劉 偉,周小涵,徐清榮

(1.中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司,南京 210009；2.蘇交科集團股份有限公司,南京 210017)

我國城市地鐵的大規(guī)模建成，為民眾出行帶來了很大便利，在日后運行中，如何在服務(wù)好民眾的前提下節(jié)能，成為各地鐵公司必須面對的難題。排熱風(fēng)機作為大能耗常開設(shè)備，按最不利情況選型，功率一般在50～70 kW，如果按照最大功率每天開啟16 h(國內(nèi)地鐵主流運行時間)，對于30個車站的地鐵線路，其一天耗電48 000～67 200 kW·h，耗電量巨大。又因風(fēng)機耗功率與風(fēng)量的3次方成正比，風(fēng)量減少10%，風(fēng)機耗功率可理論減少27.1%，故對于需常年部分負荷運行的排熱風(fēng)機來說，其節(jié)能空間巨大，但何時開啟及以多少頻率開啟風(fēng)機，因缺乏車站隧道氣溫等數(shù)據(jù)支撐，實際運行中難以把控。為實現(xiàn)排熱風(fēng)機節(jié)能運行，必須對隧道氣溫變化規(guī)律進行研究。雖然當(dāng)前對隧道氣溫方面的研究已有開展[1-9]，但主要針對活塞風(fēng)進行研究，在隧道氣溫變化規(guī)律方面的研究較少[10-13]，故對實際地鐵隧道氣溫進行了測試并研究隧道氣溫變化規(guī)律。

1 溫度測試

1.1 測試地點選取

選取蘇州地鐵2號線一期(屏蔽門制式，2013年12月28日開通試運營)某車站及其前后區(qū)間為例開展研究。

1.2 測試設(shè)備選取

綜合考慮測試精度、數(shù)據(jù)連續(xù)性及設(shè)備布置方便性，采用具有數(shù)據(jù)記錄功能的溫濕度測試設(shè)備，每個測點設(shè)置1臺測試設(shè)備，在隧道內(nèi)放置一定時間，獲取隧道內(nèi)各測點連續(xù)的溫濕度數(shù)據(jù)。

溫濕度測試選用儀器參數(shù)見表1。

1.3 測試位置

隧道內(nèi)完整的氣流溫度場較難測試，而排熱風(fēng)機是否開啟及其開啟頻率的設(shè)置依據(jù)的是隧道內(nèi)最高氣溫，故在可測出車站隧道最高氣溫的地方布設(shè)溫度測點。根據(jù)相關(guān)研究[14]，沿車站隧道縱向，氣溫最高點位于端頭和中部位置，在隧道截面上，氣溫最高點位于隧道頂部，因此在上述位置布設(shè)測溫點。

表1 測試設(shè)備參數(shù)

1.4 測試安排

(1)測點1和測點5分別設(shè)置于陸慕站—平瀧路東站區(qū)間(1 400 m長)和平瀧路東站—平河路站區(qū)間(640 m長)中部；

(2)測點2、測點3、測點4分別設(shè)置在平瀧路東站左端車站側(cè)距活塞風(fēng)孔10 m處、車站隧道中部、右端車站側(cè)距活塞風(fēng)孔10 m處；

(3)測點(探頭)距軌面3.5 m高。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 夏季溫度變化

2.1.1 一天溫度變化

夏季測試日室外氣溫，最高為40 ℃，最低為31 ℃。各測點夏季測試數(shù)據(jù)見圖1。由圖1可知。

首先，在白天(6：00至23：00)溫度呈鋸齒形周期變化，其變化周期與約7 min的發(fā)車間隔相同，說明白天隧道溫度變化主要受車輛影響。

其次，地鐵停運后，各測點溫度逐漸降低，地鐵運營后開始緩慢升溫，并且車站隧道降溫幅度大于區(qū)間隧道。車站隧道受隧道壁降溫及車站空氣升溫雙重作用，隧道氣溫降幅較小。區(qū)間隧道只受隧道壁降溫作用影響，降溫幅度大。

