云图。

图3为轨顶风道各进风口平均进风速度示意图。

图4为地铁通风系统一维示意图。

图5(a)为相应隧道定位置下隧道排热系统工况1运行时隧道温度场。

图5(b)为另一隧道定位置下隧道排热系统工况1运行时隧道温度场。

图6(a)为相应隧道定位置下隧道排热系统不同工况下隧道空气温度差。

图6(b)为另一隧道定位置下隧道排热系统不同工况下隧道空气温度差。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

首先规定所述车站范围内隧道的来车方向为隧道前方，隧道的行车方向为隧道的后方，研究对象仅为车站范围内隧道。

如图1所示，一种地铁隧道排热系统优化排风方法，包括步骤：

S1、通过实验或模拟获得地铁车站范围隧道中的温度场分布；

S2、将地铁车站范围内隧道等分，分段数等于轨顶排风道风口组数，并保证每段隧道中只包含一组轨顶排风道风口，若总共有n组轨顶进风口，隧道相应的被平均划分为n段；

S3、计算每段隧道空气平均温度T_i，并计算每段隧道平均温度T_i与隧道活塞风温度T₀的差值ΔT_i，使轨顶各进风口进风量q_i的比例满足下列等式：

q₁：q₂：…q_n＝ΔT₁：ΔT₂：…：ΔT_n；

S4、根据轨顶排风道各组进风口的进风量比计算得到各组进风口的开口面积比，并按照所述开口面积比对排热系统各组进风口开度进行调节。

S3的原理如下，第i段隧道空气从列车获得的热量为Q_i＝c_pρVΔT_i，做简化假设，排风系统抽出热风后补给新风温度为隧道活塞风温度，由于新风温度较低，其携有的能量为Q_i′＝c_pρq_iT₀，对隧道产生冷却的效果。输入新风冷量之比应该等于空气的得热量之比即：

Q₁′：Q₂′：…Q_n′＝Q₁：Q₂：…：Q_n

故有：

q₁：q₂：…q_n＝ΔT₁：ΔT₂：…：ΔT_n。

具体地，所述的S1具体包括：

S11、通过地铁活塞风公式(1)分别确定车站前方和后方隧道内的活塞风速v，所述活塞风速v用于确定地铁隧道三维通风模拟时的速度边界条件，

其中，v₀，l_o，β分别代表列车运行速度、列车车长、阻塞比；l为车站前后方的两条区间隧道的长度，公式(1)中的N由下式确定：

其中，ξ、ξ₁、ξ₂分别为隧道入口局部阻力系数、列车前方空气进入列车与隧道环状空间局部阻力系数、列车与隧道环状空间空气流出环状空间时局部阻力系数；d、d₀分别为隧道水利与列车的等效直径；λ、λ₀分别为隧道沿程阻力系数和列车与隧道环状空间内的沿程阻力系数；

S12、利用三维流程模拟软件SES建立车站范围隧道的通风排热模型，并进行三维模拟仿真，进行三维模拟时，仿真活塞风从车站范围内隧道一端吹入从另一端吹出，吹入与吹出车站范围隧道的活塞风风速为S11所得的活塞风速v，吹入活塞风的风温设置为室温；列车冷凝器散热风量及温度由具体的冷凝器参数确定；设置列车底部表面为散热面模拟车轮部分刹车散热。

S13、模拟得到车站范围隧道空气的温度场分布。

具体地，所述的S4具体包括：

S41、根据排热风机风量和各组轨顶风道进风比，确定各组轨顶风道进风口进风量；

S42、求得公式：

式中ξ为进风口附近的局部阻力系数：

ξ＝ξ′+ξ″

ξ′为突缩风道局部阻力系数0.5，ξ″为T型风道局部阻力系数；l为排风口与同属一条风道的距离风机最近侧进风口的中心距；λ为沿程阻力系数，鉴于风道为混凝土结构，气流雷诺数大于10000，λ由下式确定：

K取1.5mm，d为风道水利直径；

S43、将轨顶风道进风口面积S_n表示为：

其中Q_n为进风口风量，v_n为进风口风速；

S43、根据公式(2)、(3)确定轨顶各进风口面积。

以深圳地铁10号线为例，车站轨行区两侧隧道顶部各有一条轨定排风道，车站前后两端各布置一台排热风机与轨顶、轨底风道连接。每条风道轴向的中间被石墙隔断，使风道的前、后部分互不连通。每条风道沿轴向分布六组进风口，前后部分各三组。列车进站停车时，车顶冷凝器在每组进风口下方附近以便排热。轨底进风口风道均匀分布在与列车车轮等高的车站侧壁面上，轨底风道的作用是将列车刹车产热排出隧道。由于同一条地铁线路行车方向相反的两条隧道几乎对称故只分析一条隧道的排热情况。以深圳地铁十号线某一车站为例建立车站轨行区隧道通风三维模型车站具有普适性。

