城市地铁活塞风对地铁环境的影响规律与有效应用分析
活塞效应效率对地铁轨道区排热的影响
活塞效应效率对地铁轨道区排热的影响华正博【摘要】In this paper, the Subway Environment Simulation program is used to calculate the different metro ventilation mode, and analyzed the temperature distributions in the tunnel which with or without the Track Exhaust System in the normal operation mode. The results showed that,the highest temperature in the tunnel without the Track Exhaust System is 2.9℃ higher than the tunnel with the Track Exhaust System. The piston effects efficiency on both metro ventilation modes is analyzed to explain the temperature difference.%针对地铁轨行区不同的通风模式，利用SES软件对某地铁进行模拟计算，分别分析了正常工况下轨行区有、无轨道排热系统两种情况下的隧道空气温度分布情况，得到无TES比有TES时隧道空气最高温度高2.9℃的结论。
通过分析不同模式下的活塞效应效率值来解释导致2.9℃温差的原因。
【期刊名称】《制冷与空调（四川）》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】4页(P183-185,190)【关键词】地铁轨行区;轨道排热系统;活塞效应效率【作者】华正博【作者单位】中国建筑西南设计研究院有限公司成都 610041【正文语种】中文【中图分类】TU834地铁轨行区的排热是地铁环控的重要环节，目前常见的地铁轨行区排热模式主要有两种，第一种通风模式是地铁车站轨行区设置了轨道排热系统（TES），TES包括轨顶排热（OTE）和轨底排热（UPE），分别在轨行区顶部和底部设置排热风口，通过排热风道将轨行区的热量由排风井排出地面[1]。
地铁隧道活塞风成风影响因子分析
地铁隧道活塞风成风影响因子分析田卫明;翁其能;张建伟;张志敏【摘要】地铁列车在进站或驶离车站过程中产生的活塞效应及其活塞风与地铁通风和能耗关系密切.随着地铁的广泛应用,如何在保证满足站厅和站台层舒适度要求的前提下,尽可能的降低能耗,减少运行费用,是建设和管理部门必须考虑的问题.所以有关活塞风的合理利用对于实现地铁运营节能具有重要的理论价值和实际意义.从活塞风的成因出发,系统的研究了影响活塞风成风大小的因素,对影响活塞风成风的主要因素进行了SES单因素模拟试验,并指出活塞风成风因素的优化选择.这既是合理利用活塞风以实现进一步节能的有效途径,也为地铁设计和运营提供理论上的支持和技术上的参考.%The piston wind and the piston effect, which will be produced when the subway enters or leaves the subway sta tion , have close relationship with the ventilation of railway tunnel and energy consumption of the subway. With the wide ap plication of underground rail transit, how to save energy and money as possible, with the comfort of the stand halls and the platform layers, is a question that the construction and management apartment have to consider. Therefore, the rational utili zation of piston wind has important theoretical and practical significance to achieve saving energy consumption in railway transportation. Starting from the causes of