地下地铁车站屏蔽门渗入风量计算模型

高志宏，刘猛，李子桥，向世曦，胡梦强; GAO Zhihong; LIU Meng; LI Ziqiao; XIANG Shixi; HU Mengqiang

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高志宏
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刘猛
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李子桥
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向世曦
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胡梦强

重庆大学土木工程学院；重庆大学国家级低碳绿色建筑国际联合研究中心；重庆大学绿色建筑与人居环境营造国际合作联合实验室；重庆大学风工程及风资源利用重庆市重点实验室，重庆 400045

中图分类号： TU831.2

最近更新：2023-04-17

DOI：10.11835/j.issn.2096-6717.2022.036

摘要

屏蔽门渗透风量是影响地铁车站冷负荷的重要因素。提出一种屏蔽门渗透风量计算模型，基于测试风速分析，对屏蔽门单周期渗透风量进行量化，分不同位置和不同阶段研究屏蔽门渗透风的特征，通过对列车运行因素进行分析，建立一种屏蔽门渗透总风量的计算方法，以期对地铁车站的设计计算及运营等工作提供借鉴。结果表明：不同位置屏蔽门的渗透风速不同，沿着列车的运行方向，屏蔽门单周期渗透风速和风量都随门位置的变化而减小，出站侧的屏蔽门单周期渗入风量约为进站侧的65%；不同阶段屏蔽门渗透风量也存在差异，列车停靠阶段单周期渗透风量最大，为进站阶段的10倍左右；确定了屏蔽门单周期渗透风量的范围，并提出相应的计算模型，据此计算得到地铁车站屏蔽门全天的渗透风量。

关键词

地铁车站; 屏蔽门; 渗透风量; 计算模型

轨道交通已经成为人们出行的主要方式之一，越来越多的城市开始重视城市轨道交通建设。在城市轨道交通地下站场中，全高密闭式屏蔽门得到广泛应用^[

1]，活塞风引起的屏蔽门渗入风是影响车站冷负荷及地下站场空气质量的一个主要因素^{[参考文献 2-3}2-3]。

近年来，获取屏蔽门渗入风量的方法主要有3种：工程经验、模拟和实测。工程经验方面，屏蔽门渗入风量主要选用5~10 m³/s的经验值进行计算^[

4]。模拟方法方面，Ke等^{[参考文献 5

百度学术}5]、项毅^{[参考文献 6

百度学术}6]利用SES软件的运算结果作为CFD模拟的边界条件，计算列车停靠站台后隧道与站台的空气交换量。Hu等^{[参考文献 7

百度学术}7]利用SES仿真软件模拟了不同列车到达特征下的无组织渗入风量，并探究了列车到达特征对于无组织渗入风的影响规律。Yang等^{[参考文献 3

百度学术}3]通过模拟得出了不同类型活塞风井的隧道通风效果。Li等^{[参考文献 8

百度学术}8]利用STESS网格模拟了屏蔽门的漏风量，并对列车发车频率、双侧列车到达间隔、隧道长度及缝隙尺寸的影响进行了研究，提出了屏蔽门漏风量计算公式。对于现行屏蔽门渗入风量的实测手段，学者们多采用间接测量方法，即针对出入口的渗入风量及空调机组的送回风量，通过风量平衡间接得到屏蔽门渗入风量^{[参考文献 9-10}9-10]。蓝杰等^{[参考文献 9

百度学术}9]通过对车站站台扶梯口的进出风量及送排风管内风量进行测试，得到了间接测试的车站屏蔽门渗入风量，经过分析发现，车站屏蔽门渗入风量主要泄露位置为屏蔽门四周的缝隙。

隋学敏等^[

11]指出，模拟计算的不足之处在于现阶段可以模拟计算屏蔽门渗入风量的软件很多，不同软件的计算结果差异较大，与实测数据之间也存在一定差异。对于实测手段，间接测试得到的出入口风速数据与实际屏蔽门渗入风速之间存在一定的延迟^{[参考文献 12

百度学术}12]，很难让人直观地把握屏蔽门渗入风速及风量。此外，王春旺等^{[参考文献 13

百度学术}13]通过测量扶梯口断面风速获得了总的屏蔽门渗入风量，但这类间接测量方式忽略了每个屏蔽门渗入风量的差异^{[参考文献 11

百度学术}11]。

为了更加直观地得到屏蔽门渗入风的相关数据，提出一套针对屏蔽门渗入风速的直接测试方法，定量地将测试数据转化为风量数据，并通过运行因素分析，提出屏蔽门风量计算模型，最终得到屏蔽门全天总的渗入风量。