利用三维模型SES进行关闭排热系统时隧道内的热环境模拟，通过活塞风计算，得出流入隧道的空气流速为5.5m/s，温度为305k；流出隧道的空气流速为2.6m/s。模拟结果如图1所示。图2中所显示的截面是位于列车空调冷凝器和轨顶进风口下方的水平截面。图中右侧为隧道前方，左侧为隧道后方，活塞风由右侧吹入，从左侧吹出。活塞风经过列车四周，被列车车体及冷凝器加热后温度逐渐上升。将隧道分6段(分段数等于轨顶排热风口组数)，求每一小段内的隧道空气平均温度，每段隧道的空气平均温度与隧道前方输入活塞风温度305k做差，得到比例式0.35:2:3:3:3:3(顺序为从隧道前部到隧道后部)，由于0.35较小，简化比例式为0:2:3:3:3:3。

下面对开启排热系统后，隧道内空气的速度场分布进行模拟。模拟工况为列车停站，前后两部排热风机排风量均为25m3/s。关闭轨底轨底排热风口，按照实际运行状态使轨顶风道进风口的面积均相等。模拟结果如图3所示，图中的横坐标代表进风口编号1号进风口为隧道前方进风口，6号进风口为隧道后方进风口，纵坐标代表每组进风口进风平均速度。由于风道两端的进风口离风机最近，风道内外所形成的压差也最大，故排风量基本集中在距离风机最近的一组进风口，1至6号进风口的风量比例约为40:4:1:1:4:40，这样的设计显然不符合理论分析的结果。

用SES软件建立一维地铁通风模型，该线路特征如表1所示，以整条隧道的一个端点作为0里程点。根据几何特征及相应的线路区段数据将地铁通风系统抽象为一维通风系统图，如图4所示为一维通风系统图中一个车站范围内隧道及附近隧道的通风情况。节点801/803/805/807/809/811代表由福田驶向福民站隧道顶部的六组进风口，节点802/804/806/808/810/812代表反向隧道顶部的六组进风口。901/903/905/907/909/911代表排热风道与外环境的出口。

表1:深圳地铁10号线路部分线路几何特征数据

列车行车频率为每小时30趟，停车站里程、停车时间及乘客情况如表2所示。列车最大车速80km/h。一维模拟工况如表3所示，每台排热风机总风量为25m3/s。

表2：列车停站情况

表3：排热系统轨顶进风口风量比

工况1的模拟结果如图5(a)和5(b)所示，图5(a)和5(b)表现的是不同段隧道排热系统在工况1运行时隧道中空气的温度场。横坐标表示SES模型中隧道的节点编号，最左侧节点代表整条隧道的零里程点，由左到右的节点逐渐远离隧道零里程点。模拟结果显示隧道温度呈锯齿状分布，隧道空气温度在车站范围隧道较高，在进入区间隧道时突然下降，这是由于隧道风在此处混合了由活塞风进入隧道的外界空气。之后隧道空气温度在达到下一个车站隧道前缓慢上升，这是列车运行散热加热隧道空气的结果。

图6(a)和图6(b)为不同隧道位置时排热系统在工况2/3运行时隧道温度的模拟结果与工况1运行时隧道温度模拟结果的差值。可以看出两条曲线表现出的温差基本小于零，证明经过优化的排热系统(工况2/3)与优化前(工况1)相比在排热风机总风量不变的情况下，排热效果更好。其中工况3与工况1相比温度下降最大值为1.7摄氏度，平均温降0.27摄氏度；工况2与工况1相比温度最高下降1.3摄氏度，平均温降0.21摄氏度。该模拟说明经过优化的排热系统有更好的的排热效果。

在保持轨顶风道中最远离风机的进风口开度100％的情况下，计算轨顶进风口进风比为0:2:3:3:3:3时，其他进风口开度值。1/2/3号排风口属于同一条排风道，4/5/6号排风口属于另一条排风道。说明1号排风口没有流量不考虑在计算范围内，2号排风口是隧道前部轨顶风道距离风机最近的进风口，6号排风口是隧道后部轨顶风道距离风机最近的进风口。根据上述方法，得到适当的T型风道局部阻力系数(见表4)，计算得到轨顶风道进风口的面积比从隧道前方至后方依次为0:0.54:1:1:0.93:0.83。最后调节1号到6号进风口风阀开度依次为0％，54％，100％，100％，90％，80％，从而完成地铁隧道排热系统的排风优化。

