隋學(xué)敏,王靖宜,郭 磊,張淵博

(1.長安大學(xué)建筑工程學(xué)院,西安 710061； 2.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710054；3.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

引言

近年來，地鐵已成為解決城市交通問題的重要途徑之一。與早期興建的地鐵相比，人們對如今地鐵的環(huán)境狀況寄予了更高的期望。地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著為乘客和工作人員創(chuàng)造一個生理和心理上都能滿意的適宜環(huán)境，并滿足地鐵設(shè)備正常運轉(zhuǎn)的重要職能，是地鐵中不可或缺的重要組成部分。地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)一般分為開式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)，相比之下，屏蔽門系統(tǒng)能有效阻隔站臺與隧道之間的熱交換并阻擋了空氣污染物，是近年來地鐵建設(shè)及改造主要運用的環(huán)控模式。

該系統(tǒng)的特征在于僅在屏蔽門開啟時存在區(qū)間隧道與車站之間的對流傳熱，大幅度降低了隧道內(nèi)的熱空氣與地鐵站臺區(qū)域的冷空氣之間的熱質(zhì)交換，降低了站臺空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷[1]。屏蔽門系統(tǒng)因其出色的節(jié)能性和舒適性深受城市軌道交通建設(shè)單位的青睞。目前，地鐵車站多采用全空氣方式對站廳、站臺等區(qū)域進(jìn)行熱濕環(huán)境調(diào)控，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗顯著高于辦公樓、商場等普通公共建筑，有研究表明屏蔽門地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)能耗占非牽引耗電量的35%～50%[2-3]，如何降低地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗已成為亟待解決的問題。

地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，設(shè)計負(fù)荷計算的準(zhǔn)確性對空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、運行效果和能耗有重要影響。地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)空調(diào)負(fù)荷與普通地面建筑空調(diào)負(fù)荷的主要不同之處在于，地鐵車站處于地下，故地鐵車站環(huán)境不受太陽輻射的影響，除了計算冷負(fù)荷時必須考慮室外新風(fēng)的影響之外，在計算地鐵車站自身的空調(diào)冷負(fù)荷時基本可忽略室外環(huán)境的影響。另外，屏蔽門系統(tǒng)地鐵車站的空調(diào)負(fù)荷也有一些其他的特殊性，如地鐵環(huán)境受乘客的人員負(fù)荷影響很大，但乘客只在地鐵車站內(nèi)做短暫停留；屏蔽門開啟導(dǎo)致的站臺與隧道間的風(fēng)量交換由于影響因素眾多、流動狀況復(fù)雜，難以準(zhǔn)確確定，使得屏蔽門漏風(fēng)引起的這部分負(fù)荷計算存在難點。本文對屏蔽門系統(tǒng)地鐵車站空調(diào)負(fù)荷組成要素及其計算方法進(jìn)行了分析，歸納總結(jié)了目前該系統(tǒng)負(fù)荷計算中存在的關(guān)鍵問題，重點對屏蔽門滲漏風(fēng)及車站出入口滲透風(fēng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述和評價，為屏蔽門系統(tǒng)地鐵車站的空調(diào)負(fù)荷計算及其相關(guān)研究提供參考。

1 車站空調(diào)負(fù)荷

屏蔽門系統(tǒng)地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)服務(wù)對象的不同通常分為公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)(簡稱“大系統(tǒng)”)和設(shè)備區(qū)空調(diào)系統(tǒng)(簡稱“小系統(tǒng)”)。大系統(tǒng)的服務(wù)對象主要包含站廳、站臺。站廳與車站出入口連接，是與外界大氣直接相連的過渡空間；站臺通常位于站廳的下層，通過樓梯、電梯等開口與站廳相連，并通過屏蔽門與隧道空間相連接。小系統(tǒng)服務(wù)對象主要包括各類人員辦公用房、通信用房、設(shè)備用房等。本文所述地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)，主要針對以乘客為服務(wù)對象的車站公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)。

1.1 車站空調(diào)冷負(fù)荷的構(gòu)成

屏蔽門系統(tǒng)模式下，地下車站可視為一個相對封閉的地下箱形建筑。通常情況下地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)冷負(fù)荷Ql包括照明、電梯等設(shè)備負(fù)荷Qzs、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷Qw、人員負(fù)荷Qp、機(jī)械新風(fēng)負(fù)荷Qx、送回風(fēng)管路溫升形成的冷負(fù)荷Qf及由屏蔽門滲漏風(fēng)和出入口滲透風(fēng)引起的滲風(fēng)負(fù)荷Qs。

