地鐵車站公共區(qū)空調(diào)負荷的確定

摘　要　分析了影響地鐵車站空調(diào)負荷的關(guān)鍵因素。簡略介紹了2 種地鐵熱環(huán)境模擬仿真計算軟件。指出現(xiàn)有車站空調(diào)負荷確定中存在有待探討的問題。
關(guān)鍵詞　地鐵車站, 冷負荷量, 仿真計算中圖分類號　
　　車站環(huán)控系統(tǒng)空調(diào)負荷的合理確定將在很大程度影響到車站規(guī)模及初期投資的大小。本文分析了影響地鐵車站公共區(qū)冷負荷的因素及其冷負荷組成形式,介紹了2 種地鐵熱環(huán)境模擬分析軟件。
1 　影響車站公共區(qū)冷負荷的因素
地鐵的地下線路是一座狹長的地下建筑,除各站出入口和通風(fēng)道口與大氣溝通外,其余可以認為基本與大氣隔絕,列車運行、設(shè)備運轉(zhuǎn)和乘客都會散發(fā)大量熱量,車站周圍的地壤通過圍護結(jié)構(gòu)的滲濕量也很大,加之乘客散濕量,故在這樣一個封閉的地下空間內(nèi),設(shè)置一套合理的科學(xué)的環(huán)境控制系統(tǒng),以保證車站站廳站臺區(qū)的相對溫濕度,是至關(guān)重要的。
1. 1 　環(huán)境控制系統(tǒng)運行模式
在確定車站空調(diào)負荷之前,首先要明確環(huán)控系統(tǒng)的運行形式。環(huán)控系統(tǒng)的運行模式分為開式運行、閉式運行,屏蔽門模式等形式。表1 為上海地鐵1 號線典型車站不同制式環(huán)控系統(tǒng)的冷負荷表。


表1 　某典型車站不同制式環(huán)控系統(tǒng)的冷負荷計算值　　　　　

　　據(jù)以往的工程經(jīng)驗值比較,設(shè)置屏蔽門的車站空調(diào)負荷約為開/ 閉式車站的1/ 3～1/ 2 , 風(fēng)量也相應(yīng)減少。故目前上海軌道交通7 號線(M7) 、8 號線(M8) 及9 號線(R4) 線均按屏蔽門運行模式進行設(shè)計,只是由于近期客流量及通行能力未達遠期設(shè)計能力,故提出屏蔽門緩裝的可能性。
1. 2 　設(shè)計高峰小時客流量
一座車站的設(shè)計高峰小時客流量是影響車站空調(diào)負荷的一個至關(guān)重要的因素,它直接決定了站內(nèi)乘客的散熱散濕量,間接決定了車站內(nèi)各類售檢票、自動扶梯等發(fā)熱設(shè)備的設(shè)置數(shù)量,也決定整個環(huán)控系統(tǒng)的最小新風(fēng)供給量。
1. 3 　車站照明及廣告燈箱的設(shè)置
目前在車站站廳及站臺層設(shè)置各種廣告燈箱已是十分常見的商業(yè)作法,且根據(jù)車站站位位于市中心的繁華度越甚,其廣告燈箱及布置的密度就越密。
上海9 號線車站廣告燈箱發(fā)熱量按150 W/ m2 計,照明燈具按20 W/m2 計;8 號線的車站廣告燈箱發(fā)熱量按30 kW/ 站(站廳) ,20 kW/ 站(站臺) 計, 照明燈具按20 W/m2 計;設(shè)計中應(yīng)根據(jù)站位所處位置有區(qū)別地進行計算。
1. 4 　熱庫效應(yīng)
由于地鐵周圍地壤是一個很大的容熱體,起到了夏儲冬放、調(diào)節(jié)地鐵空氣溫度作用,俗稱“熱庫效應(yīng)”。根據(jù)一些資料記載,傳到地鐵周圍土壤的熱量占地鐵產(chǎn)熱量的25 %～40 % 。這對節(jié)約能量、減少機房面積及降低設(shè)備的確起到了很重要作用。若在計算車站負荷時忽視這一效應(yīng),將是能源的一大浪費。需要指出的是,島式車站比側(cè)式車站的熱庫效應(yīng)更明顯。

