某地鐵檢修庫不同通風模式研究(其他)

                   邰彥寰¹張旭¹*葉蔚¹朱建章²張亞靜²孫永強²

    1同濟大學機械與能源工程學院2鐵道第三勘察設計院

摘  要：本文對上海某地鐵檢修庫三種不同通風模式（分別為機械排風+100%自然補風、機械排風+80%機械進風、壁式送排風機+無風管誘導風機三種通風方案）下庫內氣流組織進行模擬計算，通過分析2=1.6 m成年男子呼吸區平面的速度分布和平均空氣齡分布來比較不同方案的通風效果，并對各通風方案作動態經濟分析，計算并比較了各方案的費用年值。結果表明，在換氣次數為2次／時，檢修庫采用第三種通風方案（即采用壁式送、排風機+無風管誘導風機的設計）時氣流平均速度較大，平均空氣齡較低，通風效果較好。經濟性分析表明第三種通風方案的費用年值也較低，且無論是初投資還是年運行維護費用均低于另兩種方案，經濟上也占有較大優勢。

關鍵詞：地鐵檢修庫無風管誘導風機通風效果數值模擬

    檢修庫為車輛段內的主要功能承載建筑，庫內良好的通風效果，不僅關系到工作人員本身的健康、工作效率問題，也在一定程度上保障和促進了機車的維修質量，對提高公共交通工具的安全系數有重要意義。地鐵檢修庫采用通風形式多樣，主要為自然通風，風管通風與無風管誘導通風系統等。目前對檢修庫不同通風方案效果的預測，研究方法較多，其中較為方便的是將氣流分析與數值模擬相結合。

  本文作者對上海某大型地鐵檢修庫在三種不同通風方案（分別為機械排風+100%自然補風、機械排風+80%機械進風、壁式送、排風機+無風管誘導風機三種）下的風場進行模擬計算，通過分析Z=1.6 m成年男子呼吸區平面的速度分布和平均空氣齡分布來比較不同通風方案的通風效果，并采用費用年值法對各通風方案作動態經濟分析，結果為實際工程的通風設計提供參考。

1  模擬內容及設置

1.1模擬內容

    為預測檢修庫在三種通風方案下的通風效果，有必要對不同方案下庫內風場進行模擬。具體模擬內容設置見表1。

1.2物理模型及設置

    本文檢修庫全長約360 m，寬195.6 m，總高約10.2 m，南、北、西三面外墻上均開有門窗，庫內有多組軌道，每組軌道最多可停兩列列車（模擬時假設檢修庫滿載），庫內還布置有結構柱等。為模擬該檢修庫內的風場，設置模擬區域長324 m、寬160 m、高9.5 m。庫內列車長140 m，寬3m，高4m。門窗及結構柱等均參照檢修庫實際設計布置。為了能夠滿足現有的計算條件，并且最大限度地反映實際情況，對物理模型做了相應簡化處理，忽略了庫內的平臺等，只考慮結構柱和列車對氣流的影響。根據各方案的模擬內容建立相應的物理模型，見圖1與圖2。計算時認為庫內氣流是穩態流動的不可壓縮氣體。采用k-雙方程模型對庫內風場進行模擬。所用網格為結構化網格。外墻門窗采用壓力出口邊界，機械送／排風口均采用速度入口邊界，壁面邊界處采用壁面函數法進行處理。

2  模擬結果及通風效果分析

    考慮到工作人員的健康、舒適問題，取Z=1.6 m成年男子呼吸平面的氣流流動情況加以分析。

    圖3至圖5分別為三種通風設計下檢修庫Z=1.6 m平面速度分布的模擬結果。從圖3可以看出，第一個方案Z=1.6 m平面處氣流速度在0～0.26 m/s之間變化，其中南北外墻門窗開口處風速及西外墻中間大門開口處風速較大，達到0.26 m/s，庫中部及中部偏南區域風速較低，低于0.1 m/s，這可能意味著此處的通風效果較差，有待提高。由圖4可看出，相比方案1，方案2在Z=1.6 m平面處氣流分布較均勻，氣流速度也明顯提高，流速在0~1.58 m/s之間變化，這意味著檢修庫的通風效果提高了?？梢娺M風部分改用風機送風后，送風速度于一定范圍內增加，氣流擾動性增強。由圖5可知，在Z=1.6 m平面，方案3氣流速度進一步增加，最高達到3.72 m/s。氣流速度較大處出現在并列的列車之間以及布置有壁式排風機的南外墻處。列車間速度較大是由于此處頂部布置有誘導風機，誘導風機保證了氣流出口流速一定，有效減少了氣流的速度衰減。而列車間流速的大大提高意味著相比前兩種方案，列車間的通風效果大為改善。但顯然，相比方案2，方案3的氣流分布均勻性有所降低，這可能意味著舒適度有所下降。

圖6至圖8為三種通風設計下檢修庫Z=1.6m成年男子呼吸平面平均空氣齡分布的模擬結果。由圖6可以看出方案1在Z=1.6 m平面平均空氣齡在0～6300 s之間變化，其中平均空氣齡較大值出現在檢修庫中部偏東南區域，這和速度分布圖（圖3）中此處區域氣流速度偏低（低于0.03 m/s）相對應，這可能意味著此處區域的通風效果較差。相比方案1，方案2在Z=1.6 m平面處平均空氣齡較為降低，最大在2300 s左右（圖7），這意味著空氣新鮮程度提高，通風效果增強了。其中平均空氣齡較大值出現在檢修庫中部區域，這與速度分布圖中此處區域風速相對較低（低于0.16 m/s）相一致。由圖8可知，采用第三種通風方案后，檢修庫在Z=1.6 m平面處平均空氣齡大大降低，最大僅為475 s，相比方案1降低92%，相比方案2降低79%。其中平均空氣齡較大值出現在南外墻處，這是由于第三種通風設計采用的是壁式送、排風機+無風管誘導風機通風設計，空氣經北外墻上壁式送風機及門窗等開口進入，被多臺橫跨布置于庫中的誘導風機卷吸噴出，再經多個誘導風機的接力推射，最后被推送至南外墻處排出，所以此處平均空氣齡較高。

