喬小博

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城市軌道與建筑設(shè)計(jì)院，西安 710043)

地鐵作為一種現(xiàn)代化交通系統(tǒng)，以其速度快、運(yùn)量大、運(yùn)行準(zhǔn)點(diǎn)等優(yōu)勢(shì)成為各大城市客運(yùn)交通工具的骨干，對(duì)緩解城市交通擁擠、促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展起到重要的作用。從全國各大城市近幾年地鐵工程建設(shè)情況可知，地鐵高架線路及高架車站在地鐵工程建設(shè)中也越來越多，然而地鐵高架車站公共區(qū)的通風(fēng)方式一直都是按規(guī)范規(guī)定采用自然通風(fēng)的方式，主要是基于降低造價(jià)和節(jié)省能源的目的考慮［1］。但是作為乘客候車的車站公共區(qū)域基本上是一個(gè)半封閉的建筑形式，由于乘車、候車的區(qū)域人流密集，采用自然通風(fēng)方式，其環(huán)境舒適性相對(duì)較差。目前通常做法是在站臺(tái)設(shè)置空調(diào)候車室，但受其面積所限，仍無法滿足大多數(shù)乘客的舒適性需求。隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，人們對(duì)舒適性要求也越來越高，改善地鐵高架車站的環(huán)境舒適性也應(yīng)得到一定的重視。

1 工程概況

西安地鐵3號(hào)線為西安市城市快速軌道交通線網(wǎng)的主骨架線路，沿主城區(qū)東北至西南方向的主要客流走廊布設(shè)，一期工程線路全長(zhǎng)38.4 km，共設(shè)車站25座，其中高架站6座。根據(jù)景觀要求，全部6座高架車站的有效站臺(tái)范圍內(nèi)站廳、站臺(tái)側(cè)立面全部進(jìn)行封閉，僅有車站兩端與室外相通。所選車站為路中三層側(cè)式高架車站，站廳、站臺(tái)分別布置于地上二層和三層。車站全長(zhǎng)118 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度21.6 m，側(cè)式站臺(tái)寬為 7.2 m。

2 直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫在高架車站設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.1 直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)及應(yīng)用

直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)，是利用空氣與霧化的水直接接觸進(jìn)行熱濕交換蒸發(fā)吸熱來冷卻空氣的一種空氣處理方式，近似于等焓(絕熱)加濕的空氣處理過程，直接蒸發(fā)冷卻原理如圖1所示，變化過程(①→③)可近似為等焓降溫的空氣處理過程，在變化過程中空氣含濕量增加，溫度下降到達(dá)濕球溫度③點(diǎn)為止。因此，對(duì)于干濕球溫度差越大的地區(qū)，其蒸發(fā)冷卻效果越好。直接蒸發(fā)冷卻是由水的蒸發(fā)而提供冷量，而不必將蒸發(fā)后的水蒸汽再經(jīng)壓縮冷凝回到液態(tài)水后再蒸發(fā)，可直接補(bǔ)充水分來維持蒸發(fā)過程的進(jìn)行，因此性能系數(shù)COP值很高(約為機(jī)械制冷的2.5～5倍)，可大大節(jié)省運(yùn)行能耗［2，3］。在低濕球溫度地區(qū)，直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)相對(duì)于機(jī)械制冷系統(tǒng)而言，能源消耗可節(jié)約60% ～80%［4］。據(jù)文獻(xiàn)對(duì)我國烏魯木齊、西安、哈爾濱、北京4個(gè)城市的實(shí)際計(jì)算結(jié)果表明蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的需求功率僅為常規(guī)的定風(fēng)量系統(tǒng)的14% ～19%，蒸發(fā)冷卻過程所消耗的水量費(fèi)用遠(yuǎn)小于節(jié)電帶來的得益［5，6］。直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)一般采用全新風(fēng)，屬于直接式空調(diào)系統(tǒng)，且具有空氣過濾器和加濕器的功能，可提高新風(fēng)的清潔程度，大大提高了室內(nèi)的空氣品質(zhì)，有利于人體健康，非常適合西北地區(qū)的氣候條件［7］。

圖1 直接蒸發(fā)冷卻原理

直接蒸發(fā)冷卻器(又稱冷氣機(jī))，其工作原理為:由循環(huán)水泵不間斷地將設(shè)備底部水槽內(nèi)的循環(huán)水抽出，通過水泵及流量調(diào)節(jié)閥將水送至填料頂部經(jīng)布水系統(tǒng)均勻的噴灑在填料層上，形成連續(xù)的水膜。室外空氣通過填料層時(shí)與水分子充分進(jìn)行熱濕交換，因水的蒸發(fā)吸熱而降低空氣的溫度后由低噪聲風(fēng)機(jī)加壓送入室內(nèi)［8］。

