第 45 卷 第 3 期 2012 年 3 月 天 津 大 学 学 报 Journal of Tianjin University Vol.45 No.3 Mar. 2012 地 铁 新 环 控 系 统 可 行 性 分 析 及 性 能 优 化 杨 昭 1, 马 锋 1, 贾 士 红 2, 余 龙 清 1 (1. 天 津 大 学 机 械 工 程 学 院, 天 津 300072;2. 天 津 路 安 电 气 化 监 理 有 限 公 司, 天 津 300250) 摘 要 : 为 降 低 地 铁 环 控 系 统 能 耗, 根 据 目 前 传 统 屏 蔽 门 系 统 和 安 全 门 系 统 的 优 劣 性, 提 出 了 可 控 风 口 的 新 环 控 系 统. 以 某 新 建 地 铁 为 例 对 新 系 统 的 舒 适 性 通 风 及 节 能 效 果 进 行 了 分 析 论 证. 利 用 计 算 流 体 力 学 方 法 对 列 车 进 站 和 出 站 过 程 进 行 了 非 稳 态 模 拟, 分 析 了 列 车 进 站 出 站 过 程 产 生 的 活 塞 风 对 站 台 站 厅 舒 适 性 通 风 效 果 的 影 响, 并 根 据 系 统 负 荷 及 运 行 条 件 进 行 了 节 能 效 果 分 析. 结 果 表 明, 新 环 控 系 统 可 兼 顾 屏 蔽 门 和 安 全 门 系 统 的 优 点, 当 按 照 优 化 后 的 开 口 和 控 制 方 案 运 行 地 铁 新 环 控 系 统 时, 站 台 内 乘 客 活 动 区 域 气 流 速 度 小 于 5,m/s, 满 足 舒 适 性 要 求, 同 时 可 在 屏 蔽 门 系 统 的 基 础 上 降 低 能 耗 17.3%, 节 能 效 果 显 著. 关 键 词 : 屏 蔽 门 ; 活 塞 风 ; 可 控 风 口 ; 计 算 流 体 力 学 ; 节 能 中 图 分 类 号 :U231.5 文 献 标 志 码 :A 文 章 编 号 :0493-2137(2012)03-0268-05 Feasibility Analysis and Performance Optimization for New Environmental Control System of Subway YANG Zhao 1,MA Feng 1,JIA Shi-hong 2,YU Long-qing 1 (1. School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2. Tianjin Luan Electrical Supervision Corporation Limited,Tianjin 300250,China) Abstract:In order to reduce the energy consumption of the environmental control system of subway station, a new environmental control system with controllable slit was proposed according to the advantages and disadvantages existing in the traditional platform screen door (PSD) and safety door systems. A newly-built subway station was introduced to analyze and demonstrate the comfort, ventilation and energy-saving effect of the new system. Transient simulation on the process of trains pulling in and out of a station was carried out by using computational fluid dynamics (CFD) method to analyze the comfort and ventilation in the station influenced by piston wind. Moreover, energysaving effect was analyzed according to the load of the system