piston wind, the factors which influence the size of piston wind was studied sys tematically. And SES simulation was carried on to explore influencing reasons of the piston wind, and a better choice of the piston wind was pointed out. Rational utilization of piston wind is not only good to achieve further energy-saving effective way, but also providethe theoretical support and provide technical reference for subway design and operation.【期刊名称】《重庆交通大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(031)001【总页数】4页(P41-43,47)【关键词】地铁;活塞风;单因素;SES模拟;影响因子【作者】田卫明;翁其能;张建伟;张志敏【作者单位】重庆交通大学土木建筑学院,重庆400074;重庆交通大学河海学院,重庆400074;重庆交通大学土木建筑学院,重庆400074;重庆交通大学河海学院,重庆400074【正文语种】中文【中图分类】U453.5随着目前经济的高速发展，对交通业的要求也越来越高。
地铁隧道活塞风实测及特征分析
可见，各测点的风速和温度随着列车的驶入和驶离呈周期性的变化。活塞风道内的测点VP1和VP3受室外进出气流的影响不仅风速变化显著，而且温度也起伏有序地变化。冬季活塞风道中测点VP1和VP3风速的波动幅度较夏季的小，且其温度冬、夏季分别在3～14 ℃和28～35 ℃之间波动。站台隧道进站端测点VP7的风速波动幅度比出站端测点VP5的风速波动幅度大，但因其均处于隧道内部，故温度整体稳定，仅有微小波动。冬季早高峰测点VP5温度为17.49 ℃左右，VP7的为18.54 ℃左右；夏季晚高峰测点VP5温度为26.02 ℃左右，VP7的为25.59 ℃左右。
1.1 测试仪器
测试仪器选用能达到微风启动的、可以同时测量温度、湿度、风速、压力等多个参数、储存容量约为1.8 G的 Testo480多功能测量仪，内置2个K型热电偶接头和3个数字探头，该仪器由一高度约为1.3 m的三脚架支撑。该仪器温度测量范围为-200.0～+1 370.0 ℃，精度为±(0.3 ℃+测量值的0.1%)；所内置的差压传感器的量程为-25～25 hPa，精度为±0.3 Pa，分辨率为0.1 Pa；内置的大气压传感器的量程为700～1 100 hPa，精度为±3 hPa，分辨率0.1 hPa；内置的热线风速传感器的量程为0～20 m/s，精度为±0.03 m/s，分辨率为0.01 m/s。
根据流体力学的基本原理，当管内流体雷诺数Re>4 000时，流动逐渐转化为湍流。地铁活塞风可视为湍流，且整个流动横断面上的速度及温度分布比较均匀，可近似视为沿隧道方向的一维流动[4-5]。因此，监测隧道横断面上某点的风速可代表整个断面的平均风速。
城市地铁活塞风对地铁环境的影响规律与有效应用分析
编号：AQ-JS-05998( 安全技术)单位：_____________________审批：_____________________日期：_____________________WORD文档/ A4打印/ 可编辑城市地铁活塞风对地铁环境的影响规律与有效应用分析Influence law and effective application analysis of piston wind on Subway Environment城市地铁活塞风对地铁环境的影响规律与有效应用分析使用备注：技术安全主要是通过对技术和安全本质性的再认识以提高对技术和安全的理解，进而形成更加科学的技术安全观，并在新技术安全观指引下改进安全技术和安全措施，最终达到提高安全性的目的。
活塞风通过隧道和出入口引起地铁环境的变化,是地铁能耗的重要影响因素，在过渡季节和冬季充分利用活塞风是实现地铁通风系统进一步节能的有效措施。
风口屏蔽门系统可有效利用活塞风,因其兼具安全、舒适的特点，较之传统的半高安全门系统和屏蔽门系统具有许多优点，重点探讨活塞风对地铁环境的影响规律、活塞风的有效利用对地铁通风空调系统能耗的影响和带风口屏蔽门系统在北方城市的适用性。
