Ventilation for subway stations with adjustable platform doors created by train-induced unsteady airflow
Xin Zhang, Jiangyan Ma, Angui Li, Wenchao Lv, Wenrong Zhang, Dehui Li
a School of Building Services Science and Engineering, Xian University of Architecture and Technology, Xian, Shaanxi, 710055, China
b China Railway First Survey and Design Institute Group LTD, Xian, Shaanxi, 710043, China
A R T I C L E I N F O
Keywords:
Subway station
Adjustable platform doors
Train-induced unsteady airflow
Air inflow rate
IDA tunnel
A B S T R A C T
At present, subways (rail transit) are undergoing rapid developments worldwide accompanied by massive energy consumption. Train-induced unsteady airflow (TIUA) generates airflow through the entrances and platform doors, which affects the ventilation and thermal environment of subway stations. Adjustable platform door systems are increasingly being installed in subway stations to reduce the energy consumption by utilising TIUA. In this study, numerical modelling was performed by IDA Tunnel software to analyse the air inflow rate (AIR) through the entrances and adjustable platform doors (APDs). Four key factors, namely, the open and closed systems, bypass ducts, train intervals, and adjustable air vents, were analysed. The results demonstrate that for subway stations with adjustable air vents open, the average AIR through entrances with a closed system was 1.99–4.17 times that of the open system. Moreover, the variations of the average AIR through entrances caused by bypass ducts were less than 9.20%, and turning off the bypass ducts increased the average AIR via the APDs from 35.58% to 65.58%, when the adjustable air vents were open. In addition, the results show that the AIR via the APDs was decreased from 32.48% to 80.45% by shutting the adjustable air vents. Therefore, an innovative energy-saving strategy of environmental control system (ECS) was proposed based on the utilisation of TIUA. A winter case to optimize the ventilation control modes of TIUA is discussed. Compared with the worst mode, the heating requirements of subway stations with optimal ventilation control modes of TIUA can be reduced by 62.85%.
- Introduction
With the serious situations of energy shortage, research on energy conservation has become a top priority in the development of various industries [1]. In recent years, subways have become a key mainstay of city mass transit because of their comfort, punctuality, and safety [2,3]. The first subway started operating in London in 1863; since then, subways have been constructed in more than 60 countries [4]. In China, 34 cities had constructed subway lines by the end of 2017 constituting a total mileage of 3884 km [5]. Subway systems consume a large amount of energy because of their heavy transport capacity and increasing mileage [6]. The environmental control system (ECS) accounts for approximately 50% of the total energy consumption in subway stations [7]. The ECS is responsible for creating a comfortable environment and guaranteeing the sustainable development of subways. Therefore, re- search on energy-saving mechanisms for the ECS is significant.
When trains run in long narrow tunnels, an unsteady airflow is generated in the tunnel called train-induced unsteady airflow (TIUA).As illustrated in Fig. 1 (a), when the train enters a subway station, the tunnel air flows into the subway station, which generates a large amount of air flowing out of the station entrances. In contrast, the in- door air is sucked into the tunnel and the outdoor air runs into the subway station as the train moves away from the subway station as illustrated in Fig. 1 (b). In spring and autumn, the TIUA effect can ventilate the subway station and reduce the burden of mechanical ventilation systems [8]. In winter, the hot tunnel air can be used to improve the station temperature [9,10]. In summer, however, the TIUA causes the hot air from the tunnel and outdoors to flow into the station, which increases the load of the air-conditioning system [11]. Therefore, as lsquo;free powerrsquo;, TIUA has a significant effect on the subway environment, including positive and negative effects.