and operating conditions. The result shows that the new environmental control system contains the advantages of both PSD and safety door systems, the air velocity of the passenger activity areas in the platform is less than 5 m/s using the optimized opening and operating programs, meeting the comfort requirement, and the energy consumption can be reduced by 17.3% compared with PSD systems. Keywords:platform screen door;piston wind;controllable slit;computational fluid dynamics;energy-saving 地 铁 环 控 系 统 是 地 铁 的 重 要 组 成 部 分, 担 负 着 为 乘 客 提 供 安 全 舒 适 的 人 工 环 境 满 足 事 故 通 风 要 求 的 任 务 [1-4]. 目 前, 越 来 越 多 的 地 铁 车 站 使 用 屏 蔽 门 系 统 或 安 全 门 系 统, 二 者 皆 有 优 缺 点 : 在 空 调 季 节, 屏 蔽 门 系 统 可 有 效 避 免 隧 道 内 的 热 量 进 入 站 台, 大 大 减 少 地 铁 车 站 夏 季 空 调 能 耗, 但 在 非 空 调 季 节, 地 铁 车 站 不 能 有 效 利 用 隧 道 活 塞 风 进 行 通 风, 增 大 了 通 风 能 耗 ; 安 全 门 系 统 能 够 有 效 利 用 活 塞 风 进 行 通 风, 降 低 非 空 调 季 节 通 风 能 耗, 但 空 调 季 节 活 塞 风 的 影 响 使 车 站 空 调 能 耗 增 加 [5-7]. 笔 者 结 合 屏 蔽 门 系 统 和 安 全 门 系 统 的 特 点, 提 出 一 种 带 可 控 风 口 的 新 环 控 系 统. 目 前, 国 内 外 对 类 似 系 统 的 研 究 报 告 较 少, 系 统 各 参 数 的 确 定 和 优 化 缺 乏 理 论 依 据, 方 案 具 体 节 能 效 果 缺 乏 量 化 评 价, 因 此, 笔 者 对 该 系 统 进 行 了 深 入 研 究, 旨 收 稿 日 期 :2011-01-10; 修 回 日 期 :2011-02-23. 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (51076112); 教 育 部 高 等 学 校 博 士 点 基 金 资 助 项 目 (200800560041). 作 者 简 介 : 杨 昭 (1960 ), 女, 博 士, 教 授. 通 讯 作 者 : 杨 昭,zhaoyang@tju.edu.cn.
2012 年 3 月 杨 昭 等 : 地 铁 新 环 控 系 统 可 行 性 分 析 及 性 能 优 化 269 在 为 地 铁 环 控 系 统 的 节 能 提 供 理 论 依 据 和 指 导. 1 新 环 控 系 统 运 行 原 理 新 环 控 系 统 的 基 本 思 想 是 在 系 统 中 安 装 可 控 风 口 以 使 其 兼 具 屏 蔽 门 系 统 和 安 全 门 系 统 的 节 能 优 [8] 势. 对 可 控 风 口 的 面 积 安 装 位 置 等 参 数 优 化 分 析 后, 确 定 新 环 控 系 统 方 案, 如 图 1 所 示. 图 2 二 维 模 型 Fig.2 Two-dimensional models 1 可 控 风 口 ;2 顶 箱 ;3 端 门 ;4 固 定 门 ;5 滑 动 门 ; 6 应 急 门 ;7 站 台 ;8 隧 道 图 1 新 环 控 系 统 示 意 ( 局 部 ) Fig.1 Schematic of new environmental control system(part) 通 过 控 制 可 控 风 口 的 开 启 与 关 闭, 切 换 系 统 的 运 行 模 式 : 空 调 季 节 可 控 风 口 关 闭, 系 统 按 照 传 统 屏 蔽 门 系 统 运 行, 保 持 了 屏 蔽 门 系 统 空 调 季 节 的 节 能 优 势 ; 非 空 调 季 节 可 控 风 口 开 启, 系 统 按 照 安 全 门 系 统 运 行, 车 站 可 有 效 利 用 隧 道 活 塞 风 进 行 通 风 以 降 低 站 台 站 厅 通 风 能 耗. 