圖1 各測點7月27日溫度變化曲線

其三，在最高溫度方面，白天與晚上(當(dāng)日23：00至第二天6：00)5個測點溫度排序相同，均為測點3>測點4>測點2>測點5>測點1。究其原因，主要是因為車站隧道主要受室外空氣、隧道側(cè)壁、站臺空氣、車輛散熱影響[15]，而區(qū)間隧道只受室外空氣、隧道側(cè)壁、車輛散熱影響，車站站臺空調(diào)設(shè)計溫度為28 ℃，基本高于隧道氣溫，且剎車進站車輛單位時間散熱增加，故車站隧道氣溫高于區(qū)間隧道。

比較車站隧道各測點，中部溫度高于兩端，上行端溫度小于下行端溫度。比較區(qū)間隧道測點，上行端隧道氣溫小于下行端隧道氣溫。對于車站隧道各測點，因中間部分受室外空氣影響最小，且車輛散熱在隧道中部有聚集效應(yīng)，故中間溫度高。車站隧道下行端因車輛散熱在隧道內(nèi)不能全靠活塞效應(yīng)排出[16]，積聚而產(chǎn)生堆積，導(dǎo)致下行端氣溫高于上行端。區(qū)間隧道不同測點溫度差異也是因隧道熱量聚集效應(yīng)引起的。

其四，最低溫度方面，白天與晚上排序不同，白天為測點3>測點4>測點5>測點1>測點2，晚上排序為測點3>測點4>測點2>測點5>測點1。

白天由于地鐵運行在隧道內(nèi)產(chǎn)生活塞效應(yīng)，各測點在列車經(jīng)過后，受到不同的氣流影響，見圖2。各測點在列車通過后，測點3因車輛靠站(車輛散熱大、影響時間長，站臺層公共區(qū)氣流(28 ℃)流入車站隧道)及遠離活塞風(fēng)井，測點最低溫度最高；測點4除受車站靠站加熱影響外，還受一定活塞風(fēng)井冷卻作用(室外空氣經(jīng)過長風(fēng)道降溫，已基本低于隧道氣溫)，最低溫度次高；溫度測點1與測點5受氣流影響相同，因隧道熱量堆積效應(yīng)，測點5最低溫度高于測點1，列車過后測點2除接觸類似測點1氣流外，還受室外降溫空氣影響，故最低溫度最低。

圖2 各測點在車輛經(jīng)過時氣流示意

對于晚上，因無車輛運行，隧道內(nèi)無活塞效應(yīng)，各測點最低溫度排序同最高溫度。

其五，各測點白天溫度呈駝峰形，列車運行后緩慢上升，14：00左右達到一日的最高溫度，而后溫度逐漸降低，至列車停運時溫度高于列車開始運行時。并且隨隧道氣溫上升，其溫度變化幅度也在變大。

最后，各測點溫度均在24～29 ℃，一天內(nèi)溫度變化幅度在4 ℃以內(nèi)，其中測點1、測點5溫度變化范圍在3 ℃以內(nèi)，其他測點一天溫度變化幅度在4 ℃以內(nèi)。在白天溫度周期變化時，測點1與測點5每周期溫度變化幅度在1.5 ℃之內(nèi)，其他測點在2.5 ℃之內(nèi)。

2.1.2 典型時段溫度變化

為比較隧道不同位置溫度變化規(guī)律，分析一天中典型時段隧道氣溫，截取一天中12：00～13：00各測點溫度數(shù)據(jù)進行研究，見圖3。

圖3 7月27日12：00～13：00各測點溫度曲線

由圖3可知，各測點溫度呈鋸齒形周期變化，變化周期與蘇州地鐵2號線行車間隔相同(工作日：高峰時段7：45～9：00、17：00～19：00，行車間隔5 min30 s；其他時段為平峰，行車間隔6 min 45 s)，各測點溫度高低與2.1.1節(jié)分析相同。提取各測點在12：00～13：00時段內(nèi)最高、最低溫度，見圖4、圖5。

