嚴寒地區(qū)地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)運行性能實測研究*

清華大學(xué) 許崢浩 張 濤 劉曉華呼和浩特市城市軌道交通建設(shè)管理有限責(zé)任公司 劉占英 張振義 李 晨

0 引言

軌道交通是重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施，當(dāng)前我國城鎮(zhèn)化建設(shè)快速發(fā)展及“一帶一路”倡議全面實施，軌道交通、地鐵車站建設(shè)飛速發(fā)展。列車牽引、車站動力照明是軌道交通用能體系中最主要的2個分項，而通風(fēng)空調(diào)(環(huán)控)系統(tǒng)能耗通常在車站能耗中占比最大[1-2]。已有研究指出，北方地區(qū)牽引、環(huán)控能耗分別占地鐵總能耗的1/2和1/3，而南方地區(qū)環(huán)控能耗占總能耗的1/2左右[3]。因此，地鐵車站節(jié)能尤其是其環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能是軌道交通節(jié)能工作的一項重點。

當(dāng)前對地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)的研究主要包括冷源選用、能耗分析、通風(fēng)模式、熱環(huán)境控制等方面。朱培根等人基于大數(shù)據(jù)理論，對南京市地鐵環(huán)控系統(tǒng)的逐時能耗進行了分析，建立了車站典型日逐時能耗模型，實現(xiàn)了不同類型車站的能耗預(yù)測[4]；關(guān)博文等人在研究中發(fā)現(xiàn)，地鐵車站存在新風(fēng)供給過量的現(xiàn)象，在關(guān)閉機械新風(fēng)機的情況下也能夠滿足人員新風(fēng)需求[5]；羅輝等人研究發(fā)現(xiàn)，在車站能耗中隧道排熱風(fēng)機有較大的節(jié)能潛力[6]；楊樂在實測研究中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)情況下軌底排風(fēng)的溫度較低，排熱效果差，可考慮取消軌底排風(fēng)[3]；朱建章等人認為軌底排熱的效率低，同時軌底排風(fēng)系統(tǒng)又占據(jù)了空間資源，增加了控制的復(fù)雜程度，因此需要進一步討論取消軌底排熱系統(tǒng)的可行性[7]；張雄對取消軌底排風(fēng)的可行性進行了模擬分析，但對嚴寒地區(qū)應(yīng)用的實際效果還缺乏進一步的研究[8]。

從國內(nèi)地鐵車站的發(fā)展現(xiàn)狀來看，地鐵車站主要集中在北上廣深等特大型城市，集中在寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖等氣候區(qū)，對于嚴寒氣候區(qū)地鐵車站的環(huán)控系統(tǒng)實際運行性能、節(jié)能運行及環(huán)控系統(tǒng)如何更合理設(shè)計等關(guān)鍵問題尚未得到重視，因此有必要針對相應(yīng)地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)開展運行節(jié)能關(guān)鍵問題的深入研究。本研究針對嚴寒地區(qū)某地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)的實際運行性能及取消軌底排風(fēng)后的軌行區(qū)溫度變化情況進行了測試，分析并討論了不同季節(jié)環(huán)控系統(tǒng)運行情況及節(jié)能優(yōu)化措施，旨在為嚴寒地區(qū)地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計及運行提供參考。

1 車站概況

1.1 車站基本信息

本研究測試的地鐵車站位于嚴寒地區(qū)，選取的車站為該地地鐵1號線的2個地下站，具體的車站信息如表1所示，其中A站位于市郊，B站位于商業(yè)區(qū)。

1.2 環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)

測試站公共區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)(下稱大系統(tǒng))原理圖見圖1，大系統(tǒng)采用全空氣直流通風(fēng)系統(tǒng)，車站兩端各設(shè)置一條送風(fēng)道和一條排風(fēng)道，在送風(fēng)機前布置一臺冬季小新風(fēng)機，每端系統(tǒng)設(shè)備各承擔(dān)半個車站公共區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)所需風(fēng)量，送、排風(fēng)機均為變頻運行，以滿足不同風(fēng)量下的運營需要，大系統(tǒng)的設(shè)計計算結(jié)果如表2所示。軌行區(qū)排風(fēng)由列車頂排風(fēng)，排風(fēng)口與列車空調(diào)冷凝器的位置對應(yīng)，與傳統(tǒng)的軌行區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)相比，取消了軌底排風(fēng)。夏季正常運行時，車站大系統(tǒng)開啟送、排風(fēng)機，關(guān)閉站臺門上方的電動可調(diào)風(fēng)口；過渡季正常運行時，車站大系統(tǒng)關(guān)閉送、排風(fēng)機，開啟站臺門上方的電動可調(diào)風(fēng)口，從出入口自然補風(fēng)；冬季正常運行時，車站大系統(tǒng)開啟新、排風(fēng)機，關(guān)閉站臺門上方的電動可調(diào)風(fēng)口，如表3所示。車站在冬季運行時，為防止室外冷風(fēng)大量滲入，在各出入口與地面連接處加裝了擋風(fēng)門簾。

