西安地鐵2號線隧道通風系統設計摘 要 通過使用美國交通部SES軟件,對西安地鐵2號線隧道通風的優化方案設計進行建模計算。以地鐵運行遠期條件作為計算依據,對隧道內的溫度、換氣量進行統計分析,得出其隧道內溫度在38℃以內、換氣次數在7次/h以上能滿足設計要求的結論,并對隧道內的壓力進行計算,為其他設計提供數據參考。關鍵詞 隧道通風 SES軟件 區間換氣量 逐時計算 屏蔽門1 工程概況 西安市城市快速軌道交通2號線一期工程北起鐵路北客站,線路沿西安市南北向主客流走廊布設,經鐵路北客站、市政中心、經濟開發區、北大街、鐘樓、小寨商業文化中心、高新開發區、西安國際展覽中心至長延堡,線路長約20.3 km。設鐵路北客站、麻家什字、城運村等17座車站,有5座車站分別與其他軌道交通線換乘(見圖1)。
2號線一期工程于北郊經濟開發區設車輛段1座,于張家堡廣場西側設控制中心1座,全線共設2座主變電站,分別位于張家堡及長延堡。車輛采用B型車,最高行車速度80 km/h,列車編組為6輛。遠期運能4.32萬人次/h。工程自2007年上半年開工,2011年全線建成通車。根據西安地鐵的氣候環境等因素影響,隧道通風也應該因地制宜,盡量優化和創新。2 系統組成與設計2.1 隧道通風系統組成 隧道通風系統由車站隧道通風系統和區間隧道通風系統組成。車站隧道通風系統的排風設備一般布置在車站兩端的設備房區內,氣流組織方式采用軌頂和站臺下排風,在車站隧道停車所在區域的軌頂以及有效站臺下設置土建式排風道,排風比例暫定為軌頂(OTE)排60%,站臺下(UPE)排40%,排風口的位置根據列車發熱設備的位置確定,補風來自車站兩端的活塞風井、相鄰區間隧道和屏蔽門開啟時的漏風。根據模擬計算結果,推薦每側車站隧道的排風量為30m3/s。區間隧道通風系統主要負責兩個車站間區間隧道的通風與排煙,包括自然通風與機械通風兩種方式。在車站隧道的出站端,設置了一條直通地面的活塞風道,正常運行時,只通過列車行駛產生的活塞效應,通過活塞風道實現隧道與地面的換氣,即自然通風(見圖2)。2.2 隧道通風系統設計方法 隧道通風系統分為區間隧道通風系統和車站隧道通風系統兩部分,列車正常運營時系統排除隧道內的余熱余濕,從經濟節能的角度,應充分利用列車運行產生的活塞風排熱和降溫隧道內氣溫。由于列車運行向隧道內散發大量的熱,如不采取有效的通風措施,隧道內的溫度將隨地鐵運營年限的增長不斷升高,終將導致隧道內溫度超過正常運營的要求。在正常運行工況下,當隧道尺寸、列車外型尺寸、列車牽引特性、客流、列車編組、行車組織等條件確定后,活塞風道設置的位置、數量和大小是決定活塞通風效果的關鍵因素。目前,國內多條設置屏蔽門隧道通風系統均采用SES模擬計算軟件(見圖3),輸入隧道尺寸、列車外型尺寸、列車牽引特性、客流、列車編組、行車組織等條件(見圖4),通過假設活塞風道設置的位置、數量和大小,經過反復試算,對系統配置進行優化比較,最后確定滿足所有系統功能的合理系統配置(包含土建設施配置和隧道通風系統設備配置),以及最有效的運行模式(包括本系統設備的模式組織和與其他機電系統的接口配合),以保證列車的正常運行、阻塞運行和火災運行所必需的環境條件。3 計算結果及比較 根據西安地鐵2號線初步設計的資料,下面對正常運行模式進行了計算,并專門針對活塞風道、區間、車站的溫度和風量的影響進行了分析。GB 50157—2003《地鐵設計規范》規定溫度設計標準為正常運行時,隧道的最熱月日最高平均溫度小于等于40.0℃,區間換氣量不少于3次/h(見圖5)。對溫度曲線進行了分析,得出如下結論: (1)沿行車方向,全線溫度呈周期上升趨勢,車站溫度處于波峰位置,風井處溫度為波谷,區間則呈逐步上升趨勢。右線發車從城運村站到長延堡站,溫度最高點出現在北關站(38. 0℃),接近另一端出口時,又逐漸降低。一般來說,全線早高峰的溫度要低于晚高峰溫度,一方面是由于隧道壁面溫度的滯后變化,另一方面是由于早晚氣溫的差異。 (2)左線發車則從長延堡站到城運村站,隨著列車進入隧道,溫度逐漸升高,最高溫度出現在南門站(38.0℃),同樣是快駛出隧道時,溫度降低。在靠近隧道出口處,溫度低于室外溫度(32℃)的原因是由于隧道土壤溫度為25℃,列車的發熱量不足以抵消隧道內較低的溫度。 (3)在草場坡站相鄰的地鐵隧道,其溫度變化趨勢不是很規律,主要原因是由于此段設有折返線和停車線,又是換乘站,導致左右線連通,干擾氣流組織因素太多,且不順。從全線看,溫度均滿足要求。在正常運營的情況下,除了滿足溫度不超標外,驗證隧道通風系統設計優劣的另外一個重要因素,就是活塞風產生的實際效果和活塞風井的換氣量,以及隧道內壓力是否滿足設備要求(見圖6)。 