胡海明 徐清榮 姜波 李娟 房爍

1蘇交科集團股份有限公司

2蘇州市軌道交通集團有限公司

近年來，隨著國內(nèi)地鐵的大力建設，我國開通地鐵的城市數(shù)量不斷增加。限于地鐵在我國起步晚，我國在地鐵運營階段的相關研究尚不完善，尤其在運營階段隧道溫度方面的研究[1-3]。國內(nèi)外關于隧道溫度方面的研究，主要采用現(xiàn)場實測[4-7]，模型試驗[8]及數(shù)值模擬[9-11]等方法。

目前，國內(nèi)期刊文獻有關地鐵隧道內(nèi)溫度實測研究成果極少[4]，但溫度實測數(shù)據(jù)又是地鐵隧道風機、排熱風機等控制的關鍵數(shù)據(jù)，同時也是影響車廂空氣質(zhì)量的關鍵因素，因此，有必要對地鐵隧道溫度開展相關研究。在地鐵隧道中，按照慣例可將地鐵隧道分為區(qū)間隧道和車站隧道，它們分別指車站端頭之間的隧道與車站范圍的隧道。本文就單個車站隧道溫度變化展開了探討，采用溫度的實測法獲取相關數(shù)據(jù)以開展研究。

1 現(xiàn)場溫度實測

1.1 測試地點選取

選取運營時間不超3年的蘇州地鐵2號線作為測試線路，測試其中一個地下車站范圍內(nèi)隧道氣溫。

1.2 測試設備選取

綜合考慮測試精度，數(shù)據(jù)連續(xù)性及設備布置方便性，選用單臺設備測試一個測點的方法，選取具有數(shù)據(jù)記錄功能的溫濕度測試設備，分別安裝至測試點，通過后期數(shù)據(jù)讀取獲得所有測點溫濕度數(shù)據(jù)。

溫濕度測試，選用儀器參數(shù)如表1：

表1 測試設備參數(shù)表

1.3 測試位置

隧道氣溫為溫度場，因其較難測試，且隧道內(nèi)較高氣溫的應用價值更高，因此設置溫度測點時，主要測試車站隧道的最高溫度值，根據(jù)相關研究及工程經(jīng)驗，車站隧道氣溫最高點出現(xiàn)在車站端頭和車站隧道中間等位置，因此在上述位置進行選點，如圖1。

圖1 測點布置簡圖

考慮運營安全、便于安裝、測點數(shù)據(jù)適用性等多種因素，將測試設備捆扎在下行線隧道右側(cè)側(cè)壁上方，安裝高度約為3.5 m。

1.4 測試安排

為驗證各因素對隧道氣溫的影響，測試中加入隧道風機和排熱風機兩部分因素。

具體測試安排為：測試日期2016年7月24日～2016年7月30日，隧道風機，7月26日00:52:00～0:54:00開啟，沿車行方向上行端送風，下行端排風，其他時段不開啟，排熱風機，13:00-15:00，頻率50Hz開啟，全線開啟，15:00-16:00，頻率30Hz開啟，全線開啟，其他時段不開啟。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 總體分析

經(jīng)過前后10多天的測試工作，獲取了測點1、測點2、測點3在2016年7月24日～7月30日之間的溫度數(shù)據(jù)，具體見圖2：

圖2 各測點7月24日～7月30日溫度曲線

根據(jù)圖2，總體看，各個測點溫度數(shù)據(jù)有5個主要特點：

1）測點1、測點2、測點3溫度數(shù)據(jù)變化趨勢基本相同，均以24h為一個周期呈鋸齒形變化，白天出現(xiàn)溫度高峰，晚上出現(xiàn)溫度低谷，每天22:00點以后隧道內(nèi)溫度呈明顯下降趨勢，在第二天早上6:00點左右達到溫度最低點，而后隨著地鐵運營，隧道內(nèi)溫度逐漸升高，至15:00點左右達到溫度最高點，而后緩慢下降，至22:00點明顯下降。

2）溫度峰值每天均不同，且有一定的趨勢，從7月24日-7月30日的溫度數(shù)據(jù)可知，峰值溫度從7月24日開始逐漸升高，至7月27日、7月28日達到最大值，而后逐漸降低。