In recent years, various types of platform doors have been developed to improve the TIUA effect in subway stations [12]. As illustrated in Fig. 2 (a), platform screen doors (PSDs) completely segregate the platform area from the tunnel area, so the effect of TIUA on the subway station is considerably weakened, and the energy consumption of the air-conditioning system is decreased in the summer [12]. However, in spring and autumn, the TIUA effect cannot be sufficiently utilized to supply outdoor air to the subway station. Thus, the platform door system with adjustable air vents, known as the adjustable platform door (APD) system, was introduced as illustrated in Fig. 2 (b) [13]. The innovative APD system can effectively prevent or utilize the TIUA by controlling adjustable air vents according to the air parameters of a tunnel area and the outdoor environment.
To achieve ECS energy savings, research on pipeline resistance re- duction and equipment frequency conversion technology of air-conditioning and ventilation systems has always received significant attention [14–16]. In recent years, a new research aspect has been proposed, namely, utilising the TIUA effect. First, the air quality of the subway line was explored by on-site tests [17–22]. Yanqing Lin et al., Yongjiang Chen, and Yanping Luo et al. indicated that the CO2 concentrations in both the subway station and tunnel area could meet the requirements of code [17–20]. Song Pan et al. and Ying Wang showed that the fine particulate matter concentrations (PM2.5 and PM10) in the subway station and tunnel area were mutually correlat
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《地铁站可调节站台门用来解决列车引起的不稳定气流》
张鑫，马江艳，李安归，吕文超，张文荣，李德辉
a西安建筑科技大学建筑服务科学与工程学院，陕西西安 710055
b中国铁路第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043
文章信息
关键词:
地铁站
可调平台门
列车诱导的不稳定气流
空气流入率
IDA隧道
摘要