某城市地铁概况某城市地铁里程全长26.188公里，全线共设22座车站，其中高架站有8座，地下站有13座，地面车站有1座，站间距离最小为0.784公里，最大为1.624公里，平均为1.225公里，站台有效长度均为120m，站台两端部均有站端风井，每站4条，区间隧道有双跨矩形有中柱(双线单洞)、双跨矩形有隔墙、单跨矩形、圆型盾构四种，车站两端各有两个机械风井，既有线各区间中部均有两个机械风井，列车车厢尺寸长宽高值分别为19.52m、2.8m、3.51m，动车自重37t，拖车自重27t,带司机室车定员252人，一列载额定乘客列车总质量为298.2t。
安装了平均高度为1.4m的安全门，拓宽看乘客在候车时的站立空间,适当减少活塞风对站台的影响，降低列车进出站时产生的噪声，在过渡季和冬季还可以利用活塞风满足车站新风需求。
地铁出入口活塞风有效通风量分析
地铁出入口活塞风有效通风量分析在城市建设中，地铁是现代城市交通中不可或缺的一部分，它不仅能够减少城市交通拥堵，提高城市运行效率，还能便捷市民出行。
然而，在日渐严重的空气污染下，地铁站内的通风工作变得尤为重要。
本文将以地铁出入口活塞风有效通风量为研究对象，探讨其特点及其对地铁通风的影响。
一、地铁出入口活塞风的特点地铁出入口活塞风是指地铁行车过程中，由车厢运动而产生的一种气流，它在地铁的进站口及出站口中的作用较为显著。
活塞风的产生主要是由于车厢在隧道中移动时，挤压了前方气流，形成气压较高区域。
当车厢经过出入口时，压缩气体会形成压缩波，从而形成活塞风，这可使地铁站内湿度、温度、污染物等指标发生变化。
二、地铁出入口活塞风对通风的影响1. 活塞风对地铁站内环境的影响活塞风的产生会对地铁站内的环境产生影响，主要体现在以下几个方面：（1）影响人员出入。
由于活塞风已成为一种重要的地铁安全因素，因此，在地铁站的进出站口处设置了大量的风口和通风设备，也可在一定程度上调整活塞风的作用，以确保地铁站内的空气流通。
（2）影响空气质量。
活塞风会使地铁站内的空气流动加速，从而使空气中的有害物质扩散更加迅速，影响空气质量。
（3）影响舒适度。
由于活塞风会扰动站内空气，使得空气温度、湿度等指标波动，进而影响人员的舒适度。
2. 活塞风对地铁通风的作用活塞风对地铁通风的作用主要表现在以下几个方面：（1）通过活塞风能够加速地铁站内空气的流动，增加通风效果。
（2）对通风设备的配置有一定的要求。
在地铁站的进出站口处配置通风设备，能够形成气流，减小活塞风对地铁通风的影响。
（3）需要加强通风管理。
由于活塞风对地铁站内空气产生影响，因此在地铁站的通风管理上需要加强，在通风时应考虑到活塞风的影响，合理调整通风设备及其运行方式，确保空气质量的合格。
三、地铁出入口活塞风有效通风量的分析为了研究活塞风对地铁通风的作用，我们有必要对地铁出入口活塞风有效通风量进行分析，有效通风量作为地铁通风设计中的重要指标，它对于保障地铁站内空气质量有着重要的意义。
046北方地铁活塞风有效利用研究
北方地铁活塞风有效利用研究天津大学环境学院尹奎超由世俊董书芸摘要：地铁活塞风对地铁环控影响复杂，活塞风通过站台和出入口引起地铁能耗的变化，是地铁能耗的重要影响因素。
在过渡季节和冬季充分利用活塞风是实现地铁通风系统进一步节能的有效措施。
本文提出了一种新的屏蔽门形式——带风口屏蔽门，该系统可有效利用活塞风，因其兼具安全、舒适的特点，较之传统的半高安全门系统和屏蔽门系统具有许多优点。
本文就天津地铁车站的大量实测数据分析了既有地铁环控系统下活塞风对地铁环境的影响规律，利用CFD对带风口屏蔽门的系统进行了速度场、温度场，分析了活塞风的有效利用及带风口屏蔽门系统在北方城市的节能性和适用性。
关键词：活塞风,屏蔽门系统,CFD模拟,节能0引言随着城市地铁的迅速发展，地铁环境控制问题也愈来愈引起人们的关注。
地铁列车的运动引起的活塞风使车站通道和站台上的乘客要忍受较高风速的干扰。
列车产生的大量散热以及客流量增高使地铁内温度逐年升高[1]。
如何合理有效地控制利用地铁活塞风，制定出最优的系统运行方案，从而既满足地铁内乘客舒适度要求，保证地铁系统正常运营，又能充分的图1-3 下瓦房站站台温度测点布置图1.1 活塞风引起的速度场分析双层岛式站台隧道进站口速度变化如图1-4所示。
37～55s为进站过程，79～95s为出站过程。
列车进站前30s左右列车进站口风速即开始变大，当列车到达进站口附近时风速可达到5.7m/s，列车有一半车体进站后风速即突降到1m/s左右，列车停稳后进站口风速仍然会有小的波动。
由于天津地铁基本为4节车厢编组[2]，因此列车岀站时，其进站口风速变化不大。
图1-4下瓦房站隧道进站口速度变化图楼梯口风速：列车进站时最大可达2.41m/s ，列车出站时最大可达1.67m/s 。