1 测试介绍

选取重庆市4个轨道交通地下站点进行测试，埋深范围为14.2~46.0 m，站台形式为常见的岛式站台^[

14]，车站基本使用8节编组列车，每个车站的屏蔽门数量均为48个，为了减少人员活动的干扰，选择客流量相对较少的时段进行测试。

提出两种假设与前提：1）忽略人员活动的影响；2）忽略屏蔽门开启与关闭过程对屏蔽门渗透风的影响。

结合已有研究^[

15-17]和车站实际情况制订相关测试方案，沿着列车运行方向，每个测试站点选择站台一侧的进站侧、中间及出站侧3个屏蔽门进行测试，测试时长涵盖一个完整进出站周期。采用手持风速仪的方式对每个门每个测点的渗入风速逐次进行记录，同时仪器上绑上飘带，以辨别风向。列车进出站时屏蔽门四周测点主要分布如图1所示，列车停靠时屏蔽门四周测点主要分布如图2所示。表1所示为测试仪器的基本情况，图3所示为测试现场。

图1 列车进出站时屏蔽门渗透风速测点分布

Fig. 1 Distribution of measuring points of penetration wind speed of PSD when the train enters or leaves the station

图2 列车停靠时屏蔽门渗透风速测点分布

Fig. 2 Distribution of measuring points of penetration wind speed of PSD when the train stops

表1 主要测试仪器及参数

Table 1 Main testing instruments and parameters

名称

测试参数

量程/（m·s^-1）

精度

记录方式

图片

WFWZY-1万向

风速仪

风速

0.05~30

5%±0.05m/s

自动记录，每2 s记录一次

图3 测试现场图

Fig. 3 Picture of test site

此外，列车进出站时引起屏蔽门渗入风的主要位置是屏蔽门四周的缝隙，经测量，全高屏蔽门滑动门门扇与门楣、门槛面之间的间隙为10 mm，滑动门与滑动门立柱之间的间隙为6 mm，这也满足相关研究及规范对渗入缝隙尺寸的限定^[

9,18]。屏蔽门大小尺寸为2 m×2 m。

2 屏蔽门渗透风速

2.1 屏蔽门渗透风的渗透过程

图4为屏蔽门渗入风流动示意图，图5为出站侧屏蔽门下方靠近出站侧缝隙方向测点一个测量周期内的风速变化，以此作为屏蔽门逐时渗透风速变化示意。如图4、图5所示，按照时间段，屏蔽门渗透风渗入的每个周期划分为3个阶段：列车进站、列车停靠及列车出站。列车进站时，由于车头的正压，伴随着列车的运动，隧道内大量空气透过屏蔽门系统缝隙进入车站，风速为正值；列车停靠后，站台屏蔽门开启，由于惯性，列车附近的空气会继续运动，此时渗透风主要通过敞开的屏蔽门进入站台，风速依然为正值；当列车出站时，由于车尾的负压作用，车站内的空气会通过缝隙进入隧道，风速为负值。对测试列车进站、停靠及出站的时间进行统计，结果见表2。结合图5，将缝隙处风速数据开始增大到屏蔽门开启前的时段视作列车进站阶段（t₁—t₂），屏蔽门开启的时段视为列车停靠阶段（t₂—t₃），屏蔽门关闭到风速减小到很小或者为零的时段视为列车出站阶段（t₃—t₄）。

图4 屏蔽门渗透风流动示意图

Fig. 4 Schematic diagram of infiltration air flow of PSD

图5 屏蔽门逐时渗透风速变化示意图

Fig. 5 Schematic diagram of hourly infiltration wind speed change of PSD

表2 8节编组列车车站各阶段时长统计

Table 2 Time length statistics of each stage of eight car marshalling train station

阶段	时间/s
列车进站	99~111
列车停靠	19~21
列车出站	82~94

2.2 单个屏蔽门渗入风速计算

由于屏蔽门四周缝隙渗入面积不一样，因此，对各测点屏蔽门平均渗入风速取渗入面积的加权平均，可以得到各阶段、各位置单个屏蔽门各阶段渗入风速，处理过程为

{\bar{v}}_{i, k}_{} = \frac{\sum_{j = 1}^{4} v_{i, j, k} S_{j}}{\sum_{j = 1}^{4} S_{j}}

