地鐵車站環(huán)控大系統(tǒng)計(jì)算方法研究

高 巖

（天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300392）

地鐵環(huán)控系統(tǒng)是地鐵系統(tǒng)的重要組成部分，為保證地鐵內(nèi)部人員的安全、舒適及設(shè)備的正常工作，必須設(shè)置良好的環(huán)控系統(tǒng)。合理的環(huán)控系統(tǒng)，在保證站內(nèi)環(huán)境舒適的同時(shí)，還可以節(jié)約運(yùn)行能耗，對地鐵運(yùn)行的節(jié)能減排有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1～2]。

目前，地鐵車站環(huán)控大系統(tǒng)計(jì)算主流的方法是利用SES、STESS或CFD等模擬軟件，通過搭建流體模型計(jì)算空調(diào)負(fù)荷；但是，由于地鐵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和環(huán)境的復(fù)雜性及特殊性，使得構(gòu)建的計(jì)算模型偏理想化，計(jì)算結(jié)果具有局限性，與實(shí)際運(yùn)行狀況存在一定的偏差，只能用于參考，而不能用于設(shè)計(jì)計(jì)算[3～5]。本文通過工程實(shí)例，從環(huán)控大系統(tǒng)的負(fù)荷組成出發(fā)，詳細(xì)分析每一影響因素，從而歸納總結(jié)出一套比較全面、準(zhǔn)確的環(huán)控大系統(tǒng)計(jì)算方法。

1 車站環(huán)控系統(tǒng)難點(diǎn)分析

區(qū)別于地面建筑，地鐵車站及區(qū)間隧道通常都位于地下，與外界大氣主要通過出入口、通風(fēng)豎井連通，環(huán)境封閉、濕度大、發(fā)熱源多、空氣流動(dòng)相對緩慢，空氣質(zhì)量與地面及其他場所相差較大。

地鐵環(huán)控系統(tǒng)設(shè)置復(fù)雜、運(yùn)行費(fèi)用高、工藝控制繁瑣、與外部接口眾多，效果與當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境、列車運(yùn)營組織模式、實(shí)時(shí)客流情況等密切相關(guān)。因此在對環(huán)控大系統(tǒng)的計(jì)算研究過程中，遇到了較多的困難和問題。

1）計(jì)算方法不成熟。在地鐵設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)中缺少環(huán)控大系統(tǒng)的具體計(jì)算過程、方法和公式，沒有行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法；因此對環(huán)控大系統(tǒng)的風(fēng)量、冷量等設(shè)計(jì)計(jì)算，更多的需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行自主學(xué)習(xí)鉆研，歸納總結(jié)。

2）設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是設(shè)計(jì)人員資歷淺，專業(yè)技術(shù)掌握不夠深、不夠廣；二是設(shè)計(jì)人員工程經(jīng)歷少，近年來，地鐵建設(shè)粗放式發(fā)展，導(dǎo)致新加入地鐵設(shè)計(jì)行業(yè)的工作人員更多的是埋頭畫圖，缺少跟隨工程施工、驗(yàn)收、回訪的過程。

3）專業(yè)間配合復(fù)雜。地鐵車站環(huán)控大系統(tǒng)受多種因素影響，牽涉到地質(zhì)、行車、客流、建筑、結(jié)構(gòu)、電力等十幾個(gè)專業(yè)，同時(shí)需要地鐵運(yùn)營部門的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

2 車站環(huán)控大系統(tǒng)計(jì)算分析

2.1 環(huán)控大系統(tǒng)的概念

地鐵車站公共區(qū)（站廳、站臺(tái)、出入口通道）的通風(fēng)、空調(diào)及防排煙系統(tǒng)簡稱為環(huán)控大系統(tǒng)，主要由空調(diào)機(jī)組、新排風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)、各種風(fēng)閥、消聲器和通風(fēng)管道等組成。其主要功能為：正常運(yùn)行時(shí)為公共區(qū)站廳及站臺(tái)乘客提供舒適的乘候車環(huán)境；事故出現(xiàn)時(shí)可以迅速地組織排除煙氣，保護(hù)乘客和工作人員安全疏散。

2.2 環(huán)控大系統(tǒng)的影響因素

地鐵環(huán)控系統(tǒng)形式，包括開式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)等。基礎(chǔ)資料，包括城市、地區(qū)的室內(nèi)外空氣計(jì)算參數(shù)、近遠(yuǎn)期的客流數(shù)據(jù)等。建筑、結(jié)構(gòu)資料，包括屏蔽門導(dǎo)熱系數(shù)、結(jié)構(gòu)壁面的熱力學(xué)參數(shù)等。設(shè)備系統(tǒng)資料，包括列車運(yùn)行發(fā)熱量、電力設(shè)備發(fā)熱量、廣告照明發(fā)熱量等。

