西安地鐵車站環(huán)境實(shí)測(cè)及公共區(qū)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算分析

齊江浩，趙蕾，王君，李德輝，郭永楨，鄧保順

( 1.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；3.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

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西安地鐵車站環(huán)境實(shí)測(cè)及公共區(qū)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算分析

齊江浩1，趙蕾1，王君2，李德輝3，郭永楨3，鄧保順3

( 1.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；3.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

摘要:基于對(duì)西安地鐵2號(hào)線緯一街站車站公共區(qū)、站臺(tái)隧道、活塞風(fēng)井、排熱風(fēng)道和室外空氣的溫度和相對(duì)濕度的逐時(shí)監(jiān)測(cè)，通過負(fù)荷計(jì)算及理論分析車站公共區(qū)空調(diào)負(fù)荷逐時(shí)變化規(guī)律并提出負(fù)荷計(jì)算建議。通常負(fù)荷計(jì)算中是按照規(guī)范中的規(guī)定，以晚高峰為基礎(chǔ)取定常值。研究結(jié)果表明：雖然早高峰溫度低但相對(duì)濕度大，加之早高峰客流量常常大于晚高峰，致使地鐵實(shí)際運(yùn)營(yíng)中車站公共早高峰空調(diào)負(fù)荷時(shí)常大于晚高峰。建議空調(diào)負(fù)荷計(jì)算中綜合考慮早晚高峰的峰值負(fù)荷。

關(guān)鍵詞：西安地鐵；測(cè)試；早高峰；晚高峰；逐時(shí)負(fù)荷

城市軌道交通具有準(zhǔn)時(shí)、安全、衛(wèi)生、便捷和舒適等優(yōu)點(diǎn)，近年來發(fā)展迅速。不僅在北京、上海、廣州、深圳等一線城市掀起了建設(shè)地鐵的熱潮，在長(zhǎng)沙、武漢、鄭州、杭州和西安等二線城市，地鐵建設(shè)也在如火如荼地進(jìn)行。地鐵能夠降低地面噪聲，減少城市污染，改善地面交通狀況，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。然而，地鐵環(huán)控能耗占地鐵整個(gè)運(yùn)營(yíng)能耗的比例大，甚至超過了列車牽引能耗，這成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)問題。針對(duì)地鐵車站公共區(qū)熱負(fù)荷的研究對(duì)空調(diào)設(shè)備的選型和滿足環(huán)境控制要求下節(jié)能控制運(yùn)行至關(guān)重要。徐波等[1-4]均對(duì)公共區(qū)熱負(fù)荷進(jìn)行研究，但大都針對(duì)非屏蔽門系統(tǒng)，且新風(fēng)焓值均按規(guī)范規(guī)定的常量取值，即取固定新風(fēng)焓值，并未考慮室外新風(fēng)焓值的逐時(shí)變化。西安地鐵2號(hào)線全線采用屏蔽門系統(tǒng)，為西安地鐵首條開工和運(yùn)營(yíng)的線路，北起位于未央?yún)^(qū)的北客站，南至位于長(zhǎng)安區(qū)的韋曲南站。西安建筑科技大學(xué)聯(lián)合中鐵第一勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司于2013-08～2014-11對(duì)2號(hào)線有代表性的緯一街站、市圖書館站、鐘樓站的區(qū)間隧道、站臺(tái)隧道、公共區(qū)及活塞風(fēng)道和風(fēng)井出入口的空氣溫濕度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。通過監(jiān)測(cè)更清晰地了解了地鐵各部分環(huán)境狀況，為其他地鐵環(huán)控設(shè)備選型和控制提供參考。

1測(cè)試方案

1.1測(cè)試儀器

測(cè)試選用具有溫度及相對(duì)濕度測(cè)量功能的testo175H1數(shù)據(jù)記錄儀。該儀器外形尺寸為149mm×53mm×27mm，可存儲(chǔ)高達(dá)1百萬組數(shù)據(jù)，電池壽命長(zhǎng)達(dá)3a，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)。溫度監(jiān)測(cè)范圍為-20～55 ℃，測(cè)量精度為±0.4 ℃，分辨率為0.1 ℃。電容式濕度傳感器的測(cè)量范圍為0～100%，測(cè)量精度為±2%，分辨率為0.1%。該儀器由尖端技術(shù)設(shè)計(jì)而成，具有最高級(jí)別的數(shù)據(jù)安全性以及測(cè)量可靠性。