（1）

式中： ${\bar{v}}_{i, k}_{}$ 为不同位置屏蔽门不同阶段的平均渗入风速，m/s；i为屏蔽门不同的位置，i=1、2、3，分别代表进站侧、中间及出站侧3个位置；k为屏蔽门渗入风的不同阶段，k=in、arrival、out，分别表示列车进站、停靠及出站阶段；v_i_,_j_,_k为不同位置屏蔽门不同缝隙不同阶段的平均渗入风速，m/s；j为屏蔽门不同缝隙的位置，j=1、2、3、4，分别表示上侧缝隙、下侧缝隙、进站侧缝隙及出站侧缝隙；S_j为不同缝隙的渗入面积，m²，S₁=S₂=0.02 m²，S₃=S₄=0.012 m²。

对于式（1）中的v_i_,_j_,_k，可以进一步利用积分求平均值。

{v_{}}_{i, j, k} = \frac{\int v_{i, j, k, n} d t}{t_{k}} \approx \frac{∆ t \sum_{n = 1}^{t_{k}} v_{i, j, k, n}}{t_{k}}

（2）

式中：v_i_,_j_,_k_,_n为不同位置屏蔽门不同缝隙不同阶段的逐时渗入风速，m/s；t_k为各阶段的时长，s，根据表2取值；Δt为区间间隔，s（理论上与仪器的记数间隔相等）。

2.3 单个屏蔽门渗入风速分析

对屏蔽门渗入风速进行计算整理，得到各位置屏蔽门的平均渗入风速值范围，如表3所示。由表3可见，沿着列车进站的方向，随着屏蔽门位置的变化，屏蔽门平均渗入风速在绝对值上逐渐变小。如图6所示，列车进站时，中间及出站侧屏蔽门分别约为进站侧的76%、67%；列车停靠时，中间侧及出站侧屏蔽门分别约为进站侧的68%、62%；列车出站时，中间侧及出站侧屏蔽门分别约为进站侧的92%、64%。列车出站刚启动时，车尾位置为负压，车头位置为正压，大量空气从进站侧屏蔽门处涌入隧道，伴随着列车运行，出站侧屏蔽门逐渐变为负压，进站侧至出站侧方向屏蔽门两侧压差逐渐减小，风速数值也逐渐减小。由此可见，在计算屏蔽门渗入总风量时要考虑屏蔽门位置的差异性。

表3 不同位置屏蔽门的平均渗入风速值范围

Table 3 Range of average infiltration wind speed of PSD at different positions

阶段	进站侧/(m·s^-1)	中间侧/(m·s^-1)	出站侧/(m·s^-1)
列车进站	0.67~0.77	0.51~0.58	0.44~0.49
列车停靠	0.47~0.54	0.32~0.37	0.31~0.36
列车出站	-0.63~-0.54	-0.57~-0.50	-0.41~-0.36

注：该风速已经按照射流方式修正为缝隙风速。

图6 屏蔽门渗入风速随屏蔽门位置的变化

Fig. 6 Variation of infiltration wind speed of PSD with PSD position

3 屏蔽门渗入风量

3.1 屏蔽门渗入风量计算

3.2.1 单个屏蔽门单周期渗入风量计算

基于单个屏蔽门渗透风速的计算分析可以得到各屏蔽门单周期渗入风量。

G_{i} = g_{i, i n} t_{i n} + g_{i, a r r i v a l} t_{a r r i v a l}

（3）

G_{i, 净} = g_{i, i n} t_{i n} + g_{i, a r r i v a l} t_{a r r i v a l} - g_{i, o u t} t_{o u t}

（4）

式中：G_i为不同位置屏蔽门单周期总渗入风量，m³；G_i_,净为不同位置屏蔽门单周期渗入风量净值，m³；g_i_,in、g_i_,arrival、g_i_,out分别为不同位置屏蔽门进站、停靠及出站时单位时间内的渗入风量，m³/s。

对于式（3）、式（4）中的g，可以进一步表示为

\{\begin{matrix} g_{i, i n} = {\bar{v}}_{i, i n} A_{c r a c k} \\ g_{i, a r r i v a l} = {\bar{v}}_{i, a r r i v a l} A_{d o o r} \\ g_{i, o u t} = {\bar{v}}_{i, o u t} A_{c r a c k} \end{matrix}

