房 爍 夏美秀 鄭進龍

(1. 蘇州市軌道交通集團有限公司,215004,蘇州;2. 廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司,510010,廣州//第一作者,助理工程師)

相對于其他地面建筑，一般位于地下的地鐵車站與外界環(huán)境主要通過出入口通道及地面風亭相連通，車站內(nèi)部環(huán)境受外界干擾較小。但由于車站內(nèi)部設(shè)備多、發(fā)熱量大，且對環(huán)境溫濕度要求高，因此，為保證車站內(nèi)工作人員的安全舒適以及設(shè)備的正常運行，必須設(shè)置通風空調(diào)系統(tǒng)。文獻[1]對車站大系統(tǒng)負荷進行了研究，結(jié)果表明出入口進風及站臺門漏風對大系統(tǒng)負荷具有很大影響；文獻[2]對地鐵車站中各類電氣設(shè)備發(fā)熱量進行了分析，結(jié)果表明理論計算值與估算值有較大差異。因此，對車站設(shè)備管理用房進行空調(diào)冷負荷計算方法研究十分必要。

1 地鐵空調(diào)系統(tǒng)介紹

地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)分為公共區(qū)通風空調(diào)系統(tǒng)(簡稱大系統(tǒng))和設(shè)備管理用房通風空調(diào)系統(tǒng)(簡稱小系統(tǒng))。大系統(tǒng)在正常運營時，為乘客提供過渡性舒適環(huán)境；當車站公共區(qū)發(fā)生火災(zāi)時，能迅速排除煙氣，同時為乘客提供一定的迎面風速。小系統(tǒng)正常運營時，應(yīng)能為地鐵工作人員提供舒適的工作環(huán)境，且滿足設(shè)備良好的運行環(huán)境；當車站管理、設(shè)備用房區(qū)發(fā)生火災(zāi)時，應(yīng)能排除煙氣或隔斷火源、煙氣，并保持局部區(qū)域的相對正壓。

本文只針對南方某城市地鐵站設(shè)備用房的小系統(tǒng)空調(diào)冷負荷與設(shè)備發(fā)熱量進行測試研究。

2 小系統(tǒng)負荷組成及其實測研究方法

地鐵車站多為地下建筑，幾乎不受地面外部條件影響，但根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》對設(shè)備管理用房夏季空調(diào)室外計算溫濕度的要求，應(yīng)采用歷年平均不保證50 h的干、濕球溫度進行小系統(tǒng)空調(diào)冷負荷計算。該室外計算溫度與民用建筑空調(diào)負荷計算室外溫度一致。設(shè)備房室內(nèi)環(huán)控設(shè)計參數(shù)如表1所示。

2.1 小系統(tǒng)冷負荷組成

設(shè)備房小系統(tǒng)空調(diào)冷負荷由設(shè)備發(fā)熱量負荷、圍護結(jié)構(gòu)傳熱負荷、照明負荷、人員負荷、新風負荷等組成。設(shè)備發(fā)熱量負荷是影響設(shè)備房間空調(diào)系統(tǒng)負荷的重要組成部分。

表1 設(shè)備房室內(nèi)環(huán)控設(shè)計參數(shù)

2.2 空調(diào)負荷及設(shè)備發(fā)熱量實測研究方法

設(shè)備發(fā)熱量在室內(nèi)通過設(shè)備與室內(nèi)空氣對流換熱、設(shè)備與圍護結(jié)構(gòu)熱輻射、圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面與空氣對流換熱3個過程形成室內(nèi)冷負荷。

設(shè)備房圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面與室內(nèi)空氣的對流換熱可以通過測量房間內(nèi)表面溫度、面積以及回風溫度得出：

Q1=αwAw(tw-ta)

(1)

式中：

αw——圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面對流傳熱系數(shù)，取3.9 W/(m2·K)[3]；

Aw——圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面積，m2；

tw——圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，°C；

ta——室內(nèi)空氣溫度，°C。

設(shè)備用房的室內(nèi)空調(diào)負荷可以通過測量設(shè)備房空調(diào)系統(tǒng)的送、回風風量及送、回風空氣溫濕度狀態(tài)得出：

Q2=Laρ(hin-hout)

(2)

式中：

La——送風量，m3/s；

ρ——空氣密度，取1.2 kg/m3；

hin——送風焓值，kJ/kg；

hout——回風焓值，kJ/kg。

設(shè)備房間內(nèi)設(shè)備與圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的輻射換熱量[4]可以通過測量房間內(nèi)表面溫度、面積以及設(shè)備表面積得到：

(3)

式中：

Ae——設(shè)備表面積，m2；

Aw——房間內(nèi)表面積，m2；

εe——設(shè)備表面發(fā)射率，取0.65；

εw——房間內(nèi)表面發(fā)射率，取0.85；

Te——設(shè)備表面熱力學溫度，K；

Tw——房間內(nèi)表面熱力學溫度，K；

σ——黑體輻射常數(shù)，取5.67×10-8W/(m2·K4)。

本研究于2016年6月底對南方某城市地鐵車站設(shè)備房的空調(diào)負荷和設(shè)備發(fā)熱量進行為期10 d的測試。現(xiàn)場實測圖見圖1。該系統(tǒng)采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)，具體測試方法如下：

