地铁洞口空气幕（风幕机）设置的技术与能耗分析
摘要： 针对地铁是否要安装洞口空气幕问题，本文采用CFD技术对洞口空气幕系统进行数值模拟，得到空气幕所产生的阻力系数与洞口气流水平速度之间的关系，再利用STESS软件对某地铁全线进行各工况的通风模拟和热模拟，着重分析了洞口空气幕对事故工况、车站空调装机容量与全年环控能耗的影响，为地铁是否采用洞口空气幕系统提供必要的理论依据。
1 引言
地铁工程是否要采用洞口空气幕，目前各设计研究院和地铁使用单位没有统一的依据，因此有必要对地铁工程洞口空气幕设置的技术和全年能耗进行分析，为地铁工程是否采用洞口空气幕系统提供必要的理论依据。
2 空气幕阻力系数与气流速度的关系模拟
根据我国目前建设中的某地铁工程的土建、设备型号与数量、发车密度等资料，采用CFD技术进行数值模拟，结果见图1。由图1可知，洞口空气幕所产生的阻力系数随水平方向气流速度的不同而变化。
图1 阻力系数与气流速度的关系
3 空气幕对车站空调装机容量和全年通风空调总能耗的影响
由以上模拟分析可知，洞口空气幕的设置，相当于在洞口添加一个变化的局部阻力系数，不同的通风方案，洞口中的空气流速是不同的，因此洞口空气幕所产生的阻力系数是不一样的。
3.1 工程概况
本工程有地下车站8个，见图2。其中洞口至ST1的隧道长度为930m，洞口至ST8的隧道长度为450m，空气幕设置在距洞口180m处，上下线4个洞口，每个洞口设置一套空气幕系统，每套系统的空气幕风机功率为55KW。ST1车站现配置了四台TVF风机，每台风量为66.0m3/s,余压1023Pa，还配置了四台回/排风机（兼排烟风机），每台风量为25.0m3/s,余压800Pa。ST2车站现配置了四台TVF风机，每台风量为66.0m3/s,余压919Pa，还配置了四台回/排风机（兼排烟风机），每台风量为21.6m3/s,余压911Pa。这些风机在事故工况下可全部开启或局部开启。
图2 地铁工程示意图
3.2 洞口有、无空气幕时车站空调负荷与全年通风空调总耗电量模拟与分析
根据工程所在地气象 点及目前国内外地铁运行情况，分别对该地铁全线全年远期有、无洞口空气幕装置采用空调季（6～9月份）闭式空调、冬季（1、2、12月份）高峰时刻（7:00～8:00、17:00～18:00）开式其余闭式、过渡季（3～5、10、11月份）开式运行、全年无夜间通风进行热模拟，模拟结果见表1。
表1 洞口有、无空气幕时车站空调负荷与全年空调总耗冷量
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能耗
车站 |
大空调负荷(KW) |
不保证30h空调负荷(KW) |
全年空调总耗冷量(万KWh) |
|
无幕 |
有幕 |
节省 |
无幕 |
有幕 |
节省 |
无幕 |
有幕 |
节省 |
|
ST1 |
3284.8 |
3153.5 |
131.3 |
2205.8 |
2117.4 |
88.4 |
196.65 |
192.66 |
3.99 |
|
ST2 |
2555.1 |
2553.9 |
1.2 |
1918.9 |
1916.6 |
2.3 |
183.37 |
183.10 |
0.27 |
|
ST3 |
3446.6 |
3462.9 |
-16.3 |
2467.4 |
2475.5 |
-8.1 |
190.76 |
191.69 |
-0.93 |
|
ST4 |
2870.4 |
2873.0 |
-2.6 |
1992.0 |
1993.5 |
-1.5 |
219.54 |
219.61 |
-0.07 |
|
ST5 |
3474.0 |
3477.4 |
-3.4 |
2497.8 |
2500.2 |
-2.4 |
316.28 |
316.36 |
-0.08 |
|
ST6 |
3193.7 |
3199.9 |
-6.2 |
2209.3 |
2212.3 |
-3.0 |
158.48 |
159.31 |
-0.83 |
|
ST7 |
2982.3 |
2940.4 |
41.9 |
2069.9 |
2069.6 |
0.3 |
177.35 |
176.97 |
0.38 |
|
ST8 |
3865.0 |