（5）

式中：A_crack、A_door分别为屏蔽门四周缝隙的总面积以及屏蔽门面积，m²。

3.2.2 单周期屏蔽门渗入风量计算

通过单个屏蔽门单周期渗入风量的计算，可以进一步得到各阶段屏蔽门单周期渗入风量。

G_{k} = \frac{N}{3} \sum_{i = 1}^{3} G_{i, k}

（6）

式中：G_k为不同阶段屏蔽门单周期渗入风总量，m³；G_i_,_k为不同阶段不同位置屏蔽门的渗入风量，m³；N为屏蔽门个数。

通过式（6）求得不同阶段屏蔽门单周期渗入总风量后，便可得到总的屏蔽门单周期渗入风量。

G = G_{i n} + G_{a r r i v a l}

（7）

G_{净} = G_{i n} + G_{a r r i v a l} - G_{o u t}

（8）

g = \frac{G}{t_{i n} + t_{a r r i v a l}}

（9）

g_{净} = \frac{G_{净}}{t_{i n} + t_{a r r i v a l} + t_{o u t}}

（10）

式中：G为屏蔽门单周期渗入风量总值，m³；G_净为屏蔽门单周期渗入风量净值，m³；g为单位时间屏蔽门渗入风量，m³/s；g_净为单位时间屏蔽门渗入风量净值，m³/s。

3.2 单个屏蔽门渗入风量分析

基于上述计算过程，结合表3对不同位置屏蔽门各阶段单周期渗入风量进行计算，得到风量范围，如图7所示。不同阶段屏蔽门单周期渗入风量随着列车运行方向逐渐减小，这与风速变化规律相符。在列车进出站阶段，每个运行周期不同位置屏蔽门的渗入风量都较小，列车停靠阶段屏蔽门渗入风量较大，这是因为列车停靠时屏蔽门打开，渗入面积是整个屏蔽门而非缝隙，因此，渗入的风量较大，并且风量范围也较大，列车停靠后屏蔽门的单周期渗入风量是列车进站时的10倍左右。

图7 不同阶段各屏蔽门单周期的渗入风量

Fig. 7 Single cycle infiltration air volume of each PSD in different stages

图8为不同屏蔽门位置屏蔽门单周期渗入风量总量及净量。沿着列车的运行方向，屏蔽门单周期的渗入风量和净量都随着屏蔽门位置的变化而减小，且出站侧屏蔽门单周期渗入风量总量与净量均是进站侧的65%左右。

图8 不同位置屏蔽门单周期的渗入风量

Fig. 8 Single cycle infiltration air volume of PSD at different positions

3.3 屏蔽门单周期渗入风量分析

计算得到不同阶段屏蔽门单周期总渗入风量及各阶段单位时间屏蔽门总渗入风量，并对结果进行简化，得到范围值，见表4。由表4可知，列车停靠时，单位时间内屏蔽门总渗入风量是列车进站时的42倍左右，而列车停靠时屏蔽门单周期总渗入风量是进站时的10倍左右，这是因为列车停靠阶段渗入面积大，持续时间短。

表4 不同阶段屏蔽门单周期渗入风量的范围

Table 4 Single cycle infiltration air volume range of PSD in different stages

阶段	单周期屏蔽门总渗入风量/m³	单位时间屏蔽门总渗入风量/(m·s^-1)
列车进站	160~200	1.7~1.9
列车停靠	1 400~1 650	70.8~81.4
列车出站	-150~-120	-1.6~-1.4

结合表4及式（7）~式（10）可计算得到单周期、单位时间屏蔽门渗入风量总量及净量，见表5。屏蔽门单周期总渗入风量净值约为总量的90%，单位时间内屏蔽门渗入风量净值约为总量的50%，这种差异主要是由于总量和净值包含的时间区间不同。

表5 单周期及单位时间屏蔽门渗入风量的范围

Table 5 Infiltration air volume range of PSD in singlecycle and unit time

渗入风量	屏蔽门单周期总渗入风量/m³	单位时间屏蔽门总渗入风量/(m·s^-1)
总量	1 560~1 830	12.9~15.3
净量	1 450~1 680	6.4~8.4

4 屏蔽门单日渗入风量计算模型

4.1 两侧列车同时到站的影响

将上、下行侧的列车到站情况分为两种：1）分别到站。指一侧列车离开后，另一侧列车才驶入站台；2）同时到站。指一侧列车还停在站台时，另一侧列车也停靠在站台。

分析两种情况对岛式站台渗透风速的影响，如图9所示。由图可知，两侧列车同时到站时的平均风速比两侧列车分开到站时大，进站侧屏蔽门这种差别更明显。图10列举了几次列车同时到站与分别到站时渗入风量的对比，由图可知，两侧列车同时到站时的渗入风量较大，经计算，两侧列车同时到站时的渗入风量平均是分别到站时的1.1~1.4倍。此外，在测试到的所有周期中，10%~30%的周期是两侧列车同时到站。