2.3 環(huán)控大系統(tǒng)的計(jì)算步驟

確定車站環(huán)控系統(tǒng)形式。搜集整理基礎(chǔ)資料，包括空氣計(jì)算參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)、遠(yuǎn)期客流資料、電力設(shè)備發(fā)熱量、屏蔽門漏風(fēng)量等。詳細(xì)計(jì)算公共區(qū)的熱濕負(fù)荷值。根據(jù)熱濕負(fù)荷，繪制焓濕圖，計(jì)算送風(fēng)量和總的冷負(fù)荷。

3 案例分析

3.1 工程概況

天津地鐵6號(hào)線標(biāo)準(zhǔn)站沿站臺(tái)邊緣設(shè)置屏蔽門系統(tǒng)，將車站與區(qū)間分割開，車站兩端設(shè)置隧道通風(fēng)系統(tǒng)。與開式系統(tǒng)相比，屏蔽門系統(tǒng)空調(diào)能耗小，運(yùn)行成本低。

3.2 空氣計(jì)算參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)

夏季最熱月的平均溫度超過25℃且地鐵高峰時(shí)間內(nèi)每小時(shí)的行車對數(shù)和每列車車輛數(shù)的乘積≮180時(shí)，應(yīng)采用空調(diào)系統(tǒng)[6]。天津夏季最熱月平均溫度26.6℃，地鐵6號(hào)線車站遠(yuǎn)期高峰時(shí)段的設(shè)計(jì)發(fā)車密度≮30對/h，每列車車輛數(shù)6節(jié)，其乘積≮180，所以采用了空調(diào)系統(tǒng)。

夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度為32.4℃，計(jì)算濕球溫度為26.9℃；通風(fēng)室外計(jì)算溫度夏季為26.4℃，冬季為-3.5℃[7]；計(jì)算干球溫度站廳為30℃，站臺(tái)為29℃；空調(diào)送風(fēng)溫差為9~10℃；相對濕度為45%~65%。

3.3 客流資料

2040年（通車后第25 a）晚高峰預(yù)測客流量為3 065人/h?？土魍Ｕ緯r(shí)間：進(jìn)站上車時(shí)站廳2 min，站臺(tái)3 min；出站下車時(shí)站廳1.5 min，站臺(tái)1.5 min。停站瞬時(shí)人數(shù)：站廳為117人/h；站臺(tái)為150人/h。

課程內(nèi)容不再以章節(jié)的形式出現(xiàn)，而是設(shè)計(jì)了四個(gè)大項(xiàng)目九個(gè)子項(xiàng)目作為載體承載本課程的教學(xué)內(nèi)容，在完成教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上兼顧了項(xiàng)目的職業(yè)性、趣味性和覆蓋性等。[2]

3.4 熱濕負(fù)荷計(jì)算

3.4.1 熱濕負(fù)荷參數(shù)

1）人員發(fā)熱量。站廳：顯熱4.1 kW，全熱21.2 kW，潛熱17.1 kW。站臺(tái)：顯熱6.0 kW，全熱27.4 kW，潛熱21.4 kW。人員的濕負(fù)荷：站廳7 g/s；站臺(tái)9 g/s。

2）照明及設(shè)施發(fā)熱量。公共區(qū)：站廳81 kW，站臺(tái)58 kW。廣告牌：站廳30 kW，站臺(tái)50 kW。扶梯：站廳24.2 kW，站臺(tái)9.45 kW。垂直電梯：站廳3.5 kW，站臺(tái)10.5 kW。售票機(jī)：19 kW。進(jìn)出閘機(jī)：9.5 kW。通信設(shè)備：站廳2.5 kW，站臺(tái)2.5 kW。屏蔽門電機(jī)：站臺(tái)46 kW。