表2 大系統(tǒng)通風(fēng)設(shè)計計算結(jié)果

1.3 測試方法

為探究嚴寒地區(qū)地鐵車站大系統(tǒng)的實際環(huán)控系統(tǒng)運行效果及取消軌底排熱后軌行區(qū)的實際運行效果，本研究在夏季、冬季和過渡季分別對2個車站進行了實地測試，測試內(nèi)容包括：1) 室外及站內(nèi)公共區(qū)的空氣溫度及CO2濃度分布；2) 出入口的滲風(fēng)情況及壓差；3) 大系統(tǒng)風(fēng)機送、排風(fēng)量；4) 軌行區(qū)的溫度。其中，出入口風(fēng)量的測試選取出入口長直通道的中部來進行測試，將斷面平均分割成6個區(qū)域，每個區(qū)域中心處布置1個風(fēng)速測點，實際的測點布置如圖2所示。車站客流情況及列車進出情況由綜控室的面板數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到。表4給出了測試儀器的精度，測試分別在2020年1、7、9月進行，測試期間2號線還未開通運行。

表3 大系統(tǒng)通風(fēng)運行模式

圖2 出入口滲風(fēng)測點布置示意圖

表4 測量儀器參數(shù)

2 環(huán)控系統(tǒng)性能分析

2.1 車站溫濕度狀況

圖3a顯示了A站和B站夏季室內(nèi)公共區(qū)溫度測試結(jié)果。從圖3a可以看到：運行期間公共區(qū)的溫度均滿足設(shè)計要求(低于30 ℃)，室外最高溫度高于公共區(qū)溫度，室外最低溫度低于公共區(qū)溫度；公共區(qū)溫度在06:00開始逐漸升高，與地鐵開始運營的時間一致，溫度上升的主要影響因素是站內(nèi)設(shè)備啟用及人員乘車帶來的負荷；公共區(qū)溫度在晚高峰過后開始下降，此時主導(dǎo)溫度變化的因素為客流密度降低及室外溫度下降，因此站內(nèi)溫度開始下降；而在地鐵停運后，由于設(shè)備關(guān)停，負荷降低，同時室外溫度較低，因此公共區(qū)的溫度快速下降；在運行時段內(nèi)，A站站廳的溫度為21.7～23.6 ℃，站臺的溫度為20.9～21.7 ℃，B站站廳的溫度為23.1～24.7 ℃，站臺的溫度為21.3～23.2 ℃，2個車站的站廳溫度均高于站臺溫度，其中B站由于客流密度大，運行設(shè)備較多，因此站廳溫度和站臺溫度均略高于A站。圖3b顯示了2個車站冬季公共區(qū)溫度的測試結(jié)果。從圖3b可以看到：在測試期間室外溫度遠低于公共區(qū)溫度，公共區(qū)溫度均略低于設(shè)計要求(高于12 ℃)；由于車站出入口安裝了擋風(fēng)門簾，因此站內(nèi)溫度受室外溫度波動的影響較小，在運行時段內(nèi)，A站站廳的溫度為9.2～10.7 ℃，站臺的溫度為6.2～9.3 ℃，B站站廳的溫度為8.0～9.0 ℃，站臺的溫度為9.0～9.9 ℃。圖3c顯示了2個車站過渡季公共區(qū)溫度的測試結(jié)果。從圖3c可以看到：測試期間，室外全天的溫度均低于公共區(qū)溫度；車站環(huán)控系統(tǒng)在過渡季運行時，站臺門上方的電動可調(diào)風(fēng)口開啟，使得列車活塞風(fēng)的影響顯著加強，站內(nèi)通風(fēng)量較大，因此公共區(qū)的溫度更加均勻，在運行時段內(nèi)，A站站廳溫度為18.9～19.8 ℃，站臺溫度為19.0～19.5 ℃，B站站廳溫度為18.4～19.5 ℃，站臺溫度為19.3～20.0 ℃，站廳和站臺溫度接近。