以 新 环 控 系 统 在 我 国 南 方 某 新 建 地 铁 的 应 用 为 例, 利 用 计 算 流 体 力 学 软 件 Fluent 模 拟 隧 道 内 活 塞 风 的 变 化 规 律 及 活 塞 风 对 地 铁 车 站 的 影 响, 以 进 一 步 分 析 新 环 控 系 统 的 舒 适 性 及 节 能 效 果. 2 模 型 与 方 法 可 控 风 口 关 闭 时, 系 统 按 屏 蔽 门 系 统 运 行, 隧 道 内 的 活 塞 风 对 车 站 内 气 流 组 织 没 有 影 响, 因 此 主 要 针 对 可 控 风 口 开 启 时 的 工 况 进 行 分 析. 模 拟 过 程 中 忽 略 风 机 运 行 人 员 等 因 素 对 空 气 流 动 的 影 响, 仅 关 注 由 列 车 运 行 产 生 的 活 塞 风 及 其 对 地 铁 车 站 的 影 响. 2.1 物 理 模 型 根 据 地 铁 车 站 及 隧 道 实 际 尺 寸 建 立 可 控 风 口 开 启 时 的 二 维 三 维 简 化 模 型, 分 别 如 图 2 和 图 3 所 示. 由 于 地 铁 列 车 运 行 情 况 复 杂, 隧 道 内 活 塞 风 大 小 方 向 多 变, 模 拟 时 分 别 考 虑 列 车 进 站 过 程 和 出 站 过 程, 以 车 站 B 为 参 考. 进 站 过 程 指 从 t=0 时 刻 开 始 列 车 从 车 站 A 出 发 驶 向 车 站 B 的 过 程 ; 出 站 过 程 图 3 三 维 模 型 Fig.3 Three-dimensional model 指 从 t=0 时 刻 开 始 列 车 从 车 站 B 出 发 驶 向 车 站 C 的 过 程. 列 车 加 速 阶 段 加 速 度 为 0.83,m/s 2, 最 高 运 行 速 度 22.2,m/s, 列 车 减 速 阶 段 加 速 度 为 -1,m/s 2. 2.2 数 学 模 型 当 空 气 流 动 速 度 小 于 68,m/s 时, 其 密 度 变 化 小 于 1%, 可 将 地 铁 内 空 气 视 为 不 可 压 缩 流 体 [9-10]. 考 虑 地 铁 系 统 内 气 体 流 动 状 态 为 不 可 压 缩 非 稳 态 湍 流, 采 [10-15] 用 湍 流 运 输 模 型 中 的 标 准 k-ε 双 方 程 模 型 对 模 型 进 行 非 稳 态 模 拟. 质 量 守 恒 方 程 i = 0 (1) xi 动 量 守 恒 方 程 p ( ρui) + ( ρuu i j) = + t xj xi τ ij + ρgi + Fi (2) x j k 方 程 k k ηt k ρ + ρu j = [( η+ ) ] + t xj xj σ k xj i i j ηt ( + ) ρε (3) xj xj xi ε 方 程 ε ε ηt ε ρ + ρuk = [( η+ ) ] + t x x σ x k k ε k 2 C1ε i i j ε ηt ( + ) C2ρ (4) k xj xj xi k 式 中 :u i 为 流 体 在 i 方 向 上 的 速 度,m/s;x i 为 坐 标 在 i
270 天 津 大 学 学 报 第 45 卷 第 3 期 方 向 上 的 分 量,m;t 为 时 间,s;ρ 为 空 气 密 度,kg/m 3 ; p 为 静 压,Pa;η t 为 湍 流 黏 性 系 数,Pa s. 2.3 边 界 条 件 二 维 模 拟 中, 隧 道 断 面 活 塞 风 井 出 口 采 用 压 力 边 界 条 件 ; 隧 道 车 站 列 车 等 壁 面 采 用 非 滑 移 边 界 条 件. 三 维 模 拟 中, 隧 道 口 1 隧 道 口 3 采 用 速 度 边 界 条 件, 风 速 为 二 维 模 拟 中 模 拟 出 的 活 塞 风 速 值 ; 隧 道 口 2 隧 道 口 4 楼 梯 口 及 活 塞 风 井 出 口 采 用 压 力 边 界 条 件, 隧 道 及 车 站 壁 面 采 用 非 滑 移 边 界 条 件. 3 结 果 与 分 析 3.1 隧 道 内 活 塞 风 根 据 计 算 结 果 可 知 列 车 速 度 及 位 置 对 隧 道 内 活 塞 风 有 重 要 影 响. 