在地鐵工程中，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)主要作用是保證列車正常運(yùn)行情況下，排除車站內(nèi)余熱和余濕，為乘客創(chuàng)造一個(gè)往返于地面至地鐵列車內(nèi)的過渡性舒適環(huán)境。結(jié)合目前國內(nèi)地鐵通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)情況可知，對(duì)于設(shè)置通風(fēng)空調(diào)降溫系統(tǒng)的地鐵車站，其公共區(qū)溫度及濕度環(huán)境要求基本上為28～30℃和40% ～65%左右，溫度波動(dòng)基本上在±1℃范圍內(nèi)。

綜上分析可知，在我國干旱、半干旱及半濕潤的西北地區(qū)地鐵高架車站中，采用一種直接蒸發(fā)冷卻的通風(fēng)降溫方式其能耗遠(yuǎn)低于采取如空調(diào)制冷等其他通風(fēng)降溫措施，其改善環(huán)境舒適性比采取機(jī)械通風(fēng)的措施更加明顯。

2.2 西安氣象參數(shù)分析

西安地處我國西北內(nèi)陸地區(qū)，東經(jīng)108°56'，北緯34°18'，海拔高度 397.5 m，常年大氣壓97 029 Pa。春季溫暖干燥、夏季炎熱多雨、秋季涼爽、冬季寒冷少雨雪，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。利用《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》［9］對(duì)西安市1985～2005年近20年間的氣象參數(shù)篩選、分析、整理得出，西安市最熱月平均溫度為26.7℃，6、7、8三個(gè)月的月平均溫度接近和超過25℃，全年相對(duì)濕度在30% ～72%，具有全年氣溫變化幅度較大、空氣相對(duì)濕度小、夏季炎熱干燥等的氣候特點(diǎn)。經(jīng)分析計(jì)算確定，夏季通風(fēng)室外計(jì)算干球溫度30.7℃、濕球溫度23.3℃、空氣含濕量16.1 g/kg·干、夏季通風(fēng)室外相對(duì)濕度54%。

2.3 高架車站直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

據(jù)調(diào)查了解，乘客從進(jìn)站買票、站臺(tái)候車到上車完成一個(gè)乘車過程需要3～5 min時(shí)間，下車出站約需3 min［1］，整個(gè)過程中在站廳只是一個(gè)短暫停留買票或進(jìn)站通過的過程，大部分時(shí)間都是在站臺(tái)等候上車，根據(jù)行車間隔的不同，在站臺(tái)停留的時(shí)間或更長(zhǎng)。在高架車站站臺(tái)設(shè)置通風(fēng)降溫措施，可使得乘客在整個(gè)進(jìn)站乘車過程中一直是從一個(gè)稍差的環(huán)境進(jìn)入另一個(gè)稍舒適的環(huán)境中，環(huán)境舒適度一直在不斷提高及改善，從而得到暫時(shí)的舒適感。另外，考慮在站臺(tái)公共區(qū)設(shè)置通風(fēng)降溫措施也是從簡(jiǎn)化空調(diào)系統(tǒng)形式和節(jié)省投資方面綜合考慮的。

以下就結(jié)合西安夏季空氣相對(duì)濕度小、炎熱干燥的氣候特點(diǎn)，根據(jù)所選具體車站工程的建筑布局特點(diǎn)，通過車站負(fù)荷計(jì)算和設(shè)備選型計(jì)算確定在站臺(tái)層兩端的4間管理用房頂上分別布置1臺(tái)換熱效率88%、迎面風(fēng)速3.0 m/s、循環(huán)風(fēng)量為22 000 m3/h的直接蒸發(fā)冷卻器(共布置4臺(tái))。直接蒸發(fā)冷卻器處理后的空氣通過管道及均勻布置的散流器風(fēng)口送入站臺(tái)公共區(qū)內(nèi)，按照通風(fēng)管內(nèi)設(shè)計(jì)流速不大于5 m/s、人員活動(dòng)區(qū)域空氣平均流速不大于1 m/s的原則［10］，經(jīng)計(jì)算確定與直接蒸發(fā)冷卻器相連接的通風(fēng)管道規(guī)格為1 250 mm×1 000 mm，散流器送風(fēng)口規(guī)格為600 mm×600 mm，具體通風(fēng)降溫系統(tǒng)管路及直接蒸發(fā)冷卻器設(shè)備布置如圖2所示。

圖2 高架車站站臺(tái)直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫系統(tǒng)平面布置(單位:mm)

經(jīng)計(jì)算可知:直接蒸發(fā)冷卻器的出口空氣溫度(送風(fēng)溫度)為24.2℃、出口空氣相對(duì)濕度約89%左右，經(jīng)散流器風(fēng)口送至人員活動(dòng)區(qū)的空氣平均流速約1.2 m/s，由計(jì)算結(jié)果表明:經(jīng)直接蒸發(fā)冷卻處理后送入站臺(tái)公共區(qū)的空氣溫度比處理前的室外空氣溫度低6.5℃，處理后空氣相對(duì)濕度約89%左右，相對(duì)濕度較高。根據(jù)ASHRAE新標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)溫度控制在27.1～29℃，相對(duì)濕度在84% ～90%，風(fēng)速在0.05～0.2 m/s范圍內(nèi)，生理感覺是舒適的［11］。LARRY G.BERGLUND［12］和田元媛等［13］指出，溫度在 28 ～ 32 ℃，相對(duì)濕度在70%～90%范圍內(nèi)，人體感到滿意的空氣流速在1.0～1.2 m/s之間，也就是說在此溫濕度范圍內(nèi)，若控制空氣流動(dòng)速度在1.0～1.2 m/s之間時(shí)，人體感覺也是舒適的。另外由于高架車站站臺(tái)兩端與室外相通，且在列車運(yùn)行的活塞風(fēng)的作用下，站內(nèi)空間空氣一直與室外空氣也存在一定的對(duì)流，因此，送入到站臺(tái)公共區(qū)的空氣不會(huì)出現(xiàn)濕度過高而產(chǎn)生的負(fù)面影響，可滿足人員的舒適性要求。

