某地鐵檢修庫不同通風(fēng)模式研究(其他)
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某地鐵檢修庫不同通風(fēng)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(qiáng)2
1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院2鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院
摘 要：本文對上海某地鐵檢修庫三種不同通風(fēng)模式（分別為機(jī)械排風(fēng)+100%自然補(bǔ)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)+80%機(jī)械進(jìn)風(fēng)、壁式送排風(fēng)機(jī)+無風(fēng)管誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)三種通風(fēng)方案）下庫內(nèi)氣流組織進(jìn)行模擬計(jì)算，通過分析2=1.6 m成年男子呼吸區(qū)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(fēng)效果，并對各通風(fēng)方案作動態(tài)經(jīng)濟(jì)分析，計(jì)算并比較了各方案的費(fèi)用年值。結(jié)果表明，在換氣次數(shù)為2次／時(shí)，檢修庫采用第三種通風(fēng)方案（即采用壁式送、排風(fēng)機(jī)+無風(fēng)管誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)）時(shí)氣流平均速度較大，平均空氣齡較低，通風(fēng)效果較好。經(jīng)濟(jì)性分析表明第三種通風(fēng)方案的費(fèi)用年值也較低，且無論是初投資還是年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用均低于另兩種方案，經(jīng)濟(jì)上也占有較大優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：地鐵檢修庫無風(fēng)管誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)通風(fēng)效果數(shù)值模擬
檢修庫為車輛段內(nèi)的主要功能承載建筑，庫內(nèi)良好的通風(fēng)效果，不僅關(guān)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(jìn)了機(jī)車的維修質(zhì)量，對提高公共交通工具的安全系數(shù)有重要意義。地鐵檢修庫采用通風(fēng)形式多樣，主要為自然通風(fēng)，風(fēng)管通風(fēng)與無風(fēng)管誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)等。目前對檢修庫不同通風(fēng)方案效果的預(yù)測，研究方法較多，其中較為方便的是將氣流分析與數(shù)值模擬相結(jié)合。
本文作者對上海某大型地鐵檢修庫在三種不同通風(fēng)方案（分別為機(jī)械排風(fēng)+100%自然補(bǔ)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)+80%機(jī)械進(jìn)風(fēng)、壁式送、排風(fēng)機(jī)+無風(fēng)管誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)三種）下的風(fēng)場進(jìn)行模擬計(jì)算，通過分析Z=1.6 m成年男子呼吸區(qū)平面的速度分布和平均空氣齡分布來比較不同通風(fēng)方案的通風(fēng)效果，并采用費(fèi)用年值法對各通風(fēng)方案作動態(tài)經(jīng)濟(jì)分析，結(jié)果為實(shí)際工程的通風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。
1 模擬內(nèi)容及設(shè)置
1.1模擬內(nèi)容
為預(yù)測檢修庫在三種通風(fēng)方案下的通風(fēng)效果，有必要對不同方案下庫內(nèi)風(fēng)場進(jìn)行模擬。具體模擬內(nèi)容設(shè)置見表1。
1.2物理模型及設(shè)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(nèi)有多組軌道，每組軌道最多可停兩列列車（模擬時(shí)假設(shè)檢修庫滿載），庫內(nèi)還布置有結(jié)構(gòu)柱等。為模擬該檢修庫內(nèi)的風(fēng)場，設(shè)置模擬區(qū)域長324 m、寬160 m、高9.5 m。庫內(nèi)列車長140 m，寬3m，高4m。門窗及結(jié)構(gòu)柱等均參照檢修庫實(shí)際設(shè)計(jì)布置。為了能夠滿足現(xiàn)有的計(jì)算條件，并且最大限度地反映實(shí)際情況，對物理模型做了相應(yīng)簡化處理，忽略了庫內(nèi)的平臺等，只考慮結(jié)構(gòu)柱和列車對氣流的影響。根據(jù)各方案的模擬內(nèi)容建立相應(yīng)的物理模型，見圖1與圖2。計(jì)算時(shí)認(rèn)為庫內(nèi)氣流是穩(wěn)態(tài)流動的不可壓縮氣體。采用k-
雙方程模型對庫內(nèi)風(fēng)場進(jìn)行模擬。所用網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。外墻門窗采用壓力出口邊界，機(jī)械送／排風(fēng)口均采用速度入口邊界，壁面邊界處采用壁面函數(shù)法進(jìn)行處理。