3670.3 |
194.7 |
2660.4 |
2554.4 |
106.0 |
214.51 |
205.91 |
8.60 |
|
总计 |
25671.9 |
25331.3 |
340.6 |
18021.5 |
17839.5 |
182.0 |
1656.94 |
1645.61 |
11.33 |
由表1得到以下主要结论：
3.2.1 地铁线两端车站空调装机容量减少
安装洞口空气幕后，ST1车站不保证30h的空调负荷可减少88.4KW，ST8车站可减少106.0KW，可见端站空调负荷的减少程度与洞口区间长度有关，洞口区间长度越长空调负荷减少的量就越大。其它车站负荷变化不大，ST3车站至ST6车站的空调负荷反而增加，主要由于洞口风量减少后，各车站人员出入口的新风量有所增加所致。
3.2.2 地铁线全年通风空调耗电量和洞口空气幕耗电量总量增加
安装洞口空气幕的话，全年全线满负荷运行时，一方面可节省11.33万KWh的冷量，如空调系统综合COP取2.6，则空调可节省的耗电量为4.358万KWh；另一方面四台洞口空气幕在三个多月的空调季中所耗电能至少为35.64万KWh。这样由于安装洞口空气幕，全年通风空调耗电量和洞口空气幕耗电量总量反而增加了31.282万KWh。
4 洞口无空气幕时事故工况的模拟
本文以洞口至ST1车站之间发生事故工况为例，进行模拟。在事故工况时，ST1和ST2车站的八台TVF风机和八台回/排风机（兼排烟风机）都可开启。
4.1 阻塞工况
无洞口空气幕时，洞口至ST1车站发生阻塞时，如开启ST1和ST2车站的8台TVF风机，其通风模拟结果见图3，图中单位为m3/s，与上、下行方向一致为正，相反为负，由图3可知，阻塞区间断面风速为1.56m/s（区间隧道断面积21.26m2），小于2.0m/s，不能满足设计规范要求；如开启ST1和ST2车站的8台TVF风机及8台回/排风机，其通风模拟结果见图4，此时，阻塞区间断面风速为2.02m/s，大于2.0m/s，满足设计规范要求。
图3 洞口至ST1发生阻塞时通风模拟结果（无洞口空气幕、开8台TVF风机）
图4 洞口至ST1发生阻塞时通风模拟结果（无洞口空气幕、开8台TVF风机和8台回/排风机）
4.2 火灾工况
无洞口空气幕时，洞口至ST1发生火灾时，如开启ST1和ST2车站的8台TVF风机，其火灾排烟模拟结果见图5，由图5可知，排烟断面风速为1.56m/s，小于2.0m/s，不能满足设计规范要求；如开启ST1和ST2车站的8台TVF风机及8台回/排风机，其火灾排烟模拟结果见图6，此时，隧道区间排烟断面风速为2.02m/s，可满足不小于2.0m/s的设计要求。
图5 洞口至ST1发生火灾时通风排烟模拟结果（无洞口空气幕、开8台TVF风机）
5 洞口有空气幕时事故工况的模拟
有洞口空气幕时，洞口至ST1车站发生火灾时，如仅开启ST1和ST2车站的8台TVF风机，着火区间排烟断面风速总小于2.0m/s，不能满足大于2.0m/s的设计要求。如同时开启ST1和ST2车站的8台TVF风机及8台回/排风机，并关闭洞口空气幕处的连通道，其排烟模拟结果见图7，此时，火灾隧道区间排烟断面风速为2.08m/s，可满足不小于2.0m/s的设计要求。比较图7与图4，可发现采用洞口空气幕能起到提高火灾隧道区间排烟断面风速的作用，但效果不明显。
图6 洞口至ST1发生火灾时通风排烟模拟结果（无洞口空气幕、开8台TVF风机和8台回/排风机）
图7 洞口至ST1发生火灾时通风排烟模拟结果（有洞口空气幕、开8台TVF风机和8台回/排风机）
6 结论
安装洞口空气幕后，地铁线洞口两端的地铁车站空调装机容量可减少5％左右，全线全年可节省11.33万KWh的空调冷量，但全年通风空调耗电量和洞口空气幕耗电量总量反而增加了31.282万KWh。
不论洞口是否安装空气幕，如果只开启ST1和ST2两车站的8台TVF风机，都不能满足洞口至ST1区间的阻塞通风或火灾时排烟的设计要求；只有同时开启ST1和ST2两车站的8台TVF风机和8台回/排风机，才能满足洞口至ST1区间的阻塞通风或火灾时排烟的设计要求。因此，建议不采用洞口空气幕为宜。
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