2.4 直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫系統(tǒng)初投資及能耗分析

所選高架車站選用直接蒸發(fā)冷卻器的主要性能參數(shù)為:循環(huán)風(fēng)量22 000 m3/h，風(fēng)機(jī)電機(jī)功率3.0 kW，循環(huán)水泵功率0.25 kW，耗水量35 L/h。

根據(jù)確定的直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫系統(tǒng)運(yùn)行模式進(jìn)行能耗計(jì)算分析，直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)每年需運(yùn)行120 d，每天運(yùn)行10 h，對(duì)直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行能耗分析如表1所示。

從表1對(duì)所選高架車站計(jì)算結(jié)果表明:在高架車站站臺(tái)公共區(qū)采用直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫的方式，設(shè)備初投資及工程費(fèi)約21.86萬元，約占高架車站工程總投資的3.5‰，年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用約1.2萬元，約占高架車站機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的6.7‰。由此表明，在高架車站站臺(tái)公共區(qū)采用直接蒸發(fā)冷卻器即可實(shí)現(xiàn)大風(fēng)量全新風(fēng)運(yùn)行，室內(nèi)全新風(fēng)換氣次數(shù)可達(dá)15次/h以上，是改善室內(nèi)環(huán)境舒適性及空氣品質(zhì)的有效手段。同時(shí)，相比普通機(jī)械送風(fēng)系統(tǒng)，降低送風(fēng)溫度達(dá)6.5℃，已基本近似空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，而初期工程投資及運(yùn)行費(fèi)用明顯很低，具有較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

表1 直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫系統(tǒng)初投資及能耗分析

3 直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫系統(tǒng)在地鐵工程的推廣應(yīng)用

我國地域遼闊，各地氣候差異較大，具有多種自然環(huán)境和復(fù)雜的氣候條件，按我國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《干濕氣候區(qū)劃分》的劃分，將全國氣候區(qū)域劃分為“過濕、潮濕、濕潤、半濕潤、半干旱、干旱及極端干旱”七個(gè)氣候區(qū)域［14］，根據(jù)文獻(xiàn)［15］經(jīng)整理統(tǒng)計(jì)，得出以“淮安—蚌埠—駐馬店—襄樊—漢中—綿陽—雅安—威寧—百色—蒙自”為界，分界線以北以西為氣候半濕潤～干旱區(qū)域，分界線以南以東為氣候濕潤～過濕區(qū)域。圖3和圖4分別選取該分界線兩邊的主要代表性城市全年溫度曲線和相對(duì)濕度曲線。

從圖3和圖4可看出:太原、蘭州、烏魯木齊、哈爾濱等北方地區(qū)氣候與西安氣候均相似，全年氣溫變化幅度較大、空氣相對(duì)濕度小(夏季5～8月相對(duì)濕度均在70%以下，尤其蘭州和烏魯木齊市在60%以下)，具有夏季炎熱干燥的氣候特點(diǎn)，適合直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用。因此，在我國北方地區(qū)的地鐵工程高架車站應(yīng)用直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫方式也是適合可行的。

圖3 我國南、北方主要代表性城市的全年溫度曲線

圖4 我國南、北方主要代表性城市的全年相對(duì)濕度曲線

4 結(jié)論

(1)工程實(shí)例分析研究表明:在西安地鐵工程高架車站站臺(tái)公共區(qū)采用直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫的方式技術(shù)上合理可行，在初投資和運(yùn)營費(fèi)用增加不大的情況下，大大提高了高架車站公共區(qū)環(huán)境的舒適度，具有較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

(2)直接蒸發(fā)冷卻雖然增加了送入室內(nèi)的空氣相對(duì)濕度，但送風(fēng)溫度較低，通風(fēng)降溫效果好，且空氣品質(zhì)大幅度提高，使得站臺(tái)候車的乘客及工作人員依然有較好的舒適感，對(duì)環(huán)境舒適度有較好的改善。

(3)直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫方式也適合在我國北方等夏季炎熱干燥、空氣相對(duì)濕度小的干旱、半干旱及半濕潤的西北地區(qū)地鐵高架車站應(yīng)用，投資低，且對(duì)環(huán)境舒適度有很好的改善作用。

［1］GB50157—2003，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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