目前，地铁(轨道交通)正在全球范围内快速发展，伴随着大量的能源消耗。列车引起的不稳定气流(TIUA)通过入口和平台门产生气流，影响地铁车站的通风和热环境。地铁车站越来越多地安装可调节平台门系统，以利用TIUA减少能源消耗。在本研究中，利用IDA隧道软件进行数值模拟，分析通过入口和可调平台门(APDs)的空气流入率(air)。本文分析了4个关键因素，即开式和闭式系统、旁路管道、列车间隔和可调通风口。结果表明，开风道可调的地铁车站，通过封闭系统出入口的平均空气质量是开风道的1.99 ~4.17倍。此外，旁路风道引起的平均出入口空气变化小于9.20%，关闭旁路风道，当可调节通风口打开时，APDs平均出入口空气由35.58%增加到65.58%。结果表明，关闭可调通风口后，通过APDs的空气质量从32.48%下降到80.45%。因此，基于TIUA的应用，本文提出了一种创新的环境控制系统节能策略。讨论了优化通风控制方式的冬季实例。与最坏方式相比，采用TIUA最优通风控制方式的地铁车站采暖需求可降低62.85%。
1.介绍
随着能源紧缺形势的严峻，节能研究已成为各行业发展的重中之重。近年来，由于地铁舒适、准时和安全，它已经成为城市公共交通的主要支柱[2,3]。1863年，伦敦开通了第一条地铁;从那时起，地铁已经在60多个国家建成。截至2017年底，全国已有34个城市建成地铁线路，总里程3884公里。地铁系统由于其巨大的运输能力和不断增加的里程而消耗大量的能源。环境控制系统(ECS)约占地铁车站总能耗的50%。ECS负责创造舒适的环境，保障地铁的可持续发展。因此，对ECS节能机制的研究具有重要意义。
当列车在狭长的隧道中运行时，隧道内会产生一种不稳定气流，称为列车诱导的不稳定气流。如图1 (a)所示，当列车进入地铁站时，隧道内的空气流入地铁站，产生大量的空气从地铁站入口流出。相比之下,在空气从门吸进隧道,室外空气随着火车跑到地铁站里，见图1 (b)。在春天和秋天,TIUA效应可以使地铁站通风和减少机械通风系统的负担[8]。在冬季，隧道里的热空气可以用来提高车站温度[9,10]。然而，在夏季，隧道和室外的热空气流入车站，增加了空调系统[11]的负荷。因此，作为一种“自由的力量”，TIUA对地铁环境有着显著的影响，包括积极和消极的影响。
近年来，各种类型的站台门被开发出来，以改善地铁站的TIUA效果。如图2 (a)所示，站台屏蔽门(PSDs)将站台区域与隧道区域完全隔离，使得TIUA对地铁站的影响明显减弱，夏季[12]时空调系统能耗降低。但在春秋两季，TIUA效应不能充分利用，为地铁站提供室外空气。因此，如图2 (b)[13]所示，引入了具有可调通风口的平台门系统，称为可调平台门(APD)系统。该创新的APD系统可以根据隧道区域的空气参数和室外环境来控制可调节的通风口，从而有效地防止或利用TIUA。
为了实现ECS节能，空调通风系统的管道阻力调节和设备变频技术的研究一直备受关注[14-16]。近年来，人们提出了一个新的研究方向，即利用TIUA效应。首先，对地铁线路的空气质量进行了现场测试[17-22]。林延庆、陈永江、罗彦平等研究表明，地铁车站和隧道区域的CO2浓度均可满足规范要求[17-20]。潘松和王颖等研究表明，地铁站和隧道区域的细颗粒物(PM2.5和PM10)浓度与室外环境相互关联[21-23]。当室外环境颗粒物浓度[21]较低时，通过开启可调通风口，平台内颗粒物浓度在2小时内下降32%。其次，通过理论计算、实验和模拟等手段对隧道中的TIUA进行了研究[24-28]。例如，张等人提出了隧道中TIUA通风率的通用预测公式。林等人在实际地铁[25]隧道中研究了活塞通风井对TIUA的影响。列车运行速度、隧道截面积和长度以及自然通风管道等因素对隧道中TIUA的影响已经通过一系列的建模练习进行了研究[26-28]，但大多数研究只建立了一个隧道并进行了分析。考虑到TIUA的使用，很少有结果可用于地铁站的空调和通风系统设计。第三，地铁站TIUA的研究仍处于探索阶段。地铁站可调节通风口开放的最大气流速度可以满足需求的代码如图所示，由杨和张(29、30)完成。根据张和关等人在实际地铁站的测量，TIUA产生的空气通过入口的渗透确保了100%的新鲜空气需求[8，31]。此外，利用TIUA的列车制动能量可以改善地铁车站冬季的热环境，特别是在严寒地区[9,10]。最重要的是，以往的研究显示，使用TIUA是一种有效方法来为环保系统节省能源。然而，由于TIUA的复杂性和不稳定性，地铁车站TIUA的通风特性及其影响因素尚未得到充分的研究。
为了确定地铁车站的通风特性和影响因素，降低ECS能耗，数值模拟是一种有效的方法。由于网格数量大，计算机性能好，计算时间长，三维数值模拟的应用受到限制。一维(1D)模型方法适用于计算时间较短的大型地铁线路[10]的模拟。
本研究的目的在于揭示通过车站入口的气流特征以及由TIUA产生的APDs。以某实际地铁线路为例，利用IDA隧道软件建立一维数值模型，分析了影响地铁的一些因素，包括开闭系统、旁路、列车间隔、可调式通风口等，从而有效地利用TIUA。此外，本文还提出了一种新的方法来获得ECS的节能运行策略。以某地铁车站冬季通风控制方式的优化设计为例进行了探讨。本研究对地铁车站通风空调系统的发展提供了很大的潜力，具有重要的设计指导意义。
