引言

　　列車在半自由的區(qū)間隧道行駛時(shí)，列車尾部的空氣稀疏，導(dǎo)致尾部壓強(qiáng)升高，列車前部空氣受擠壓而使壓力升高;由于隧道邊壁限制了空氣的流動(dòng)，在同一水平面上，氣體從高氣壓流向低氣壓，活塞風(fēng)就形成了。這種現(xiàn)象也被稱為活塞效應(yīng)[1]。

　　地鐵、輕軌車站的通風(fēng)和照明等設(shè)備功率大，運(yùn)行時(shí)間長，運(yùn)營能耗大。廣州地鐵一號(hào)線投資122億，運(yùn)營三年平均每年運(yùn)營收入在1.8億元人民幣，但就2008年運(yùn)營成本卻達(dá)2.3億元人民幣。沉重的通風(fēng)照明費(fèi)用是高成本的原因之一。如何在保證乘客舒適度要求，盡可能的節(jié)約能耗，降低運(yùn)行費(fèi)用，是隧道建設(shè)部門必須考慮的問題。本文通過對(duì)活塞風(fēng)的研究，提出一種新的活塞風(fēng)利用模式—活塞風(fēng)發(fā)電。

　　一、國內(nèi)外隧道活塞風(fēng)的利用

　　雖然國內(nèi)外關(guān)于地鐵活塞風(fēng)本身性能的研究較多。Kim對(duì)地鐵列車在隧道內(nèi)加減速運(yùn)動(dòng)中引起的活塞風(fēng)進(jìn)行了分析;Ke分析了活塞風(fēng)引起的壓力變化對(duì)地鐵屏蔽門的影響;同濟(jì)大學(xué)王麗慧建立區(qū)間隧道微縮模型，研究隧道內(nèi)活塞風(fēng)風(fēng)速的影響因素和分布規(guī)律;運(yùn)用單因素試驗(yàn)分析了改善活塞風(fēng)影響效果的各因素，并通過正交試驗(yàn)給出顯著性分析[2]。天津大學(xué)董書蕓碩士結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值模擬等四種研究方法，對(duì)活塞風(fēng)對(duì)地鐵環(huán)境的影響規(guī)律、對(duì)地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響，為地鐵工程設(shè)計(jì)提供了必要的依據(jù)[3]。北京工業(yè)大學(xué)陳超教授提出通過增設(shè)活塞風(fēng)井的方式，有效利用與控制活塞風(fēng)對(duì)前方車站熱環(huán)境影響的設(shè)計(jì)方案[4]。但業(yè)內(nèi)對(duì)于如何有效利用隧道內(nèi)的活塞風(fēng)，特別是利用活塞風(fēng)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電，降低整條地鐵線路的運(yùn)營成本的研究國內(nèi)外目前仍處于空白階段。

　　二、活塞風(fēng)發(fā)電前景

　　1、現(xiàn)狀

　　21世紀(jì)是中國城市軌道交通的新紀(jì)元。隨著我國城市人口的急劇增加，對(duì)城市快速交通的需求不斷增大;而城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也為建設(shè)軌道交通提供了資金條件。在我國，發(fā)展快速軌道交通是解決大城市交通問題的根本途徑。地鐵與其他交通工具相比，具有載客量大、運(yùn)行快速準(zhǔn)點(diǎn)、室外占地少及環(huán)境污染少的優(yōu)點(diǎn)。我國已將未來城市交通軌道化發(fā)展列為今后30-50年內(nèi)的重點(diǎn)，計(jì)劃將在多座城市建設(shè)地鐵和輕軌等軌道交通系統(tǒng)。地鐵系統(tǒng)本身是投資巨大，運(yùn)行成本很高的設(shè)施，而通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)又是地鐵系統(tǒng)中耗資巨大的環(huán)節(jié)。地鐵站臺(tái)的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備功率大，運(yùn)行時(shí)間長，運(yùn)行能耗大。隨著地鐵的廣泛應(yīng)用，如何在保證滿足站廳和站臺(tái)的舒適度要求的前提下，盡可能的節(jié)約能耗，降低運(yùn)行費(fèi)用，是地鐵系統(tǒng)必須考慮的問題。