3）滲透風(fēng)得熱量150 kW；屏蔽門滲透負(fù)荷150 kW。

4）結(jié)構(gòu)壁面濕負(fù)荷：站廳1.7 g/s；站臺(tái)0.9 g/s。

5）站廳-站臺(tái)溫差，站臺(tái)得熱量60 kW。

6）其他發(fā)熱量20 kW，其他濕負(fù)荷2 g/s。

1）車站公共區(qū)：總得熱量810.7 kW，總濕負(fù)荷21g/s，顯熱得熱量744.9 kW，熱濕比38 605。

2）車站站廳：總得熱量376.9 kW，總濕負(fù)荷10 g/s，顯熱得熱量344.5 kW，熱濕比37 690。

3）車站站臺(tái)：總得熱量433.8 kW，總濕負(fù)荷11g/s，顯熱得熱量402.1 kW，熱濕比39 436。

3.5 繪制焓濕圖

3.5.1 狀態(tài)點(diǎn)名稱

站廳點(diǎn)N1；站臺(tái)點(diǎn)N2；站廳、站臺(tái)混合狀態(tài)點(diǎn)N；室外狀態(tài)點(diǎn)W；新風(fēng)和回風(fēng)混合狀態(tài)點(diǎn)S；S’為等濕溫升0.5℃；空調(diào)送風(fēng)點(diǎn)H；H’為等濕溫升1.5℃。

3.5.2 焓濕圖繪制

H點(diǎn)的溫度為20℃，相對濕度為86%，利用熱濕比線計(jì)算N1、N2(站廳按10℃溫差送風(fēng)，站臺(tái)按9℃溫差送風(fēng)）。通過N1、N2、H和站廳、站臺(tái)的總得熱量，求出站廳、站臺(tái)空調(diào)的送風(fēng)量，新風(fēng)量占總送風(fēng)量10%。

式中：G為送風(fēng)量，kg/s；Q為總余熱量，kW；hn為室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的焓值，kJ/kg；ho為送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的焓值，kJ/kg。

通過N1、N2、G計(jì)算N。通過N、W和混合比10%，計(jì)算S。

式中：Qw為新風(fēng)冷負(fù)荷，kW；Gw為新風(fēng)量，kg/s；hw為室外空氣進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)的焓值，kJ/kg。

S混合后溫升0.5℃，到S’等濕過程；空調(diào)機(jī)組送風(fēng)溫升1.5℃，H到H′等濕升溫；連接S’到H。見圖1。

圖1 環(huán)控大系統(tǒng)計(jì)算焓濕

3.5.3 計(jì)算結(jié)果

站廳層公共區(qū)空調(diào)送風(fēng)量為59 758 m3/h，站臺(tái)層公共區(qū)空調(diào)送風(fēng)量為63 025 m3/h，車站公共區(qū)總空調(diào)送風(fēng)量為122 783 m3/h；空調(diào)新風(fēng)量為12 278 m3/h，新風(fēng)冷負(fù)荷為148.3 kW；公共區(qū)計(jì)算總冷負(fù)荷 為959 kW。

3.6 計(jì)算總結(jié)

將上述計(jì)算過程整理成Excel程序，標(biāo)明輸入?yún)?shù)，編輯公式輸出計(jì)算結(jié)果，能夠適用于車站公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的環(huán)控大系統(tǒng)計(jì)算，提高計(jì)算效率和準(zhǔn)確性并且明確了各影響因素之間的關(guān)系，有利于進(jìn)一步探索地鐵環(huán)控系統(tǒng)的節(jié)能措施。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1）車站環(huán)控大系統(tǒng)計(jì)算過程中，要注重對不同城市、不同地區(qū)的基礎(chǔ)資料進(jìn)行實(shí)地考察和調(diào)研。

2）車站環(huán)控大系統(tǒng)受多種因素影響，計(jì)算時(shí)需逐條、逐項(xiàng)地進(jìn)行分析研究，以確定更加合理的數(shù)值。

3）地下車站空氣系統(tǒng)相對封閉、人員流動(dòng)性大，需要進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，充分結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)。

4）地鐵環(huán)控系統(tǒng)涉及專業(yè)眾多，控制運(yùn)行復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)人員對其他相關(guān)的專業(yè)知識(shí)有所了解。

4.2 建議

本文對車站環(huán)控大系統(tǒng)計(jì)算方法提出了改進(jìn)，但仍有許多問題值得深入研究。目前行業(yè)內(nèi)在環(huán)控大系統(tǒng)計(jì)算過程中應(yīng)用的方法、原理基本一致，但具體處理過程和參數(shù)取值等方面各有其道，在進(jìn)一步的研究中，有必要對多種形式的地鐵車站進(jìn)行現(xiàn)場測試，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)找出車站環(huán)控大系統(tǒng)的每一項(xiàng)影響因素，從而形成行業(yè)內(nèi)環(huán)控大系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算方法。□■