2.本文使用术语解释
2.1. TIUA的通风控制方式
对已建成的地铁站，确定了地铁线路的结构参数和列车参数。TIUA的控制一般依赖于开闭系统、旁路管道和可调通风口。因此，本文将这三个控制单元的运行模式定义为TIUA的通风控制模式。
2.2. 列车到站时间间隔
如图3所示，列车间隔(△T)为同一隧道内两列列车依次到达地铁站的时间间隔。到达时间间隔(△t)为列车从上、下隧道依次到达地铁站的时间间隔。
2.3. 开闭系统
根据地铁站实际运行情况，地铁站上游位置(沿列车行驶方向)一般没有活塞通风井，阻尼器1和3继续关闭，如图4中所示(b)。因此,打开活塞通风竖井下游位置的地铁站(阻尼器2和4)，被描述为一个“开放的系统”,同时关闭活塞通风竖井下游位置的地铁站被认为是一个“封闭系统”。
- 方法
3.1数值方法
3.1.1 IDA隧道简介
本研究采用瑞典EQUA公司开发的一维动态模拟软件，是种模拟IDA隧道的软件，对公路、铁路隧道进行通风、火灾模拟。它模拟了地下道路或轨道隧道网络中气流的热物理特性，如1)TIUA效应、2)自然通风和叠加效应、3)热负荷和对地面和其他隧道的传热，并预测了长期积累的地面条件等[33,34]。基于连续性、动量和能量守恒定律，气流和传热的控制方程如下:
质量守恒：
动量守恒：
节约能量：
IDA隧道已经应用于世界各地的各种地铁工程实践，如斯德哥尔摩(1998)、伦敦(2004)、赫尔辛基(2006)和北京(2016)的地铁线路[10,35]。
3.1.2数值模型建立
根据现有地铁线路，以艾达隧道为例，建立了包括7个地铁站和8个隧道断面的数值模型。如图4 (a)所示，描述了两个站点之间每个隧道段的长度。站D是一个典型的岛站，它采用美国系统，见图4 (b)。大厅里(广场)和平台上，乘客所在公共区域的尺寸在75.5米（长）times;16.8米(宽)times;4.4 米(高)和114 米(长)times;10米(宽)times;4.5米 (高)。A、B、C、D入口尺寸分别为52.3 mtimes;4.6 mtimes;2.5 m、68.5 mtimes;5.1 mtimes;2.5 m、45.5 mtimes;5.1 mtimes;2.6 m、47.0 mtimes;4.6 mtimes;2.6 m。隧道上方有两个活塞通风井，其截面积为20平方米，长度为54米。旁通管位于地铁站两端，截面积为22 ㎡，长度为10 m。如图2 (b)所示，平台层每侧滑动门面积为54 ㎡，平台层每侧可调通风口最大开面积为50 ㎡。列车由6节车厢组成，车厢尺寸为117 m (长)times;2.8 m (宽)times;3.8 m (高)。图5为D地铁站一维模型示意图。在一维模型中，将各支路划分为突然收缩、突然扩张、弯头等阻力分量;根据文献[36,37]提供的实验值计算各支路的阻力系数。如:入口阻力系数为6.15，活塞通风井阻力系数为3.86。
3.1.3参数设置
灯具、广告屏、电梯、设备的散热情况如表1所示，由设计师[10]根据其额定功率和热系数计算。此外，根据设计，在大厅和站台同时出现的最大乘客人数在最近两个阶段都是250人。当车站同时呈现的乘客数达到最大设计数时，乘客流量系数为1.00。当车站内无乘客时，乘客流量系数为0.00(23:00 ~ 06:00)。表2显示了根据设计者[10]设计的乘客流量系数。表3总结了TIUA的通风控制模式。列车时间间隔(△T)和到达时间间隔(△T)见表4。列车最高速度为16.7 ㎡/s，最大加速度为0.83 m/s^2，最大减速为0.94 m/s^2。火车在每个车站停留的时间定在40秒。计算的时间步长是0.2秒。
3.1.4数值方法验证
该数值方法在之前的[10]研究中得到了现场试验的验证。计算结果与实测数据的平均偏差分别为22.9%和28.1%[10]。由于隧道内和活塞通风井内的不稳定气流很小，稍有偏差就会造成较大的误差。另外，如图6所示，将TESTO 480多功能测量仪置于车站入口直线通道内，记录气温。A、B、C、D四个入口温度数值结果与实测数据的平均偏差分别为18.09%、13.85%、18.59%、15.33%。因此，利用IDA隧道模拟方法可以预测地铁车站的气温和风速。
3.2.数据分析方法
本研究采用极差分析法，探讨各因素的比较意义。Rj范围定义为Kji的最大值和最小值之差，用[38]表示。
表5为影响因素及水平。
-
结果和讨论
- 分析通过入口的空气和由TIUA创建的apd
4.1.1开放和封闭系统的影响
4.1.1.1.