3  經濟性能分析比較

    某個技術方案能否得到采用并不完全取決于技術的先進性，還要考察其是否具備經濟上的合理性?？紤]到工程實際與便捷性，本文采用費用年值指標對三種通風方案進行經濟性評價，即建立通風系統費用年值數學模型，對投資、運行及維護等費用進行權衡，以費用年值最小的方案為最優方案。

3.1通風系統費用年值數學模型

    系統費用年值用折算費用來表示，即將各方案在壽命周期內的建設及運行費用總和換算成壽命期內總費用的等額年值，包括初投資、年運行費用（電費）、年維護費用，即

為通貨膨脹率；n為設備使用年限，年。

3.2通風系統的經濟參數計算

3.2.1系統初投資計算

    根據2次／h的設計換氣次數，三種通風方案總排風量相同，均為96萬m³/h，方案1進風全部采用自然補風，方案2進風部分采用風機送風，送風量為77萬m³/h。方案3中每個壁式送、排風機風量分別為2萬m³/h和2.5萬m3h。每個誘導風機風量為1.4萬m³/h。三種通風方案下具體風機配置見表2。此處不考慮土建工程費用，對三種通風方案的初投資費用分別進行估算及比較。其中方案1和方案2頂部排風管采用1 mm厚的鍍鋅風管，制作安裝費用按上海市收費標準150元/m²，排風管總表面積為8784 m²，故頂部排風管制作安裝費用為8784x150=131.76萬元。

    方案1通風系統包括頂部排風管及排風機。其中排風管制作安裝費用為131.76萬元，排風機有12臺，每臺18500元，共18500x12=22.2萬元，故方案1通風系統初投資C=131.76+22.2=153.96萬元，同理計算出其他各方案的初投資，匯總于表3。

3.2.2系統年運行費用計算

    根據風機的運行參數（見表2），地鐵檢修庫運行5小時／天（按晚23:30地鐵停運至凌晨04:30地鐵出庫計），一年運行365天；電費按上海市未分時用戶工商業用電價格0.675元／(kWh)計，方案1年運行費用=36x12x0.675x5x365=53.22萬元，同理，計算其余各方案年運行費用，結果匯總于表3。

3.2.3系統年維護費用

    在各方案中年維護費用包括風機、風管等的維修、保養和管理人員工資福利等費用，其影響因素很多，要給出確切的數值是很困難的，本文采用估算法，按設備初投資的一定比例來計算維護管理費用，即每年維護費按下式求得。

  故方案1年維護費用C_m=0.06x153.96=9.24萬元，同理計算其余各方案年維護費用，結果匯總于表3。

3.3費用年值計算

    以方案1費用年值的計算為例，其余各方案計算結果匯總于表3。根據式(1)，方案1通風系統的初投資C=153.96萬元，假設通風系統的使用年限n=15年（通風系統的壽命在10～20年間不等，本文取15年計算），查閱最新數據，我國銀行年利率為u=3.25%，年通貨膨脹率f=1.99%，代入式(3)得不變折現率i=1.24%，將i和n的數值代入式(2)得到資本回收系數A/P,i₀，n）=0.07347，因此方案1通風系統的費用年值C₀=5 3.22+9.24+15 3.96 x0.07347=73.77萬元。同理計算出其他各方案的費用年值，匯總于表3。

    圖9為各方案通風系統費用年值及其構成，各方案的通風系統費用年值主要由年投資成本、年運行費用和年維護費用三部分組成。由圖9結合表3可以看出，方案3的費用年值明顯較低，尤其與方案2相比，僅為方案2的78.5%。其中方案3初投資比方案1和方案2都低，故折算的年投資成本相對也較低，方案3的初投資僅為方案2的80.2%，方案1的84.4%，若考慮土建投資節省費用，方案3于初投資費用節省上所占優勢將會更明顯。且方案3由于風機不需要考慮克服風管阻力，能耗低，故年運行費用也相對較低，尤其相對方案2而言，僅為方案2的77.9%。三種方案年維護費用相差不大。所以，在三種通風方案中，方案3費用年值最小，為最優方案。若考慮土建成本，方案3經濟性優勢將更為明顯。

4  結論

    本文對檢修庫采用三種通風方案時的風場進行了模擬計算，通過分析其在Z=1.6 m成年男子呼吸區平面的速度分布和平均空氣齡分布來比較不同通風方案下的通風效果，結果表明在考慮工作人員的健康及庫內工作區的通風效果時，方案3即采用壁式送、排風機+無風管誘導風機的通風設計時庫內氣流平均速度較大，平均空氣齡較低，空氣比較新鮮，通風效果較好。但庫內氣流均勻性相比方案2（即采用機械排風+80%機械送風的傳統風管通風系統設計）較差，意味著較方案2舒適性可能稍差。方案2的通風效果介于方案3與方案1之間，但氣流均勻性最高。

    最后，本文采用動態經濟評價指標費用年值對三種通風方案的通風系統的經濟性進行了分析比較，發現方案3的費用年值最低，且無論是初投資還是運行維護費用都相對較低，即采用壁式送、排風機+無風管誘導風機通風系統在經濟上占有較大優勢。