昆明軌道交通通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制探討

張立琦

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

0 引言

城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的主要職責(zé)就是為人員提供良好的周圍空氣環(huán)境，滿足人員及設(shè)備的舒適性和安全要求，也是城市軌道交通工程不可或缺的重要組成部分[1]。

影響地鐵車站熱濕環(huán)境的主要因素有車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)、列車運(yùn)行和站內(nèi)各種熱源和濕源。土壤的蓄放熱特性可以調(diào)節(jié)站內(nèi)溫度范圍，列車運(yùn)行產(chǎn)生活塞通風(fēng)效應(yīng)，通過出入口引入大量的室外新風(fēng)，在過渡季和冬季有效改善站內(nèi)環(huán)境。

王行宇通過實(shí)測(cè)和DeST 負(fù)荷計(jì)算[2]，張玉潔結(jié)合MATLAB網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算程序和車站自然通風(fēng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)[3]，對(duì)出入口進(jìn)出風(fēng)量和熱環(huán)境進(jìn)行模擬分析，總結(jié)出通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)開啟臺(tái)數(shù)改變環(huán)控模式的變化轉(zhuǎn)換條件，提出了利用自然通風(fēng)的建議并計(jì)算了節(jié)能量。A.M.Krasyuk 指出對(duì)于淺埋地鐵車站，當(dāng)室外環(huán)境溫度在8℃以下時(shí)，無需機(jī)械通風(fēng)，僅靠列車運(yùn)行產(chǎn)生的活塞風(fēng)即可滿足站內(nèi)排除余熱余濕的需求[4]。

對(duì)于地鐵環(huán)境溫度變化現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，國內(nèi)也有一些研究，但沒有考慮活塞風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)的耦合，僅考慮了風(fēng)機(jī)全開和全關(guān)兩種工況，而且不同地區(qū)、不同車站的風(fēng)量計(jì)算結(jié)果相差較大。本文通過實(shí)測(cè)分析昆明實(shí)際運(yùn)行的車站公共區(qū)的通風(fēng)現(xiàn)狀，分析出入口活塞滲風(fēng)特性及其影響因素，討論不同新風(fēng)量對(duì)車站公共區(qū)環(huán)境的影響。進(jìn)而結(jié)合實(shí)際新風(fēng)需求，探索公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)合理利用活塞風(fēng)的節(jié)能措施。助力我國提出的“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的承諾[5]。

1 昆明軌道交通制式

昆明軌道交通區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)主要采用開啟出站端活塞風(fēng)井的單活塞開式通風(fēng)系統(tǒng)，單活塞系統(tǒng)是減少隧道通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)模的常用系統(tǒng)[6]，地下車站兩端各并聯(lián)設(shè)置2 臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)及一條活塞風(fēng)道。地下車站排熱風(fēng)系統(tǒng)主要由排熱風(fēng)機(jī)、軌頂風(fēng)道和風(fēng)道上設(shè)置的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和手動(dòng)防火閥組成。一般情況下，排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)兩組，分別布置在車站兩端設(shè)備房?jī)?nèi)，每組設(shè)一臺(tái)風(fēng)機(jī)，各負(fù)責(zé)半個(gè)車站隧道的排風(fēng)，氣流組織采用軌頂排風(fēng)，補(bǔ)風(fēng)來自車站兩端的活塞風(fēng)井、相鄰區(qū)間隧道和車站出入口。

根據(jù)昆明的溫和氣候特點(diǎn)，公共區(qū)域不采用空調(diào)系統(tǒng)，僅設(shè)置機(jī)械送風(fēng)系統(tǒng)，為了提高乘車的安全性，防止乘客有意或無意墜落站臺(tái)，車站設(shè)置起安全隔斷作用的站臺(tái)門，門體與軌頂風(fēng)道之間留出500mm 空隙，使軌行區(qū)與站臺(tái)公共區(qū)域的空間連通，以公共區(qū)機(jī)械通風(fēng)結(jié)合活塞通風(fēng)和出入口自然通風(fēng)的方式，實(shí)現(xiàn)車站公共區(qū)的通風(fēng)降溫功能[7]。地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中設(shè)備容量一般按照運(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)期峰值負(fù)荷進(jìn)行選型，公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在車站運(yùn)營(yíng)時(shí)間內(nèi)始終開啟[8]。

2 通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)

車站設(shè)置有隧道通風(fēng)系統(tǒng)、車站公共區(qū)通風(fēng)和排煙系統(tǒng)、車站設(shè)備及管理用房的通風(fēng)空調(diào)和排煙系統(tǒng)[9]。

車站公共區(qū)、區(qū)間隧道的夏季通風(fēng)計(jì)算干球溫度為20.8℃，冬季通風(fēng)計(jì)算干球溫度為8.9℃，設(shè)備及管理用房夏季空調(diào)計(jì)算干球溫度26.3℃，夏季通風(fēng)計(jì)算干球溫度23.1℃，夏季空調(diào)計(jì)算濕球溫度為19.9℃，冬季通風(fēng)計(jì)算干球溫度4.9℃。