(1)照明、電梯等設(shè)備負(fù)荷Qzs

照明、電梯等設(shè)備負(fù)荷可按照單位面積指標(biāo)計算。照明負(fù)荷單位面積指標(biāo)與普通公共建筑差異不大，通常為15～20 W/m2，隨著LED照明等節(jié)能技術(shù)的推廣應(yīng)用，單位面積的照明負(fù)荷指標(biāo)可進(jìn)一步降低至10～15 W/m2。設(shè)備負(fù)荷包括自動扶梯、垂直電梯、廣告、緊急疏散指示牌、自動售檢票機(jī)等，是由車站公共區(qū)所有用電設(shè)施產(chǎn)生的，設(shè)備負(fù)荷單位面積指標(biāo)通常為15～20 W/m2[4]。

(2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷Qw

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷主要指外圍護(hù)結(jié)構(gòu)及內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱形成的冷負(fù)荷。地鐵車站外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱是指外圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土壤間的傳熱，由于該傳熱量對于車站得熱為負(fù)值，且比例甚微，通常可忽略不計[5]。因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱主要是指車站的內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)間的溫差傳熱，如屏蔽門與站臺間的傳熱及車站軌道排熱風(fēng)道與站臺或站廳間的傳熱。其中，軌道排熱風(fēng)道的計算傳熱面積應(yīng)考慮軌頂風(fēng)道頂板、軌頂風(fēng)道側(cè)壁、軌底風(fēng)道頂板的面積[6]，且根據(jù)排熱風(fēng)道圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的不同，傳熱系數(shù)應(yīng)分別計算，在此統(tǒng)一稱之為排熱風(fēng)道圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)。該部分傳熱量可以按照一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，根據(jù)下式計算

(1)

(2)

式中，Qd、Qf分別為屏蔽門傳熱量及排熱風(fēng)道圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量，kW；Fd、Ff分別為屏蔽門和排熱風(fēng)道圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積，m2；ts為排熱風(fēng)道內(nèi)溫度；tα為站臺計算溫度，℃；tt為隧道內(nèi)的空氣溫度，℃；Kf為排熱風(fēng)道圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Kd為屏蔽門傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

(3)人員負(fù)荷Qp

人員負(fù)荷取決于車站內(nèi)的人員數(shù)量、活動狀態(tài)與環(huán)境溫度。地下車站人員負(fù)荷Qp同普通建筑人員負(fù)荷相比具有特殊性。確定人員負(fù)荷的關(guān)鍵是確定高峰小時客流量。高峰小時客流量一般源自當(dāng)?shù)亟煌ㄒ?guī)劃部門的客流預(yù)測報告，地鐵車站的地理位置、周邊人口和崗位構(gòu)成、生活習(xí)慣、是否換乘等情況，對客流高峰的影響很大，即使同一個城市的不同地鐵線路，客流高峰也有可能出現(xiàn)在不同的時間段。一般而言，居住、辦公和工業(yè)用地引發(fā)的客流主要是通勤客流，客流一般呈現(xiàn)早晚兩個高峰，通常早高峰客流高于晚高峰客流量居多[7-8]。而商業(yè)地帶、火車站、體育館等周邊車站高峰時間與通勤客流高峰時段有所不同，呈現(xiàn)不同的特殊性，例如有調(diào)查表明某地區(qū)商業(yè)引發(fā)客流的高峰時間為08：00-10：00及14：00-16：00，火車站引發(fā)的高峰客流出現(xiàn)在節(jié)假日，因此特殊地帶周圍的車站應(yīng)根據(jù)具體客流預(yù)測計算逐時冷負(fù)荷[9]。

地鐵車站人員負(fù)荷的另一個特殊性在于乘客滯留時間較短，車站內(nèi)乘客的行為特征是“短暫逗留”，人體散熱冷負(fù)荷系數(shù)可取1.0。人員負(fù)荷按照勞動強(qiáng)度為“輕度勞動”計算，即站廳室內(nèi)設(shè)計溫度30 ℃下顯熱散熱量為35 W/人，全熱散熱量為182 W/人；站臺室內(nèi)設(shè)計溫度28 ℃下顯熱散熱量為47 W/人，全熱散熱量為182 W/人。非換乘站的人員負(fù)荷可按照式(3)～式(5)計算[10]

(3)

(4)

(5)

式中，Nc、Np分別為站廳、站臺的計算人數(shù)，人；A1、A2分別為車站逐時進(jìn)站、出站人數(shù)，人；a1、a2分別為乘客進(jìn)站在站廳、站臺停留的時間，min，可取2 min或根據(jù)乘客購票時間、行車間隔決定；b1、b2分別為乘客出站在站廳、站臺的停留時間，min，可取1.5 min或根據(jù)乘客出站所需時間決定；Qp為車站人員負(fù)荷，kW；qp為乘客全熱散熱量，W/人。

(4)機(jī)械新風(fēng)負(fù)荷Qx

機(jī)械新風(fēng)負(fù)荷取決于機(jī)械新風(fēng)量及室內(nèi)外空氣的比焓差。計算公式如下

(6)