1.2車站參數(shù)及測(cè)試方案

以緯一街站為研究對(duì)象，緯一街站是西安地鐵2號(hào)線第16座車站，南側(cè)為會(huì)展中心站，北側(cè)為小寨站，為明挖地下2層島式車站，車站全長(zhǎng)179.6m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度18.5m，有效站臺(tái)長(zhǎng)度120m，島式站臺(tái)寬為10m。站廳層公共區(qū)面積1 297m2，站臺(tái)層公共區(qū)面積1 020m2。在車站南、北端地面上分設(shè)有1座區(qū)間隧道活塞機(jī)械風(fēng)亭，1座新風(fēng)亭和1座排風(fēng)亭。2號(hào)線列車為6節(jié)編組，車內(nèi)空調(diào)由列車頂部車載空調(diào)器提供。本站遠(yuǎn)期2036年運(yùn)營(yíng)晚高峰小時(shí)客流量13 422人次/h。

測(cè)試過程中在緯一街站取18個(gè)測(cè)點(diǎn)布置儀器，分別在活塞風(fēng)井出口處、排熱風(fēng)機(jī)入口處、站臺(tái)隧道軌行區(qū)、區(qū)間隧道活塞風(fēng)孔附近、區(qū)間隧道中間聯(lián)絡(luò)通道處及站廳站臺(tái)公共區(qū)。測(cè)點(diǎn)具體布置情況如表1和圖1所示。儀器的采樣記錄周期為20min，從2013-08-03的0∶33∶44～2014-11-13的15∶13∶44不間斷地對(duì)測(cè)點(diǎn)溫度及相對(duì)濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2緯一街站公共區(qū)逐時(shí)熱負(fù)荷分析計(jì)算

配有屏蔽門系統(tǒng)的地鐵車站公共區(qū)空調(diào)負(fù)荷主要由以下幾部分組成：車站照明及設(shè)備負(fù)荷、人員負(fù)荷、壁面吸放熱所增減的負(fù)荷、出入口滲透負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷、屏蔽門開啟時(shí)對(duì)流換熱與屏蔽門傳熱負(fù)荷等[5]。

在地鐵車站空調(diào)負(fù)荷計(jì)算中大都按照《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定，即夏季空調(diào)室外空氣計(jì)算干球溫度采用近20a晚高峰負(fù)荷時(shí)平均不保證30h的干球溫度[6]，夏季空調(diào)室外空氣計(jì)算濕球溫度采用20a夏季晚高峰負(fù)荷時(shí)平均每年不保證30h的濕球溫度。目前地鐵設(shè)計(jì)中常以地鐵晚高峰客流和新風(fēng)參數(shù)作為車站設(shè)計(jì)空調(diào)負(fù)荷的基礎(chǔ)，即認(rèn)為車站空調(diào)負(fù)荷最高點(diǎn)總出現(xiàn)在晚高峰。地鐵的新風(fēng)焓值常按規(guī)范中確定的固定數(shù)值取值，即按常量計(jì)算，并未考慮室外新風(fēng)及隧道內(nèi)空氣焓值的逐時(shí)變化。

表1　測(cè)點(diǎn)布置

注：圖中1，2，3和4為活塞風(fēng)孔。排熱風(fēng)道WT-TH2和4測(cè)點(diǎn)及區(qū)間隧道中間聯(lián)絡(luò)通道測(cè)點(diǎn)WT-TH11和12，15，16未在圖中標(biāo)注。圖1　車站測(cè)點(diǎn)平面布置圖Fig.1 Plain layout of station gauging point

取測(cè)試中的2014-08-01～08-05為5個(gè)典型日進(jìn)行車站公共區(qū)負(fù)荷計(jì)算分析，此過程中公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)正處在最小新風(fēng)工況運(yùn)行，即新風(fēng)量按12.6m3/h·人計(jì)算，且空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量不小于總風(fēng)量的10%[7]。各項(xiàng)負(fù)荷計(jì)算如下。

2.1設(shè)備負(fù)荷

車站設(shè)備發(fā)熱量相對(duì)恒定，不隨季節(jié)、年度及客流量的變化而變化。根據(jù)各設(shè)備的負(fù)荷及設(shè)備效率可直接計(jì)算出車站設(shè)備發(fā)熱量[8]。