2.2 CO2濃度及滲透風(fēng)狀況

圖4顯示了夏季A站和B站公共區(qū)的CO2濃度測試結(jié)果。從圖4可以看到：公共區(qū)內(nèi)的CO2體積分數(shù)全天均遠低于設(shè)計要求(低于1 500×10-6)，站內(nèi)新風(fēng)充足；在運行時段，A站的CO2體積分數(shù)為(308～348)×10-6，B站的CO2體積分數(shù)為(288～370)×10-6，室外的CO2體積分數(shù)為280×10-6，2個地鐵站的CO2濃度均與室外接近；由于B站客流量較大，因此運行時段整體CO2濃度高于A站。

圖4 夏季地鐵車站室內(nèi)公共區(qū)CO2體積分數(shù)測試結(jié)果

圖5顯示了A站某個出入口通道的滲風(fēng)測試結(jié)果，圖中正值表示室外新風(fēng)由出入口流入地鐵站，負值相反，對正值部分進行積分可得一個波動周期從該出入口引入了1 706 m3的新風(fēng)。車站環(huán)控系統(tǒng)夏季運行時，站臺門上方的電動可調(diào)風(fēng)口關(guān)閉，從圖5可以看到，出入口依舊存在明顯的滲風(fēng)現(xiàn)象，出入口的風(fēng)速隨著列車的進出呈現(xiàn)明顯的周期性波動，單個波動周期的最大風(fēng)速可達到1.7 m/s。對其他出入口通道的滲風(fēng)同樣進行測試，同時測量了大系統(tǒng)送風(fēng)機的送風(fēng)量，得到了整個車站的新風(fēng)供給情況，測試結(jié)果如圖6所示。在客流高峰時段，A站大系統(tǒng)的機械新風(fēng)量為61 807 m3/h，受列車活塞效應(yīng)影響由出入口引入新風(fēng)量為36 296 m3/h，總新風(fēng)量為98 103 m3/h；B站大系統(tǒng)的機械新風(fēng)量為108 389 m3/h，受列車活塞效應(yīng)由出入口引入新風(fēng)量為36 320 m3/h，總新風(fēng)量為144 709 m3/h。對比A站和B站由活塞效應(yīng)引起的出入口滲透新風(fēng)可以得到，在站臺門上方的電動可調(diào)風(fēng)口關(guān)閉時，出入口的個數(shù)對車站由所有出入口引入的總新風(fēng)量影響較小。

圖5 夏季地鐵車站出入口滲風(fēng)測試結(jié)果

圖6 夏季地鐵車站風(fēng)量測試結(jié)果

圖7顯示了A站和B站工作日及雙休日典型日的客流變化情況。從圖7可以看到：在工作日，2個車站客流均呈現(xiàn)出明顯的早高峰和晚高峰情形，而在雙休日則沒有明顯的雙波峰，在白天客流分布均勻，同時雙休日的日高峰客流在上午出現(xiàn)的時間段會比工作日的早高峰滯后；對于A站，由于其為標準站且位于郊區(qū)，因此客流峰值低于B站，且雙休日的客流顯著低于工作日；而B站位于商業(yè)區(qū)，因此客流量較大，且雙休日的客流與工作日接近；A站峰值客流為349人/h，按總新風(fēng)量計算得到人均新風(fēng)量為281 m3/(人·h)，僅依靠出入口滲透新風(fēng)量計算得到人均新風(fēng)量為104 m3/(人·h)；B站峰值客流為924人/h，按總新風(fēng)量計算得到人均新風(fēng)量為157 m3/(人·h)，僅依靠出入口滲透新風(fēng)量計算得到人均新風(fēng)量為39 m3/(人·h)。車站的新風(fēng)供給充足，僅依靠出入口的滲透新風(fēng)能夠滿足設(shè)計規(guī)范要求的閉式運行時人均新風(fēng)量12.6 m3/(人·h)。

冬季運行時，由于車站出入口加裝了擋風(fēng)門簾，列車活塞效應(yīng)所引起的出入口滲風(fēng)現(xiàn)象顯著減弱。圖8顯示了A站某個出入口門簾處的壓差波動情況(室外壓力減去室內(nèi)壓力)。從圖8可以看到，在出入口門簾處，室內(nèi)外壓差隨列車呈現(xiàn)顯著的周期性波動，波動范圍為-15～10 Pa，門簾的阻擋作用顯著。