2 模擬結(jié)果及通風(fēng)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(fēng)設(shè)計(jì)下檢修庫Z=1.6 m平面速度分布的模擬結(jié)果。從圖3可以看出，第一個(gè)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(fēng)速及西外墻中間大門開口處風(fēng)速較大，達(dá)到0.26 m/s，庫中部及中部偏南區(qū)域風(fēng)速較低，低于0.1 m/s，這可能意味著此處的通風(fēng)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(fēng)效果提高了�？梢娺M(jìn)風(fēng)部分改用風(fēng)機(jī)送風(fēng)后，送風(fēng)速度于一定范圍內(nèi)增加，氣流擾動性增強(qiáng)。由圖5可知，在Z=1.6 m平面，方案3氣流速度進(jìn)一步增加，最高達(dá)到3.72 m/s。氣流速度較大處出現(xiàn)在并列的列車之間以及布置有壁式排風(fēng)機(jī)的南外墻處。列車間速度較大是由于此處頂部布置有誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)，誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)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(fēng)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(fēng)設(shè)計(jì)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(jié)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(xiàn)在檢修庫中部偏東南區(qū)域，這和速度分布圖（圖3）中此處區(qū)域氣流速度偏低（低于0.03 m/s）相對應(yīng)，這可能意味著此處區(qū)域的通風(fēng)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(fēng)效果增強(qiáng)了。其中平均空氣齡較大值出現(xiàn)在檢修庫中部區(qū)域，這與速度分布圖中此處區(qū)域風(fēng)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(fēng)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(xiàn)在南外墻處，這是由于第三種通風(fēng)設(shè)計(jì)采用的是壁式送、排風(fēng)機(jī)+無風(fēng)管誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)通風(fēng)設(shè)計(jì)，空氣經(jīng)北外墻上壁式送風(fēng)機(jī)及門窗等開口進(jìn)入，被多臺橫跨布置于庫中的誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)卷吸噴出，再經(jīng)多個(gè)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)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(jīng)濟(jì)性能分析比較
某個(gè)技術(shù)方案能否得到采用并不完全取決于技術(shù)的先進(jìn)性，還要考察其是否具備經(jīng)濟(jì)上的合理性。考慮到工程實(shí)際與便捷性，本文采用費(fèi)用年值指標(biāo)對三種通風(fēng)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評價(jià)，即建立通風(fēng)系統(tǒng)費(fèi)用年值數(shù)學(xué)模型，對投資、運(yùn)行及維護(hù)等費(fèi)用進(jìn)行權(quán)衡，以費(fèi)用年值最小的方案為最優(yōu)方案。
3.1通風(fēng)系統(tǒng)費(fèi)用年值數(shù)學(xué)模型
系統(tǒng)費(fèi)用年值用折算費(fèi)用來表示，即將各方案在壽命周期內(nèi)的建設(shè)及運(yùn)行費(fèi)用總和換算成壽命期內(nèi)總費(fèi)用的等額年值，包括初投資、年運(yùn)行費(fèi)用（電費(fèi)）、年維護(hù)費(fèi)用，即
為通貨膨脹率；n為設(shè)備使用年限，年。
3.2通風(fēng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)參數(shù)計(jì)算
3.2.1系統(tǒng)初投資計(jì)算
根據(jù)2次／h的設(shè)計(jì)換氣次數(shù)，三種通風(fēng)方案總排風(fēng)量相同，均為96萬m3/h，方案1進(jìn)風(fēng)全部采用自然補(bǔ)風(fēng)，方案2進(jìn)風(fēng)部分采用風(fēng)機(jī)送風(fēng)，送風(fēng)量為77萬m3/h。方案3中每個(gè)壁式送、排風(fēng)機(jī)風(fēng)量分別為2萬m3/h和2.5萬m3h。每個(gè)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為1.4萬m3/h。三種通風(fēng)方案下具體風(fēng)機(jī)配置見表2。此處不考慮土建工程費(fèi)用，對三種通風(fēng)方案的初投資費(fèi)用分別進(jìn)行估算及比較。其中方案1和方案2頂部排風(fēng)管采用1 mm厚的鍍鋅風(fēng)管，制作安裝費(fèi)用按上海市收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)150元/m2，排風(fēng)管總表面積為8784 m2，故頂部排風(fēng)管制作安裝費(fèi)用為8784x150=131.76萬元。