可以看出,右線區間風量基本維持在80~100m3/s之間,通風換氣量能滿足要求;左線在下行線第一個站(長延堡)區間風量較小(45.9m3/s),但換氣也在6次/h以上,其余均在70~90m3/s之間,滿足區間的換氣量要求。 對隧道內壓力進行分析,將列車設置為全速過站(55 km/h),直接對屏蔽門的壓力進行計算,選取兩個行車周期(4min),得到圖7屏蔽門壓力曲線。最大壓差點出現在列車車頭恰好經過屏蔽門數據讀取點,最大壓差值為652.6Pa,即屏蔽門承壓大于這個值即可,其他設備(包括電纜、檢修平臺等)均需要考慮此壓力的影響。4 結論與展望 隧道通風的設置形式能很好地優化地下車站建筑布局,因此要在滿足通風設計要求的同時,盡量優化系統,保持良好的列車運營環境并滿足消防要求。通過計算分析,得出如下結論: (1)正常運營時,全線隧道內溫度均滿足要求;此理論計算是基于活塞風道面積、長度、阻力滿足要求的情況,因此在設計時應嚴格控制。 (2)區間換氣滿足要求,右線區間平均換氣次數8次/h以上,左線最不利區間也在6次/h以上。 (3)對隧道內屏蔽門壓力進行計算,當列車全速過站時,車頭處出現屏蔽門壓力最大點,車尾為負壓最大點。 隧道內的氣流時一個非常復雜的流場,在計算時對其進行了一定程度的簡化。條件允許則可進行三維實際建模計算,以便更加科學、準確地指導設計。另外,區間隧道風機為事故時啟用(阻塞、火災),概率較低,建議取消全線隧道風機(60m3/s)相互備用,并加強檢修和維護,確保隧道風機的可靠性。參考文獻[1]西安市城市快速軌道交通二號線(鐵路北客站—韋曲)工程可行性研究報告[R].西安,2006.[2] GB 50157—2003地鐵設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2003.[3]韓平.借助Stess3. 0對地鐵特殊區間的事故模擬分析[C] //2005年全國暖通空調專業委員會空調模擬分析學術交流會論文集.北京,2005:520-523.[4]李亮.關于列車停站時段屏蔽門滲透風量的研究[C] //2005年全國暖通空調專業委員會空調模擬分析學術交流會論文集.北京,2005:308-314.[5]胡自林.中長公路隧道縱向通風計算與防災研究[D].長沙:中南大學,2004.[6]地鐵熱環境試驗研究報告[R].北京:清華大學,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號線一期工程于北郊經濟開發區設車輛段1座,于張家堡廣場西側設控制中心1座,全線共設2座主變電站,分別位于張家堡及長延堡。車輛采用B型車,最高行車速度80 km/h,列車編組為6輛。遠期運能4.32萬人次/h。工程自2007年上半年開工,2011年全線建成通車。根據西安地鐵的氣候環境等因素影響,隧道通風也應該因地制宜,盡量優化和創新。2 系統組成與設計2.1 隧道通風系統組成 隧道通風系統由車站隧道通風系統和區間隧道通風系統組成。車站隧道通風系統的排風設備一般布置在車站兩端的設備房區內,氣流組織方式采用軌頂和站臺下排風,在車站隧道停車所在區域的軌頂以及有效站臺下設置土建式排風道,排風比例暫定為軌頂(OTE)排60%,站臺下(UPE)排40%,排風口的位置根據列車發熱設備的位置確定,補風來自車站兩端的活塞風井、相鄰區間隧道和屏蔽門開啟時的漏風。根據模擬計算結果,推薦每側車站隧道的排風量為30m3/s。區間隧道通風系統主要負責兩個車站間區間隧道的通風與排煙,包括自然通風與機械通風兩種方式。在車站隧道的出站端,設置了一條直通地面的活塞風道,正常運行時,只通過列車行駛產生的活塞效應,通過活塞風道實現隧道與地面的換氣,即自然通風(見圖2)。2.2 隧道通風系統設計方法 隧道通風系統分為區間隧道通風系統和車站隧道通風系統兩部分,列車正常運營時系統排除隧道內的余熱余濕,從經濟節能的角度,應充分利用列車運行產生的活塞風排熱和降溫隧道內氣溫。由于列車運行向隧道內散發大量的熱,如不采取有效的通風措施,隧道內的溫度將隨地鐵運營年限的增長不斷升高,終將導致隧道內溫度超過正常運營的要求。在正常運行工況下,當隧道尺寸、列車外型尺寸、列車牽引特性、客流、列車編組、行車組織等條件確定后,活塞風道設置的位置、數量和大小是決定活塞通風效果的關鍵因素。