带上盖物业地铁车辆基地高大厂房纵向诱导通风研究- 大数跨境

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带上盖物业地铁车辆基地高大厂房纵向诱导通风研究

城市轨道交通网CCRM

2025-04-28

本文发布已获得《都市快轨交通》授权

原文发表于《都市快轨交通》

第 37 卷第 2 期 2024 年 4 月

如有转载请联系版权方，标明出处

刘起

地铁车辆基地是地铁正常运营的后勤保障基地，包括车辆段(停车场)、综合维修中心、物资总库等部分。车辆段(场)内运用库、停车列检库等厂房较高且面积较大，一般净空均超过8m，单个厂房建筑面积超过20000m2，有的多线共用车辆段(场)单个厂房建筑面积为40000～50000m2[1]。近年来，随着城市用地紧张以及地价的上涨，许多城市建设地铁车辆基地时，在满足相关功能的前提下，对车辆基地进行上盖物业开发，从而提高土地使用率，提升地块价值，增加收益。而上盖物业开发则直接影响了整个厂房的自然通风效果[2-3]。

为解决带上盖物业地铁车辆基地高大厂房的通风问题，学者们对各种形式通风系统进行了研究。汪令宏等[4-5]分别在北京四惠车辆段、武汉常青车辆段和深圳前海车辆段的设计中采用横向通风系统对高大厂房进行通风换气，且横向通风系统兼顾厂房内排烟。邰彦寰等[6-7]通过计算流体动力学(computationalfluiddynamics，CFD)对不同通风模式下地铁检修库内气流组织进行模拟计算，比较了不同通风模式下的通风效果，并对各通风方案进行动态经济分析，认为壁式送排风机+诱导推射风机方案通风效果有一定优势。李国庆等[1]将纵向诱导通风系统与传统横向通风系统进行技术经济对比分析，且对工作区平均风速、工作人员的体感最高温度、噪声以及CO2浓度等进行了测试，测试结果表明纵向诱导通风系统运行能耗低，且改善了厂房内工作环境。上述均未研究诱导推射风机布置方案对流场特性的影响，基于此，本文结合实际工程，通过对带上盖物业开发车辆基地高大厂房内的纵向诱导通风系统进行数值模拟，研究诱导推射风机布置形式对纵向诱导通风效果的影响。

1上盖物业车辆基地通风模式

车辆基地建筑通风的主要目的是排除余热以及车辆维修等工艺过程中产生的粉尘、污浊气体等，为运营人员创造良好的工作环境[1,6-8]。不带盖车辆基地的厂房多采用自然通风，主要做法是在厂房屋顶设通风天窗，侧墙设高窗，库内辅助设置壁式风扇进行岗位送风。自然通风可以充分利用热压和风压产生的动力使厂房内形成空气对流，以最大限度地节约能源[9]。

车辆基地进行上盖物业开发后，由于顶部无法设置通风天窗，严重影响了盖下区域的室内环境质量，给厂房通风设计带来很多难度和挑战[9]。传统的机械通风方式采用大型的离心或轴流排风机(一般兼做排烟风机)，在运用库或检修库靠近盖边缘的外墙设置风机房，垂直股道方向设置排风管道，排风量按《城市轨道交通车辆基地工程技术标准》(CJJ/T306—2020)第8.3.5条确定：车辆基地内运用和检修厂房采用机械通风时，当厂房高度小于或等于6m时，其排风量不宜小于按1次/h换气计算所得的风量；当厂房高度大于6m时，排风量可按6m3/(h·m2)计算[10]。运用库、检修库是地铁车辆基地典型高大厂房，受接触网、结构梁等构件限制，传统机械通风系统排风管一般贴梁底敷设，安装标高较高。由于机械通风系统兼作排烟用，为保证其排烟口位于储烟仓内，风口距离地面更高，故运行时，其空气流动主要在厂房上部，而下部工作区风速非常小，空气流动性差，CO2浓度相对较高，人员舒适性低。在工程设计时，拟采用纵向诱导通风系统来解决盖下高大厂房内的通风问题。沿股道方向设置一系列诱导推射风机，通过诱导推射风机的推射接力实现库内的排风，并通过诱导作用使工作区保持一定的风速。与传统机械通风系统相比，纵向诱导通风系统有以下优势：

