地鐵車站軌行區(qū)上下排熱風(fēng)速實(shí)測與分析

王麗慧 任 俊 王曉保 龔 偉 宋 潔

地鐵車站軌行區(qū)上下排熱風(fēng)速實(shí)測與分析

王麗慧1任 俊1王曉保2龔 偉2宋 潔2

1上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院
2上海申通軌道交通研究咨詢有限公司

地鐵車站軌行區(qū)排熱系統(tǒng)是排出列車制動(dòng)過程中摩擦生熱等熱量的有效方式。采用現(xiàn)場實(shí)測的研究方法，對(duì)上海地鐵8個(gè)典型車站軌行區(qū)上排熱和下排熱的風(fēng)口風(fēng)速進(jìn)行了逐一測試，通過分析實(shí)測數(shù)據(jù)得知其存在如下一些問題：各風(fēng)口風(fēng)速分布不均勻，靠近風(fēng)機(jī)側(cè)風(fēng)口風(fēng)速偏大；部分風(fēng)口因堵塞測不到風(fēng)速，并存在風(fēng)速偏小等現(xiàn)象。最后根據(jù)上下排熱系統(tǒng)實(shí)測總風(fēng)量和排熱風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量的差異，計(jì)算出排熱風(fēng)機(jī)能耗的節(jié)能潛力。

軌行區(qū)上下排熱現(xiàn)場實(shí)測排熱風(fēng)機(jī)能耗

0 引言

列車在區(qū)間隧道內(nèi)停靠站臺(tái)過程中，釋放大量熱量，主要包括車廂內(nèi)部空調(diào)系統(tǒng)通過車體上部冷凝器的散熱，列車車輪與軌道之間的摩擦生熱，列車運(yùn)行活塞風(fēng)從區(qū)間隧道內(nèi)帶來的熱量。這些熱量占列車區(qū)間運(yùn)行總產(chǎn)熱量的近50%[1～3]。在閉式系統(tǒng)或屏蔽門系統(tǒng)中，這部分熱量若不有效排出，都將會(huì)導(dǎo)致區(qū)間隧道溫度升高和站臺(tái)溫度升高，而地鐵車站軌行區(qū)上下排熱的設(shè)計(jì)就是為此而設(shè)計(jì)的。其中，上排熱風(fēng)管以排出車廂空調(diào)冷凝器熱為主，兼排出區(qū)間隧道內(nèi)的空氣熱量；下排熱風(fēng)管主要用于列車車輛排熱和區(qū)間隧道內(nèi)空氣熱量的排除。

近年來，有關(guān)地鐵車站軌行區(qū)上下排熱的研究日益增多，郝盛[4]通過CFD數(shù)值模擬分析得到車站軌行區(qū)上排熱采用小風(fēng)口并位于列車?yán)淠魃戏綍r(shí)排熱效果更好，能夠有效降低車站隧道溫度；王峰[5]通過SES數(shù)值模擬分析了車站活塞風(fēng)井風(fēng)量與軌行區(qū)排熱風(fēng)量之間的關(guān)系；畢正博[6]分析得到當(dāng)無軌行區(qū)上下排熱系統(tǒng)時(shí)軌行區(qū)最高溫度會(huì)上升2.9℃，指出軌行區(qū)上下排熱系統(tǒng)不僅能夠在軌行區(qū)高溫段排熱，而且能夠使得活塞風(fēng)井整體換氣效率提高。王永鏢[7]提出了將軌行區(qū)排熱量與地鐵排熱回收熱泵系統(tǒng)相結(jié)合的思路，并進(jìn)行了必要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析。

本文針對(duì)上海地鐵8個(gè)車站進(jìn)行了軌行區(qū)上下排熱系統(tǒng)運(yùn)行狀況的現(xiàn)場實(shí)測，指出現(xiàn)有各站軌行區(qū)上下排熱系統(tǒng)通風(fēng)排熱存在的問題及成因，并深入分析了排熱風(fēng)機(jī)能耗狀況。

