有洞口空氣幕時(shí)地鐵環(huán)控模擬與能耗分析

1、有洞口空氣幕時(shí)地鐵環(huán)控模擬與能耗分析朱培根朱穎心李曉峰(清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系北京100084摘要針對(duì)地鐵是否要安裝洞口空氣幕問(wèn)題,本文采用CFD技術(shù)對(duì)洞口空氣幕系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬,得到空氣幕所產(chǎn)生的阻力系數(shù)與洞口氣流水平速度之間的關(guān)系,再利用STESS軟件對(duì)某地鐵全線進(jìn)行各工況的通風(fēng)模擬和熱模擬,著重分析了洞口空氣幕對(duì)事故工況、車站空調(diào)裝機(jī)容量與全年環(huán)控能耗的影響,為地鐵是否采用洞口空氣幕系統(tǒng)提供必要的理論依據(jù)。關(guān)鍵詞地鐵,環(huán)境控制,空氣幕,技術(shù)分析,能耗分析Simulation and Energy Consumption Analysis whenSetting Air Curtain i

2、n Subway Tunnel OpeningAbstract: Aiming at whether installing air curtain in the subway tunnel opening, the CFD technique is used to simulate numerically the relationship between the resistance coefficient of the air curtain and the airflow horizontal velocity in the tunnel opening. By use of the so

3、ftware STESS, the ventilation and thermal simulations on various working conditions of some a subway full line are carried out. The effects of air curtain on the accident working condition, air-conditioning installed capacity of the subway station and environment control energy consumption of whole

4、year are specially analyzed in this paper, and the basic theory is obtained for whether setting the air curtain in the subway tunnel opening.Keywords: subway, environment control energy consumption, air curtain, technique analysis, energy consumption analysis1引言地鐵工程是否要采用洞口空氣幕,目前各設(shè)計(jì)研究院和地鐵使用單位沒(méi)有統(tǒng)一的依據(jù),

5、因此有必要對(duì)地鐵工程洞口空氣幕設(shè)置的技術(shù)和全年能耗進(jìn)行分析,為地鐵工程是否采用洞口空氣幕系統(tǒng)提供必要的理論依據(jù)。2空氣幕阻力系數(shù)與氣流速度的關(guān)系模擬根據(jù)我國(guó)目前建設(shè)中的某地鐵工程的土建、設(shè)備型號(hào)與數(shù)量、發(fā)車密度等資料,采用CFD 技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知,洞口空氣幕所產(chǎn)生的阻力系數(shù)隨水平方向氣流速度的不同而變化。3空氣幕對(duì)車站空調(diào)裝機(jī)容量和全年通風(fēng)空調(diào)總能耗的影響由以上模擬分析可知,洞口空氣幕的設(shè)置,相當(dāng)于在洞口添加一個(gè)變化的局部阻力系數(shù),不同的通風(fēng)方案,洞口中的空氣流速是不同的,因此洞口空氣幕所產(chǎn)生的阻力系數(shù)是不一樣的。3.1工程概況本工程有地下車站8個(gè),見(jiàn)圖2。其中洞口至S

6、T1的隧道長(zhǎng)度為930m,洞口至ST8的隧道長(zhǎng)度為450m,空氣幕設(shè)置在距洞口180m處,上下線4個(gè)洞口,每個(gè)洞口設(shè)置一套空氣幕系統(tǒng),每套系統(tǒng)的空氣幕風(fēng)機(jī)功率為55KW。ST1車站現(xiàn)配置了四臺(tái)TVF風(fēng)機(jī),每臺(tái)風(fēng)量為66.0m3/s,余壓1023Pa,還配置了四臺(tái)回/排風(fēng)機(jī)(兼排煙風(fēng)機(jī),每臺(tái)風(fēng)量為25.0m3/s,余壓800Pa。ST2車站現(xiàn)配置了四臺(tái)TVF風(fēng)機(jī),每臺(tái)風(fēng)量為66.0m3/s,余壓919Pa,還配置了四臺(tái)回/排風(fēng)機(jī)(兼排煙風(fēng)機(jī),每臺(tái)風(fēng)量為21.6m3/s,余壓911Pa。這些風(fēng)機(jī)在事故工況下可全部開(kāi)啟或局部開(kāi)啟。 圖2地鐵工程示意圖3.2洞口有、無(wú)空氣幕時(shí)車站空調(diào)負(fù)荷與全年通風(fēng)空調(diào)