下瓦房站共有3个楼梯口，则列车进站和出站时平均换气量约29m 3/s ，持续时间40s ，则可得到一次列车进出站过程可实现换气量1160m 3，按每小时六对列车计算，则换气量为13920 m 3/h ，站台按160m×18m×3m 计算折合站台换气次数约1.6次/h 。
地铁活塞风的分析计算与有效利用
CD
≈
Δp ρ u 2σ
= C D ∞ (1 − β ) 2
2
（4）
将式（3）代入式（4），即可求得活塞风速 uh。式（4）中 L→∞时的地铁列车牵引系数 CD∞可由 SES 软件的使用手册查得。
1.2.2 三维非定常流动计算方法 1）数学物理模型
考虑到地铁隧道内活塞风的运动是一种非常复杂的非定常、不等熵湍流运动[4]，为了比 较并确认1.2.1节一维定常流动计算方法的可行性，本节考虑采用三维非定常流动计算方法进
地铁列车在进站或驶离车站过程中所产生的活塞效应及其活塞风，将对地铁隧道热环境 有很大的影响。据分析，列车运行过程中产生的热负荷占整个系统空调负荷的 90%，而此热 负荷大部分产生于区间隧道内。由于在隧道内的活塞效应产生的活塞风运动，导致了这部分 热负荷在整个地铁系统内的快速转移，进而严重影响地铁车站的热湿环境。因此，如何科学 合理地计算并评估地铁活塞风的影响，有效控制并利用地铁活塞风是非常重要的。
填补地铁列车尾部移动后形成空间的一部分空气来自环状空间，另一部分空气则来自地铁列
车驶离的车站（见图 1），该部分空气即为“活塞风”，这种现象也被称为“活塞效应”[3]。
驶离 2
车站A
2P
P Pf
1
0 P
2
P
b
L
列车
b
l
f
b
f
隧道
1 前方 1 车站B
L
x
图 1 地铁列车在区间隧道内运行过程中的压力分布 Fig.1 Pressure distribution in tunnel when train running
(The college of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing, 100022 China) Abstract: To understand the piston-effect deeply, analyze on the formation of piston-effect and the air flow characteristics in the subway, the paper takes a operating subway in Beijing as a study object, compared the calculation results of SES and the commercial CFD software PHOENICS（3.6.1）, the two showed well accordance. At the same time the SES results and the field measurement results had been compared, and showed well accordance too. Then apply the result of study to a subway HVAC design in Beijing, a draft plan of the construction of ventilation shaft that could use the piston-effect effectively to reduce the HVAC energy consumption is put forward in the new subway project. Key words: Subway; piston-effect; numerical simulation; filed measurement; optimization
地铁活塞风对车站环控速度场的影响_王丽慧
第3卷 第1期 地下空间与工程学报Vol.3 2007年2月 Chinese Journal of Undergr ound Space and Engineering Feb.2007 文章编号:167320836(2007)022*******地铁活塞风对车站环控速度场的影响3王丽慧,吴喜平(同济大学暖通空调燃气研究所,上海 200092)摘 要:通过地铁实测数据分析,研究列车进站、列车出站和交会车况下活塞风对地铁车站各单元,即站台层、站厅层、楼梯和出入口速度场的影响,分析得到站台层和站厅层两端速度场受活塞风影响较大;比较站台层、站厅层、楼梯和出入口各单元速度增加倍数大小,得到在活塞风作用下,受楼梯走向和楼梯位置影响,站台层、站厅层和楼梯速度场相互影响,并且楼梯速度场和出入口速度场变化较明显。