表4轨顶风道进风口面积计算参数

本发明涉及地铁车站范围内隧道排风的运行策略，利用现有的地铁隧道排热系统在不改变系统功率及风道结构的前提下，提出一种有利于隧道整体温度场均衡下降的优化排风策略，针对隧道高温区域，调节改变轨顶排热风道个进风口开度，达到隧道高效排热和高效节能效果，对地铁运营节能有较大的意义。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种地铁隧道排热系统优化排风方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1、通过实验或模拟获得地铁车站范围隧道中的温度场分布；

步骤2、将地铁车站范围内隧道等分，分段数等于轨顶排风道风口组数，并保证每段隧道中只包含一组轨顶排风道风口；

步骤3、计算每段隧道平均温度与隧道活塞风温度的差值，使轨顶各进风口进风量比与各差值比相同；

步骤4、根据轨顶排风道各组进风口的进风量比计算得到各组进风口的开口面积比，并按照所述开口面积比对排热系统各组进风口开度进行调节。

2.根据权利要求1所述的地铁隧道排热系统优化排风方法，其特征在于，所述的步骤1具体包括：

步骤11、通过地铁活塞风公式(1)分别确定车站前方和后方隧道内的活塞风速v，所述活塞风速v用于确定地铁隧道三维通风模拟时的速度边界条件，

其中，v₀，l_o，β分别代表列车运行速度、列车车长、阻塞比；l为车站前后方的两条区间隧道的长度，公式(1)中的N由下式确定：

其中，ξ、ξ₁、ξ₂分别为隧道入口局部阻力系数、列车前方空气进入列车与隧道环状空间局部阻力系数、列车与隧道环状空间空气流出环状空间时局部阻力系数；d、d₀分别为隧道水利与列车的等效直径；λ、λ₀分别为隧道沿程阻力系数和列车与隧道环状空间内的沿程阻力系数；

步骤12、利用三维流程模拟软件建立车站范围隧道的通风排热模型，并进行三维模拟仿真；

步骤13、模拟得到车站范围隧道空气的温度场分布。

3.根据权利要求2所述的地铁隧道排热系统优化排风方法，其特征在于，步骤12中，所述的三维流程模拟软件为SES模拟软件。

4.根据权利要求2所述的地铁隧道排热系统优化排风方法，其特征在于，步骤12中，所述进行三维模拟时，仿真活塞风从车站范围内隧道一端吹入从另一端吹出，吹入与吹出车站范围隧道的活塞风风速为步骤11所得的活塞风速v，吹入活塞风的风温设置为室温；列车冷凝器散热风量及温度由具体的冷凝器参数确定；设置列车底部表面为散热面模拟车轮部分刹车散热。

5.根据权利要求1所述的地铁隧道排热系统优化排风方法，其特征在于，所述的步骤3具体包括：

步骤31、计算每段隧道空气平均温度T_i；

步骤32、计算每段隧道平均温度T_i与隧道活塞风温度T₀的差值ΔT_i；

步骤33、使轨顶各进风口进风量q_i的比例满足下列等式：

q₁∶q₂∶...q_n＝ΔT₁∶ΔT₂∶...∶ΔT_n。

6.根据权利要求1所述的地铁隧道排热系统优化排风方法，其特征在于，所述的步骤4具体包括：

步骤41、根据排热风机风量和各组轨顶风道进风比，确定各组轨顶风道进风口进风量；

步骤42、求得公式：

式中ξ为进风口附近的局部阻力系数：

ξ＝ξ′+ξ″

ξ′为突缩风道局部阻力系数0.5，ξ″为T型风道局部阻力系数；l为排风口与同属一条风道的距离风机最近侧进风口的中心距；λ为沿程阻力系数，鉴于风道为混凝土结构，气流雷诺数大于10000，λ由下式确定：

K取1.5mm，d为风道水利直径；

步骤43、将轨顶风道进风口面积S_n表示为：

其中Q_n为进风口风量，v_n为进风口风速；

步骤43、根据公式(2)、(3)确定轨顶各进风口面积。

7.根据权利要求1所述的地铁隧道排热系统优化排风方法，其特征在于，所述车站范围内隧道的来车方向为隧道前方，隧道的行车方向为隧道的后方。

8.根据权利要求1所述的地铁隧道排热系统优化排风方法，其特征在于，所述车站范围内隧道的轨行区两侧顶部各有一条轨顶排风道，所述车站范围内隧道前后两端各布置一台排热风机与轨顶、轨底风道连接。