7、總耗電量模擬與分析根據(jù)工程所在地氣象特點(diǎn)及目前國(guó)內(nèi)外地鐵運(yùn)行情況,分別對(duì)該地鐵全線全年遠(yuǎn)期有、無(wú)洞口空氣幕裝置采用空調(diào)季(69月份閉式空調(diào)、冬季(1、2、12月份高峰時(shí)刻(7:00 8:00、17:0018:00開(kāi)式其余閉式、過(guò)渡季(35、10、11月份開(kāi)式運(yùn)行、全年無(wú)夜間通風(fēng)進(jìn)行熱模擬,模擬結(jié)果見(jiàn)表1。 由表1得到以下主要結(jié)論:安裝洞口空氣幕后,ST1車站不保證30h的空調(diào)負(fù)荷可減少88.4KW,ST8車站可減少106.0KW,可見(jiàn)端站空調(diào)負(fù)荷的減少程度與洞口區(qū)間長(zhǎng)度有關(guān),洞口區(qū)間長(zhǎng)度越長(zhǎng)空調(diào)負(fù)荷減少的量就越大。其它車站負(fù)荷變化不大,ST3車站至ST6車站的空調(diào)負(fù)荷反而增加,主要由于洞口風(fēng)量

8、減少后,各車站人員出入口的新風(fēng)量有所增加所致。安裝洞口空氣幕的話,全年全線滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),一方面可節(jié)省11.33萬(wàn)KWh的冷量,如空調(diào)系統(tǒng)綜合COP取2.6,則空調(diào)可節(jié)省的耗電量為4.358萬(wàn)KWh;另一方面四臺(tái)洞口空氣幕在三個(gè)多月的空調(diào)季中所耗電能至少為35.64萬(wàn)KWh。這樣由于安裝洞口空氣幕,全年通風(fēng)空調(diào)耗電量和洞口空氣幕耗電量總量反而增加了31.282萬(wàn)KWh。4洞口無(wú)空氣幕時(shí)事故工況的模擬本文以洞口至ST1車站之間發(fā)生事故工況為例,進(jìn)行模擬。在事故工況時(shí),ST1和ST2車站的八臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)和八臺(tái)回/排風(fēng)機(jī)(兼排煙風(fēng)機(jī)都可開(kāi)啟。4.1阻塞工況無(wú)洞口空氣幕時(shí),洞口至ST1車站發(fā)生阻塞時(shí),如

9、開(kāi)啟ST1和ST2車站的8臺(tái)TVF風(fēng)機(jī),其通風(fēng)模擬結(jié)果見(jiàn)圖3,圖中單位為m3/s,與上、下行方向一致為正,相反為負(fù),由圖3可知,阻塞區(qū)間斷面風(fēng)速為1.56m/s(區(qū)間隧道斷面積21.26m2,小于 2.0m/s,不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求;如開(kāi)啟ST1和ST2車站的8臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)及8臺(tái)回/排風(fēng)機(jī),其通風(fēng)模擬結(jié)果見(jiàn)圖4,此時(shí),阻塞區(qū)間斷面風(fēng)速為2.02m/s,大于2.0m/s,滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。 圖3洞口至ST1發(fā)生阻塞時(shí)通風(fēng)模擬結(jié)果(無(wú)洞口空氣幕、開(kāi)8臺(tái)TVF風(fēng)機(jī) 圖4洞口至ST1發(fā)生阻塞時(shí)通風(fēng)模擬結(jié)果(無(wú)洞口空氣幕、開(kāi)8臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)和8臺(tái)回/排風(fēng)機(jī)4.2火災(zāi)工況無(wú)洞口空氣幕時(shí),洞口至ST1發(fā)生火災(zāi)