車站公共區(qū)夏季設(shè)計(jì)干球溫度為26℃，冬季設(shè)計(jì)干球溫度為12℃～17.4℃，區(qū)間隧道正常運(yùn)行時(shí)各區(qū)段最熱月最高平均溫度不超過35℃，冬季平均溫度不高于地層自然溫度17.4℃，但最低不低于5℃，阻塞工況下列車頂部最不利點(diǎn)隧道空氣溫度≤45℃。車站公共區(qū)人員新風(fēng)量按照30m3/h 計(jì)算，車站公共區(qū)CO2濃度小于1 500ppm[10]，可吸入顆粒物的日平均濃度低于0.25mg/m3。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作在昆明軌道交通2 號(hào)線的金星站展開，開通運(yùn)營(yíng)年份為2014 年。該站為典型地下二層島式車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺(tái)層，車站總長(zhǎng)度為118m，車站有效站臺(tái)寬度11m。站廳層公共區(qū)面積1 544m2，站臺(tái)層公共區(qū)面積1 158m2，車站總建筑面積10 079.12m2。該車站遠(yuǎn)期晚高峰小時(shí)逐時(shí)客流量為6 276 人次/h（下行線上客量1 642 人次/h，下客量841 人次/h，上行線上客量462 人次/h，下客量3 331 人次/h）。車站共設(shè)置有3 個(gè)出入口，車站每端設(shè)置1 座活塞/機(jī)械通風(fēng)亭、1 座新風(fēng)亭和1 座排風(fēng)亭，均為敞口低風(fēng)亭。

在地鐵車站內(nèi)平均布置一定數(shù)量的溫濕度自記儀，全年監(jiān)測(cè)站外、出入口（室外進(jìn)入站內(nèi)的進(jìn)、出站口）、站廳、站臺(tái)的溫濕度值[11]。測(cè)試所針對(duì)的變量有：車站建筑形式，送風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況和排熱風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況。測(cè)試參數(shù)包括：包括站廳、站臺(tái)內(nèi)的溫濕度。

為了解不同季節(jié)不同通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行工況下，車站公共區(qū)的熱濕環(huán)境、空氣品質(zhì)情況，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)，調(diào)整了車站的通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行工況，并在各工況下，測(cè)試相關(guān)參數(shù)，通風(fēng)統(tǒng)的變量?jī)H為風(fēng)機(jī)的啟停狀態(tài)，包括公共區(qū)送風(fēng)機(jī)、區(qū)間隧道的排熱風(fēng)機(jī)。測(cè)試工況如表1 所示。囿于篇幅，下文只介紹冬季正常工況2 以及冬季關(guān)閉機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)工況4 的情況。

表1 測(cè)試工況

4 溫度變化特點(diǎn)

4.1 冬季正常工況

在工況2 測(cè)試期間，室外空氣溫度平均值為16.7℃，相對(duì)濕度平均值為32%，金星站的站臺(tái)層，站廳層，出入口通道的平均溫度分別為20.4℃，19.0℃，18.3℃，平均相對(duì)濕度分別為35%，29%，30%。工況2 期間，金星站各區(qū)域溫濕度分布情況分別見圖 1、2。

圖1 冬季工況2 下各測(cè)點(diǎn)溫度分布情況

圖2 冬季工況2 下各測(cè)點(diǎn)相對(duì)濕度分布情況

數(shù)據(jù)顯示，金星站的溫度分布呈現(xiàn)站臺(tái)層＞站廳層＞出入口通道＞室外的特點(diǎn)，這是由于站臺(tái)層距離室外最遠(yuǎn)，在冬季，室外氣溫較低，與室外相距較遠(yuǎn)使得室外溫度對(duì)站臺(tái)內(nèi)的影響很小，且由于站臺(tái)層內(nèi)列車散熱、人員聚集等原因，進(jìn)一步提高了其空氣溫度；其次，各區(qū)域的溫度分布情況如下：站臺(tái)層的溫度分布較為均勻，站廳層次之，出入口通道的溫度分布差異最大，溫度分布的均勻度可以用來表征該區(qū)域不同位置的空氣交換程度，由此可知，站臺(tái)層不同位置的空氣交換相差不多，站廳層和出入口通道不同位置的空氣流通情況差異較大。并不能從相對(duì)濕度中發(fā)現(xiàn)明顯的分布規(guī)律，這是由于相對(duì)濕度是由溫度和含濕量共同決定的一個(gè)參數(shù)，二者的變化都會(huì)導(dǎo)致相對(duì)濕度發(fā)生變化。

4.2 冬季關(guān)閉機(jī)械通風(fēng)工況

在工況4 測(cè)試期間，室外空氣溫度平均值為15.5℃，相對(duì)濕度平均值為34%，金星站的站臺(tái)層，站廳層，出入口通道的平均溫度分別為20.7℃，19.8℃，18.3℃，平均相對(duì)濕度分別為37%，35%，34%。工況4 期間，金星站各區(qū)域溫濕度分布情況分別見圖3、4。