圖4 12：00～13：00各測點溫度峰值

圖5 12：00～13：00各測點溫度谷值

由圖4和圖5可知，在最高溫度方面，測點1和測點5變化較小，在0.2 ℃之內(nèi)，其他測點變化在1 ℃之內(nèi)。最低溫度方面，各測點溫度變化均在0.2 ℃之內(nèi)。由上可知，最低溫度變化小于最高溫度變化，因隧道氣溫在一日內(nèi)變化主要受車輛散熱影響，車輛通過測點時測點溫度達到最高點，溫度提升較大，而最低溫度因主要受隧道壁吸熱而下降，因行車間隔基本相同，故最低溫度基本相同，變化不大。

依各測點最低、最高溫度出現(xiàn)時間，計算得出各測點在不同溫度周期內(nèi)溫升和溫降速率，見圖6、圖7。

圖6 12：00～13：00各測點溫升變化率

圖7 12：00～13：00各測點溫降變化率

由圖6、圖7可知，在溫升變化率方面，測點1最大，其他測點相差不大，排序為測點1>測點2≈測點3>測點4≈測點5。上述排序，隧道斷面不同、影響熱源不同、車輛速度不同成為主要因素。車輛經(jīng)過測點1時速度快，升溫歷時短，距最近活塞風(fēng)井距離超700 m，無其他熱源影響，故溫升快；車輛進站經(jīng)過測點2、測點3、測點4時，速度較慢，溫升歷時長，且3個測點所在隧道截面積大于區(qū)間隧道截面積，溫升熱源除車輛散熱外還有站臺門散熱及車輛剎車散熱，綜合結(jié)果呈現(xiàn)為溫升率小于測點1；由于車輛進站為逐漸減速停車過程，車輛散熱到達測點4時車輛已基本停站，故測點4溫升率小于測點2、測點3；測點5雖然溫升歷時短，但溫升小(因區(qū)間總長640 m左右，受臨站活塞風(fēng)井進風(fēng)影響大)，綜合體現(xiàn)為溫升率最小。

在溫降變化率方面，各測點大小排序為：測點3>測點2>測點4>測點1>測點5。溫降速率主要影響因素為隧道空氣與傳熱，各測點基本為自然降溫，降溫?zé)嵩炊嗟臏y點溫降速率大。測點2、測點3、測點4除有隧道壁降溫外，從活塞風(fēng)井傳入車站隧道的室外空氣也對車站隧道有降溫作用，故測點1和測點5溫降速率??；測點3因最高溫比其他測點高1～1.5 ℃，與隧道壁熱交換速率更快，故測點3溫降速率最大；測點2因受室外空氣影響大于測點4，故測點2溫降速率大于測點4；因測點1溫升較測點5大0.5倍左右，測點1與隧道壁換熱速率大于測點5(換熱量與溫差呈正比，兩區(qū)間隧道壁溫差不多)兩個測點溫降時間相差不大，故測點1溫降速率大于測點5。

將各測點溫升、溫降變化率比值作圖，見圖8。

圖8 12：00～13：00各測點溫升與溫降變化率比值

由圖8可知，各測點溫升基本均為溫降的4倍以上，由傳熱來看，溫升時換熱速率是溫降時的4倍以上。

分析溫升與溫降熱源，測點1與測點5，溫升熱源主要為車輛散熱[17]，溫降熱源主要為隧道壁吸熱；測點2、測點3、測點4，溫升熱源主要為車輛散熱和車站熱氣流，溫降熱源主要為隧道壁吸熱及室外空氣。測點2、測點3、測點4溫升與溫降變化率之比較為穩(wěn)定，與車輛進站、出站速度較為穩(wěn)定有較大關(guān)系；測點1、測點5溫升與溫降變化率之比變化較大，因溫升、溫降熱源單一及車輛速度不同導(dǎo)致不同的活塞氣流，成為溫升與溫降變化率之比變化較大的主要原因。