(1)使用WSZY-1型溫濕度自動記錄儀(精度為溫度±0.3 ℃，濕度±3%)記錄各設(shè)備房送、回風溫度和濕度。測點位于房間送、回風口處，每個風口布置1個測點，每2 min記錄1次數(shù)據(jù)。

(2)使用TSI Model 8710 DP-CALC型風量罩(精度為±3%)測量各房間送、回風風量。由于送、回風風量較為穩(wěn)定，最終風量值取3次測量值的平均值。

(3) 利用VarioCAM熱成像儀(精度為±1.5 ℃)測量小系統(tǒng)各房間及設(shè)備表面溫度，每4 h測量1次，連續(xù)測量2 d。

(4)測量各房間內(nèi)表面面積及設(shè)備表面積。

a) 溫濕度自動記錄儀b) 風量罩c) 熱成像儀

圖1 現(xiàn)場實測圖片

3 設(shè)備房冷負荷計算值與實測值分析

3.1 設(shè)備房空調(diào)冷負荷設(shè)計計算

南方某城市地鐵車站設(shè)備管理用房空調(diào)冷負荷設(shè)計計算值如表2所示。

表2中冷負荷值以地鐵車站遠期客流及行車對數(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)各系統(tǒng)專業(yè)提資設(shè)備發(fā)熱量及各項負荷計算公式計算得到。

從表2可以看出，民用通信設(shè)備室、環(huán)控電控室、開關(guān)柜室、整流變壓器室的計算空調(diào)冷負荷較大，尤其是0.4 kV開關(guān)柜室達到61.7 kW，單位面>積冷負荷達456 W/m2。設(shè)計計算負荷偏大，必然導致設(shè)備配置偏大、實際荷載率低、空調(diào)設(shè)備長期運行于非高效工作區(qū)、能耗加大等不良問題。為達到空調(diào)設(shè)計方案優(yōu)化、合理選擇冷水機組及空調(diào)機組容量、減少投資費用的目的，本研究對地鐵車站上述設(shè)備房冷負荷及設(shè)備發(fā)熱量進行了實測，進而指導及校正空調(diào)設(shè)計的合理性。

表2 某地鐵站設(shè)備房空調(diào)冷負荷計算值統(tǒng)計

3.2 設(shè)備房空調(diào)冷負荷實測計算

對各設(shè)備房的空調(diào)系統(tǒng)送、回風溫濕度及風量進行實測，再由公式(1)、(2)、(3)計算得出室內(nèi)空調(diào)冷負荷值及設(shè)備發(fā)熱量值，如圖2和圖3所示。

圖2 某地鐵站設(shè)備房空調(diào)冷負荷及設(shè)備發(fā)熱量的實測值對比圖

圖3 某地鐵站設(shè)備房空調(diào)冷負荷的夜間與白天實測值對比圖

圖2中考慮了設(shè)備房通過圍護結(jié)構(gòu)傳熱的失熱量，因此，圖中設(shè)備發(fā)熱量測試數(shù)據(jù)比空調(diào)負荷大，且設(shè)備發(fā)熱量形成的空調(diào)負荷起決定性作用。

圖3所示各設(shè)備房的白天與夜間測試結(jié)果值趨于穩(wěn)定，差值在0.1～0.8 kW之間波動，說明設(shè)備房負荷和設(shè)備發(fā)熱量與室外環(huán)境及行車對數(shù)無明顯關(guān)系。圖中各數(shù)據(jù)取逐時最大值。

3.3 設(shè)計與實測冷負荷值對比分析

圖4為某站設(shè)計負荷值與實測值對比結(jié)果。由圖可見，設(shè)計值遠大于實測負荷值及設(shè)備發(fā)熱量值。其中專用通信電源室、民用通信設(shè)備、環(huán)控電控室及開關(guān)柜室等變電所設(shè)備房負荷設(shè)計值與實測值相差60%以上，警用通信設(shè)備室、配電室及站臺門設(shè)備室的計算值與實測值相差較少，差值在20%～40%范圍內(nèi)。實測結(jié)果也說明空調(diào)負荷值有較大的優(yōu)化空間，尤其是需要核實設(shè)備發(fā)熱量提資值的準確性，這對于空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造具有較大的參考價值。

4 結(jié)論

本文提出了一種對地鐵車站設(shè)備發(fā)熱量進行實測的方法，并對南方某城市地鐵車站設(shè)備房空調(diào)冷負荷及設(shè)備發(fā)熱量進行了實測研究。研究結(jié)果表明，設(shè)備房實測空調(diào)負荷及設(shè)備發(fā)熱量值全天保持穩(wěn)定，但均比設(shè)計計算值小很多，偏差在20%～77%范圍內(nèi)。該研究結(jié)果有利于在設(shè)計階段合理降低設(shè)備發(fā)熱量取值，避免因設(shè)計計算空調(diào)冷負荷偏大而導致設(shè)備選型配置偏大，設(shè)備功耗增大，長期運行不節(jié)能，投資費用增加等惡性問題。本研究不足之處是短時段的測試數(shù)據(jù)不能代表整個空調(diào)季的空調(diào)負荷情況。今后，還需要進一步對多個車站長時間的連續(xù)測試數(shù)據(jù)來獲得更真實可靠的結(jié)果。

圖4 某站設(shè)備房空調(diào)冷負荷設(shè)計值與實測值及設(shè)備發(fā)熱量實測值對比圖