轨排风机排热效果实测研究发表时间：2023-07-04 13:25 摘 要: 关键词: 1 研究背景 在目前的地铁设计中，屏蔽门制式系统得到了广泛应用。由于加装了屏蔽门，车站轨行区配备专门的轨道排热系统，即设置相应的风机及配套风管、 风道，用来排出列车停靠站时的热量。在土建形式上，设置轨顶风道(OTE)来排出车顶冷凝器热量，设置轨底风道(UPE)来排出车底电阻箱等设备热量及刹车产生的热量。轨排系统的设置是为了防止地铁运行到远期后隧道出现超温问题。《地铁设计规范》(GB 50157—2013)[1]对隧道夏季空气最高温度有相应的要求：“列车车厢设置空调，车站不设置全封闭站台门时，不得高于35℃，列车车厢设置空调，车站设置全封闭站台门时，不得高于40℃。”目前，国内大多数城市的地铁运营尚处在初、近期阶段，并没有出现隧道超温现象。在实际运行中，轨排风机基本处于常关状态，业内也因此对轨排系统的实际排热效果及必要性产生了疑问，由此也开展了一系列的研究。 国内目前对轨排系统的研究集中在轨排风口的分布优化、风机节能潜力的分析、风机运行的控制策略、风机的实际排热效果等。王丽慧等[2]对上海地铁8 个典型站的轨排系统风量进行了测试，得出轨排系统实际风量与设计风量的差异，并理论计算了排热风机能耗潜力。罗辉等[3]通过建立车站隧道排热计算模型，提出了轨排系统节能的运行方式，并实测了运行效果。李娟等[4]对苏州地铁2号线车站隧道温度进行了测试，认为轨排风机不具备设置的必要性。蒋志祥等[5]在冬季工况下对上海地铁7 号线某站排热系统进行了测试，并根据测试结果提出了相关控制策略。郭永桢等[6]通过对西安某地铁站轨道排热系统进行监测，提出了适合于西安地区轨道排热系统的节能运行策略。唐凯[7]采用实测结果加数值模拟的方法，对轨排系统取消轨底排风的可行性进行了研究，分析了列车再生制动效率及列车时速对结果的影响。其余学者[8-11]多采用数值模拟的方法，研究轨排系统对地铁隧道热环境的影响。 以上研究虽不乏实测数据分析，但研究对象均为运营初、近期的地铁路线，且所在气候区多为夏热冬冷地区，结论缺乏一定的说服力，而采用数值模拟研究的方法又缺少实测数据的支撑。另外，列车停靠站时冷凝器周围会聚集大量的高温空气，轨排风机运行对冷凝器的进风温度会产生何种影响也未见相关研究的报道。因此，针对以上研究状况，笔者对华南地区某运行条件已达远期要求的地铁线路进行现场实测，内容包括车站隧道空气温度、区间隧道空气温度，同时对该线路运行列车的空调冷凝器的进风温度进行了测试。通过分析开、关轨排工况下，车站隧道、区间隧道及列车空调冷凝器进风温度的变化规律，得出了轨排系统的排热效果，说明轨排系统的必要性，也为轨排系统的设计优化提供了参考依据。 2 测试内容及方法 针对研究需求，测试对象需选择中国最热地区达到远期工况的地铁线路，所以选择了华南地区某城市的地铁线路，测试时间为2017 年7 月，为当地最热月。该线路于2009 年开通运行，至测试开展时已运行9 年，图1 为该线路各车站远期预测日客流量与测试期间实际日客流量的对比。从客流量的对比可以看出，该线路的实际运行工况已接近远期设计的运行工况。线路运行列车为6 节编组，列车制动采取再生制动方式。
图1 线路各车站实际客流量与预测客流量对比Figure 1 Actual passenger flow and forecast passenger flow comparison 2.1 车站隧道温度测点布置 车站隧道温度测试包括车站隧道空气温度测试及轨顶和轨底排风口温度测试两部分内容。在中间车厢停靠位置沿高度方向，设上、中、下3 种高度测点，T 代表上部测点，M 代表中部测点，B 代表下部测点，分别距离轨底地面3.5、1.5、0.5m。轨顶排风口布置了1 个测点，位于站台排热风室的轨顶干管排风口处，轨底排风口沿站台长度方向布置了3 个测点，如图2所示，测试仪器如表1 所示。 2.2 区间隧道空气温度测试 参考文献[12]的测试方法，区间隧道空气温度测点布置在区间隧道的中间位置，测试仪器的安装高度距轨行面约1.5 m，现场测点布置及示意如图3所示。 2.3 列车空调冷凝器进风温度测试 车站轨排系统的设置是为了保证区间隧道温度满足规范要求，保证列车空调能够正常运行，因此列车空调冷凝器的进风温度测试更能直观地反映出区间热环境对列车空调的影响。