3）從5:30至22:50，隧道內(nèi)溫度呈鋸齒形變化（如測點1在7月27日溫度變化，見圖3），溫度變化幅度介于1～2℃之間，其變化與地鐵列車運行對應，列車經(jīng)過測點時溫度升高，經(jīng)過后溫度降低，且隧道溫度在白天的最低溫度和平均溫度分別基本穩(wěn)定在25.5℃、26℃左右。

圖3 測點1于7月27日溫度變化圖

4）每次車輛經(jīng)過測點，其引起的溫度變化不同，但每次溫度變化差值在2℃之內(nèi)，其與每次車輛經(jīng)過測點時對測點周圍空氣擾動及車輛散熱不同有關。

圖4 測點1在7月25日5∶40～6∶40的溫濕度變化趨勢圖

5）各測點每天5:50分左右會出現(xiàn)一天的最低溫度點，三個測點中測點1溫度低點最明顯，測點3最不明顯，初步分析主要有兩個因素。一個是運營初期車輛運動加速了隧道空氣與隧道壁的熱量交換，且運營初期車輛散熱小于隧道空氣散至隧道壁及室外的熱量，出現(xiàn)短暫的溫度低值點，隨客流增加及車輛散熱在隧道內(nèi)集聚，隧道氣溫逐漸升高。另一個是車輛的運行加速了隧道內(nèi)水分蒸發(fā)，可能起降溫作用，從測點1在7月25日5:40～6:40的溫濕度變化圖（圖4）可知（圖4中溫度值加了68℃），出現(xiàn)溫度峰值時就會出現(xiàn)濕度谷值，溫度谷值又與濕度峰值對應。從溫濕度峰谷值點的相關空氣參數(shù)可知，溫度的變化未引起濕度的大幅度變化，考慮設備精度問題，其濕度可基本認為不變。由此可知，水分蒸發(fā)對隧道空氣溫度基本無影響。故，隧道氣溫的主要受隧道空氣與隧道壁的熱量交換及車輛散熱影響，基本不受隧道內(nèi)水分蒸發(fā)影響。

2.2 不同位置測點溫度比較

比較測點1、測點2、測點3溫度數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，雖然各點溫度變化趨勢類似，但仍有諸多不同之處。

1）在多日溫度變化幅度方面，測點1溫度在24℃～27℃之間變化，白天（5:30至22:50）溫度基本在25℃以上，晚上溫度基本穩(wěn)定在24℃以上。測點2溫度在25～29℃之間變化，白天基本在25.5℃以上，晚上基本穩(wěn)定在25℃以上。測點3溫度在24.8～27.5℃之間變化，白天基本在25℃以上，晚上溫度基本穩(wěn)定在24.8℃以上。對比可知，測點2溫度變化幅度最大，為4℃。測點1次之，為3℃，測點3為2.7℃。上述情況可理解為各測試點受車輛散熱、室外等外部因素影響不同，其中測點2受外部因素影響最大，測點1次之，測點3最小。出現(xiàn)上述情況，主要是因各測點相對外部因素位置不同，測點1位于車行方向上方，受室外氣流影響在三測點中最大、車輛散熱影響最小。測點2位于車站隧道中部，受室外氣流影響居中，受車輛影響最大。測點3位于車行方向上方，受室外氣流影響最小，受車輛影響居中，又因車輛散熱是隧道氣溫的主要影響因素，故出現(xiàn)上述情況。

2）在一日溫度變化幅度方面，測點1、測點2、測點3在白天的變化幅度分別為1.9℃、2.5℃、1.5℃。出現(xiàn)上述情況與也是因各測點受外部因素影響不同。

3）在每天最高、最低溫度方面，三個測點為測點2＞測點3＞測點1。上述情況，主要因測點布置位置不同及室外氣溫影響。測點1和測點3處隧道空氣與室外空氣有交換，而測點2處車站中部，加之車輛在車站短暫?？浚瑢е聹y點2處車輛散熱集聚，故出現(xiàn)測點1、測點3的最低溫度低于測點2的現(xiàn)象。對于測點1和測點3，因測點1位于車行方向的后側(cè)，測點3位于車行方向的前方，測點1受室外新風影響大于測點3。加之出現(xiàn)最低溫度時刻一般為5:50，該時刻，室外氣溫基本處于28℃～31℃之間（見圖5），室外氣流經(jīng)過約50 m的通風道到達測點時，其溫度已經(jīng)降至約25℃左右，對測點的升溫作用已很小。故此時車輛散熱基本成為影響各測點氣流溫度的唯一主要因素，所以三測點最高、最低溫度測點2＞測點3＞測點1。