在封闭旁路条件下。从图7 (a)、(b)、(c)可以看出，通过入口的空气随着到达时间间隔(△t)的变化而变化。对于出入口空气的变化曲线不一致，解释为地铁站的TIUA受到列车速度、开闭系统、旁路管道等多种因素的影响。此外，列车到达时间间隔(△t)的差异实际上是地铁车站所承受的压力的强度和持续时间的差异。因此，通过TIUA产生的入口的空气呈现出复杂的变化曲线。即便如此,通过封闭系统的入口的空气总是比开放系统的大,如图7中所示(a),(b)和(c)。原因在于,当火车离开地铁站,充足的室外空气被吸进隧道,通过打开活塞式通风竖井，削弱了空气在地铁上的吸力作用[39]。因此，通过开放系统的入口的空气较小。当列车间隔为180 s、240 s、300 s时，如图7 (d)所示，通过封闭系统入口的平均气量分别为开放系统的4.17、2.76、2.24倍。
图8 (a)、(b)、(c)为不同到达时间间隔(△t)的APDs的空气图。列车间隔的180秒,通过APDs与封闭系统的空气始终低于开放系统，图8中所示(a)。然而,当列车运行间隔为240 s时，开闭系统间空气通过APDs的曲线相似,见图8 (b)。在列车间隔300秒的情况下，通过APDs的封闭系统的空气始终大于开放系统的空气，图8中所示(c)。作为一个总体趋势,随着列车运行间隔的增加，通过APDs的较大的空气量表现为从开放系统向封闭系统的过渡。结果表明，开闭系统通过APDs对空气的影响比列车间隔小。根据实际列车行驶情况，平均空气被认为是更重要的数据，以调查地铁车站由TIUA引起的通风。如图8 (d)所示，当列车间隔为180 s、240 s、300 s时，封闭系统APDs的空气质量分别是开放系统的0.70、1.02、1.20倍
4.1.1.2.
在开放旁路管道条件下。从图9 (a)、(b)和(c)可以看出，通过封闭系统入口的空气总是超过开放系统入口的空气。从图9 (d)可以看出，封闭系统通过入口的平均气量分别是180 s、240 s和300 s的开放系统的3.53倍、2.50倍和1.99倍。
虽然空气通过APDs在开闭系统之间的曲线相交于240 s和300 s的列车间隔(参见图10 (b)和(c)),随着列车运行间隔的增加，通过APDs的较大的空气量表现为从开放系统向封闭系统的过渡。如图10 (d)所示，当列车运行间隔为180 s、240 s和300 s时，通过APDs得到的封闭系统的气量分别是开放系统的0.72、0.93和1.07倍。
结果表明，随着列车进站间隔的减小，开闭系统对进站空气的影响逐渐增大。此外，通过入口的空气在封闭系统和开放系统之间的差异，在封闭旁路条件下比开放旁路条件下更明显。此外，随着列车间隔的不同，开闭系统对空气的影响也不同。研究表明，列车运行间隔时间是影响地铁车站空气质量的关键因素。
4.1.2.旁通管的影响
4.1.2.1.
在封闭系统条件下。如图11 (a)、(b)、(c)所示，在保持封闭系统的情况下，通过入口
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