图9 两侧列车同时到站对屏蔽门渗入风速的影响

Fig. 9 Influence of simultaneous arrival between trains on both sides on infiltration wind speed of PSD

图10 两侧列车同时到站对屏蔽门渗入风量的影响

Fig. 10 Influence of simultaneous arrival between trains on both sides on infiltration air volume of PSD

4.2 计算模型

基于实测情况，并考虑对两侧列车同时到站的影响进行修正，将屏蔽门渗入风量的确定方法总结成计算式

G_{t o t a l} = [α λ + (1 - α)] G (\frac{T_{p}}{∆ t_{p}} + \frac{T_{u}}{∆ t_{u}})

（11）

g_{t o t a l} = \frac{G_{t o t a l}}{T_{}}

（12）

式中：G_total为单日内屏蔽门总渗入风量，m³；g_total为单日内单位时间屏蔽门渗入风量，m³/s；T、T_p、T_u分别为单日运行总时长、单日内运行高峰总时长及运行平峰总时长，s；Δt_p、Δt_u分别为运行高峰及运行平峰的发车间隔，s；α为出现两侧列车同时到站的概率，α可取10%~30%；λ为考虑两侧列车到站间隔的系数，对于岛式站台，λ可取1.1~1.4；G为单次运行周期下车站屏蔽门渗入风量，m³，可参照表5取值。

不同测试仪器给模型带来的误差不同，本研究采用的仪器带来的误差约为10%。

5 应用

可根据表5的风量范围对屏蔽门单周期总风量进行取值，结合式（11）、式（12）车站屏蔽门总渗入风量进行计算。将得到的计算模型用于某4个地铁车站屏蔽门风量计算中，依据现有研究^[

7]及车站运行实际数据，相关参数取值如表6所示。

表6 相关参数取值

Table 6 Value of relevant parameters

参数	T_p/s	Δt_p/s	T_u/s	Δt_u/s	T/s	λ	a/%
车站1	25 200	180	32 400	300	57 600	1.1~1.4	30
车站2	25 200	180	32 400	300			10
车站3	10 800	120	46 800	240			10
车站4	21 600	360	36 000	600			10

计算时，G取1 600 m³，λ取1.3，计算结果如图11、图12所示。经计算，4个车站中屏蔽门单日总渗入风量分别为432 512、408 704、497 040、209 280 m³，单日单位时间屏蔽门总渗入风量为27 032、25 544、31 065、13 080 m³/h。此外，4个车站高峰时刻单位时间总渗入风量约为平峰时刻的1.7~2.0倍，4个车站高峰时刻占比约为20%~45%。

图11 应用案例屏蔽门渗入风量

Fig. 11 Application case screen door infiltrationair volume

图12 应用案例单位时间屏蔽门渗入风量

Fig. 12 Application case infiltration air volume of PSD per unit time

6 结论

通过直接测量的方式更加直观地获取了屏蔽门渗透风速，对屏蔽门单周期渗入风量分位置、分阶段进行分析，得到屏蔽门单周期总渗入风量，基于对运行因素的分析，提出屏蔽门全天渗入风量的计算模型。得到以下结论：

1）对于不同位置的屏蔽门，沿着列车的运行方向，屏蔽门单周期渗透风速和风量都随屏蔽门位置的变化而减小，出站侧屏蔽门单周期渗入风量总量与净量均约为进站侧的65%。

2）对于不同阶段的屏蔽门，在列车进站及出站阶段，每个运行周期不同位置的屏蔽门渗入风量都较小，列车停靠站台阶段，屏蔽门渗入风量较大，列车停靠时屏蔽门单周期总渗入风量是进站时的10倍左右。

3）屏蔽门单周期渗入风量总量为1 530~1 820 m³，净渗入量为1 400~1 720 m³；单位时间屏蔽门渗入风量总量为11.5~15.0 m³/s，净渗入量为6.0~8.5 m³/s。

4）基于两侧列车同时到站的因素分析，提出屏蔽门渗入总风量的计算式。分析发现，两侧列车同时到站时的渗入风量较大，经计算，该渗入风量平均是分别到站时的1.1~1.4倍，基于此，提出屏蔽门渗入总风量的计算模型。

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