1 現(xiàn)場實(shí)測

本次實(shí)測對(duì)上海地鐵各主要運(yùn)營線路的共計(jì)8個(gè)代表車站進(jìn)行了實(shí)測，本文中采用S1～S8表示，實(shí)測時(shí)間選在無列車運(yùn)營的零點(diǎn)至凌晨三點(diǎn)的時(shí)段，實(shí)測內(nèi)容包括兩個(gè)主要部分：其一是在排熱風(fēng)機(jī)全部開啟工況，對(duì)軌行區(qū)上下排熱風(fēng)口進(jìn)行逐個(gè)風(fēng)口的風(fēng)速測定；其二是記錄排熱風(fēng)機(jī)的銘牌參數(shù)，進(jìn)行風(fēng)機(jī)運(yùn)營能耗的估算。圖1為車站軌行區(qū)上下排熱風(fēng)道的相對(duì)位置圖，圖2為上下排熱風(fēng)口的實(shí)測照片。

圖1 隧道截面上下排熱風(fēng)道相對(duì)位置示意圖

圖2 排熱風(fēng)口現(xiàn)場圖

通常設(shè)計(jì)中，上排熱管尺寸3000mm×700mm，每節(jié)車廂配備2組風(fēng)口，每組5個(gè)風(fēng)口，風(fēng)口中心間距1000mm，共10個(gè)，風(fēng)口尺寸為500mm×1000mm。下排熱管尺寸1500mm×1340mm，每節(jié)列車配備12組風(fēng)口，分3組，中間6個(gè)風(fēng)口，風(fēng)口中心間距1775mm，兩邊2組各3個(gè)風(fēng)口，風(fēng)口中心間距為1475mm，風(fēng)口尺寸為300mm×775mm。實(shí)測采用Testo435-2型手持式熱線風(fēng)速儀，其量程為0～20m/s，測試精度為±0.1m/s。風(fēng)口測點(diǎn)布置如圖3所示，左側(cè)為上排熱風(fēng)口，右側(cè)是下排熱風(fēng)口。

圖3 排熱風(fēng)口測點(diǎn)布置示意圖

2 實(shí)測結(jié)果與分析

2.1 排熱風(fēng)口實(shí)測風(fēng)速分析

通過上述現(xiàn)場實(shí)測，總體來看，現(xiàn)有上海地鐵車站軌行區(qū)上下排熱狀況不理想，存在一些共性的問題，下面結(jié)合典型車站分析說明。

1）上下排熱風(fēng)口風(fēng)速分布不均勻

以S6站為例，該站車站軌行區(qū)上排熱風(fēng)道共有排風(fēng)風(fēng)口38個(gè)，下排熱風(fēng)道共有風(fēng)口54個(gè)。車站設(shè)計(jì)風(fēng)量約為156455m3/h。圖4給出了S6站上下排風(fēng)風(fēng)口實(shí)測數(shù)據(jù)圖（注：圖中編號(hào)為1的風(fēng)口靠近排熱風(fēng)機(jī)；紅線為各風(fēng)口的設(shè)計(jì)排熱風(fēng)速）。從圖中可見，S6站各風(fēng)口風(fēng)速均達(dá)到設(shè)計(jì)值，但風(fēng)速不均勻性明顯。上排熱風(fēng)道往桂林路方向在第6個(gè)風(fēng)口處風(fēng)速從5.7m/s降到2.9m/s，兩個(gè)方向上都是從約1/3風(fēng)口處風(fēng)速開始急劇下降。風(fēng)口風(fēng)速不均勻，靠近排熱風(fēng)機(jī)的風(fēng)口風(fēng)速大，最大風(fēng)速為7m/s，最小風(fēng)速卻不到1m/s，有待改善。兩個(gè)方向上風(fēng)口下排熱變化基本規(guī)律相似，大概在21個(gè)風(fēng)口處兩個(gè)方向的風(fēng)速都開始低于2m/s，遠(yuǎn)小于開始時(shí)風(fēng)口最大風(fēng)速10m/s。

圖4 S6站上下排熱實(shí)測數(shù)據(jù)

2）部分風(fēng)口沒有出風(fēng)

