鮮少華

(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 杭州310006)

屏蔽門(mén)地鐵車(chē)站公共區(qū)空調(diào)負(fù)荷的大小，直接決定了空調(diào)系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)車(chē)站規(guī)模也有一定的影響。準(zhǔn)確地進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算并采取有效措施降低空調(diào)負(fù)荷，可以減少設(shè)備容量和管道尺寸，節(jié)省初投資，對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行也具有重要意義，值得深入研究和探討。

1 冷負(fù)荷的組成及特點(diǎn)

1.1 冷負(fù)荷的組成

屏蔽門(mén)地鐵車(chē)站公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷由公共區(qū)冷負(fù)荷、新風(fēng)冷負(fù)荷以及附加冷負(fù)荷組成。公共區(qū)冷負(fù)荷主要包括以下幾部分得熱量形成的冷負(fù)荷:一是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量，二是人體、照明和設(shè)備的散熱量，三是滲透空氣帶入的熱量，四是伴隨各種散濕過(guò)程產(chǎn)生的潛熱量。

地鐵車(chē)站周?chē)耐寥朗且粋€(gè)很大的容熱體，有很強(qiáng)的蓄熱能力，能蓄存夏季的熱量到冬季釋放，因此在計(jì)算空調(diào)負(fù)荷時(shí)，車(chē)站的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土壤間的傳熱可以不考慮。圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱主要指通過(guò)屏蔽門(mén)和軌底排熱風(fēng)道等內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入的熱量，根據(jù)文獻(xiàn)［1］第7.2.5條的規(guī)定，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、人體、照明和設(shè)備等的得熱量均可按穩(wěn)態(tài)方法計(jì)算其形成的冷負(fù)荷。附加冷負(fù)荷主要是指由風(fēng)機(jī)、風(fēng)管溫升等引起的冷負(fù)荷。

1.2 冷負(fù)荷的特點(diǎn)

地鐵車(chē)站深埋地下，僅通過(guò)若干出入口及風(fēng)井與外界相通，與一般的地面建筑相比，其冷負(fù)荷有一些特殊性，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:

1)各類(lèi)負(fù)荷中以穩(wěn)態(tài)傳熱居多。車(chē)站位于地下，基本不受太陽(yáng)輻射的影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱、散濕相對(duì)穩(wěn)定;照明燈具、設(shè)備全天使用，其負(fù)荷也比較穩(wěn)定。

2)需要考慮空氣滲透形成的冷負(fù)荷。車(chē)站有若干個(gè)出入口與室外大氣直接相通，列車(chē)停站時(shí)屏蔽門(mén)開(kāi)啟，受區(qū)間列車(chē)活塞風(fēng)以及排熱風(fēng)機(jī)的共同作用，車(chē)站與隧道會(huì)產(chǎn)生大量的空氣交換，隧道內(nèi)的熱空氣進(jìn)入站臺(tái)，站臺(tái)內(nèi)的空調(diào)冷風(fēng)進(jìn)入隧道，室外新風(fēng)從出入口滲透進(jìn)入車(chē)站，這些都會(huì)導(dǎo)致車(chē)站冷負(fù)荷的增加。

2 室內(nèi)相對(duì)濕度對(duì)冷負(fù)荷的影響

眾所周知，提高室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，有利于空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能，那么相對(duì)濕度對(duì)系統(tǒng)能耗的影響又如何呢?文獻(xiàn)［2］第13.2.14條規(guī)定，當(dāng)車(chē)站采用空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，站廳和站臺(tái)的相對(duì)濕度為40%～70%。在設(shè)計(jì)時(shí)，室內(nèi)相對(duì)濕度應(yīng)該取高一點(diǎn)還是低一點(diǎn)，哪個(gè)對(duì)系統(tǒng)節(jié)能有利呢?下面以杭州地鐵2號(hào)線(xiàn)某屏蔽門(mén)系統(tǒng)的地下2層島式車(chē)站為例，對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行研究。

2.1 公共區(qū)冷負(fù)荷計(jì)算

該站總長(zhǎng)169 m，總寬22.7 m，站臺(tái)有效長(zhǎng)度120 m，計(jì)算長(zhǎng)度114 m，站臺(tái)寬14 m，車(chē)站主體建筑面積8 004 m1。遠(yuǎn)期晚高峰預(yù)測(cè)車(chē)站上客量為7 946人/h，下客量為6 754人/h。負(fù)荷計(jì)算采用的相關(guān)參數(shù)如下:

1)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)。站廳，干球溫度30℃，相對(duì)濕度65%;站臺(tái)，干球溫度29℃，相對(duì)濕度65%。