圖8 冬季地鐵車站出入口壓差測試結(jié)果

過渡季時車站環(huán)控系統(tǒng)采用開式運行，站臺門上方的電動可調(diào)風(fēng)口開啟，利用活塞效應(yīng)從出入口進行補風(fēng)。圖9顯示了A站某個出入口通道的滲風(fēng)測試結(jié)果。從圖9可以看到，出入口的風(fēng)速隨著列車的進出呈現(xiàn)明顯的周期性波動，最大風(fēng)速可達到2.7 m/s，一個波動周期從該出入口引入了3 612 m3的新風(fēng)。對其他出入口通道的滲風(fēng)同樣進行測試，得到了整個車站的新風(fēng)供給情況，測試結(jié)果如圖10所示。在車站開式運行時，由于B站的出入口數(shù)量較多，因此活塞效應(yīng)從各出入口引入的總新風(fēng)量顯著大于A站，根據(jù)圖7的典型日客流情況進行計算，得到在客流高峰時段，A站的人均新風(fēng)量為189 m3/(人·h)，B站的人均新風(fēng)量為129 m3/(人·h)，能夠滿足設(shè)計規(guī)范要求的閉式運行時人均新風(fēng)量30 m3/(人·h)。

圖9 過渡季地鐵車站出入口滲風(fēng)測試結(jié)果

圖10 過渡季地鐵車站風(fēng)量測試結(jié)果

2.3 軌底溫度變化

圖11顯示了A站下行軌道列車進出站引起的軌底溫度波動情況。從圖11可以看到，列車進站導(dǎo)致軌底溫度上升0.7 ℃，在列車離站后，隧道內(nèi)活塞風(fēng)迅速將列車制動引起的熱負荷帶走，取消軌底排熱后，軌底未出現(xiàn)熱量積累的現(xiàn)象。圖12、13分別顯示了夏季和過渡季軌底溫度全天的測試結(jié)果。從圖12、13可以看到：夏季測試中，在地鐵運行時段，軌底溫度呈鋸齒狀緩慢上升的趨勢，日最高溫度出現(xiàn)在16:00—19:00，其中A站軌行區(qū)測試溫度為18～21 ℃，B站軌行區(qū)測試溫度為19～22 ℃，軌底全天溫升小于1 ℃，且在夜間停運后迅速降溫；A站軌行區(qū)的平均溫度低于B站，這是由于B站位于商業(yè)區(qū)，周邊土壤溫度更高導(dǎo)致的；2個車站過渡季軌行區(qū)的平均溫度略低于夏季，而過渡季室外溫度顯著低于夏季，室外溫度的變化對于軌行區(qū)溫度的影響較小，軌行區(qū)溫度受土壤溫度的影響較大。

圖11 夏季地鐵車站軌行區(qū)瞬時溫度波動測試結(jié)果

3 結(jié)論

1) 嚴寒地區(qū)地鐵車站由于夏季室外溫度較低，且土壤溫度較低，公共區(qū)溫度為20.9～24.7 ℃，可滿足公共區(qū)溫度控制要求；冬季由于室外溫度過低，公共區(qū)溫度為6.2～10.7 ℃，略低于設(shè)計規(guī)范要求，需進一步減小冬季室外冷風(fēng)滲透帶來的影響；過渡季公共區(qū)溫度為18.4～20.0 ℃，滿足公共區(qū)溫度控制要求。

2) 列車活塞效應(yīng)對車站影響顯著，閉式及開式運行時出入口滲透新風(fēng)量均可滿足人員新風(fēng)需求，考慮到公共區(qū)溫度遠低于設(shè)計規(guī)范要求，可關(guān)閉機械通風(fēng)系統(tǒng)。

3) 夏季軌底溫度低于22 ℃，且列車?？恳鸬乃矔r溫升小于1 ℃，且在列車出站后迅速降溫，無明顯熱量聚集現(xiàn)象，全天溫升小于1 ℃，表明取消軌底排風(fēng)不會引起軌底溫度過高。

本研究結(jié)論可為嚴寒地區(qū)地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計及運行策略提供參考，由于所測試的地鐵站處于運營初期，本研究結(jié)論對于遠期工況的適用性將在后續(xù)研究中進一步分析。