　　2、技術(shù)可行性分析

　　風(fēng)力發(fā)電的原理，是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電[5]。我國目前的發(fā)電技術(shù)能將達(dá)到每秒三公尺的風(fēng)速利用起來發(fā)電。而在城市軌道里實(shí)測活塞風(fēng)風(fēng)速的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過每秒三公尺的速度。發(fā)電機(jī)將活塞風(fēng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，輸出的交流電經(jīng)充電器整流蓄存在電瓶里，使的電能變成化學(xué)能[6]。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)若應(yīng)用磁懸浮技術(shù)便可消除了機(jī)械軸承間摩擦力，降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)起動(dòng)風(fēng)速減少軸承的維護(hù)成本，從而從總體上降低風(fēng)電成本[7]。國內(nèi)的全永磁懸浮離網(wǎng)型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)能提高了風(fēng)能的能流密度和品位，降低了自然風(fēng)的湍流度，改善了風(fēng)能的不穩(wěn)定等弱點(diǎn)[8]。

　　3、經(jīng)濟(jì)可行性分析

　　按照目前的估算包括發(fā)電設(shè)備和安全系統(tǒng)，隧道內(nèi)安裝一個(gè)風(fēng)輪的平均成本約為800元。如果按照每隔5米安裝一個(gè)風(fēng)輪計(jì)算，這樣一段隧道的設(shè)備投入約為25萬元。如果電費(fèi)按0.8元/千瓦時(shí)計(jì)算，每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量計(jì)算為500千瓦時(shí)，一臺(tái)風(fēng)輪一年可以節(jié)省電費(fèi)400元，在2-3年間可以回收800元的設(shè)備成本。根據(jù)估算平均十臺(tái)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量約等于一噸煤的發(fā)電量，其中十臺(tái)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總成本約為8000元。但是影響活塞風(fēng)風(fēng)力發(fā)電的主要因素是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的價(jià)格，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段不斷發(fā)展的情況下，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的價(jià)格肯定會(huì)下降，而發(fā)電功率反而會(huì)上升。而煤作為一種不可再生資源，其成本價(jià)格會(huì)隨著資源總量的減少攀升。而且，煤在燃燒中產(chǎn)生的大量廢氣廢渣也將對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。在節(jié)能減排的大背景下，使用煤發(fā)電的成本肯定會(huì)上升。

　　三、活塞風(fēng)發(fā)電的社會(huì)效益

　　在我國高速發(fā)展的軌道交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，地鐵輕軌將不可避免的遇到活塞風(fēng)對(duì)軌道交通帶來的問題隨著軌道交通在我國的廣泛應(yīng)用，其能耗狀況頗受關(guān)注節(jié)能運(yùn)營是軌道交通長期可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。在以往的工程實(shí)踐中活塞風(fēng)對(duì)地鐵通風(fēng)和能耗中都起重要影響，許多設(shè)計(jì)將活塞風(fēng)白白浪費(fèi)，盡量減小活塞風(fēng)的風(fēng)速但收效都甚微。從前二節(jié)可以看出：無論采用什么樣的方法，只可能稍微減小活塞風(fēng)風(fēng)速，要完全消除活塞風(fēng)是不現(xiàn)實(shí)的。而這就給利用活塞風(fēng)發(fā)電提供了一個(gè)好的環(huán)境，將活塞風(fēng)風(fēng)能通過小型發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能。這是將以往的理論研究與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的過程，為地鐵環(huán)控的節(jié)能運(yùn)營提供參考、指明方向，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

　　四、結(jié)論及展望

　　1、經(jīng)過筆者初步測試地鐵最高車速約70公里，折成風(fēng)速大約是14m/s，正常速度行使時(shí)風(fēng)速約為6m/s，完全能夠達(dá)到風(fēng)機(jī)正常啟動(dòng)風(fēng)速。

　　2、不管是從環(huán)境還是從成本上來考慮，活塞風(fēng)風(fēng)力發(fā)電在經(jīng)濟(jì)上是完全可行的。筆者從現(xiàn)代科技技術(shù)發(fā)展速度可以預(yù)測，如果在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上做適當(dāng)?shù)难芯浚梢詷酚^的估計(jì)，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的成本價(jià)格會(huì)下降30%-50%左右。

　　3、目前對(duì)隧道內(nèi)風(fēng)能的回收利用在技術(shù)理論上還需要進(jìn)一步深入的研究。這項(xiàng)技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用之路還很長，包括風(fēng)輪的設(shè)計(jì)、風(fēng)輪之間的距離都是技術(shù)研發(fā)中尚未確定的環(huán)節(jié)。當(dāng)然要真正實(shí)現(xiàn)活塞風(fēng)發(fā)電效益化，還要解決諸如如何控制活塞風(fēng)大小，如何確定隧道斷面最優(yōu)化等問題。

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