2)新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)乘客每小時(shí)新風(fēng)量不小于12.6 m3，且系統(tǒng)的新風(fēng)量不小于總送風(fēng)量的10%。

3)屏蔽門(mén)漏風(fēng)量。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)單位提供的數(shù)據(jù)，取10 m3/s。

4)送風(fēng)溫升為1.5℃，回風(fēng)溫升為1.0℃。

5)圍護(hù)結(jié)構(gòu)散濕量為1.0 g/m1·h。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 杭州地鐵2號(hào)線(xiàn)某車(chē)站公共區(qū)冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

2.2 相對(duì)濕度變化對(duì)冷負(fù)荷的影響

以上述車(chē)站為例，計(jì)算其在不同設(shè)計(jì)相對(duì)濕度下的冷負(fù)荷、風(fēng)量等，結(jié)果見(jiàn)表2。以相對(duì)濕度65%的計(jì)算結(jié)果為基準(zhǔn)值，不同相對(duì)濕度下空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷及送風(fēng)量的比較見(jiàn)表3。

表2 不同室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度下空調(diào)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果

表3 不同相對(duì)濕度下公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)比較

從表2、3可以看出，隨著室內(nèi)相對(duì)濕度的降低，室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度會(huì)下降，雖然可以通過(guò)加大送風(fēng)溫差來(lái)減少系統(tǒng)總送風(fēng)量，但由于滲透空氣負(fù)荷、溫升附加負(fù)荷及新風(fēng)負(fù)荷均有較大幅度的增加，導(dǎo)致系統(tǒng)冷負(fù)荷增加較多，總送風(fēng)量不減反增，空調(diào)系統(tǒng)初投資和運(yùn)行費(fèi)用都隨之增加。可見(jiàn)，對(duì)于屏蔽門(mén)系統(tǒng)的地鐵車(chē)站公共區(qū)而言，提高室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度，有利于系統(tǒng)節(jié)能。

3 屏蔽門(mén)滲漏空氣對(duì)負(fù)荷的影響

3.1 屏蔽門(mén)開(kāi)啟時(shí)的風(fēng)量平衡

列車(chē)停站時(shí)屏蔽門(mén)開(kāi)啟，由于隧道排熱風(fēng)機(jī)的抽吸作用以及活塞風(fēng)的慣性作用，車(chē)站與隧道之間通過(guò)屏蔽門(mén)發(fā)生大量的空氣交換。相關(guān)研究表明，位于列車(chē)前部及中部區(qū)域的屏蔽門(mén)表現(xiàn)為漏出風(fēng)，氣流從站臺(tái)流向隧道，處于列車(chē)尾部區(qū)域的屏蔽門(mén)表現(xiàn)為滲入風(fēng)，氣流從隧道流向站臺(tái)，從站臺(tái)進(jìn)入隧道的漏風(fēng)量遠(yuǎn)大于從隧道進(jìn)入站臺(tái)的滲風(fēng)量［3-7］。屏蔽門(mén)開(kāi)啟時(shí)車(chē)站公共區(qū)氣流平衡見(jiàn)圖1。

圖1 屏蔽門(mén)開(kāi)啟時(shí)車(chē)站公共區(qū)氣流平衡

根據(jù)車(chē)站公共區(qū)風(fēng)量平衡可以得出

式中:Gc——出入口滲透風(fēng)量，kg/h;

Gs——空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量，kg/h;

Gh——空調(diào)系統(tǒng)回風(fēng)量，kg/h;

Gq——從隧道進(jìn)入站臺(tái)的滲風(fēng)量，kg/h;

Gz——從站臺(tái)進(jìn)入隧道的漏風(fēng)量，kg/h。

Gs與Gh的差值就是空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)量，Gz與Gq合稱(chēng)為屏蔽門(mén)滲漏風(fēng)量。

3.2 屏蔽門(mén)滲漏風(fēng)量形成的冷負(fù)荷

對(duì)于屏蔽門(mén)地鐵車(chē)站而言，列車(chē)運(yùn)行時(shí)屏蔽門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，車(chē)站與隧道之間僅通過(guò)屏蔽門(mén)微小的縫隙進(jìn)行空氣交換，該數(shù)值很小，在計(jì)算車(chē)站冷負(fù)荷時(shí)可以忽略不計(jì)。列車(chē)停站時(shí)屏蔽門(mén)開(kāi)啟，從隧道進(jìn)入站臺(tái)的滲風(fēng)以及從出入口進(jìn)入車(chē)站的滲透空氣均會(huì)造成車(chē)站空調(diào)冷負(fù)荷的增加。