可 控 风 口 开 启 时, 列 车 进 站 出 站 过 程 中 隧 道 内 活 塞 风 速 的 变 化 如 图 4 所 示. 风 速 开 始 减 小, 但 活 塞 风 速 度 减 小 速 率 小 于 列 车 速 度 减 小 速 率, 当 列 车 停 车 后, 活 塞 风 仍 持 续 一 段 时 间. 如 图 4(b) 所 示, 出 站 过 程 中, 由 于 车 站 B 与 车 站 C 之 间 没 有 联 络 通 道, 隧 道 口 2 的 活 塞 风 速 随 列 车 速 度 的 增 加 而 增 加, 列 车 匀 速 运 行 时 活 塞 风 速 仍 缓 慢 增 加. 当 列 车 开 始 减 速 时, 活 塞 风 速 开 始 减 小, 列 车 停 车 后, 活 塞 风 仍 持 续 一 段 时 间. 3.2 站 台 速 度 场 为 了 满 足 站 台 内 乘 客 舒 适 性 要 求, 站 台 内 瞬 时 风 速 不 宜 超 过 5,m/s [16], 由 图 4 可 知 隧 道 内 活 塞 风 速 最 大 值 可 达 12 m/s, 因 此 有 必 要 对 可 控 风 口 打 开 时 活 塞 风 对 站 台 内 气 流 组 织 的 影 响 进 行 分 析. 新 环 控 系 统 可 控 风 口 位 于 站 台 层 顶 部 ( 见 图 1), 活 塞 风 对 站 台 内 气 流 组 织 的 影 响 从 上 到 下 逐 渐 减 弱, 因 此, 只 需 分 析 最 不 利 时 刻 即 活 塞 风 对 站 台 内 气 流 组 织 影 响 最 大 时 刻 乘 客 头 部 高 度 平 面 的 气 流 组 织 即 可. 图 5 为 列 车 进 站 出 站 过 程 中 最 不 利 时 刻 距 离 站 台 地 面 1.7,m 平 面 的 气 流 速 度 分 布. 图 4 列 车 速 度 及 隧 道 口 活 塞 风 速 Fig.4 Speed of train and piston wind in tunnels 如 图 4(a) 所 示, 进 站 过 程 中, 列 车 经 过 联 络 通 道 前, 隧 道 口 1 和 隧 道 口 3 的 活 塞 风 速 随 列 车 速 度 的 增 加 而 缓 慢 增 加. 列 车 通 过 联 络 通 道 后, 由 于 列 车 前 方 无 联 络 通 道 的 分 流 作 用, 隧 道 口 1 处 的 活 塞 风 速 突 然 增 大 ; 列 车 后 方, 由 于 负 压 作 用, 空 气 从 相 邻 隧 道 由 联 络 通 道 流 入, 隧 道 口 3 速 度 逐 渐 减 小 最 终 改 变 方 向. 列 车 开 始 减 速 时, 隧 道 口 1 和 隧 道 口 3 处 的 活 塞 图 5 站 台 速 度 场 分 布 Fig.5 Velocity field distribution of platform 如 图 5(a) 所 示, 进 站 过 程 中, 站 台 内 气 流 速 度 最 大 值 出 现 在 列 车 进 站 端 端 门 处, 为 4.5,m/s 左 右, 楼 梯 口 处 的 风 速 约 2.5,m/s, 站 台 内 大 部 分 区 域 风 速 小 于 2,m/s, 人 员 活 动 区 域 风 速 适 宜, 舒 适 性 较 好. 如 图 5(b) 所 示, 出 站 过 程 中, 站 台 内 气 流 速 度 最 大 值 出 现 在 列 车 出 站 端 端 门 处, 约 3,m/s, 楼 梯 口 处 风 速 约 2,m/s, 站 台 内 大 部 分 区 域 风 速 小 于 1,m/s, 人 员 活 动 区 域 风 速 适 宜, 舒 适 性 较 好. 列 车 进 站 出 站 过 程 中, 站 台 内 速 度 场 满 足 乘 客
2012 年 3 月 杨 昭 等 : 地 铁 新 环 控 系 统 可 行 性 分 析 及 性 能 优 化 271 舒 适 性 要 求, 新 环 控 系 统 切 实 可 行. 3.3 节 能 效 果 分 析 若 可 控 风 口 开 启, 列 车 进 站 过 程 中, 车 站 隧 道 内 正 压 使 得 空 气 由 隧 道 进 入 站 台, 站 台 内 压 力 升 高, 继 而 促 使 空 气 从 站 台 流 向 临 侧 隧 道 和 站 厅 ; 列 车 出 站 过 程 中, 由 于 车 站 隧 道 内 负 压 使 得 空 气 由 站 台 流 向 隧 道, 站 台 内 压 力 降 低, 空 气 从 临 侧 隧 道 和 站 厅 流 向 站 台, 同 时 室 外 新 风 进 入 站 厅. 