西安地铁2号线隧道通风系统设计摘 要 通过使用美国交通部SES软件,对西安地铁2号线隧道通风的优化方案设计进行建模计算。以地铁运行远期条件作为计算依据,对隧道内的温度、换气量进行统计分析,得出其隧道内温度在38℃以内、换气次数在7次/h以上能满足设计要求的结论,并对隧道内的压力进行计算,为其他设计提供数据参考。关键词 隧道通风 SES软件 区间换气量 逐时计算 屏蔽门1 工程概况 西安市城市快速轨道交通2号线一期工程北起铁路北客站,线路沿西安市南北向主客流走廊布设,经铁路北客站、市政中心、经济开发区、北大街、钟楼、小寨商业文化中心、高新开发区、西安国际展览中心至长延堡,线路长约20.3 km。设铁路北客站、麻家什字、城运村等17座车站,有5座车站分别与其他轨道交通线换乘(见图1)。
2号线一期工程于北郊经济开发区设车辆段1座,于张家堡广场西侧设控制中心1座,全线共设2座主变电站,分别位于张家堡及长延堡。车辆采用B型车,最高行车速度80 km/h,列车编组为6辆。远期运能4.32万人次/h。工程自2007年上半年开工,2011年全线建成通车。根据西安地铁的气候环境等因素影响,隧道通风也应该因地制宜,尽量优化和创新。2 系统组成与设计2.1 隧道通风系统组成 隧道通风系统由车站隧道通风系统和区间隧道通风系统组成。车站隧道通风系统的排风设备一般布置在车站两端的设备房区内,气流组织方式采用轨顶和站台下排风,在车站隧道停车所在区域的轨顶以及有效站台下设置土建式排风道,排风比例暂定为轨顶(OTE)排60%,站台下(UPE)排40%,排风口的位置根据列车发热设备的位置确定,补风来自车站两端的活塞风井、相邻区间隧道和屏蔽门开启时的漏风。根据模拟计算结果,推荐每侧车站隧道的排风量为30m3/s。区间隧道通风系统主要负责两个车站间区间隧道的通风与排烟,包括自然通风与机械通风两种方式。在车站隧道的出站端,设置了一条直通地面的活塞风道,正常运行时,只通过列车行驶产生的活塞效应,通过活塞风道实现隧道与地面的换气,即自然通风(见图2)。2.2 隧道通风系统设计方法 隧道通风系统分为区间隧道通风系统和车站隧道通风系统两部分,列车正常运营时系统排除隧道内的余热余湿,从经济节能的角度,应充分利用列车运行产生的活塞风排热和降温隧道内气温。由于列车运行向隧道内散发大量的热,如不采取有效的通风措施,隧道内的温度将随地铁运营年限的增长不断升高,终将导致隧道内温度超过正常运营的要求。在正常运行工况下,当隧道尺寸、列车外型尺寸、列车牵引特性、客流、列车编组、行车组织等条件确定后,活塞风道设置的位置、数量和大小是决定活塞通风效果的关键因素。目前,国内多条设置屏蔽门隧道通风系统均采用SES模拟计算软件(见图3),输入隧道尺寸、列车外型尺寸、列车牵引特性、客流、列车编组、行车组织等条件(见图4),通过假设活塞风道设置的位置、数量和大小,经过反复试算,对系统配置进行优化比较,最后确定满足所有系统功能的合理系统配置(包含土建设施配置和隧道通风系统设备配置),以及最有效的运行模式(包括本系统设备的模式组织和与其他机电系统的接口配合),以保证列车的正常运行、阻塞运行和火灾运行所必需的环境条件。3 计算结果及比较 根据西安地铁2号线初步设计的资料,下面对正常运行模式进行了计算,并专门针对活塞风道、区间、车站的温度和风量的影响进行了分析。GB 50157—2003《地铁设计规范》规定温度设计标准为正常运行时,隧道的最热月日最高平均温度小于等于40.0℃,区间换气量不少于3次/h(见图5)。对温度曲线进行了分析,得出如下结论: (1)沿行车方向,全线温度呈周期上升趋势,车站温度处于波峰位置,风井处温度为波谷,区间则呈逐步上升趋势。右线发车从城运村站到长延堡站,温度最高点出现在北关站(38. 0℃),接近另一端出口时,又逐渐降低。一般来说,全线早高峰的温度要低于晚高峰温度,一方面是由于隧道壁面温度的滞后变化,另一方面是由于早晚气温的差异。 (2)左线发车则从长延堡站到城运村站,随着列车进入隧道,温度逐渐升高,最高温度出现在南门站(38.0℃),同样是快驶出隧道时,温度降低。在靠近隧道出口处,温度低于室外温度(32℃)的原因是由于隧道土壤温度为25℃,列车的发热量不足以抵消隧道内较低的温度。 (3)在草场坡站相邻的地铁隧道,其温度变化趋势不是很规律,主要原因是由于此段设有折返线和停车线,又是换乘站,导致左右线连通,干扰气流组织因素太多,且不顺。从全线看,温度均满足要求。在正常运营的情况下,除了满足温度不超标外,验证隧道通风系统设计优劣的另外一个重要因素,就是活塞风产生的实际效果和活塞风井的换气量,以及隧道内压力是否满足设备要求(见图6)。 