10、時(shí),如開(kāi)啟ST1和ST2車站的8臺(tái)TVF風(fēng)機(jī),其火災(zāi)排煙模擬結(jié)果見(jiàn)圖5,由圖5可知,排煙斷面風(fēng)速為1.56m/s,小于2.0m/s,不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求;如開(kāi)啟ST1和ST2車站的8臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)及8臺(tái)回/排風(fēng)機(jī),其火災(zāi)排煙模擬結(jié)果見(jiàn)圖6,此時(shí),隧道區(qū)間排煙斷面風(fēng)速為2.02m/s,可滿足不小于2.0m/s的設(shè)計(jì)要求。 圖5洞口至ST1發(fā)生火災(zāi)時(shí)通風(fēng)排煙模擬結(jié)果(無(wú)洞口空氣幕、開(kāi)8臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)5洞口有空氣幕時(shí)事故工況的模擬有洞口空氣幕時(shí),洞口至ST1車站發(fā)生火災(zāi)時(shí),如僅開(kāi)啟ST1和ST2車站的8臺(tái)TVF風(fēng)機(jī),著火區(qū)間排煙斷面風(fēng)速總小于2.0m/s,不能滿足大于2.0m/s的設(shè)計(jì)要求。如同時(shí)開(kāi)啟S

11、T1和ST2車站的8臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)及8臺(tái)回/排風(fēng)機(jī),并關(guān)閉洞口空氣幕處的連通道,其排煙模擬結(jié)果見(jiàn)圖7,此時(shí),火災(zāi)隧道區(qū)間排煙斷面風(fēng)速為2.08m/s,可滿足不小于2.0m/s的設(shè)計(jì)要求。比較圖7與圖4,可發(fā)現(xiàn)采用洞口空氣幕能起到提高火災(zāi)隧道區(qū)間排煙斷面風(fēng)速的作用,但效果不明顯。 圖6洞口至ST1發(fā)生火災(zāi)時(shí)通風(fēng)排煙模擬結(jié)果(無(wú)洞口空氣幕、開(kāi)8臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)和8臺(tái)回/排風(fēng)機(jī) 圖7洞口至ST1發(fā)生火災(zāi)時(shí)通風(fēng)排煙模擬結(jié)果(有洞口空氣幕、開(kāi)8臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)和8臺(tái)回/排風(fēng)機(jī)6結(jié)論安裝洞口空氣幕后,地鐵線洞口兩端的地鐵車站空調(diào)裝機(jī)容量可減少5%左右,全線全年可節(jié)省11.33萬(wàn)KWh的空調(diào)冷量,但全年通風(fēng)空調(diào)耗電量

12、和洞口空氣幕耗電量總量反而增加了31.282萬(wàn)KWh。不論洞口是否安裝空氣幕,如果只開(kāi)啟ST1和ST2兩車站的8臺(tái)TVF風(fēng)機(jī),都不能滿足洞口至ST1區(qū)間的阻塞通風(fēng)或火災(zāi)時(shí)排煙的設(shè)計(jì)要求;只有同時(shí)開(kāi)啟ST1和ST2兩車站的8臺(tái)TVF 風(fēng)機(jī)和8臺(tái)回/排風(fēng)機(jī),才能滿足洞口至ST1區(qū)間的阻塞通風(fēng)或火災(zāi)時(shí)排煙的設(shè)計(jì)要求。因此,在滿足事故通風(fēng)的情況下,一般不宜采用洞口空氣幕。參考文獻(xiàn)1地下鐵道設(shè)計(jì)與施工,陜西科學(xué)技術(shù)出版社,1997年6月;2站臺(tái)屏蔽門(mén)在地鐵熱環(huán)境控制中的經(jīng)濟(jì)性分析,朱穎心、秦緒忠、江億,建筑科學(xué),1997年第3期;3水力網(wǎng)絡(luò)流動(dòng)不穩(wěn)態(tài)過(guò)程的算法,朱穎心,清華大學(xué)學(xué)報(bào),1989年第5期,第29卷;4Numericalsimulationforoptimizingthedesignofsubwayenvironm