①诱导推射风机安装在库内，不必设置通风机房，减少土建投资、节约土地；

②可以根据运营的实际需求分股道开启风机，降低通风运行能耗；③使用灵活，维修方便，对单台风机检修不影响其他股道的使用。上海9号线金桥停车场、杭州8号线新湾车辆段、杭州7号线盈中车辆段及江东三路停车场等均采用纵向诱导通风方案，但由于缺少相应的设备选型及布置等设计标准及规范依据，这些工程项目纵向诱导通风系统的设计更多是依赖于工程经验。为了解影响纵向诱导通风系统实际效果的因素，确保设计方案的合理性，本文结合实际工程，通过CFD对带上盖物业开发车辆基地高大厂房等纵向诱导通风系统进行数值模拟，合理确定纵向诱导通风系统的设计方案。以某地铁车辆段为例进行方案设计说明，车辆段总平面如图1所示，该车辆段带上盖物业开发，其中运用库、检修库、调机工程车库、镟轮库、洗车库、动调试验间、变电所、洗车房等位于盖下，综合楼、物资总库等位于盖外落地区。由于上盖物业开发需求，盖板上开孔较少，盖下内部区域尤其是运用库、检修库内部与盖外距离远，空气流动性差，特别是梅雨季节，空气湿度大，库内潮湿、闷热，工作环境会比较恶劣。

2模型构建及流场分析

2.1模型建立与网格划分

以该车辆段运用库为例，通过CFD模拟获得不同安装间距、不同安装高度情况下库内流场情况，通过对流场的分析，得出理论最优布置方案。该运用库主库总长度为332m，宽145.8m，沿宽度方向共计11跨，每跨均为两列位，库内最低点距顶板高度9.5m。沿股道方向在两列位之间布置诱导推射风机，可同时兼顾两列位的通风需求，按以下5种布置方式分别建模研究不同安装间距、不同安装高度时的流场特性：①安装高度H=7m，沿股道方向诱导推射风机安装间距L分别为20m、25m、30m三种情况(分别对应方案1、方案2、方案3)；②沿股道方向诱导推射风机安装间距L=25m，安装高度H分别为6m、7m、8m三种情况(对应方案4、方案2、方案5)。按照1︰1建模并划分网格，如图2所示。为方便计算，对该建筑几何模型进行简化，不考虑梁、柱等凸出物的影响。由于诱导推射风机与主库相对体积较小，在诱导推射风机局部位置进行网格加密处理，以获得较高计算精度。

2.2边界条件及物理模型

默认流体流动为定常流进行计算，边界条件及其他参数设置如下：

1)诱导推射风机进风口、出风口分别为速度入口、速度出口，根据工程实际条件和测试条件，设置入口流速为5m/s，出口流速为16.5m/s。

2)运用库门洞为压力入口，压力P=0Pa；边墙处轴流风机为速度出口，流速为8.23m/s；其他位置均为壁面。

3)采用SIMPLE算法和k-ε湍流模型，为实现计算尽快收敛，松弛因子的动量项、湍流动能项、湍流耗散率项分别设置为0.3、0.4、0.4，其他项采用默认值。

4)不考虑门窗漏风以及厂房内设备发热及粉尘散发点对空气流动的影响。

2.3流场分析

2.3.1诱导推射风机安装间距对空气流场特性的影响

按照安装高度H=7m，安装间距L=20、25、30m三种情况分别进行模拟，得出的计算结果如图3和图4所示。考虑该运用库长高比(长332m，净高9.5m)较大，沿股道方向均截取部分区域模拟图片，图中X为相对运用库西侧外墙的距离，Z为相对运用库室内地面标高。由图3可知，当安装高度H=7m且安装间距L=20、25m时，上游诱导推射风机的射流到达下游诱导推射风机入口附近仍具有一定的速度。

进一步选取对应股道，取距离诱导推射风机入口1.5m处平行于YOZ平面的截面作为统计面，得出其平均风速分别0.78、0.34m/s，接力效果较好。其中L=20m时，下游诱导推射风机入口处气流速度较大，其接力效果最佳。安装间距L=30m时，由图3(c)可知，部分位置的相邻诱导推射风机间出现了断流的情形，上游诱导推射风机的射流未到达下游诱导推射风机时已衰减严重，统计面上平均风速约0.07m/s，最小风速0.01m/s，接近于0，与图4速度矢量图所显示的情况基本一致。

图4为不同安装间距的速度矢量图，由图4可知，当L=20m时，上游气流虽经过衰减，但到达下游诱导推射风机入口附近风速仍然较高，统计面最大风速2.36m/s，易造成气流散乱、外溢，诱导推射风机上部也形成了一些涡流，造成一定能源浪费；同时，在0～2m工作区域[11]的气流均匀性差，且存在多处涡流，部分区域不能有效换气。而L=25m时气流则相对均匀、风速较平稳。因此，在诱导推射风机最大射程范围内，安装间距越大，工作区内气流越平稳，诱导通风效果越好，这与理论计算结果基本一致。诱导推射风机扰动风量的计算式为

式中，Qx为扰动风量，m3/h；Q0为诱导推射风机出口风量，m3/h；X为诱导推射风机射程，m；K为方形喷口等温轴心速度常数，一般取6.5；A0为诱导推射风机出风口有效面积，m2。根据式(1)可知，扰动风量与诱导推射风机的射程成正比，与出风口有效面积成反比。