方案1通風(fēng)系統(tǒng)包括頂部排風(fēng)管及排風(fēng)機(jī)。其中排風(fēng)管制作安裝費(fèi)用為131.76萬元，排風(fēng)機(jī)有12臺，每臺18500元，共18500x12=22.2萬元，故方案1通風(fēng)系統(tǒng)初投資C=131.76+22.2=153.96萬元，同理計(jì)算出其他各方案的初投資，匯總于表3。
3.2.2系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算
根據(jù)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)（見表2），地鐵檢修庫運(yùn)行5小時(shí)／天（按晚23:30地鐵停運(yùn)至凌晨04:30地鐵出庫計(jì)），一年運(yùn)行365天；電費(fèi)按上海市未分時(shí)用戶工商業(yè)用電價(jià)格0.675元／(kWh)計(jì)，方案1年運(yùn)行費(fèi)用=36x12x0.675x5x365=53.22萬元，同理，計(jì)算其余各方案年運(yùn)行費(fèi)用，結(jié)果匯總于表3。
3.2.3系統(tǒng)年維護(hù)費(fèi)用
在各方案中年維護(hù)費(fèi)用包括風(fēng)機(jī)、風(fēng)管等的維修、保養(yǎng)和管理人員工資福利等費(fèi)用，其影響因素很多，要給出確切的數(shù)值是很困難的，本文采用估算法，按設(shè)備初投資的一定比例來計(jì)算維護(hù)管理費(fèi)用，即每年維護(hù)費(fèi)按下式求得。
故方案1年維護(hù)費(fèi)用Cm=0.06x153.96=9.24萬元，同理計(jì)算其余各方案年維護(hù)費(fèi)用，結(jié)果匯總于表3。
3.3費(fèi)用年值計(jì)算
以方案1費(fèi)用年值的計(jì)算為例，其余各方案計(jì)算結(jié)果匯總于表3。根據(jù)式(1)，方案1通風(fēng)系統(tǒng)的初投資C=153.96萬元，假設(shè)通風(fēng)系統(tǒng)的使用年限n=15年（通風(fēng)系統(tǒng)的壽命在10～20年間不等，本文取15年計(jì)算），查閱最新數(shù)據(jù)，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(xiàn)率i=1.24%，將i和n的數(shù)值代入式(2)得到資本回收系數(shù)A/P,i0，n）=0.07347，因此方案1通風(fēng)系統(tǒng)的費(fèi)用年值C0=5 3.22+9.24+15 3.96 x0.07347=73.77萬元。同理計(jì)算出其他各方案的費(fèi)用年值，匯總于表3。
圖9為各方案通風(fēng)系統(tǒng)費(fèi)用年值及其構(gòu)成，各方案的通風(fēng)系統(tǒng)費(fèi)用年值主要由年投資成本、年運(yùn)行費(fèi)用和年維護(hù)費(fèi)用三部分組成。由圖9結(jié)合表3可以看出，方案3的費(fèi)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(jié)省費(fèi)用，方案3于初投資費(fèi)用節(jié)省上所占優(yōu)勢將會更明顯。且方案3由于風(fēng)機(jī)不需要考慮克服風(fēng)管阻力，能耗低，故年運(yùn)行費(fèi)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(hù)費(fèi)用相差不大。所以，在三種通風(fēng)方案中，方案3費(fèi)用年值最小，為最優(yōu)方案。若考慮土建成本，方案3經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢將更為明顯。
4 結(jié)論
本文對檢修庫采用三種通風(fēng)方案時(shí)的風(fēng)場進(jìn)行了模擬計(jì)算，通過分析其在Z=1.6 m成年男子呼吸區(qū)平面的速度分布和平均空氣齡分布來比較不同通風(fēng)方案下的通風(fēng)效果，結(jié)果表明在考慮工作人員的健康及庫內(nèi)工作區(qū)的通風(fēng)效果時(shí)，方案3即采用壁式送、排風(fēng)機(jī)+無風(fēng)管誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)庫內(nèi)氣流平均速度較大，平均空氣齡較低，空氣比較新鮮，通風(fēng)效果較好。但庫內(nèi)氣流均勻性相比方案2（即采用機(jī)械排風(fēng)+80%機(jī)械送風(fēng)的傳統(tǒng)風(fēng)管通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)）較差，意味著較方案2舒適性可能稍差。方案2的通風(fēng)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(tài)經(jīng)濟(jì)評價(jià)指標(biāo)費(fèi)用年值對三種通風(fēng)方案的通風(fēng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析比較，發(fā)現(xiàn)方案3的費(fèi)用年值最低，且無論是初投資還是運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用都相對較低，即采用壁式送、排風(fēng)機(jī)+無風(fēng)管誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上占有較大優(yōu)勢。
