地铁站台门漏风量特性分析
何垒 王帅
中铁二院华东勘察设计有限责任公司
截止2018 年底，中国大陆地区共有33 座城市开通地铁，运营里程4354.3 km，占城市轨道交通系统总里程的75.6%。地下铁路余热余湿和有害气体需采取合理的通风、空调等措施排至室外，但其运营能耗已接近地铁运营总能耗的50%，且仍在持续上涨[1]。
地铁车站通风空调系统负荷计算的准确性关系着设备选型是否准确及运行能耗大小。但负荷计算中的站台门漏风负荷由于其不稳定性一直采用估算方法，通常认为站台门开启时由站台流入隧道的漏风量为8～10 m3/s[2]，此法计算负荷通常偏大，使得空调设备供冷过量。本文利用一维数值模拟软件，基于实际地铁工程简化建立了五站六区间一维地铁线路数值模型，旨在对停站时间、行车周期、轨行区排风量影响下的站台门漏风量进行研究。
1.1 一维数值模型建立
根据标准岛式地铁站简化建立了5 站6 区间一维地铁线路数值模型，如图1 所示。其中，地铁站均为双活塞风井系统标准岛式地铁站，并采用全封闭式站台门系统，如图2[3]。选取中间车站C 为研究对象。各单元构件尺寸参数见表1。列车行车速度曲线见图3。
图1 一维地铁线路网络模型及地铁站结构示意图
图2 地铁站站台门制式
图3 列车行驶速度曲线
表1 标准岛式地铁站各构件尺寸参数
1.2 模拟参数的设置
模拟中，车站通风空调系统均关闭。结合实际地铁运行现状，模型参数的设置如下：
1）停站时间：列车停站时间设置为20 s、30 s、40 s。
2）行车周期：地铁列车运行的行车周期设置为120 s、144 s、180 s，同时考虑地铁运营初期的最大行车周期360 s。
3）轨行区排热风量：行车周期为120 s 时，站台每侧轨行区的排热风量设置为30 m3/s、40 m3/s、50 m3/s；
行车周期为144 s 时，站台每侧轨行区的排热风量设置为50 m3/s；
行车周期为180 s 时，站台每侧轨行区的排热风量设置为40 m3/s；
行车周期为360 s 时，站台每侧轨行区的排热风量设置为30 m3/s。同时，考虑轨行区排热系统关闭时，排热风量设置为0 m3/s。
此外，本文中一维数值模型的准确性已经在之前的研究中得到验证[3-4]。
本研究中，站台门风量以进入地铁站台为正，以流出地铁站台为负。
2.1 停站时间的影响
从图4 可以看出，不同停站时间情况下，各行车周期的上、下行线的站台门风量变化趋势基本一致。由于列车进出站时间的不同，站台门风量变化仅出现一定的时间延迟。
图4 各行车周期下停站时间对站台门风量的影响
从图5 可以看出，行车周期120 s、144 s、180 s、360 s 时，站台门平均进风量、出风量均随着停站时间的增大而增大。行车周期120 s，站台每侧轨行区排风量50 m3/s 时，停站时间由20 s 增至40 s，站台门平均进风量由14.31 m3/s 增至18.87 m3/s，增加31.90%；
站台门平均出风量由36.48 m3/s 增至40.22 m3/s，增加10.23%。行车周期144 s，站台每侧轨行区排风量50 m3/s 时，停站时间由20 s 增至40 s，站台门平均进风量由11.51 m3/s 增至16.16 m3/s，增加40.45%；
站台门平均出风量由36.55 m3/s 增至40.78 m3/s，增加11.57%。行车周期180 s，站台每侧轨行区排风量40 m3/s 时，停站时间由20 s 增至40s，站台门平均进风量由10.50 m3/s 增至14.78 m3/s，增加40.74%；
站台门平均出风量由31.61 m3/s 增至35.45 m3/s，增加12.13%。行车周期360 s，站台每侧轨行区排风量30 m3/s 时，停站时间由20 s 增至40 s，站台门平均进风量由5.25 m3/s 增至7.32 m3/s，增加39.30%；
站台门平均出风量由21.02 m3/s 增至24.2 1m3/s，增加15.16%。
图5 一天内地铁运营时段的站台门平均进、出风量
综上所述，行车周期120 s、144 s、180 s、360 s 时，停站时间由20 s 增至40 s，站台门平均进风量增加约31.39%～40.74%，站台门平均出风量增加约为10.23%～15.16%。
2.2 行车周期的影响
从图6 可以看出，停站时间为30 s，轨行区排热系统关闭，行车周期为120 s、144 s、180 s、360 s 时，站台门平均进风量随着行车周期的增大而减小，站台门平均出风量随着行车周期的增大先增大后减小。行车周期从120 s 增至360 s，站台门平均进风量由39.44 m3/s降至10.47 m3/s，下降73.46%；
站台门平均出风量先由16.68 m3/s 增至18.77 m3/s，而后降至14.70 m3/s，最大差值占最小站台门平均出风量的27.71%。
图6 一天内地铁运营时段行车周期对站台门平均进、出风量的影响
2.3 站台轨行区排风量的影响
从图7 可以看出，行车周期120 s 的上、下行线的站台门风量变化规律受站台轨行区排风量的影响并不显著，但是站台门风量有所变化。随着轨行区排风量的增加，站台门风量变化曲线向下移动，即站台门进风量下降，站台门出风量增加。停站时间20 s 情况下，站台轨行区排风量为30 m3/s、40 m3/s、50 m3/s 时，上行线和下行线站台门进风量的最大值依次为45.25 m3/s、40.70 m3/s、35.66 m3/s 和61.43 m3/s、54.58 m3/s、47.30 m3/s；