車站站廳和站臺(tái)照明密度為：13W/m2；垂直電梯：7kW/臺(tái)；自動(dòng)扶梯：15kW/臺(tái)；廣告燈箱：30kW/站(站廳)，20kW/站(站臺(tái))；自動(dòng)檢票機(jī)：500W/臺(tái)。

2.2人員負(fù)荷

人員散熱有顯熱和潛熱兩種形式，其中潛熱量直接轉(zhuǎn)化為熱負(fù)荷，而顯熱量一部分以對(duì)流方式散發(fā)到室內(nèi)，計(jì)入瞬時(shí)冷負(fù)荷，另外一部分以輻射方式散發(fā)至室內(nèi)。

由于乘客在車站滯留的時(shí)間不同，這部分負(fù)荷實(shí)際是動(dòng)態(tài)負(fù)荷，準(zhǔn)確計(jì)算困難。上車時(shí)乘客從地面進(jìn)入地鐵站廳、站臺(tái)候車、直至進(jìn)入地鐵車廂，全過程大致需要3～5min，下車乘客經(jīng)車站站臺(tái)、站廳直至地面，約需3min。這一過程的平均時(shí)間與列車行車計(jì)劃相關(guān)，客流量確定之后還需考慮適當(dāng)?shù)娜杭禂?shù)[9]，車站人員散熱量計(jì)算如(1)式：

(1)

式中：q為站臺(tái)人員散熱指標(biāo)，W/人；nmax為站臺(tái)高峰客流量，人/h；n′為群集系數(shù)，取0.9；m為客流密度系數(shù)，如表2[2，10]； T為每位乘客在公共區(qū)停留的時(shí)間，min。

人員散熱指標(biāo)按輕度勞動(dòng)人員計(jì)算，取182W/人。本站遠(yuǎn)期2 036a運(yùn)營(yíng)晚高峰小時(shí)客流量13 422人次/h。乘客上車時(shí)在站廳停留3min，站臺(tái)停留2min，下車時(shí)站臺(tái)停留1.5min，站廳停留1.5min[11]。

2.3圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷

圍護(hù)結(jié)構(gòu)與空氣接觸面積很大，蓄熱能力很強(qiáng)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳熱過程是一個(gè)以1a為周期的緩慢的不穩(wěn)定傳熱過程，熱慣性非常大。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)不斷被加熱升溫時(shí)，隧道內(nèi)并不覺得熱，而當(dāng)隧道內(nèi)感覺出過熱時(shí)，整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)己經(jīng)積蓄了大量的熱，不得不追加大量的財(cái)力物力，采取降溫措施，以維持系統(tǒng)正常運(yùn)營(yíng)。

對(duì)于配有屏蔽門系統(tǒng)的車站空調(diào)負(fù)荷而言，土壤傳熱所占的比例甚微，基本可以忽略不計(jì)[12]。

表2　各時(shí)刻的客流密度系數(shù)

2.4出入口滲透負(fù)荷

出入口滲透換熱量按面積指標(biāo)進(jìn)行概算[13]，取200W/m2。緯一街站共設(shè)有4個(gè)出口，每個(gè)出口尺寸寬×高為6.2m×2.5m。

2.5新風(fēng)負(fù)荷

計(jì)算公式如下：

Qh=ρV(iw-in)

(2)

式中：ρ為新風(fēng)密度，取1.29kg/m3；V為新風(fēng)量，m3/s；iw為室外空氣焓值，kJ/kg； in為室內(nèi)空氣焓值，kJ/kg。

其中新風(fēng)量為

V=12.6nmaxm

(3)

新風(fēng)量隨著客流變化而逐時(shí)變化[14]。

2.5.1室內(nèi)外空氣狀態(tài)及逐時(shí)焓差

測(cè)試中WY-TH01和WY-TH03測(cè)點(diǎn)測(cè)得車站左右兩端活塞風(fēng)井出口處的溫度和相對(duì)濕度。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)取2測(cè)點(diǎn)的均值作為室外空氣焓值的逐時(shí)變化值。室內(nèi)空氣狀態(tài)根據(jù)站廳公共區(qū)WY-TH17和站臺(tái)公共區(qū)WY-TH18測(cè)點(diǎn)確定。08-01～08-05室外空氣相對(duì)濕度變化如圖2(a)所示，車站公共區(qū)空氣相對(duì)濕度如圖2(b)所示，室內(nèi)外空氣逐時(shí)焓差如圖2(c)所示。