從隧道進(jìn)入站臺(tái)的滲風(fēng)量形成的全熱冷負(fù)荷Qq(W)，以及出入口滲透空氣形成的全熱冷負(fù)荷Qc(W)，可按下式［8］計(jì)算為

式中:hq——隧道空氣的焓，kJ/kg;

hn——站臺(tái)空氣的焓，kJ/kg;

hw——室外空氣的焓，kJ/kg。

其余參數(shù)含義同前。

由式(1)可知，出入口滲透風(fēng)量的大小與空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量及屏蔽門(mén)滲漏風(fēng)量有關(guān)。如果空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量大于從站臺(tái)進(jìn)入隧道的漏風(fēng)量與從隧道進(jìn)入站臺(tái)的滲風(fēng)量之差，此時(shí)不需要考慮出入口空氣滲透冷負(fù)荷;如果空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量不足以補(bǔ)償通過(guò)屏蔽門(mén)從站臺(tái)凈流入隧道的空氣量，室外空氣就會(huì)通過(guò)出入口進(jìn)入車(chē)站，則需要考慮該部分滲透空氣形成的冷負(fù)荷。

3.3 屏蔽門(mén)滲漏風(fēng)量研究現(xiàn)狀

影響屏蔽門(mén)滲漏風(fēng)量的因素很多，主要包括車(chē)輛運(yùn)行狀況、列車(chē)牽引曲線(xiàn)、車(chē)站隧道排熱風(fēng)機(jī)、活塞風(fēng)井的位置和斷面面積、列車(chē)停站時(shí)間和屏蔽門(mén)開(kāi)啟時(shí)間、屏蔽門(mén)開(kāi)啟面積、列車(chē)車(chē)廂與屏蔽門(mén)的間距、乘客進(jìn)出車(chē)門(mén)的擁擠程度、隧道及站臺(tái)溫度分布引起的熱壓作用等［3］。目前，國(guó)內(nèi)外主要采用數(shù)值模擬計(jì)算或通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型估算。

李俊等采用網(wǎng)絡(luò)法對(duì)屏蔽門(mén)漏風(fēng)量進(jìn)行估算，得出單列列車(chē)停站時(shí)通過(guò)屏蔽門(mén)從站臺(tái)進(jìn)入隧道的風(fēng)量約為31 m3/s，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)值約為29.5 m3/s［3］。王迪軍等對(duì)廣州地鐵典型車(chē)站進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果表明:每側(cè)站臺(tái)屏蔽門(mén)在開(kāi)啟過(guò)程中，隧道熱風(fēng)通過(guò)屏蔽門(mén)進(jìn)入站臺(tái)的總平均流量為16.30 m3/s，站臺(tái)冷風(fēng)通過(guò)屏蔽門(mén)進(jìn)入隧道的總平均流量為41.84 m3/s［4］。李亮等通過(guò)模擬計(jì)算，得出列車(chē)停站期間流入隧道的空氣量約為27.5 m3/s，流入站臺(tái)的空氣量不到流入隧道空氣量的7%［5］。楊巨瀾等通過(guò)CFD模擬計(jì)算，得出上海地鐵9號(hào)線(xiàn)某地下3層島式車(chē)站屏蔽門(mén)的漏風(fēng)量為28 828～34 470 m3/h［6］。項(xiàng)毅通過(guò)CFD模擬計(jì)算，得出在一個(gè)行車(chē)周期4 min之內(nèi)整個(gè)站臺(tái)的漏風(fēng)量為8.36 m3/s［9］。

從以上研究結(jié)果可以看出，屏蔽門(mén)開(kāi)啟時(shí)滲漏風(fēng)量很大，對(duì)空調(diào)負(fù)荷的影響不容忽視。以本文分析的車(chē)站為例，從表1可以看出，因屏蔽門(mén)滲漏而導(dǎo)致滲透空氣形成的冷負(fù)荷占系統(tǒng)總冷負(fù)荷的比例超過(guò)了20%。因此，準(zhǔn)確地分析和確定屏蔽門(mén)滲漏風(fēng)量，有助于提高負(fù)荷計(jì)算的準(zhǔn)確性。

3.4 減少屏蔽門(mén)滲漏風(fēng)量的途徑

由于排熱風(fēng)機(jī)的抽吸作用，使得隧道側(cè)處于負(fù)壓狀態(tài)，當(dāng)列車(chē)停站、屏蔽門(mén)開(kāi)啟時(shí)，站內(nèi)的空氣就會(huì)通過(guò)屏蔽門(mén)進(jìn)入隧道，這是屏蔽門(mén)漏風(fēng)的主要原因。就車(chē)站范圍而言，排熱風(fēng)機(jī)的補(bǔ)風(fēng)主要有兩個(gè)來(lái)源，一是活塞風(fēng)井和活塞風(fēng)道，二是車(chē)站出入口。適當(dāng)增加活塞風(fēng)道凈過(guò)風(fēng)面積，縮短活塞風(fēng)道長(zhǎng)度，降低室外空氣通過(guò)活塞風(fēng)道到達(dá)排熱風(fēng)機(jī)的通風(fēng)阻力，可以有效減少屏蔽門(mén)滲漏風(fēng)量。