圖5 測試時期當?shù)厥彝鈿鉁?/p>

各測點溫度曲線沿溫度軸由高至低，基本呈測點2、測點3、測點1順序分布，可用圖6簡述三個測點溫度、位置關系。

由圖6可知，車站隧道空氣溫度呈中間高兩端低分布，其中車站起點（車輛入站點）溫度低于終點溫度（車輛出站端）。限于測點較少，難以準確獲得車站隧道空氣具體溫度分布，根據(jù)測點所在位置，隧道氣流流動狀況及車輛散熱情況，可能主要有四種情況，如圖中A、B、C、D四條曲線，對應關系為：A—線性曲線，B—多項式曲線，C—無規(guī)律曲線，D—冪指曲線。因車站端頭氣流充分混合，車輛經(jīng)過及離開時能較大改變隧道空氣溫度，氣溫相對較低。根據(jù)三測點溫度變化幅度測點2＞測點1＞測點3，可知在相同時間內(nèi)三個測點溫度變化速率為2＞測點1＞測點3。故車站隧道沿車行方向氣溫分布曲線最可能為曲線B和C，又因為車站隧道氣溫影響因素沿車行方向無突然、多變因素，故車站隧道氣溫分別應呈多項式曲線形式，是否為該形式可在后期測試研究中進行驗證。

3 影響因素分析

3.1 隧道風機的影響

為判斷隧道風機對隧道內(nèi)空氣溫度的影響，設計測試方案時加入了隧道風機開啟項目。具體開啟方案見“1.4節(jié)”，測試結(jié)果顯示各測點在2016年7月26日00:53左右均出現(xiàn)一個溫度峰值，1:10左右隧道氣溫恢復正常，具體數(shù)據(jù)見圖7。

圖7 各測點7月26日00∶00∶00～2∶00∶00溫度曲線

從圖7可知，各測點出現(xiàn)溫度峰值時刻先后順序為測點1＞測點2＞測點3，其與測點相對氣流的位置有關，隧道風機送入隧道的室外新風，先后經(jīng)過測點1、測點2與測點3，因此出現(xiàn)上述情況。另外，各測點溫度峰值分別為29.4℃、28.8℃、26.6℃，測點2＞測點1＞測點3，該日最高最低室外溫度分別為38℃、29℃。三測點最高峰值溫度與一天中最低溫度接近，而隧道風機開啟時刻也基本為一天氣溫最低時刻，印證了隧道風機開啟后能較大改變隧道內(nèi)氣體溫度，使其溫度接近室外氣溫。

圖8 各測點氣流流動示意圖

從各測點溫度變化來看，隧道風機送風氣流在通過三個測點時，應該是一個氣溫逐漸下降過程，測點1的峰值溫度應該最高，但現(xiàn)實是測點2峰值最大。此時各測點不受車輛散熱影響，三測點隧道內(nèi)氣流速度因隧道截面相同而基本相同，各測點受隧道內(nèi)水分蒸發(fā)也應基本相同。排除車輛散熱與水分散熱影響后，還剩氣流擾動影響。因為三個測點距離活塞風孔位置不同，氣流在各測點流動也不同，測點1和測點3由于處于風口位置，存在氣流混合與擾動，測點2氣流相對平穩(wěn)，類似活塞一樣利用室外空氣將隧道空氣擠出室外（圖8）。從氣流組織看，測點1、測點3處為紊流非等溫射流，測點2處為等溫層流射流。測點1處室外空氣與隧道空氣激烈混合，測點3處降溫后的室外空氣與隧道空氣激烈混合，測點2處經(jīng)過初步降溫的室外空氣，故測點2溫度更接近室外空氣溫度，三個測點溫度峰值出現(xiàn)測點2＞測點1＞測點3的狀況。