(a)室外空氣相對(duì)濕度；(b)車站公共區(qū)相對(duì)濕度(c)室內(nèi)外逐時(shí)焓差圖2　室外相對(duì)濕度及室內(nèi)外焓值Fig.2 Relative humidity and enthalpy difference of outdoor and indoor air

車站公共區(qū)空氣相對(duì)濕度及焓值變化幅度小，室內(nèi)空氣焓值隨著客流變化在62.92～67.56kJ/kg范圍內(nèi)波動(dòng)。

從圖2可看出，緯一街站測(cè)試階段室外空氣焓值最高值出現(xiàn)在15∶00，為116.06kJ/kg，最小值出現(xiàn)在24∶00，為68.12kJ/kg，變化幅度大。另外，雖然晚高峰室外溫度高，但室外空氣相對(duì)濕度比早高峰低很多。根據(jù)測(cè)試，緯一街站晚高峰室外溫度比早高峰高7.38 ℃左右，在此基礎(chǔ)上08-01晚高峰室內(nèi)外焓差仍出現(xiàn)了小于早高峰的情況。在一些晝夜溫差小，晚高峰與早高峰室外溫度差異比西安小的城市，實(shí)際運(yùn)營(yíng)中其早高峰新風(fēng)負(fù)荷要高于晚高峰，如鄭晉麗[16]對(duì)上海地鐵的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)早高峰新風(fēng)負(fù)荷高于晚高峰。

2.6屏蔽門開啟時(shí)對(duì)流換熱量與傳熱量

隧道內(nèi)列車運(yùn)行產(chǎn)熱、車廂冷凝器散熱及廣告牌等其他設(shè)備產(chǎn)熱使隧道溫度高于站臺(tái)，列車停站時(shí)屏蔽門開啟站內(nèi)與隧道冷熱空氣對(duì)流換熱。另外，通過屏蔽門傳熱也會(huì)使車站冷負(fù)荷增加。

屏蔽門開啟時(shí)對(duì)流換熱量計(jì)算公式[16]如下：

Qd=ρVd(ih-in)

(4)

式中：ρ為活塞風(fēng)密度，取1.29kg/m3；Vd為屏蔽門開啟對(duì)流風(fēng)量，按5～10m3/s估算其漏風(fēng)量；ih為隧道活塞風(fēng)焓值，kJ/kg； in為站臺(tái)區(qū)域空氣焓值，kJ/kg。

屏蔽門傳熱量計(jì)算如下：

Q=KFΔt

(5)

式中：K為屏蔽門傳熱系數(shù)，取14W/m2·K； F為屏蔽門面積，(屏蔽門高4m，長(zhǎng)113m，共2排)； △t為隧道區(qū)與站臺(tái)區(qū)溫度差。

其中，WY-TH06測(cè)點(diǎn)位于站臺(tái)層下行線有效站臺(tái)中部軌行區(qū)，WY-TH08測(cè)點(diǎn)位于站臺(tái)層上行線有效站臺(tái)中部軌行區(qū)，2測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可有效表征隧道活塞風(fēng)焓值逐時(shí)變化情況。

08-01～08-05站臺(tái)隧道內(nèi)空氣溫度逐時(shí)變化如圖3(a)所示，隧道內(nèi)空氣相對(duì)濕度逐時(shí)變化如圖3(b)，隧道內(nèi)空氣焓值逐時(shí)變化如圖3(c)所示。

站臺(tái)隧道環(huán)境相對(duì)封閉，隧道溫度及相對(duì)濕度變化較小，溫度在26.85～28.18 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)，相對(duì)濕度在72.75%～83.32%范圍內(nèi)波動(dòng)，焓值在71～79.12kJ/kg范圍內(nèi)波動(dòng)。

(a)站臺(tái)隧道溫度逐時(shí)變化；(b)站臺(tái)隧道內(nèi)相對(duì)濕度；(c)站臺(tái)隧道空氣焓值變化圖3　站臺(tái)隧道空氣溫度、相對(duì)濕度及焓值逐時(shí)變化Fig.3 Hourly change of station tunnel’s temperature, relative humidity and enthalpy