可以看出,右线区间风量基本维持在80~100m3/s之间,通风换气量能满足要求;左线在下行线第一个站(长延堡)区间风量较小(45.9m3/s),但换气也在6次/h以上,其余均在70~90m3/s之间,满足区间的换气量要求。 对隧道内压力进行分析,将列车设置为全速过站(55 km/h),直接对屏蔽门的压力进行计算,选取两个行车周期(4min),得到图7屏蔽门压力曲线。最大压差点出现在列车车头恰好经过屏蔽门数据读取点,最大压差值为652.6Pa,即屏蔽门承压大于这个值即可,其他设备(包括电缆、检修平台等)均需要考虑此压力的影响。4 结论与展望 隧道通风的设置形式能很好地优化地下车站建筑布局,因此要在满足通风设计要求的同时,尽量优化系统,保持良好的列车运营环境并满足消防要求。通过计算分析,得出如下结论: (1)正常运营时,全线隧道内温度均满足要求;此理论计算是基于活塞风道面积、长度、阻力满足要求的情况,因此在设计时应严格控制。 (2)区间换气满足要求,右线区间平均换气次数8次/h以上,左线最不利区间也在6次/h以上。 (3)对隧道内屏蔽门压力进行计算,当列车全速过站时,车头处出现屏蔽门压力最大点,车尾为负压最大点。 隧道内的气流时一个非常复杂的流场,在计算时对其进行了一定程度的简化。条件允许则可进行三维实际建模计算,以便更加科学、准确地指导设计。另外,区间隧道风机为事故时启用(阻塞、火灾),概率较低,建议取消全线隧道风机(60m3/s)相互备用,并加强检修和维护,确保隧道风机的可靠性。参考文献[1]西安市城市快速轨道交通二号线(铁路北客站—韦曲)工程可行性研究报告[R].西安,2006.[2] GB 50157—2003地铁设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.[3]韩平.借助Stess3. 0对地铁特殊区间的事故模拟分析[C] //2005年全国暖通空调专业委员会空调模拟分析学术交流会论文集.北京,2005:520-523.[4]李亮.关于列车停站时段屏蔽门渗透风量的研究[C] //2005年全国暖通空调专业委员会空调模拟分析学术交流会论文集.北京,2005:308-314.[5]胡自林.中长公路隧道纵向通风计算与防灾研究[D].长沙:中南大学,2004.[6]地铁热环境试验研究报告[R].北京:清华大学,2003.[7] Cooper L Y. ASET-A computer program for calculatingavailable safe egress tmi e[J]. Fire Safety Journa,l 1985,9: 29-45.
2号线一期工程于北郊经济开发区设车辆段1座,于张家堡广场西侧设控制中心1座,全线共设2座主变电站,分别位于张家堡及长延堡。车辆采用B型车,最高行车速度80 km/h,列车编组为6辆。远期运能4.32万人次/h。工程自2007年上半年开工,2011年全线建成通车。根据西安地铁的气候环境等因素影响,隧道通风也应该因地制宜,尽量优化和创新。2 系统组成与设计2.1 隧道通风系统组成 隧道通风系统由车站隧道通风系统和区间隧道通风系统组成。车站隧道通风系统的排风设备一般布置在车站两端的设备房区内,气流组织方式采用轨顶和站台下排风,在车站隧道停车所在区域的轨顶以及有效站台下设置土建式排风道,排风比例暂定为轨顶(OTE)排60%,站台下(UPE)排40%,排风口的位置根据列车发热设备的位置确定,补风来自车站两端的活塞风井、相邻区间隧道和屏蔽门开启时的漏风。根据模拟计算结果,推荐每侧车站隧道的排风量为30m3/s。区间隧道通风系统主要负责两个车站间区间隧道的通风与排烟,包括自然通风与机械通风两种方式。在车站隧道的出站端,设置了一条直通地面的活塞风道,正常运行时,只通过列车行驶产生的活塞效应,通过活塞风道实现隧道与地面的换气,即自然通风(见图2)。2.2 隧道通风系统设计方法 隧道通风系统分为区间隧道通风系统和车站隧道通风系统两部分,列车正常运营时系统排除隧道内的余热余湿,从经济节能的角度,应充分利用列车运行产生的活塞风排热和降温隧道内气温。由于列车运行向隧道内散发大量的热,如不采取有效的通风措施,隧道内的温度将随地铁运营年限的增长不断升高,终将导致隧道内温度超过正常运营的要求。在正常运行工况下,当隧道尺寸、列车外型尺寸、列车牵引特性、客流、列车编组、行车组织等条件确定后,活塞风道设置的位置、数量和大小是决定活塞通风效果的关键因素。