3.2 排熱風機到影響

近年，隨著國內(nèi)開通地鐵城市的增多，對應排熱風機效果的質(zhì)疑也在不斷增加。排熱風機對車站隧道降溫效果如何，成為業(yè)內(nèi)討論的熱點，對此在進行隧道空氣溫度測試時考慮了排熱風機影響，在測試周期內(nèi)對排熱風機進行控制，圖9列出三個測點在7月28日、7月29日的溫度數(shù)據(jù)。

圖9 各測點7月28日、7月29日溫度曲線

從圖9可知，7月29日溫度曲線與7月28日明顯不同。7月28日溫度曲線為典型曲線（見圖1），7月29日不同溫度曲線的出現(xiàn)，是因為排熱風機在13:00～17:00開啟造成的。7月28日各測點溫度曲線有三個顯著特點：一是，溫度曲線呈階段性變化，在排熱風機開啟的第一小時，即13:00～14:00溫度曲線快速下降，而后上升，至17:00基本恢復正常情況。在13:00～14:00、14:00～15:00、15:00～17:00三個時段，三個測點溫度峰值相對正常情況均分別平均降低0.5℃、1.75℃、1℃，溫度谷值分別降低0.15℃、0.4℃、0.25℃。二是，三個測點溫度曲線呈層次分布，從上至下依次為測點2、測點3、測點1，各測點溫度變化趨勢基本一致。三是，開啟排熱風機，對車站隧道氣溫谷值的影響小于峰值。出現(xiàn)上述三個特點，可從排熱風機開閉及測點所處位置來分析。

出現(xiàn)第一種特征，顯然是受排熱風機開啟影響。排熱風機在13:00～15:00以工況狀態(tài)運行，車站兩端兩個排熱風機均以50 m3/s向外排風。在15:00～17:00排熱風機以小風量運行，在忽略變頻衰減時，以30 m3/s向外排風。在風機初始排風時，車輛散熱所形成的車站隧道熱空氣被排至室外，車站隧道氣壓降低。區(qū)間隧道內(nèi)冷空氣、車站冷空氣進入車站隧道，車站隧道峰值溫度先瞬降1℃，而后在1小時內(nèi)再逐漸降低1℃。在13:00～14:00，區(qū)間隧道及車站冷風，排熱風機排風對車站隧道起降溫作用，車輛散熱及室外新風對車站隧道升溫作用，該段時間內(nèi)前者作用大于后者，呈現(xiàn)出車站隧道溫度峰值逐漸降低的現(xiàn)象。至14:00時前者作用與后者作用達到平衡，因隧道壁溫變化速率遠小于隧道氣溫的變化速率，隧道散熱對隧道氣溫影響作用逐漸凸顯，體現(xiàn)為隧道氣溫逐漸升高。至15:00時達到新的平衡，而從15:00時開始排熱風機風量變小，又出現(xiàn)新的不平衡。車站隧道氣溫峰值較15:00升高0.3℃作用，至17:00風機關閉，車站隧道氣溫變化歸于正常。

對應第二種現(xiàn)象，可從兩個方面來解釋。對于三個測點溫度曲線分層現(xiàn)象，已在“3.2節(jié)”解釋。對于開啟排熱風機后，三個測點在溫度曲線分層順序不變化且變化趨勢一致的情況，可從排熱風機對三個測點均起到降溫作用，且降溫效果基本相同來解釋。

3.3 室外氣溫的影響

為判斷室外氣溫對車站隧道溫度影響，現(xiàn)將三個測點在7月24日～7月30日的每日最高、最低溫度值列出，與7月24日～7月30室外最低氣溫（室外最低氣溫與最高氣溫變化趨勢一致）一起制作成圖，見圖10。