而上行线和下行线站台门出风量的最大值依次为48.45 m3/s、52.25 m3/s、57.77 m3/s 和52.88 m3/s、56.29 m3/s、59.50 m3/s。停站时间30 s 情况下，站台轨行区排风量为30 m3/s、40 m3/s、50 m3/s 时，上行线和下行线站台门进风量的最大值依次为41.06 m3/s、36.48 m3/s、32.28 m3/s 和63.32 m3/s、58.26 m3/s、52.49 m3/s；
而上行线和下行线站台门出风量的最大值依次为50.85 m3/s、54.59 m3/s、57.91 m3/s 和54.39 m3/s、57.87 m3/s、62.15 m3/s。停站时间40 s 情况下，站台轨行区排风量为30 m3/s、40 m3/s、50 m3/s 时，上行线和下行线站台门进风量的最大值依次为37.71 m3/s、33.73 m3/s、30.57 m3/s 和64.71 m3/s、62.04 m3/s、58.87 m3/s；
而上行线和下行线站台门出风量的最大值依次为51.95 m3/s、55.60 m3/s、58.94 m3/s 和58.40 m3/s、62.78 m3/s、66.93 m3/s。
图7 行车周期120 s，轨行区排风量对站台门风量的影响
从图8 可以看出，在行车周期120 s 时，站台门平均进风量均随着站台轨行区排风量的的增大而减小；
而站台门平均出风量均随着站台轨行区排风量的的增大而增加。对于站台门平均进风量，停站时间20 s时，站台轨行区排风量由30 m3/s 增至50 m3/s，站台门平均进风量由21.70 m3/s 降至14.31 m3/s，下降34.07%；
停站时间30 s 时，站台轨行区排风量由30 m3/s 增至50 m3/s，站台门平均进风量由24.82 m3/s 降至16.95 m3/s，下降31.71%；
停站时间40 s 时，站台轨行区排风量由30 m3/s 增至50 m3/s，站台门平均进风量由27.14 m3/s 降至18.87 m3/s，下降30.46%。对于站台门平均出风量，停站时间20 s 时，站台轨行区排风量由30 m3/s 增至50 m3/s，站台门平均出风量由27.13 m3/s 增至36.48 m3/s，增加34.46%；
停站时间30 s 时，站台轨行区排风量由30 m3/s 增至50 m3/s，站台门平均出风量由29.06 m3/s 增至38.88 m3/s，增加33.78%；
停站时间40s 时，站台轨行区排风量由30 m3/s 增至50 m3/s，站台门平均出风量由30.22 m3/s 增至40.22 m3/s，增加33.10%。
图8 一天内地铁运营时段的站台门平均进、出风量
综上所述，站台每侧轨行区排风量由30 m3/s 增至50 m3/s，站台门平均进风量下降约为30.46%～34.07%；
站台门平均出风量增加约为33.10%～34.46%。
本课题利用一维数值模拟软件，简化建立了一维地铁线路数值模型，对停站时间、轨行区排风量影响下的站台门漏风量进行研究分析。研究结果表明：
1）行车周期120 s，站台每侧轨行区排风量50 m3/s，停站时间20 s～40 s 时，站台门平均进风量处于14.31 m3/s～18.87 m3/s；
站台门平均出风量为36.48 m3/s～40.22 m3/s。行车周期144 s，站台每侧轨行区排风量50 m3/s，停站时间20 s～40 s 时，站台门平均进风量处于11.51 m3/s～16.16 m3/s；
站台门平均出风量为36.55 m3/s～40.78 m3/s。行车周期180 s，站台每侧轨行区排风量40 m3/s，停站时间20 s～40 s 时，站台门平均进风量处于10.50 m3/s～14.78 m3/s；
站台门平均出风量为31.61 m3/s～35.45 m3/s。行车周期360 s，站台每侧轨行区排风量30 m3/s，停站时间20 s～40 s 时，站台门平均进风量处于5.25 m3/s～7.32 m3/s；
站台门平均出风量为21.02 m3/s～24.21m3/s。
2）行车周期120 s、144 s、180 s、360 s 时，停站时间由20s 增至40 s，站台门平均进风量增加约31.39%～40.74%，站台门平均出风量增加约为10.23%～15.16%。
3）停站时间为30 s，轨行区排热系统关闭时，行车周期从120 s 增至360 s，站台门平均进风量由39.44 m3/s 降至10.47 m3/s，下降73.46%；
站台门平均出风量先由16.68 m3/s 增至18.77 m3/s，而后降至14.70 m3/s，最大差值占最小站台门平均出风量的27.71%。
4）行车周期120 s 时，站台每侧轨行区排风量由30 m3/s 增至50 m3/s，站台门平均进风量下降约为30.46%～34.07%；
站台门平均出风量增加约为33.10%～34.46%。