图2 轨行区现场测点布置Figure 2 Measuring points in subway station tunnel 表1 测试仪器的主要参数Table 1 The main parameters of the test instrument
图3 区间隧道现场测点布置 Figure 3 Measuring points in tunnel 在6 节车厢对应的车顶冷凝器外罩上，各布置1个移动电源及传感器，如图4 所示。传感器的安装位置与冷凝器翅片有一定的安全距离，可保证采集数据的有效性，能真实反映冷凝器的进风温度。
图4 冷凝器进风温度测点布置Figure 4 Condenser inlet air temperature measuring points 3 测试结果分析 3.1 车站隧道温度测试结果 图5 为车站隧道连续一周的空气温度，该线路当时轨排风机处于常开模式，出于测试需要，在7～9 日3 天全线关闭轨排风机。可以看出，空气温度波动频繁，说明受行车影响较大，图中的尖峰值对应列车停靠站时刻，表明此时温度上升明显，列车空调冷凝器向隧道内排出了大量的冷凝热；空气温度在1 个工作日中有2 次峰值温度，分别对应地铁运营的早、晚高峰；沿高度方向，底部与中部温度基本一致，平均温度均为35.4℃，上部空气平均温度高出1℃，为36.4℃，这是由于列车停靠站时，上部测点的位置离列车顶部冷凝器的位置更近，所以温度较高。综合来看，上、中、下空气测点平均温度35.4℃，与中部空气温度测点基本一致。
图5 车站隧道实时温度Figure 5 Subway station tunnel real-time temperature 图6 是一个典型工作日车站隧道温度的变化规律。可以看出，车站隧道的空气温度在早9:00 和晚19:00左右出现两次峰值温度，对应地铁运营的早晚高峰期，早上6:00 地铁开始运营，隧道温度逐渐升高，至早高峰时到达第一个峰值温度；早高峰过后，发车对数减少，温度呈下降趋势，此后虽然室外温度继续上升，温度升高了近3℃(9:00—13:00)，但由于该时间段内列车发车对数未变，所以隧道温度基本保持稳定，直至晚高峰到达第二个峰值温度。晚高峰后，随着发车对数的减少，温度逐渐降低，地铁停运后，温度逐渐降至最低。由典型日的隧道空气温度变化规律可知，隧道温度受室外温度的波动影响较小，受行车对数的影响较大。
图6 典型日隧道空气实时温度Figure 6 Typical daily tunnel air real-time temperature 从图5 可以看出，轨排风机关闭后，温度曲线有上升趋势。为了更详细地分析轨排风机关闭前后空气温度的变化趋势，开、关轨排风机各选择一天进行对比，测点选择上部最不利温度测点。根据线路列车运行计划表，两天的行车计划一致。开轨排风机时，室外平均温度30.7℃，最高温度35℃；关轨排风机时，室外平均温度30.1℃，最高温度34.5℃；两天的室外温度基本接近，如图7 所示。可以看出，轨排风机关闭后，无论是站台隧道内有车(图中的尖峰数据)还是无车，空气温度均有上升。这说明，轨排风机的开启 对列车停靠站时冷凝热的排出是有利的。开轨排风机时全天平均温度36.5℃，日最高小时温度37.2℃，关闭轨排风机后全天平均温度37.2℃，日最高小时温度37.9℃，分别升高了0.7℃。