在 隧 道 温 度 和 室 外 温 度 都 不 高 的 过 渡 季 节 充 分 利 用 活 塞 风 进 行 通 风 能 显 著 降 低 地 铁 车 站 通 风 能 耗. 站 台 站 厅 1,d 中 各 时 间 段 的 活 塞 风 通 风 量 与 该 时 间 段 的 行 车 对 数 有 关, 行 车 对 数 越 多, 活 塞 风 通 风 量 越 大. 根 据 计 算, 可 控 风 口 打 开 时,1 d 中 各 时 间 段 由 活 塞 风 引 起 的 站 台 站 厅 通 风 量 如 图 6 所 示. 图 6 1,d 中 各 时 间 段 站 台 站 厅 活 塞 风 通 风 量 Fig.6 Ventilation of platform and station hall caused by piston wind during one day 图 6 中 2 条 水 平 直 线 从 上 到 下 分 别 表 示 站 厅 站 台 满 足 5 次 换 气 次 数 所 需 通 风 量. 可 以 看 出, 在 活 塞 风 通 风 量 最 少 时 间 段, 即 5 00 6 00 和 22 00 23 00 时, 站 台 站 厅 活 塞 风 通 风 量 也 能 满 足 5 次 换 气 所 需 风 量 要 求. 利 用 活 塞 风 进 行 通 风, 一 方 面 会 将 温 度 较 高 的 隧 道 空 气 带 入 站 台 站 厅, 另 一 方 面 又 将 温 度 较 低 的 室 外 空 气 引 入 站 台 站 厅, 因 此, 需 要 结 合 地 铁 车 站 热 负 荷 及 室 外 气 象 条 件, 合 理 控 制 可 控 风 口 的 开 启 与 关 闭, 若 利 用 活 塞 风 进 行 通 风 能 降 低 地 铁 车 站 的 环 控 能 耗, 则 打 开 可 控 风 口, 反 之, 则 关 闭 可 控 风 口 使 之 发 挥 屏 蔽 门 系 统 的 节 能 优 势. 使 用 温 频 法 对 车 站 进 行 能 耗 分 析 : 采 用 新 环 控 系 统 后, 车 站 B 空 调 季 节 空 调 能 耗 288,938,kW h, 相 比 于 传 统 屏 蔽 门 系 统 可 减 少 了 4.5%; 非 空 调 季 节 通 风 能 耗 26,386,kW h, 相 比 于 传 统 屏 蔽 门 系 统 可 节 省 65.3%, 全 年 节 能 17.3%, 节 能 效 果 明 显. 4 结 论 (1) 所 提 出 的 新 环 控 系 统 既 可 保 持 屏 蔽 门 系 统 空 调 季 节 的 节 能 优 势, 又 可 在 非 空 调 季 节 充 分 利 用 活 塞 风 进 行 通 风. (2) 可 控 风 口 开 启 时, 站 台 内 乘 客 活 动 区 域 气 流 速 度 小 于 5,m/s, 满 足 乘 客 舒 适 性 要 求, 新 环 控 系 统 切 实 可 行. (3) 与 传 统 屏 蔽 门 系 统 相 比, 新 环 控 系 统 空 调 季 空 调 能 耗 减 少 4.5%, 非 空 调 季 节 通 风 能 耗 减 少 65.3%, 全 年 节 能 17.3%, 节 能 效 果 显 著. 参 考 文 献 : [1] 那 艳 玲, 黄 桂 兴. 深 圳 地 铁 车 站 通 风 与 火 灾 的 仿 真 模 拟 及 现 场 测 试 [J]. 天 津 大 学 学 报,2006,39( 增 ): 213-219. Na Yanling,Huang Guixing. CFD analog simulation and test on ventilation and fire of subway stations in Shenzhen[J]. Journal of Tianjin University,2006, 39(Suppl):213-219(in [2] Jae Seong Roh,Hong Sun Ryou,Won Hee Park. CFD simulation and assessment of life safety in a subway train fire[j]. Tunnelling and Underground Space Technology,2009,24(4):447-453.
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