1. 5 　出入口熱滲透及屏蔽門開啟時熱滲透
每座車站都設(shè)有兩個以上出入口,如果有換乘節(jié)點,還有換乘通道與外界連通。這些出入口與換乘通道無疑是車站空調(diào)負荷的“滲透點”。
此外,當列車進站時,屏蔽門開啟,區(qū)間熱風(fēng)量將被帶入站臺成為一部分待處理的熱負荷。以上海7 號線新村路站為例:地下二層島式車站,其出入口滲透風(fēng)量為12 100 m3/h , 屏蔽門開啟時區(qū)間換風(fēng)量為9 500 m3/ h。這部分換氣量所帶出的熱滲透約為100 kW , 可見也是車站負荷中重要的組成部分。
綜上所述可見,地鐵空調(diào)負荷是受到多方面因素的綜合影響的。
2 　車站公共區(qū)冷負荷統(tǒng)計表
以上海軌道交通7、8 、9 及4 號線(明珠線二期) 來看,地下車站公共區(qū)冷負荷統(tǒng)計表采用表2 的組成形式。現(xiàn)以上海7 號線某地下二層島式車站為例,分析其公共區(qū)的冷負荷量(見表2) 。
表2 　×× 站公共區(qū)冷負荷統(tǒng)計表

　　在得出車站熱負荷及散濕量后,經(jīng)焓濕圖進行一次回風(fēng)過程處理,取得車站空調(diào)系統(tǒng)盤管處理冷量及空調(diào)機組送風(fēng)量。
從表1 可見,地鐵空調(diào)負荷的制約因素眾多,且各項因素存在很大階段變數(shù)。如:列車引起的活塞風(fēng)和發(fā)熱量隨列車行車速度不斷變化。區(qū)間熱滲透量隨區(qū)間隧道不同時期壁溫變化而變化。客流、車站不恒定,而導(dǎo)致站內(nèi)負荷的變化。故如果能夠通過計算機的模擬仿真計算,細化車站不同運行時間的負荷變化,無疑是最理想的節(jié)能計算方式。這也是傳統(tǒng)手工計算方式所無法達到的。
3 　地鐵熱環(huán)境的模擬仿真計算
早在1911 年10 月,國外就對有關(guān)車輛在隧道中引起的活塞效應(yīng)進行測試。1951 年,美國交通部城市客運署成功開發(fā)了SES(Swbway Environment Simulation) 軟件,用于地鐵長期熱環(huán)境的仿真模型計算。目前上海地鐵環(huán)控系統(tǒng)的模擬計算軟件仍采用SES 軟件系統(tǒng)。
從上世紀80 年代開始,清華大學(xué)開發(fā)出地鐵熱環(huán)境模擬分析軟件STESS 。此軟件采用新的水力網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定過程算法,改進了傳熱計算模型,使之能夠適應(yīng)較為復(fù)雜的隧道及車站斷面形狀;且采取了長短時間步長相結(jié)合的方法,可保證模擬的計算精度。在給定系統(tǒng)形式和運行方式后,此軟件可計算出地鐵內(nèi)各種散熱散濕量,比較準確地模擬預(yù)測地鐵隧道及車站近期、遠期不同客流及車流情況下的實際通風(fēng)量及濕度變化過程,校驗系統(tǒng)設(shè)計及運行方式能否達到要求,確定合理的結(jié)構(gòu)形式和運行方案。STESS 軟件已在北京、天津、南京及德黑蘭等國內(nèi)外城市十幾項地鐵工程中應(yīng)用,取得了較好的效果。
計算機仿真模擬計算,給合理確定地鐵車站的空調(diào)負荷,或結(jié)合遠近期運營工況分期實施環(huán)控設(shè)備等,作出十分必要的技術(shù)支持。這也將是軌道交通設(shè)計中一個仍需長足發(fā)展的科研方向。
4 　有待討論的問題
目前,上海9 號線及7 號線的環(huán)控運行模式,均為設(shè)置屏蔽門系統(tǒng)、考慮有緩裝的可能性。在9 號線的總體設(shè)計技術(shù)要求提出:在根據(jù)設(shè)置屏蔽門情況下,確定遠期負荷后,因有緩裝屏蔽門的可能性, 而預(yù)留20 % 的設(shè)計冷量。在7 號線的《初步設(shè)計技術(shù)要求》中同樣提出“ 在屏蔽門緩裝期間,考慮冷量增加,無換乘車站增加25 % , 換乘車站增加35 % , 并在此基礎(chǔ)上進行設(shè)備配置。”
但筆者認為,屏蔽門緩裝主要緣于近期客流流量小于遠期設(shè)計客流,初期隧道壁溫優(yōu)于運營多年后的壁溫,故為節(jié)省初期投資,暫緩安裝。若在設(shè)備設(shè)計選型時,在滿足遠期空調(diào)負荷基礎(chǔ)上再乘預(yù)留系數(shù),似乎有略顯保守之嫌,車站環(huán)控機房、通風(fēng)道面積都將相應(yīng)增大要求。這種單位以預(yù)留系數(shù)來解決屏蔽門緩裝期間空調(diào)負荷問題,還有待進一步探討。

參考文獻
1 　樊　玲,馮　煉. 利用“相對熱流指標”對地鐵系統(tǒng)設(shè)計溫度的探討. 城市軌道交通究,2002(1) :50～52