图7 开、关轨排车站隧道上部测点温度对比Figure 7 Temperature comparison of measuring points in the upper part of tunnel 进一步，将开、关轨排风机时晚高峰(18:00—19:00)的测点温度进行对比(见图8)，开轨排风机时晚高峰室外温度34.2℃，关轨排风机时室外温度32.1℃。与开启轨排风机相比，关闭轨排风机后，测点温度明显升高。图9 为该时段站台停车及无车时测点的平均温度统计。站台停车时，开启轨排风机测点平均温度37.6℃，关闭轨排风机后温度升高至38.6℃，升高了1.0℃；站台无车时，开启轨排风机测点平均温度36.6℃，关闭轨排风机后为37.3℃，升高了0.7℃。
图8 晚高峰开、关轨排风机，车站隧道测点温度对比Figure 8 Comparison of temperature of tunnel measuring points in evening peak hours
图9 晚高峰开、关轨排车站风机，隧道测点平均温度对比Figure 9 Comparison of average temperature of tunnel measuring points in evening peak hours 3.2 轨排风口温度测试结果 轨排风口的温度更能直接体现排热系统的排热效果，图10 为轨顶、轨底排风口温度与隧道空气测点温度及室外空气温度的对比。可以看出，轨顶排风温度明显高于轨底排风温度，轨顶排风温度要高于隧道上部测点温度，轨底排风温度在早、晚高峰期间高于中部空气测点温度，其余时间与中部空气测点温度重合甚至低于后者，说明列车停靠站后产热的主要来源是冷凝器散热。
图10 轨排风温度与隧道空气温度对比Figure 10 Temperature comparison of exhaust outlet and subway station tunnel 从温度的时间变化规律来看，早、晚高峰期间轨顶排风温度明显高于其他时间的相关温度，从10:00—17:00 排风温度基本保持不变，这是由于该时间段内列车发车对数均匀，均为每小时12 对发车，因此隧道内产热均匀，该时段内排风温度比较稳定。 图11 为早高峰8:00—9:00、下午14:00—15:00、晚高峰18:00—19:00 轨顶排风温度与室外温度对比。早晚高峰期间，轨顶排风温度明显高于室外温度，下午室外温度最高时，列车停车时排风温度高出室外温度1.3℃，车站无车时排风温度低于室外温度约1℃；下午该线路行车对数为12 对/h，即前一趟车离站后，下一趟车需要5 min 才能到站。由图10 可以看出， 这段时间内轨底排风温度要低于隧道空气温度，这是因为该时间段隧道内产热量较少，同时轨排风机的抽吸作用导致站台冷空气渗入隧道，轨底风口的排热作用并无体现，甚至可理解为在“排冷”，轨排风口的整体排热效果并不理想。
图11 不同时段轨顶排风温度Figure 11 OTE (over track exhaust) air temperature in different periods 3.3 区间隧道温度测试结果 图12 为区间隧道空气测试结果，可以看出区间隧道空气的变化规律与车站隧道空气温度基本一致，区间隧道空气温度要低于车站隧道空气温度；测试期间区间空气温度日平均值34.6℃，车站隧道空气温度日平均值35.4℃。从图12 中还可以看出，关闭轨排风机后，区间空气温度也呈上升趋势：日平均温度由34.4℃升高至35.2℃，升高0.8℃；日最高小时温度由35.1℃升高至36.0℃，升高0.9℃(见图13)。
图12 区间隧道实时温度Figure 12 Interval tunnel real-time temperature
图13 开、关轨排区间隧道测点温度对比Figure 13 Temperature comparison of measuring points in interval tunnel 3.4 列车冷凝器进风温度测试结果 设置轨道排热风机的目的是保证在远期工况下列车空调能正常运行，通过对冷凝器进风温度的测试，能够真实地反映开、关轨排风机工况下列车在区间隧道和停靠站后冷凝器进风温度的变化规律。 图14 是晚高峰期间列车沿下行首站至尾站空调冷凝器进风温度变化曲线，进风温度基本在36℃～45℃之间；根据行车计划统计出列车在区间内及停靠站时的进风温度(见图15)，区间隧道内冷凝器的平均进风温度36.5℃，停靠站后的平均温度40.3℃。