关键词:活塞风;站台层;站厅层;楼梯;出入口;速度场 中图分类号:U231+.1文献标识码:AThe Affect on the Subway Syste m from the P iston Acti on W i n dWANG L i2hui,W u Xi2p ing(V entilating,A ir-condition and Gas Research Institute,Tongji U niversity,Shanghai200092,China)Abstract:Thr ough the sub way test,research the affect on the vel ocity fields of the p latfor m,the undergr ound hall,the stair and the passage way fr om the p ist on acti on wind under different train conditi ons.The both ends of the p latfor m and the undergr ound hall are obvi ously afftected by the p ist on acti on paring the vel ocity increasing multi p les of the four seg ments,the vel ocity fields of the p latf or m,the undergr ound hall,the stair and the passageway inter p lay and the vel ocity fields of the stair and the passageway are influenced more obvi ously under the p ist on acti on wind affect.Keywords:the p ist on acti on wind;the p latfor m;the undergr ound hall;the stair;the passage way;the vel ocity field1 引言列车运行产生的活塞风对地铁车站环控影响较大,主要体现在进站车况,活塞风将隧道内空气带入站台,站台层处于正压,空气在正压的作用下进一步通过楼梯进入站厅层,进而通过出入口带到室外;而列车出站工况,活塞风会抽吸站台层的空气,站台层处于负压,室外空气在负压作用下进入站厅,而站厅空气经过楼梯进入站台。
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城市地铁活塞风对地铁环境的影响规律与有效应用分析
Influence law and effective application analysis of piston wind on Subway Environment
城市地铁活塞风对地铁环境的影响规律与有效应用分析
使用备注：技术安全主要是通过对技术和安全本质性的再认识以提高对技术和安全的理解，进而形成更加科学的技术安全观，并在新技术安全观指引下改进安全技术和安全措施，最终达到提高安全性的目的。
活塞风通过隧道和出入口引起地铁环境的变化,是地铁能耗的重要影响因素，在过渡季节和冬季充分利用活塞风是实现地铁通风系统进一步节能的有效措施。
风口屏蔽门系统可有效利用活塞风,因其兼具安全、舒适的特点，较之传统的半高安全门系统和屏蔽门系统具有许多优点，重点探讨活塞风对地铁环境的影响规律、活塞风的有效利用对地铁通风空调系统能耗的影响和带风口屏蔽门系统在北方城市的适用性。
某城市地铁概况
某城市地铁里程全长26.188公里，全线共设22座车站，其中高架站有8座，地下站有13座，地面车站有1座，站间距离最小为0.784公里，最大为1.624公里，平均为1.225公里，站台有效长
度均为120m，站台两端部均有站端风井，每站4条，区间隧道有双跨矩形有中柱(双线单洞)、双跨矩形有隔墙、单跨矩形、圆型盾构四种，车站两端各有两个机械风井，既有线各区间中部均有两个机械风井，列车车厢尺寸长宽高值分别为19.52m、2.8m、3.51m，动车自重37t，拖车自重27t,带司机室车定员252人，一列载额定乘客列车总质量为298.2t。
安装了平均高度为1.4m的安全门，拓宽看乘客在候车时的站立空间,适当减少活塞风对站台的影响，降低列车进出站时产生的噪声，在过渡季和冬季还可以利用活塞风满足车站新风需求。