本工程中，诱导推射风机风量为10000m3/h，出口尺寸为800mm×210mm(长×宽)，按式(1)计算，在最大射程范围内，L=20、25m时，其扰动风量分别为132866、166082m3/h。在工程设计时，诱导推射风机应首先考虑满足接力通风，同时应能在最大射程范围内尽可能加大设置间距，以提高其诱导通风量。

2.3.2诱导推射风机安装高度对空气流场特性的影响

根据相同高度，不同安装间距的模拟结果，按推射诱导风机最优安装间距L=25m，安装高度H=6、7、8m三种情况分别进行模拟，得出的计算结果如图5和图6所示。

由图5可知，在安装间距L=25m时，安装高度H=8m的射流形状不完全对称，但上游气流可以维持一定速度到达下游风机入口，接力效果最佳；安装高度H=6、7m的射流形状存在一定对称性，射流受出口角度及重力的影响，射流方向整体斜向下，接力效果差。究其原因，当安装高度H=8m时，诱导推射风机更贴近于运用库顶板，其出口气流为受限射流，受康达效应影响，射流对周围环境空气的卷吸存在不平衡，下部卷吸周围空气，卷吸的空气量少，因而流速大[12]。且随着射流进一步延伸，射流上下两侧情况出现变化，下侧因与大气相通，有充足的空气补充，始终保持大气压强，导致上侧的压强低于大气压，射流在上下压力差的作用下发生向上的偏转，最后形成沿壁面向前的流动，射程比较长。

H=6、7m时，其射流可近似为自由射流，气流上下部均卷吸周围空气，射流断面流量越来越大。由此可知，诱导推射风机出口气流在越接近壁面的情况下，贴附效果越强，使得气流向前传递的过程中，在贴近壁面位置形成了类似于层流的效果，这种情况在图6中亦可明显观察到。

由图6可知，当安装高度H=8m时，顶板处气流流线较为平直，在近地面区域形成了涡流；而当H=6、7m时，诱导推射风机入口卷吸明显，近顶板处气流较为混乱，但距离室内地面0～2m工作区内气流较为均匀。即诱导推射风机贴顶板安装时接力效果好，有利于排除污浊气体。诱导推射风机近地面安装时，工作区气流平稳，有利于改善工作区通风效果。为进一步研究不同安装高度诱导推射风机的扰动效果，在模拟结果中统计运用库高度方向Z=1.6m平面风速情况，当H=6、7、8m时，Z=1.6m平面上的平均风速分别为0.46、0.43、0.40m/s，最大风速分别为1.705、1.277、1.135m/s。根据国内外标准[11,13-14]关于气流组织参数设计规定，对于工业类建筑，可取工作区风速un=0.2～0.8m/s。Z=1.6m平面的风速统计结果显示，3种方案的最大风速相差较大，而平均风速相差较小且均位于un取值区间内，可见3种不同安装高度下，诱导推射系统均可以实现工作区人员的舒适需求，且随着安装高度的增加，风速则呈逐渐减小的趋势，即在安装高度H=6m时，诱导推射风机扰动效果最好。

3工程应用

以第2章的车辆段为例，该车辆段运用库设计规模为：周月检4列位，停车列检36列位。运用库长332m，宽145.8m，净高9.5m，两列位为一跨，单跨轴间距12.6m。运用库共设置112台诱导推射风机，布置在跨中两股道中间，间距为22～25m，安装高度约7m，按每跨分组，共11组，每组配置1个控制箱(分别控制每组的诱导推射风机)。投入使用后，经现场测试，工作区域距离地面1.6m高度的风速为0.8～1.5m/s，厂房内通风效果较前期车辆段场有较大改善；且运营初期维检车辆较少，分股道开启设备，降低了运行能耗，得到运营单位的认可。

4结论

综上，以运用库为例，对不同安装间距、不同安装高度情况下纵向诱导通风系统的流场进行模拟计算，根据计算结果分析其流场特性，得出如下主要结论：

1)高大厂房采用纵向诱导通风系统可实现较好的通风效果，改善上盖物业开发车辆基地高大厂房内的工作环境，较传统的通风方式更为简单。在诱导推射风机设计时，存在最佳安装距离及最佳安装高度，既可以实现库内污浊空气的接力排除，又可以保证工作区的通风效果，即达到了全面通风与岗位通风两种效果。

2)纵向诱导通风系统在实现全面通风与岗位通风时存在相互制约的情况。全面通风要求在诱导推射风机最大射流长度范围内，诱导推射风机安装间距小，安装高度尽可能贴顶板，模拟方案最优安装间距为L=20m，安装高度为H=8m；而要维持工作区内的风速值，实现岗位通风效果则要求诱导推射风机的安装距离大，安装高度远离顶板，模拟方案最优安装间距L=25m，安装高度为H=6m。