图14 开启轨排风机晚高峰冷凝器进风实时温度Figure 14 Real-time air inlet temperature of condenser in the evening
图15 开启轨排风机晚高峰冷凝器进风平均温度Figure 15 Average inlet air temperature of condenser in the evening peak 图16、17 为关闭轨排风机后冷凝器进风温度的变化。可以看出，冷凝器进风温度上限值频繁超过45℃，列车停靠站后进风平均温度42.7℃，升高2.4℃，且随着列车位置的变化呈现出先升高后降低的趋势，尤其在靠近线路中间位置的车站冷凝器，进风温度升高明显，甚至超过50℃。不难推测，这与车站在晚高峰期间的客流量相关，该线路中部位置处于市中心地段，晚高峰期间列车载客量猛增，势必导致列车冷凝器散热量大幅度增加，使隧道热环境进一步恶化，更不利于冷凝器散热。值得说明的是，在测试结束当天，地铁运维部门反馈，该趟列车在运行晚高峰期间，列车空调冷凝器多次触发高温保护，导致空调无法正常运行。
图16 关闭轨排风机晚高峰冷凝器实时进风温度Figure 16 Real-time air inlet temperature of condenser in the evening peak after closing the fan
图17 关闭轨排风机晚高峰冷凝器进风平均温度Figure 17 Average inlet air temperature of condenser in the evening peak after closing the fan 冷凝器进风温度测试数据表明：当列车在区间隧道内走行时，关闭轨排风机对空调影响不大；但当列车停靠站时，关闭轨排风机对冷凝器散热影响较大。由于列车停站后与空气对流效果变差，冷凝器排放的高温空气聚集在站台隧道内不能被有效排出，冷凝器周围的空气温度快速升高，瞬时进风温度超过45℃，有的站甚至超过50℃，超过冷凝器正常工作温度的上限(45℃)[1]，致使列车空调无法工作。 4 结论与探讨 对华南地区某一运营远期线路的轨排系统的排热效果进行测试，主要结论如下： 1) 测试期间(7 月)，车站隧道中部测点的平均温度为35.4℃，日最高小时温度36.3℃，下部测点温度与中部相当，上部测点温度比中部温度高约1℃。 2) 区间隧道测点温度比车站隧道温度低约0.8℃，日最高小时温度低约1℃。 3) 轨顶排风温度明显高于站台隧道空气温度，轨底排风温度在早晚高峰期间高于隧道空气温度，其余时刻与隧道空气温度相当，甚至低于后者，轨顶风口总体排热效果优于轨底风口。 4) 关闭轨排风机后，车站隧道最不利测点的平均温度升高0.7℃，日最高小时温度升高0.7℃；区间隧道测点的平均温度升高0.8℃，日最高小时温度升高0.9℃。车站隧道及区间隧道空气温度有明显升高趋势，说明开启轨排风机能有效抑制隧道温升。 5) 关闭轨排风机后，晚高峰列车停靠站冷凝器的进风平均温度由40.3℃升高至42.7℃，升高了2.4℃，部分车站列车停站后冷凝器的进风温度超过50℃，影响列车空调的正常运行，轨排风机能够有效抑制列车停靠站期间冷凝器进风温升。 以上结果表明，在华南地区，对于运营远期地铁线路，关闭轨排风机后，区间隧道温度、车站隧道温度虽然仍满足规范要求(不超过40℃)，但晚高峰列车停靠站期间冷凝器的进风温度已频繁超过45℃，导致空调无法正常运行，因此在晚高峰期间应开启轨排风机进行排热。当前高峰期行车对数为24 对/h，如果达到远期设计工况30对/h，隧道热环境势必会更加恶劣，冷凝器超温情况会更加严重，轨排风机的排热作用愈发重要，这说明在该地区设置轨排风机的必要性。同时，测试结果发现轨底风口的排热效果并不理想，这也为后续优化轨排系统设计提供了参考依据。 |