據(jù)熱量平衡：(K散-K壁)t1/K壁t1=Q空氣吸收/Q空氣釋放

因Q空氣吸收=t1×m×CP×v1，Q空氣釋放=t1×m×CP×v2，則v1/v2=(K散-K壁)t1/K壁t1

式中K散——車輛與隧道空氣的綜合換熱系數(shù)，W/m2·℃；

K壁——隧道壁與隧道空氣的換熱系數(shù)，

W/m2·℃；

t1——傳熱時間，s；

m——空氣質(zhì)量，kg；

CP——空氣的定壓比熱容，J/(kg·℃)；

v1——空氣溫升速率，℃/s；

v2——空氣溫降速率，℃/s。

對于測點2、測點3、測點4，v1/v2≈4.5，計算得K散=5.5K壁。

由上可知，對于車站隧道，車輛單位時間向隧道空氣的散熱量，約為隧道壁單位時間從隧道空氣吸熱量的5.5倍。

對于區(qū)間隧道，因溫升變化率與溫降變化率比值基本在6以上，故車輛單位時間向隧道空氣的散熱量，約為隧道壁單位時間從隧道空氣吸熱量的7倍以上。

2.2 冬季溫度變化

2.2.1 一天溫度變化

冬季測試日室外氣溫，最高16 ℃，最低6 ℃，整理一天測試數(shù)據(jù)，詳見圖9。

圖9 2017年1月1日各測點溫度曲線

由圖9可知，隧道氣溫在冬季有以下特點。

首先，隧道氣溫在一天內(nèi)溫度變化可分為3個階段，每個階段對應(yīng)時間為00：00：00～5：30：00和23：00：00～24：00：00、5：30：00～8：30：00、8：30：00～23：00：00，分別為穩(wěn)定階段(車輛停運)、大幅規(guī)律變化階段、小幅規(guī)律變化階段，3個階段在10 min內(nèi)溫度變化幅度均較小，分別為0.1、0.5、0.2 ℃?？芍?，在冬季，列車運行及停運階段，隧道得熱與失熱均呈基本平衡，隧道氣溫變化小。

其次，隧道氣溫在5：30：00～23：00：00，溫度呈周期變化，變化周期與列車約7 min的發(fā)車間隔吻合。各測點溫度變化趨勢不一致，有些測點呈先上升后下降周期變化，有些測點呈先下降后上升周期變化。

其三，各測點在不同階段溫度排序不同，第一階段排序為：測點1>測點4>測點5>測點3>測點2；第二階段排序為：測點1>測點4>測點3>測點2>測點5；第三階段排序為：測點1>測點3>測點2>測點4>測點5。各階段不同測點溫度排序不同，主要因各測點受熱源不同及熱量在隧道內(nèi)積聚等影響。

其四，對于車輛停運時刻，各測點溫度基本不變化，表示隧道空氣與隧道壁之間達到熱交換平衡，隧道氣溫等于隧道壁溫度，故在00：00：00～5：30：00和23：00：00～24：00：00，測點1、測點4、測點3、測點2、測點5所在位置隧道壁溫分別為18.5、17.3、17.3、18、17.8 ℃。

其五，隨車輛運行和停運，車站隧道氣溫和區(qū)間隧道氣溫呈現(xiàn)不同特征。對于區(qū)間隧道氣溫，車輛停運時高于車輛運行時；對于車站隧道氣溫，車輛運行時高于車輛停運時。

最后，各測點氣溫均在16.5～19 ℃，一天的變化幅度除測點1為1.5 ℃左右，其他測點均在1 ℃范圍內(nèi)。對于第二階段和第三階段，各測點每周期溫度變化幅度分別為1 ℃之內(nèi)和0.5 ℃之內(nèi)。

2.2.2 典型時段溫度變化

為比較隧道不同位置溫度變化規(guī)律，分析一天中典型時段隧道氣溫，為排熱風(fēng)機運行提供數(shù)據(jù)參考，截取6：00～7：00和12：00～13：00兩個時段，研究各測點溫度數(shù)據(jù)，見圖10、圖11。

圖10 1月1日6：00～7：00各測點溫度曲線

圖11 1月1日12：00～13：00各測點溫度曲線

由圖10可知，各測點在6：00～7：00時溫度曲線呈倒鋸齒形變化(溫度先降后升)，變化周期與發(fā)車周期相同，且溫度在整體逐漸降低。各測點統(tǒng)一出現(xiàn)上述情況，主要因為車輛運行后產(chǎn)生的活塞效應(yīng)，將部分溫度在6 ℃(早上6點左右室外氣溫接近一天最低氣溫)的室外空氣帶入了隧道，其對隧道空氣相當(dāng)于冷源，并且冷源對空氣的降溫效應(yīng)大于車輛散熱引起的升溫效應(yīng)，導(dǎo)致各測點溫度曲線呈現(xiàn)出周期性倒鋸齒形變化。