圖3 冬季工況4 下各測(cè)點(diǎn)溫度分布情況

圖4 冬季工況4 下各測(cè)點(diǎn)相對(duì)濕度分布情況

數(shù)據(jù)顯示，與工況2 相比，即使工況4 測(cè)試期間室外溫度有所降低，但車站內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的空氣溫度均有一定升高，站臺(tái)層平均溫度提高0.3℃，站廳層提高0.8℃，出入口通道平均溫度未發(fā)生變化，整體分布與工況2 相似，符合站臺(tái)層＞站廳層＞出入口通道＞室外的規(guī)律，溫度分布的均勻性特征與工況2 相同。工況4 的相對(duì)濕度有一定變化，站廳層與出入口通道的變化較大。

4.3 夏季正常工況

在工況2 測(cè)試期間，室外空氣溫度平均值為27.5℃，相對(duì)濕度平均值為42.2%，金星站的站臺(tái)層，站廳層，出入口通道的平均溫度分別為24.9℃，25.1℃，25.1℃，平均相對(duì)濕度分別為55%，49%，51%。工況2 期間，金星站各區(qū)域溫濕度分布情況分別見圖 5、6。

圖5 夏季工況2 下各測(cè)點(diǎn)溫度分布情況

圖6 夏季工況2 下各測(cè)點(diǎn)濕度分布情況

數(shù)據(jù)顯示，在夏季，金星站站臺(tái)層、站廳層和出入口通道的溫度相差不大，且均低于室外溫度。這與冬季的情形相差較大。這是因?yàn)樵谙募?，車站?nèi)沒有設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)，而通風(fēng)系統(tǒng)以及列車的活塞風(fēng)作用使車站內(nèi)不斷與隧道、室外交換空氣，站內(nèi)的設(shè)備、人員等對(duì)站內(nèi)空氣的作用效果和引入室外空氣的效果相同（均是升溫作用），而唯一冷源則是車站所處地層的土壤，因此造成不同區(qū)域溫度相差不大。

從相對(duì)濕度分布可以看出，與冬季不同，夏季站內(nèi)不同區(qū)域的相對(duì)濕度分布相對(duì)集中，波動(dòng)幅度一般在10%以內(nèi)。同樣的，站臺(tái)層、站廳層以及出入口通道的相對(duì)濕度相差不大。

4.4 夏季關(guān)閉機(jī)械通風(fēng)工況

在工況4 測(cè)試期間，室外空氣溫度平均值為28.0℃，相對(duì)濕度平均值為41%，金星站的站臺(tái)層，站廳層，出入口通道的平均溫度分別為25.0℃，25.2℃，25.0℃，平均相對(duì)濕度分別為56%，52%，53%。工況4 期間，金星站各區(qū)域溫濕度分布情況分別見圖 7、8。

圖7 夏季工況4 下各測(cè)點(diǎn)溫度分布情況

圖8 夏季工況4 下各測(cè)點(diǎn)濕度分布情況

數(shù)據(jù)顯示，相比于工況2，工況4 的室外溫度有一定升高（0.5℃），車站內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)的溫度分布均有一定升高，站臺(tái)層、站廳層平均溫度提高0.1℃，出入口通道平均溫度降低0.1℃，由此可見，在關(guān)閉通風(fēng)系統(tǒng)后，車站公共區(qū)的溫度仍然符合設(shè)計(jì)要求。此外，工況4 的相對(duì)濕度變化很小。

5 結(jié)論

在目前通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行方式下，冬季車站公共區(qū)的溫度高于地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，呈現(xiàn)站臺(tái)層＞站廳層＞出入口通道＞室外的特點(diǎn)，車站公共區(qū)的溫濕度受列車到站情況影響；經(jīng)過一天的運(yùn)營(yíng)時(shí)間后，隧道內(nèi)的空氣溫升在3℃左右，且夜間的自然冷卻可將其冷卻到原始狀態(tài)，只有當(dāng)軌行區(qū)開啟四臺(tái)排熱風(fēng)機(jī)時(shí)，才能抑制隧道內(nèi)的溫升，開啟兩臺(tái)排熱風(fēng)機(jī)作用不大。夏季車站公共區(qū)的溫度基本滿足通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)（不超過26℃），且呈現(xiàn)“距離室外越近，空氣溫度越高”的特點(diǎn)，各區(qū)域的溫濕度分布相對(duì)穩(wěn)定，溫度均勻性與冬季類似，經(jīng)過一天的運(yùn)營(yíng)后，隧道內(nèi)的空氣溫升在1℃左右。在夏季，車站隧道內(nèi)的排熱系統(tǒng)的開啟與否對(duì)區(qū)間隧道內(nèi)的空氣溫度的影響很小。

昆明屬于溫和地區(qū)，站臺(tái)設(shè)置非封閉型站臺(tái)門，車站公共區(qū)采用通風(fēng)系統(tǒng)，利用出入口作為活塞通道，引入室外新鮮空氣，為車站及區(qū)間隧道進(jìn)行通風(fēng)降溫。建議昆明軌道交通可結(jié)合站內(nèi)空氣溫濕度的變化特點(diǎn)，根據(jù)運(yùn)營(yíng)的實(shí)際需要，可以采用間歇通風(fēng)或者降低送風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率的運(yùn)行模式，將使其能耗有明顯降低。