實(shí)測中，3～4個(gè)車站軌行區(qū)上下排熱風(fēng)口存在部分風(fēng)口無風(fēng)現(xiàn)象，造成這一現(xiàn)象的原因主要集中在部分風(fēng)口存在堵塞和風(fēng)口百葉調(diào)節(jié)不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象。部分風(fēng)口無風(fēng)將嚴(yán)重影響軌行區(qū)上下排熱效果，導(dǎo)致區(qū)間隧道溫度升高。圖5為S3站實(shí)測結(jié)果（注：圖中編號(hào)為1的風(fēng)口靠近排熱風(fēng)機(jī)；紅線為各風(fēng)口的設(shè)計(jì)排熱風(fēng)速），車站軌行區(qū)共有上排熱風(fēng)口38個(gè)，下排熱風(fēng)口50個(gè)，實(shí)測過程中，由于其對(duì)稱性測試一半風(fēng)口足可。從圖中可見，S3站軌行區(qū)在排熱風(fēng)機(jī)最大功率運(yùn)行工況下，只有很少一部分風(fēng)口存在排風(fēng)現(xiàn)象，排熱效果很不理想。

圖5 S3站軌行區(qū)上下排熱實(shí)測數(shù)據(jù)

圖6 S2站上排熱實(shí)測數(shù)據(jù)

3）風(fēng)口風(fēng)速小于設(shè)計(jì)風(fēng)速

在存在各個(gè)風(fēng)口風(fēng)速不均勻現(xiàn)象的同時(shí)，上下排熱風(fēng)口的實(shí)際風(fēng)速小于設(shè)計(jì)風(fēng)速的現(xiàn)象也非常突出。圖6為S2站上排熱實(shí)測結(jié)果（注：圖中編號(hào)為1的風(fēng)口靠近排熱風(fēng)機(jī)；紅線為各風(fēng)口的設(shè)計(jì)排熱風(fēng)速），該站上排熱風(fēng)口共有32個(gè)，從上下行線的實(shí)測數(shù)據(jù)可見，幾乎所有風(fēng)口的實(shí)測風(fēng)速均小于設(shè)計(jì)值，這將導(dǎo)致上排熱不充分，區(qū)間隧道溫度控制不利。這主要是因?yàn)榕艧嵯到y(tǒng)的局部阻力和沿程阻力過大造成的，實(shí)際地鐵風(fēng)管施工過程往往受到空間和布局的限制，導(dǎo)致實(shí)際的系統(tǒng)阻力大于設(shè)計(jì)值，而使總體風(fēng)速降低。

2.2 各車站特征參數(shù)對(duì)比分析

將各個(gè)車站上下排熱的平均風(fēng)速作為特征速度，將之與設(shè)計(jì)院提供的設(shè)計(jì)風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比，并且將每個(gè)車站實(shí)測的各個(gè)風(fēng)口的風(fēng)速作為樣本，計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差以表征其均勻性。如圖7和表1所示，除了部分車站的下排熱平均風(fēng)速等夠達(dá)到設(shè)計(jì)風(fēng)速外，上排熱均不能達(dá)到要求，像S3站（0.39/1.10）、S4站（0.07/1.10）、S5站（0.14/1.30）更是連設(shè)計(jì)風(fēng)速的30%都未達(dá)到(前邊是實(shí)際風(fēng)速、后邊是設(shè)計(jì)風(fēng)速)；并且從標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算中，可以看出各個(gè)站排熱風(fēng)口都存在很嚴(yán)重的不均勻現(xiàn)象。總的來說，從目前所測試的8個(gè)典型車站軌行區(qū)上下排熱的數(shù)據(jù)來看，上下排熱系統(tǒng)效果很不理想。

圖7 各車站特征風(fēng)速與標(biāo)準(zhǔn)差

表1 各車站上下排熱均值、標(biāo)準(zhǔn)差與設(shè)計(jì)風(fēng)速（單位：m/s）

2.3 排熱風(fēng)機(jī)能耗分析

實(shí)測過程中，各站的排熱風(fēng)機(jī)均按照額定工況運(yùn)，而由于上下排熱系統(tǒng)和風(fēng)口末端的各種問題，大部分車站的實(shí)際排熱風(fēng)量與額定風(fēng)量之間存在一定的差異，由式（1）可知，風(fēng)機(jī)風(fēng)量與功率之間存在如下關(guān)系：

式中：Q為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m/s；N為風(fēng)機(jī)功率，kW；下標(biāo)m為額定工況。