圖10 各測點在7月24日～7月30溫度峰谷值及室外最低溫度曲線

判斷室外氣溫是否對車站隧道氣溫有影響，可從溫度變化趨勢、溫度值等方面進行判斷。判斷室外氣溫對車站隧道影響大小，主要可從室外氣溫變化量對車站隧道溫度變化量的影響來分析。從上圖可知，三個測點溫度峰谷值變化趨勢與室外氣溫溫度變化趨勢不完全一致，但總體變化趨勢基本相同。在室外氣溫升高時測點峰值基本均有一定量的升高，在室外氣溫降低時測點峰谷值有升有降。在測點時期內(nèi)各測點峰谷值變化幅度較小，分別為0.5℃和1℃，同時期的室外氣溫變化幅度則為3℃。測試時期車輛散熱、隧道壁溫等外部因素均變化較小，可知室外氣溫對車站隧道氣溫有一定影響，其中對溫度峰值提升幅度大于溫度谷值。

在室外氣溫對不同測點影響方面，各測點在室外氣溫變化幅度在3℃時，測點1、測點2、測點3溫度峰值變化分別為0.6℃、1.1℃、0.7℃，溫度谷值變化分別為0.6℃、0.6℃、0.5℃，各測點溫度變化為測點2＞測點3≈測點1，可知室外氣溫對車站端頭隧道氣溫影響小于對車站中部氣溫影響。

3.4 車輛散熱的影響

根據(jù)圖3、圖4各測點溫度曲線可知，車輛散熱是影響車站隧道白天（5:30至22:50）氣溫變化的主要因素。圖3、圖4中，各測點白天溫度曲線的變化呈周期性的鋸齒狀，溫度變化周期約為6分鐘，與測試車站約6分鐘的發(fā)車間隔一致。晚上無車輛通過時，各測點溫度無周期性變化，基本保持不變，由此可知車站隧道白天溫度變化的主因是由車輛運行。在引起隧道氣溫波動升高的熱源方面，具體是隨活塞風進入的室外空氣還是車輛散熱，可從隧道氣溫隨室外氣溫變化，車輛在隧道單位時間散熱量，活塞風排熱量，隧道最高溫與當日最低溫對比分析。由圖11可知，隧道氣溫并未隨室外氣溫變化而顯著變化，且在室外氣溫降低的時候，隧道氣溫某些天還在升高，結(jié)合齊江浩[3]等測試數(shù)據(jù)，測試時段，夏季活塞風引起換熱量約為18萬kJ，而夏季列車散熱量約為52萬kJ，故可知，引起隧道鋸齒形溫升的主要因素為車輛散熱。

4 結(jié)論

1）車站隧道溫度以24h為一個周期變化，每日6:00點左右出現(xiàn)溫度谷值，至15:00點左右達到當日溫度最高點，而后緩慢下降，至22:00點明顯下降。

2）從5:30至22:50，隧道內(nèi)溫度以發(fā)車間隔為周期呈鋸齒形周期變化，溫度變化幅度介于1℃～2℃之間。隧道溫度在白天的最低溫度和平均溫度分別基本穩(wěn)定在25.5℃、26℃左右。

3）車站隧道不同位置，多日和每日溫度變化幅度方面，沿車行方向，站點中部＞進站端＞出站端。在每天最高、最低溫度方面，車站隧道沿車行方向，站點中部＞出站端＞進站端。

4）隧道風機開啟可較大幅度改變車站隧道溫度，使其溫度接近室外氣溫。在隧道風機開啟后，車站隧道沿車行方向，出現(xiàn)溫度峰值的先后順序為進站端、站點中部、出站端，在受隧道風機影響方面，大小順序為站點中部＞進站端＞出站端。

5）隧道空氣溫度的變化主要受隧道空氣與隧道壁的熱量交換及車輛散熱影響，基本不受隧道內(nèi)水分蒸發(fā)影響。

6）排熱風機在夏季對車站隧道空氣起降溫作用，可使氣溫峰谷值分別降低0.5～1.75℃和0.15～0.4℃。沿車行方向，車站隧道各點受排熱風機影響大小排序為站點中部＞出站端＞進站端。

7）在室外氣溫對隧道氣溫的影響方面，沿車行方向，車站隧道各點溫度受影響大小順序為為中部＞出站端≈進站端。

8）車輛散熱影響的是車站隧道的瞬時溫度，表現(xiàn)為白天溫度曲線的周期性變化，而室外氣溫對車站隧道氣溫起總體性影響，表現(xiàn)為車站隧道每天的平均溫度、峰谷值溫度隨室外氣溫變化而變化。