某地铁检修库不同通风模式研究(其他)

                   邰彦寰¹张旭¹*叶蔚¹朱建章²张亚静²孙永强²

    1同济大学机械与能源工程学院2铁道第三勘察设计院

摘  要：本文对上海某地铁检修库三种不同通风模式（分别为机械排风+100%自然补风、机械排风+80%机械进风、壁式送排风机+无风管诱导风机三种通风方案）下库内气流组织进行模拟计算，通过分析2=1.6 m成年男子呼吸区平面的速度分布和平均空气龄分布来比较不同方案的通风效果，并对各通风方案作动态经济分析，计算并比较了各方案的费用年值。结果表明，在换气次数为2次／时，检修库采用第三种通风方案（即采用壁式送、排风机+无风管诱导风机的设计）时气流平均速度较大，平均空气龄较低，通风效果较好。经济性分析表明第三种通风方案的费用年值也较低，且无论是初投资还是年运行维护费用均低于另两种方案，经济上也占有较大优势。

关键词：地铁检修库无风管诱导风机通风效果数值模拟

    检修库为车辆段内的主要功能承载建筑，库内良好的通风效果，不仅关系到工作人员本身的健康、工作效率问题，也在一定程度上保障和促进了机车的维修质量，对提高公共交通工具的安全系数有重要意义。地铁检修库采用通风形式多样，主要为自然通风，风管通风与无风管诱导通风系统等。目前对检修库不同通风方案效果的预测，研究方法较多，其中较为方便的是将气流分析与数值模拟相结合。

  本文作者对上海某大型地铁检修库在三种不同通风方案（分别为机械排风+100%自然补风、机械排风+80%机械进风、壁式送、排风机+无风管诱导风机三种）下的风场进行模拟计算，通过分析Z=1.6 m成年男子呼吸区平面的速度分布和平均空气龄分布来比较不同通风方案的通风效果，并采用费用年值法对各通风方案作动态经济分析，结果为实际工程的通风设计提供参考。

1  模拟内容及设置

1.1模拟内容

    为预测检修库在三种通风方案下的通风效果，有必要对不同方案下库内风场进行模拟。具体模拟内容设置见表1。

1.2物理模型及设置

    本文检修库全长约360 m，宽195.6 m，总高约10.2 m，南、北、西三面外墙上均开有门窗，库内有多组轨道，每组轨道最多可停两列列车（模拟时假设检修库满载），库内还布置有结构柱等。为模拟该检修库内的风场，设置模拟区域长324 m、宽160 m、高9.5 m。库内列车长140 m，宽3m，高4m。门窗及结构柱等均参照检修库实际设计布置。为了能够满足现有的计算条件，并且最大限度地反映实际情况，对物理模型做了相应简化处理，忽略了库内的平台等，只考虑结构柱和列车对气流的影响。根据各方案的模拟内容建立相应的物理模型，见图1与图2。计算时认为库内气流是稳态流动的不可压缩气体。采用k-双方程模型对库内风场进行模拟。所用网格为结构化网格。外墙门窗采用压力出口边界，机械送／排风口均采用速度入口边界，壁面边界处采用壁面函数法进行处理。

2  模拟结果及通风效果分析

    考虑到工作人员的健康、舒适问题，取Z=1.6 m成年男子呼吸平面的气流流动情况加以分析。

    图3至图5分别为三种通风设计下检修库Z=1.6 m平面速度分布的模拟结果。从图3可以看出，第一个方案Z=1.6 m平面处气流速度在0～0.26 m/s之间变化，其中南北外墙门窗开口处风速及西外墙中间大门开口处风速较大，达到0.26 m/s，库中部及中部偏南区域风速较低，低于0.1 m/s，这可能意味着此处的通风效果较差，有待提高。由图4可看出，相比方案1，方案2在Z=1.6 m平面处气流分布较均匀，气流速度也明显提高，流速在0~1.58 m/s之间变化，这意味着检修库的通风效果提高了。可见进风部分改用风机送风后，送风速度于一定范围内增加，气流扰动性增强。由图5可知，在Z=1.6 m平面，方案3气流速度进一步增加，最高达到3.72 m/s。气流速度较大处出现在并列的列车之间以及布置有壁式排风机的南外墙处。列车间速度较大是由于此处顶部布置有诱导风机，诱导风机保证了气流出口流速一定，有效减少了气流的速度衰减。而列车间流速的大大提高意味着相比前两种方案，列车间的通风效果大为改善。但显然，相比方案2，方案3的气流分布均匀性有所降低，这可能意味着舒适度有所下降。

图6至图8为三种通风设计下检修库Z=1.6m成年男子呼吸平面平均空气龄分布的模拟结果。由图6可以看出方案1在Z=1.6 m平面平均空气龄在0～6300 s之间变化，其中平均空气龄较大值出现在检修库中部偏东南区域，这和速度分布图（图3）中此处区域气流速度偏低（低于0.03 m/s）相对应，这可能意味着此处区域的通风效果较差。相比方案1，方案2在Z=1.6 m平面处平均空气龄较为降低，最大在2300 s左右（图7），这意味着空气新鲜程度提高，通风效果增强了。其中平均空气龄较大值出现在检修库中部区域，这与速度分布图中此处区域风速相对较低（低于0.16 m/s）相一致。由图8可知，采用第三种通风方案后，检修库在Z=1.6 m平面处平均空气龄大大降低，最大仅为475 s，相比方案1降低92%，相比方案2降低79%。其中平均空气龄较大值出现在南外墙处，这是由于第三种通风设计采用的是壁式送、排风机+无风管诱导风机通风设计，空气经北外墙上壁式送风机及门窗等开口进入，被多台横跨布置于库中的诱导风机卷吸喷出，再经多个诱导风机的接力推射，最后被推送至南外墙处排出，所以此处平均空气龄较高。