目前,国内多条设置屏蔽门隧道通风系统均采用SES模拟计算软件(见图3),输入隧道尺寸、列车外型尺寸、列车牵引特性、客流、列车编组、行车组织等条件(见图4),通过假设活塞风道设置的位置、数量和大小,经过反复试算,对系统配置进行优化比较,最后确定满足所有系统功能的合理系统配置(包含土建设施配置和隧道通风系统设备配置),以及最有效的运行模式(包括本系统设备的模式组织和与其他机电系统的接口配合),以保证列车的正常运行、阻塞运行和火灾运行所必需的环境条件。3 计算结果及比较 根据西安地铁2号线初步设计的资料,下面对正常运行模式进行了计算,并专门针对活塞风道、区间、车站的温度和风量的影响进行了分析。GB 50157—2003《地铁设计规范》规定温度设计标准为正常运行时,隧道的最热月日最高平均温度小于等于40.0℃,区间换气量不少于3次/h(见图5)。对温度曲线进行了分析,得出如下结论: (1)沿行车方向,全线温度呈周期上升趋势,车站温度处于波峰位置,风井处温度为波谷,区间则呈逐步上升趋势。右线发车从城运村站到长延堡站,温度最高点出现在北关站(38. 0℃),接近另一端出口时,又逐渐降低。一般来说,全线早高峰的温度要低于晚高峰温度,一方面是由于隧道壁面温度的滞后变化,另一方面是由于早晚气温的差异。 (2)左线发车则从长延堡站到城运村站,随着列车进入隧道,温度逐渐升高,最高温度出现在南门站(38.0℃),同样是快驶出隧道时,温度降低。在靠近隧道出口处,温度低于室外温度(32℃)的原因是由于隧道土壤温度为25℃,列车的发热量不足以抵消隧道内较低的温度。 (3)在草场坡站相邻的地铁隧道,其温度变化趋势不是很规律,主要原因是由于此段设有折返线和停车线,又是换乘站,导致左右线连通,干扰气流组织因素太多,且不顺。从全线看,温度均满足要求。在正常运营的情况下,除了满足温度不超标外,验证隧道通风系统设计优劣的另外一个重要因素,就是活塞风产生的实际效果和活塞风井的换气量,以及隧道内压力是否满足设备要求(见图6)。 可以看出,右线区间风量基本维持在80~100m3/s之间,通风换气量能满足要求;左线在下行线第一个站(长延堡)区间风量较小(45.9m3/s),但换气也在6次/h以上,其余均在70~90m3/s之间,满足区间的换气量要求。 对隧道内压力进行分析,将列车设置为全速过站(55 km/h),直接对屏蔽门的压力进行计算,选取两个行车周期(4min),得到图7屏蔽门压力曲线。最大压差点出现在列车车头恰好经过屏蔽门数据读取点,最大压差值为652.6Pa,即屏蔽门承压大于这个值即可,其他设备(包括电缆、检修平台等)均需要考虑此压力的影响。4 结论与展望 隧道通风的设置形式能很好地优化地下车站建筑布局,因此要在满足通风设计要求的同时,尽量优化系统,保持良好的列车运营环境并满足消防要求。通过计算分析,得出如下结论: (1)正常运营时,全线隧道内温度均满足要求;此理论计算是基于活塞风道面积、长度、阻力满足要求的情况,因此在设计时应严格控制。 (2)区间换气满足要求,右线区间平均换气次数8次/h以上,左线最不利区间也在6次/h以上。 (3)对隧道内屏蔽门压力进行计算,当列车全速过站时,车头处出现屏蔽门压力最大点,车尾为负压最大点。 隧道内的气流时一个非常复杂的流场,在计算时对其进行了一定程度的简化。条件允许则可进行三维实际建模计算,以便更加科学、准确地指导设计。另外,区间隧道风机为事故时启用(阻塞、火灾),概率较低,建议取消全线隧道风机(60m3/s)相互备用,并加强检修和维护,确保隧道风机的可靠性。参考文献[1]西安市城市快速轨道交通二号线(铁路北客站—韦曲)工程可行性研究报告[R].西安,2006.[2] GB 50157—2003地铁设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.[3]韩平.借助Stess3. 0对地铁特殊区间的事故模拟分析[C] //2005年全国暖通空调专业委员会空调模拟分析学术交流会论文集.北京,2005:520-523.[4]李亮.关于列车停站时段屏蔽门渗透风量的研究[C] //2005年全国暖通空调专业委员会空调模拟分析学术交流会论文集.北京,2005:308-314.[5]胡自林.中长公路隧道纵向通风计算与防灾研究[D].长沙:中南大学,2004.[6]地铁热环境试验研究报告[R].北京:清华大学,2003.[7] Cooper L Y. ASET-A computer program for calculatingavailable safe egress tmi e[J]. Fire Safety Journa,l 1985,9: 29-45.