活塞风速理论计算
当列车在隧道中运行时，隧道中的空气被列车带动而顺着列车运行前进的方向流动，这一现象称为列车的活塞作用，所形成的气流称为活塞气流。
列车在隧道中运行时,由于隧道壁所构成空间的限制,列车所推挤的空气不能全部绕流到列车后方,必然有部分空气会被列车向前推动，排出到隧道出口之外，而列车尾端后方存在着负压涡旋区域，因此也必然会有相应空气经开口被引入到隧道中，由此
形成活塞风。
如下图所示：
空气的流动要受到物理守恒定律的支配,其理论基础是空气动力学原理,即空气流动过程中的质量守恒、能量守恒和动量守恒定律。
地铁车站活塞风量的影响因素很多，如活塞的风井数量及位置、车辆对数及组数、列车运行速度、车站形式、隧道形式等，风井的位置和隧道形式不同,计算得出进站口和出站口活塞风速均不相同。
此外，车辆对数的增加将增加每小时带来的活塞风量，列车越长活塞风速越大。
活塞效应下车站温度变化影响因素
地铁车站温度的变化与其本身存在的内热源的大小有关,如照明散热量、设备散热量、客流量、列车散热量、车辆对数及编组数等有关,同时也与车站的形式、隧道的形式有关,车站的自然通风量和机械通风量关系到站内余热量排除情况,因此对车站温度变化产生了决定性的影响,而对于自然通风量大的车站,室外气温的变化也会对车站温度变化产生较大的影响。
客流量的增加使得室内余热量增加,则在通风工况不变的情况下室内空气温度将会升高，过渡季节室外新风
的温度比较低,当新风量增加的时候,可降低室内温度。
活塞风作用下,站台靠近出入口处温度变化随着室外气温的降低而有所降低。
地铁活塞风对站台环境影响规律数学模型的建立及验证
4.1构建数学模型
某车站结构尺寸为120m×19.2m×8.13m，列车尺寸规格为117.12m×2.8m×3.58m，列车冷凝器在车顶部，制动电阻在车厢底部。
站厅层只设送风口,尺寸为600mm×300mm,共64个,布置在距站厅底部装修面3.0m的高度上，站台层采用上送风,轨顶排风以及轨底回/排风的气流组织形式，送风口尺寸为700mm×350mm，共72个，分两排均匀布置在距站台板3.0m高度位置，轨顶排风口尺寸为1000mm×500mm，共108个，距站台板3.0m轨底回/排风口尺寸为500mm×300mm，两排共120个，均匀布置在站台板下面站台两侧距站台边缘约200mm的位置，设有平均高度1.4m的安全门。
在网格节点上离散方程的精确解偏离该点上相应的微分方程精确解的值，称为该点上的离散误差。
离散误差的大小同离散方程的
截断误差有关"在相同的网格步长下，一般地说，截断误差的阶数提高，离散误差会随着减小，对于同一离散格式，网格加密，离散误差也会减小。
网格质量是CFD模型中非常重要的因素之一，好的网格对于好的模拟结果非常重要，好的网格要求恰当的分辨率、光滑度、低偏斜率和适当的网格数量。
4.2建模误差分析
由于动网格的计算量比较大,并且建模过程比较复杂,不容易精确的再现实际过程,本文采用了非稳态方法，通过方波函数设置活塞风速来模拟列车通过对站台带来的影响，这样就将列车的启动、运行、刹车过程简化了，仅考虑其带来的活塞风作用。
在过渡季节的模拟中采用了非稳态方法，隧道口风速设定采用方波函数设定。
带风口屏蔽门系统活塞风数值模拟结果分析
活塞风的综合利用必然很大程度的减少风机能耗,过渡季节和冬季的舒适性仍需考虑，CFD模拟是一个可行的研究方法,大量的实验验证也说明模型建立的比较合理,从而实现了屏蔽门系统改造的优化设计。
列车自动操作时，屏蔽门是绝对有必要的，列车手动操作时，
屏蔽门亦非常有用，屏蔽门可以十分有效地提高站台安全，避免乘客因自杀、在站台里走动、推挤等而落入轨道，可以增加站台的可用表面，可以避免未经授权的人进入隧道，屏蔽门降低了空调系统的能源消耗和隧道内不必要的能耗，屏蔽门可以减少隧道灰尘、列车噪音以及列车弛行的活塞效应产生的气流进入站台。
地下铁道发生火灾时造成的人员伤亡，绝大多数是由于烟雾中的有毒气体的熏倒、中毒或窒息所致，有效的排烟已成为地铁火灾救援的重要措施。
为此，要求设置排烟设备，在布置风道时，确保排烟口的风速不宜大于10m/s，当排烟干管采用金属管道时,管道内的风速不应大于20m/s，设置带风口屏蔽门，相同高度下带风口屏蔽门系统的高温区域比屏蔽门系统小得多，可以为火灾事故情况乘客的顺利疏散争取了时间。
经过计算发现,可控风口在过渡季节活塞风可满足近期的新风要求,并带走大量余热,轨底排风可有效控制列车产生的热量不进入站台公共区,在满足乘客舒适性要求的同时,达到进一步节能的效果。
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