目前,國內多條設置屏蔽門隧道通風系統均采用SES模擬計算軟件(見圖3),輸入隧道尺寸、列車外型尺寸、列車牽引特性、客流、列車編組、行車組織等條件(見圖4),通過假設活塞風道設置的位置、數量和大小,經過反復試算,對系統配置進行優化比較,最后確定滿足所有系統功能的合理系統配置(包含土建設施配置和隧道通風系統設備配置),以及最有效的運行模式(包括本系統設備的模式組織和與其他機電系統的接口配合),以保證列車的正常運行、阻塞運行和火災運行所必需的環境條件。3 計算結果及比較 根據西安地鐵2號線初步設計的資料,下面對正常運行模式進行了計算,并專門針對活塞風道、區間、車站的溫度和風量的影響進行了分析。GB 50157—2003《地鐵設計規范》規定溫度設計標準為正常運行時,隧道的最熱月日最高平均溫度小于等于40.0℃,區間換氣量不少于3次/h(見圖5)。對溫度曲線進行了分析,得出如下結論: (1)沿行車方向,全線溫度呈周期上升趨勢,車站溫度處于波峰位置,風井處溫度為波谷,區間則呈逐步上升趨勢。右線發車從城運村站到長延堡站,溫度最高點出現在北關站(38. 0℃),接近另一端出口時,又逐漸降低。一般來說,全線早高峰的溫度要低于晚高峰溫度,一方面是由于隧道壁面溫度的滯后變化,另一方面是由于早晚氣溫的差異。 (2)左線發車則從長延堡站到城運村站,隨著列車進入隧道,溫度逐漸升高,最高溫度出現在南門站(38.0℃),同樣是快駛出隧道時,溫度降低。在靠近隧道出口處,溫度低于室外溫度(32℃)的原因是由于隧道土壤溫度為25℃,列車的發熱量不足以抵消隧道內較低的溫度。 (3)在草場坡站相鄰的地鐵隧道,其溫度變化趨勢不是很規律,主要原因是由于此段設有折返線和停車線,又是換乘站,導致左右線連通,干擾氣流組織因素太多,且不順。從全線看,溫度均滿足要求。在正常運營的情況下,除了滿足溫度不超標外,驗證隧道通風系統設計優劣的另外一個重要因素,就是活塞風產生的實際效果和活塞風井的換氣量,以及隧道內壓力是否滿足設備要求(見圖6)。 可以看出,右線區間風量基本維持在80~100m3/s之間,通風換氣量能滿足要求;左線在下行線第一個站(長延堡)區間風量較小(45.9m3/s),但換氣也在6次/h以上,其余均在70~90m3/s之間,滿足區間的換氣量要求。 對隧道內壓力進行分析,將列車設置為全速過站(55 km/h),直接對屏蔽門的壓力進行計算,選取兩個行車周期(4min),得到圖7屏蔽門壓力曲線。最大壓差點出現在列車車頭恰好經過屏蔽門數據讀取點,最大壓差值為652.6Pa,即屏蔽門承壓大于這個值即可,其他設備(包括電纜、檢修平臺等)均需要考慮此壓力的影響。4 結論與展望 隧道通風的設置形式能很好地優化地下車站建筑布局,因此要在滿足通風設計要求的同時,盡量優化系統,保持良好的列車運營環境并滿足消防要求。通過計算分析,得出如下結論: (1)正常運營時,全線隧道內溫度均滿足要求;此理論計算是基于活塞風道面積、長度、阻力滿足要求的情況,因此在設計時應嚴格控制。 (2)區間換氣滿足要求,右線區間平均換氣次數8次/h以上,左線最不利區間也在6次/h以上。 (3)對隧道內屏蔽門壓力進行計算,當列車全速過站時,車頭處出現屏蔽門壓力最大點,車尾為負壓最大點。 隧道內的氣流時一個非常復雜的流場,在計算時對其進行了一定程度的簡化。條件允許則可進行三維實際建模計算,以便更加科學、準確地指導設計。另外,區間隧道風機為事故時啟用(阻塞、火災),概率較低,建議取消全線隧道風機(60m3/s)相互備用,并加強檢修和維護,確保隧道風機的可靠性。參考文獻[1]西安市城市快速軌道交通二號線(鐵路北客站—韋曲)工程可行性研究報告[R].西安,2006.[2] GB 50157—2003地鐵設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2003.[3]韓平.借助Stess3. 0對地鐵特殊區間的事故模擬分析[C] //2005年全國暖通空調專業委員會空調模擬分析學術交流會論文集.北京,2005:520-523.[4]李亮.關于列車停站時段屏蔽門滲透風量的研究[C] //2005年全國暖通空調專業委員會空調模擬分析學術交流會論文集.北京,2005:308-314.[5]胡自林.中長公路隧道縱向通風計算與防災研究[D].長沙:中南大學,2004.[6]地鐵熱環境試驗研究報告[R].北京:清華大學,2003.[7] Cooper L Y. ASET-A computer program for calculatingavailable safe egress tmi e[J]. Fire Safety Journa,l 1985,9: 29-45.