此外，對(duì)車(chē)站排熱方式進(jìn)行優(yōu)化，采用變頻控制技術(shù)，減少排熱風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量，也可以減少滲漏風(fēng)量。

4 空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量的確定

在目前的工程實(shí)踐中，確定屏蔽門(mén)地鐵車(chē)站公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的最小新風(fēng)量有兩種方法:方法1是取計(jì)算人員新風(fēng)量與系統(tǒng)總送風(fēng)量的10%二者中的較大值，方法2是取計(jì)算人員新風(fēng)量、系統(tǒng)總送風(fēng)量的10%、屏蔽門(mén)滲漏風(fēng)量三者的最大值［10］。屏蔽門(mén)滲漏風(fēng)量是把一段時(shí)間內(nèi)列車(chē)停站時(shí)通過(guò)開(kāi)啟的屏蔽門(mén)從站臺(tái)進(jìn)入隧道的總漏風(fēng)量以及從隧道進(jìn)入站臺(tái)的總滲風(fēng)量平均到計(jì)算時(shí)段內(nèi)得到的值，一般取5～10 m3/s［3］。

以上述車(chē)站為例，假定每小時(shí)?？?0對(duì)列車(chē)，每次停站屏蔽門(mén)開(kāi)啟時(shí)間取20 s，屏蔽門(mén)開(kāi)啟時(shí)漏風(fēng)量取30 m3/s，兩種方法的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4(室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度取65%)。

表4 兩種新風(fēng)量下計(jì)算結(jié)果比較

從表4可以看出，按方法2確定新風(fēng)量，空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷及總送風(fēng)量比按方法1確定新風(fēng)量時(shí)要大很多。這主要是因?yàn)槠帘伍T(mén)滲透風(fēng)量是脈沖型的，屏蔽門(mén)開(kāi)啟時(shí)產(chǎn)生，關(guān)閉時(shí)可忽略不計(jì)。在地鐵列車(chē)運(yùn)行時(shí)，多數(shù)情況下屏蔽門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)。

從前文所述可知，列車(chē)停站屏蔽門(mén)開(kāi)啟時(shí)，漏風(fēng)量約為30 m3/s，若采用一段時(shí)間內(nèi)屏蔽門(mén)漏風(fēng)量的平均值作為空調(diào)系統(tǒng)的最小新風(fēng)量，在屏蔽門(mén)開(kāi)啟時(shí)仍然無(wú)法避免室外空氣從出入口進(jìn)入車(chē)站。而在屏蔽門(mén)關(guān)閉時(shí)，將會(huì)有大量的站內(nèi)冷空氣通過(guò)出入口排出站外，造成冷量損失和能源浪費(fèi)。因此，若負(fù)荷計(jì)算時(shí)已經(jīng)考慮了屏蔽門(mén)滲漏風(fēng)量形成的冷負(fù)荷，則在確定新風(fēng)量時(shí)可以忽略屏蔽門(mén)滲漏風(fēng)量這一影響因素。此時(shí)，建議按計(jì)算人員新風(fēng)量與系統(tǒng)總送風(fēng)量的10%二者中的較大值確定空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量。

5 結(jié)論與建議

1)提高屏蔽門(mén)地鐵車(chē)站公共區(qū)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度，空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷及送風(fēng)量均減少，空調(diào)系統(tǒng)能耗降低。在滿(mǎn)足人員“暫時(shí)舒適”的前提下，應(yīng)盡量提高室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度。

2)屏蔽門(mén)滲漏風(fēng)量對(duì)地鐵車(chē)站公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷影響較大，應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)的分析計(jì)算，力求為負(fù)荷計(jì)算提供準(zhǔn)確的依據(jù)?？梢酝ㄟ^(guò)降低活塞風(fēng)道阻力、排熱風(fēng)機(jī)采用變頻技術(shù)等措施減少屏蔽門(mén)漏風(fēng)量。

3)建議按人員需要的新風(fēng)量確定地鐵車(chē)站公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)量，不應(yīng)把屏蔽門(mén)漏風(fēng)量作為新風(fēng)量選取的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，但需要計(jì)算屏蔽門(mén)滲漏風(fēng)量形成的冷負(fù)荷。

［1］GB 50736—2012民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

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