另外，圖10中各測點溫度排序為測點1>測點4>測點3>測點2>測點5，因降溫冷源主要為室外冷空氣，故排序基本代表了各測點受室外空氣影響大小，各測點受活塞效應(yīng)影響大小為測點5>測點2>測點3>測點4>測點1。測點1和測點5所在隧道長度分別為1 400 m和640 m，故區(qū)間隧道越短，其氣溫受活塞效應(yīng)影響越大。對于車站隧道測點，受活塞效應(yīng)影響沿車行方向逐漸減小。

觀察圖11發(fā)現(xiàn)，各測點溫度變化曲線，雖然溫度均呈周期性變化，且變化周期相同，但是曲線走勢明顯分化，測點1、測點2、測點3呈矩形周期變化，測點4、測點5呈倒矩形周期變化(溫度先將后升)。

2.3 冬、夏季對比分析

通過對夏季、冬季隧道氣溫分析，發(fā)現(xiàn)冬、夏季隧道氣溫差別明顯，且變化規(guī)律明顯不同，現(xiàn)進行對比。

2.3.1 相同點分析

首先，冬、夏季隧道氣溫，隨車輛運行和停運均呈不同變化特征。車輛運行時，隧道氣溫均周期性變化，變化周期均與發(fā)車周期相同。車輛停運后，車站隧道和區(qū)間隧道溫度均較平穩(wěn)，變化幅度在0.5 ℃之內(nèi)。

其次，冬季和夏季，活塞風(fēng)和車輛散熱均對隧道氣溫產(chǎn)生重要影響?；钊L(fēng)推動車輛散熱及室外空氣在隧道內(nèi)運動，車輛散熱對隧道氣溫起關(guān)鍵作用。

其三，室外空氣在冬季和夏季均能對隧道氣溫產(chǎn)生影響，其溫度高低決定了車站隧道和區(qū)間隧道的整體溫度。夏季室外氣溫高，隧道氣溫高(24 ℃以上)，冬季室外氣溫低，隧道氣溫低(19 ℃以下)。

最后，車輛運行時，區(qū)間隧道和車站隧道氣溫變化趨勢相同。隨車輛運行逐漸升至最高點，而后下降。

2.3.2 不同點分析

首先，冬季、夏季隧道氣溫不同。夏季，區(qū)間隧道和車站隧道氣溫分別比冬季高約5 ℃和約8 ℃以上。

其次，各測點溫度隨季節(jié)不同溫度高低排序不同。車輛停運時，夏季區(qū)間隧道氣溫低于車站隧道氣溫，冬季區(qū)間隧道氣溫基本高于車站隧道。車輛運行時，夏季區(qū)間隧道氣溫峰值低于車站隧道氣溫峰值，而冬季區(qū)間隧道氣溫峰值與車站隧道氣溫峰值互有高低。

其三，車輛運行時，冬、夏季隧道氣溫變化形式不同、變化幅度不同。夏季，區(qū)間隧道和車站均呈鋸齒形周期變化，而冬季隧道氣溫在5：30～8：30呈倒鋸齒形變化，在8：30～23：00時，測點1～測點3呈矩形周期變化，測點4、測點5呈倒矩形周期變化。對于每周期變化幅度，夏季明顯大于冬季，夏季和冬季各測點變化幅度分別介于1.5～2.5 ℃和基本在0.5℃之內(nèi)，且夏季區(qū)間隧道小于車站隧道，冬季相反。

其四，車輛運行時，夏季隧道氣溫變化平穩(wěn)，冬季氣溫變化不穩(wěn)定。夏季，車輛運行初期和后期隧道氣溫周期性變化幅度小，運行中期變化幅度大且穩(wěn)定。冬季，車輛運行初期隧道氣溫變化幅度大，較穩(wěn)定，運行中期和后期變化幅度小，但不穩(wěn)定，時大時小。