2.7緯一街站公共區(qū)空調(diào)逐時(shí)熱負(fù)荷

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，通過理論計(jì)算，緯一街站車站照明及設(shè)備負(fù)荷為112.12kW，出入口滲透負(fù)荷為12.4kW。兩者相對(duì)恒定，測(cè)試中不隨時(shí)間及客流量的變化而變化。人員負(fù)荷隨著客流量的變化逐時(shí)變化，在早高峰8∶00時(shí)達(dá)到最大值，為146.57kW。

以5個(gè)典型日的平均值來看，新風(fēng)負(fù)荷隨著室外和車站公共區(qū)焓值的變化而逐時(shí)變化，最大值為133.18kW。屏蔽門開啟時(shí)對(duì)流換熱負(fù)荷與屏蔽門傳熱負(fù)荷也隨列車運(yùn)行及公共區(qū)焓值變化而逐時(shí)變化，最大值出現(xiàn)在10∶00，為126.54kW。

緯一街站公共區(qū)空調(diào)負(fù)荷組成如圖4所示，負(fù)荷逐時(shí)變化情況如表3所示。

從表3可知，公共區(qū)空調(diào)負(fù)荷最大值出現(xiàn)在早高峰8∶00，為504.8kW，而晚高峰18∶00相對(duì)較小，為477.9kW。由此可知，在車站公共區(qū)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算得過程中，僅以晚高峰負(fù)荷為計(jì)算依據(jù)有些偏頗，需要結(jié)合早高峰及晚高峰負(fù)荷綜合考慮。

圖4　負(fù)荷分布圖Fig.4 Distribution map of load

Table 3 Hourly air-conditioning load of the public zone of Wei Street StationkW

3結(jié)論

1)地鐵車站公共區(qū)空調(diào)負(fù)荷中的照明及設(shè)備負(fù)荷、出入口滲透負(fù)荷實(shí)時(shí)變化較小，而人員負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷、屏蔽門開啟時(shí)對(duì)流換熱與屏蔽門傳熱負(fù)荷則隨著列車行車對(duì)數(shù)、客流量的變化而逐時(shí)變化，波動(dòng)較大。

2)雖然早高峰室外溫度低但空氣相對(duì)濕度大，在所測(cè)地早晚高峰溫差達(dá)7.38℃的情況下仍出現(xiàn)08-01早高峰8∶00室外空氣焓值比晚高峰19∶00高3.05kJ/kg。在早晚高峰溫度差異小的城市，實(shí)際運(yùn)營(yíng)中早高峰負(fù)荷高于晚高峰。

3)公共區(qū)空調(diào)負(fù)荷中人員負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷如圖4中所示所占比例最大。近年一些地方調(diào)研表明地鐵車站客流峰值大都出現(xiàn)在早高峰，與早高峰新風(fēng)負(fù)荷疊加后，實(shí)際中全日高峰負(fù)荷一般出現(xiàn)在早高峰，在設(shè)計(jì)中公共區(qū)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮早晚高峰負(fù)荷值。

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* 收稿日期：2015-09-15

通訊作者：趙蕾(1971-)，女，陜西西安人，教授，從事地鐵活塞風(fēng)研究；E-mail：1021248669@qq.com

中圖分類號(hào)：TU834

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)06-1206-06

Field measurement of Xi’an Metro station environment andanalysis of air conditioning load for the public zone

QI Jianghao1，ZHAO Lei1，WANG Jun2，LI Dehui3，GUO Yongzhen3，DENG Baoshun3

(1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’an710055,China；2.ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.，Ltd,Wuhan430063,China；3.ChinaRailwayFirstSurver&DesignInstituteGroupCo.，Ltd,Xi’an710043,China)

Abstract:According to the monitoring data of temp rature and relative humidity of Xi’an Metro line 2 Wei Street Station ( i.e. public zone, station tunnel, piston shaft, heat exhaust duct and externalair), the load of air-conditioning and theoretical analysis are calculated. This paper reveals the hourly change rule of the public zone air-conditioning load,and put forward some suggestions. We calculate the public zone air-conditioning load according to the regulations in design specification,based on evening peak get the constant value.In reality,morning peak’s passenger flow is bigger and the air relative humidity is higher. Then the load of morning peak and evening should be rationally considered in the calculation of public zone air-conditioning load.

Key words:Xi’an Metro Line 2; field measurement; morning peak; evening peak; hourly air-conditioning load