由各車站排熱系統(tǒng)實(shí)際排風(fēng)量推算出正常工況下風(fēng)機(jī)應(yīng)該消耗的功率，與風(fēng)機(jī)實(shí)際的消耗功率（額定工況下為額定功率）進(jìn)行對(duì)比，由式（2）可計(jì)算得到，因排熱風(fēng)道設(shè)計(jì)運(yùn)營存在的問題所導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)能耗浪費(fèi)率η，這也是下一步上、下排熱風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)營的節(jié)能潛力所在。

表2給出了7個(gè)車站總風(fēng)量的實(shí)測結(jié)果，通過與風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量對(duì)比，可以計(jì)算得到各個(gè)車站風(fēng)機(jī)能耗浪費(fèi)率η。其中，因中山公園站上排熱風(fēng)道已拆除，未進(jìn)行計(jì)算。從表2可見，不同車站風(fēng)機(jī)浪費(fèi)率不同，額定風(fēng)量與實(shí)測風(fēng)量差別越大，風(fēng)機(jī)能耗浪費(fèi)率越大。

表2 軌行區(qū)上下排熱風(fēng)機(jī)能耗計(jì)算

3 結(jié)論

通過對(duì)上海既有8個(gè)地鐵車站上下排熱系統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)測，分析得到軌行區(qū)上下排熱系統(tǒng)運(yùn)行存在如下幾個(gè)主要問題：上下排熱各風(fēng)口風(fēng)速不均勻，且一般靠近風(fēng)機(jī)側(cè)風(fēng)速較大；部分風(fēng)口存在堵塞現(xiàn)象；部分風(fēng)口風(fēng)速低于額定風(fēng)速現(xiàn)象。最后通過對(duì)比上下排熱系統(tǒng)的實(shí)測風(fēng)量與額定風(fēng)量的關(guān)系，提出排熱風(fēng)機(jī)能量浪費(fèi)率的定義，分析了上下排熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)營優(yōu)化帶來排風(fēng)風(fēng)機(jī)節(jié)能潛力空間。

[1]楊巨瀾.地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)變頻技術(shù)方案探討[J].制冷與空調(diào), 2008,22(4):37-41

[2]丁劍哄,朱偉峰,葉倩,等.屏蔽門對(duì)地鐵站內(nèi)環(huán)境影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué),2006,22(6A):58-60

[3]匡江紅,余斌.地鐵空調(diào)通風(fēng)環(huán)境控制系統(tǒng)的節(jié)能探討[J].能源研究與信息,2003,(4):218-222

[4]郝盛.地鐵車站隧道軌頂排熱風(fēng)口設(shè)置形式研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2011,20(6):45-47

[5]王峰,雷波.地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2012,8(1):172-176

[6]畢正博.屏蔽門制式地鐵軌行區(qū)通風(fēng)模式研究[D].成都:西南交通大學(xué)碩士論文,2012

[7]王永鏢,李炳熙.地鐵排熱回收熱泵系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào),2005,1(1):26-29

Me a s ure m e nt Study on Subw a y Sta tion Tunne l Exha us t Sys te m a nd Fa n Ene rgy Cons um ption Ana lys is

WANG Li-hui1,REN Jun1,WANG Xiao-bao2,GONG Wei2,SONG Jie2
1 School of Environment and Architecture,University of Shanghai for Science and Technology
2 Shanghai Shentong Rail Transit Research Consulting Co.,Ltd.

Subway station tunnel exhaust system is an effective way to discharge the heat during train braking process. By testing eight typical Shanghai subway station tunnel exhaust outlet wind velocity,the measured data was analyzed that its existence some questions as follows:uneven distribution of each tuyere wind speed,bigger wind velocity near fan side,part of outlets having no speed because of blocking,and existing small wind phenomena.At last,according to the difference between the measured total volume and nominal air delivery of exhaust fan,the potential of exhaust fan consumption was calculated.

subway station tunnel exhaust system,on-site measurement,exhaust fan consumption

1003-0344（2014）04-025-4

2013-7-15

王麗慧（1978～），女，副教授，博士；上海市楊浦區(qū)上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院407室（200093）；E-mail:66amy99@126.com基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（50908147）