最后，車輛停運期間，夏季隧道氣溫呈緩慢下降趨勢，冬季隧道氣溫先快速升高(30 min內(nèi))，而后處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4 地鐵隧道氣溫測試取數(shù)間隔分析

數(shù)據(jù)間隔設(shè)置決定測試數(shù)據(jù)的完整性，也就決定了分析結(jié)論與實際的相符度，故需合理設(shè)置。對于地鐵隧道氣溫測試，數(shù)據(jù)時間間隔設(shè)置越小，越能完整表達隧道氣溫變化規(guī)律，但將提升測試設(shè)備性能要求、測試成本和后期分析難度，下面結(jié)合本次測試數(shù)據(jù)，分析保證隧道氣溫測試數(shù)據(jù)不失真的合理測試時間間隔。將夏季各測點數(shù)據(jù)分別以間隔10 s(圖3)、20、40 s進行作圖，比較各圖的精細化程度和對氣溫變化規(guī)律的呈現(xiàn)，詳見圖12和圖13。

圖12 7月27日12：00～13：00間隔20 s溫度曲線

圖13 7月27日12：00～13：00間隔40 s溫度曲線

對比圖3、圖12、圖13，可知圖3和圖12圖形各測點溫度曲線變化基本一樣，只是圖3溫度曲線更細膩平滑，故可判斷圖12可完整反映各測點溫度變化規(guī)律。對于圖13，其與圖12有較大差別，在開始階段，測點2缺少溫度谷值，在12：00～13：00整個測試時段，除測點5外，各測點均有較大差別，尤其是在各測點峰谷值方面，存在峰值減小、谷值增大的現(xiàn)象，故圖13不能完整反映各測點溫度變化規(guī)律。所以，對于正常工況行車間隔為405 s(6分45 s)的線路，溫度測試時間間隔設(shè)置為20 s較為合適，即行車間隔的1/20。因測試線路只是初期行車間隔，在遠期，其行車間隔為2 min，對于這樣的行車間隔，車輛運行時隧道溫度變化周期為2 min，變化周期縮短，為表達完整的溫度變化曲線，測試間隔也應(yīng)縮短，建議取行車間隔的1/20，即6 s。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

(1)無論冬季還是夏季，車輛運行時，隧道氣溫均呈周期性變化，變化周期與發(fā)車間隔相同。

(2)車輛運行時，夏季隧道氣溫周期變化波幅大于冬季，夏季、冬季波幅分別為1.5～2.5 ℃和0.5 ℃之內(nèi)。

(3)夏季隧道氣溫比冬季隧道氣溫高，夏季隧道氣溫在24～29 ℃變化，冬季隧道氣溫在16.5～19 ℃變化。

(4)在夏季，車站隧道氣溫高于區(qū)間隧道，在冬季，區(qū)間隧道氣溫在車輛停運時基本高于車站隧道，車輛運行時互有高低。

(5)夏季車站隧道氣溫沿車行方向規(guī)律分布，中間高兩端低，且下行端高于上行端。

(6)車輛停運時，隧道氣溫變化較小。夏季緩慢下降，幅度在0.5 ℃之內(nèi)，冬季在車輛停運后30 min內(nèi)上升0.5 ℃左右，而后保持穩(wěn)定。

3.2 建議

(1)可結(jié)合已運營10年以上地鐵隧道氣溫測試及車站隧道排煙實驗，判斷車站設(shè)置排熱風(fēng)機必要性。

(2)在地鐵隧道通風(fēng)設(shè)計時，可添加隧道氣溫探測設(shè)備，根據(jù)每個行車間隔隧道氣溫變化不超過3 ℃的情況，設(shè)置隧道風(fēng)機、排熱風(fēng)機開啟條件。

(3)對地鐵隧道進行氣溫測試時，合理的取數(shù)間隔應(yīng)設(shè)置為發(fā)車間隔的1/20。

(4)根測試數(shù)據(jù)，地鐵運營初期，在最高氣溫下，即使不開啟排熱風(fēng)機，車站隧道氣溫也不超過30 ℃，故可不開啟排熱風(fēng)機。

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