3  经济性能分析比较

    某个技术方案能否得到采用并不完全取决于技术的先进性，还要考察其是否具备经济上的合理性。考虑到工程实际与便捷性，本文采用费用年值指标对三种通风方案进行经济性评价，即建立通风系统费用年值数学模型，对投资、运行及维护等费用进行权衡，以费用年值最小的方案为最优方案。

3.1通风系统费用年值数学模型

    系统费用年值用折算费用来表示，即将各方案在寿命周期内的建设及运行费用总和换算成寿命期内总费用的等额年值，包括初投资、年运行费用（电费）、年维护费用，即

为通货膨胀率；n为设备使用年限，年。

3.2通风系统的经济参数计算

3.2.1系统初投资计算

    根据2次／h的设计换气次数，三种通风方案总排风量相同，均为96万m³/h，方案1进风全部采用自然补风，方案2进风部分采用风机送风，送风量为77万m³/h。方案3中每个壁式送、排风机风量分别为2万m³/h和2.5万m3h。每个诱导风机风量为1.4万m³/h。三种通风方案下具体风机配置见表2。此处不考虑土建工程费用，对三种通风方案的初投资费用分别进行估算及比较。其中方案1和方案2顶部排风管采用1 mm厚的镀锌风管，制作安装费用按上海市收费标准150元/m²，排风管总表面积为8784 m²，故顶部排风管制作安装费用为8784x150=131.76万元。

    方案1通风系统包括顶部排风管及排风机。其中排风管制作安装费用为131.76万元，排风机有12台，每台18500元，共18500x12=22.2万元，故方案1通风系统初投资C=131.76+22.2=153.96万元，同理计算出其他各方案的初投资，汇总于表3。

3.2.2系统年运行费用计算

    根据风机的运行参数（见表2），地铁检修库运行5小时／天（按晚23:30地铁停运至凌晨04:30地铁出库计），一年运行365天；电费按上海市未分时用户工商业用电价格0.675元／(kWh)计，方案1年运行费用=36x12x0.675x5x365=53.22万元，同理，计算其余各方案年运行费用，结果汇总于表3。

3.2.3系统年维护费用

    在各方案中年维护费用包括风机、风管等的维修、保养和管理人员工资福利等费用，其影响因素很多，要给出确切的数值是很困难的，本文采用估算法，按设备初投资的一定比例来计算维护管理费用，即每年维护费按下式求得。

  故方案1年维护费用C_m=0.06x153.96=9.24万元，同理计算其余各方案年维护费用，结果汇总于表3。

3.3费用年值计算

    以方案1费用年值的计算为例，其余各方案计算结果汇总于表3。根据式(1)，方案1通风系统的初投资C=153.96万元，假设通风系统的使用年限n=15年（通风系统的寿命在10～20年间不等，本文取15年计算），查阅最新数据，我国银行年利率为u=3.25%，年通货膨胀率f=1.99%，代入式(3)得不变折现率i=1.24%，将i和n的数值代入式(2)得到资本回收系数A/P,i₀，n）=0.07347，因此方案1通风系统的费用年值C₀=5 3.22+9.24+15 3.96 x0.07347=73.77万元。同理计算出其他各方案的费用年值，汇总于表3。

    图9为各方案通风系统费用年值及其构成，各方案的通风系统费用年值主要由年投资成本、年运行费用和年维护费用三部分组成。由图9结合表3可以看出，方案3的费用年值明显较低，尤其与方案2相比，仅为方案2的78.5%。其中方案3初投资比方案1和方案2都低，故折算的年投资成本相对也较低，方案3的初投资仅为方案2的80.2%，方案1的84.4%，若考虑土建投资节省费用，方案3于初投资费用节省上所占优势将会更明显。且方案3由于风机不需要考虑克服风管阻力，能耗低，故年运行费用也相对较低，尤其相对方案2而言，仅为方案2的77.9%。三种方案年维护费用相差不大。所以，在三种通风方案中，方案3费用年值最小，为最优方案。若考虑土建成本，方案3经济性优势将更为明显。

4  结论

    本文对检修库采用三种通风方案时的风场进行了模拟计算，通过分析其在Z=1.6 m成年男子呼吸区平面的速度分布和平均空气龄分布来比较不同通风方案下的通风效果，结果表明在考虑工作人员的健康及库内工作区的通风效果时，方案3即采用壁式送、排风机+无风管诱导风机的通风设计时库内气流平均速度较大，平均空气龄较低，空气比较新鲜，通风效果较好。但库内气流均匀性相比方案2（即采用机械排风+80%机械送风的传统风管通风系统设计）较差，意味着较方案2舒适性可能稍差。方案2的通风效果介于方案3与方案1之间，但气流均匀性最高。

    最后，本文采用动态经济评价指标费用年值对三种通风方案的通风系统的经济性进行了分析比较，发现方案3的费用年值最低，且无论是初投资还是运行维护费用都相对较低，即采用壁式送、排风机+无风管诱导风机通风系统在经济上占有较大优势。