式中，Qx為機(jī)械新風(fēng)負(fù)荷，kW；ρo為室外新風(fēng)的密度，取1.2 kg/m3；Gx為機(jī)械新風(fēng)量，m3/s；hw為室外空氣焓值，kJ/kg；hc、hp分別為站廳、站臺空氣焓值，kJ/kg。

按照現(xiàn)行GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》[11]，當(dāng)采用空調(diào)系統(tǒng)時，機(jī)械新風(fēng)量應(yīng)取總?cè)藛T需求新風(fēng)量與系統(tǒng)總送風(fēng)量的10%兩者中的最大值?？?cè)藛T需求新風(fēng)量取決于人均需求新風(fēng)量及高峰時段人數(shù)，人均新風(fēng)量下限值取12.6 m3/h[11]。但也有研究者認(rèn)為該最小新風(fēng)量取值偏小，建議應(yīng)根據(jù)各地鐵車站的地理位置和周邊情況，通過室外CO2濃度計算來確定，對于國內(nèi)大部分城市地鐵，該值取15～19 m3/h比較合適。只有在室外環(huán)境特別好的情況下，該值才能取12.6 m3/h[7]。

關(guān)于室外空氣與車站內(nèi)空氣的焓差，對于室外狀態(tài)點的確定，現(xiàn)行GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》[11]規(guī)定對于地下車站公共區(qū)夏季室外空氣計算溫度，應(yīng)采用近20年夏季地鐵晚高峰負(fù)荷時平均每年不保證30h的干球溫度；夏季空調(diào)室外計算濕球溫度，應(yīng)采用近20年夏季地鐵晚高峰負(fù)荷時平均不保證30 h的濕球溫度。根據(jù)其條文說明，沒有采用GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》[12]規(guī)定的“采用歷年平均不保證50 h的平均溫度”，是因為地鐵與地面建筑不同，規(guī)范[12]中每年不保證50 h的干球溫度出現(xiàn)在12：00-14：00，而此時正值地鐵客流低谷。若同時采用夏季不保證50 h的干球溫度與地鐵晚高峰負(fù)荷來計算空調(diào)冷負(fù)荷，就形成兩個峰值疊加，冷負(fù)荷偏大，因此采用地鐵晚高峰客流出現(xiàn)時間對應(yīng)的室外溫度作為室外空氣計算溫度。但亦有學(xué)者通過研究計算指出，一般城市早高峰時的室外新風(fēng)焓值高于晚高峰的室外新風(fēng)焓值，且車站的早高峰客流量高于晚高峰者居多。如果按照晚高峰空氣比焓值計算，可能會導(dǎo)致大系統(tǒng)空調(diào)負(fù)荷偏小[8]。關(guān)于負(fù)荷計算取早高峰還是晚高峰的問題，文獻(xiàn)[7]進(jìn)行了詳細(xì)分析與討論，由于室外空氣比焓值呈周期性變化，且車站客流高峰時段并不固定，早高峰還是晚高峰的空調(diào)負(fù)荷大，并非固定不變，建議有條件盡可能作逐時負(fù)荷計算，至少要對客流高峰的幾個時間段進(jìn)行計算對比。

另外，目前設(shè)計人員在考慮機(jī)械新風(fēng)負(fù)荷時普遍存在低估出入口滲透新風(fēng)影響的現(xiàn)象，若考慮到這部分新風(fēng)，機(jī)械新風(fēng)負(fù)荷將會進(jìn)一步減小。

(5)送、回風(fēng)管路溫升冷負(fù)荷Qf

送風(fēng)機(jī)與回風(fēng)機(jī)在工作時，由機(jī)械損失和摩擦損失最終轉(zhuǎn)換為熱量導(dǎo)致送風(fēng)溫度升高，而地鐵送風(fēng)機(jī)風(fēng)量大，風(fēng)機(jī)溫升導(dǎo)致的耗冷量不可忽略。計算時，風(fēng)機(jī)溫升形成的負(fù)荷通常按1.5 ℃的溫升計算考慮[8]。

(6)滲風(fēng)負(fù)荷Qs

滲風(fēng)負(fù)荷在本文中表示屏蔽門滲漏風(fēng)和出入口滲透風(fēng)共同導(dǎo)致的總負(fù)荷。屏蔽門在列車停站時開啟，屏蔽門滲漏風(fēng)導(dǎo)致站臺與隧道環(huán)境暫時換熱，造成大系統(tǒng)冷負(fù)荷的增加。此外，車站的出入口滲透風(fēng)也會引起一部分滲風(fēng)負(fù)荷。

屏蔽門滲漏風(fēng)量并不是一個籠統(tǒng)的概念，當(dāng)屏蔽門表現(xiàn)為滲入風(fēng)，此時隧道內(nèi)的熱濕空氣通過開啟的屏蔽門進(jìn)入站臺，增加了站臺的得熱量，造成了冷負(fù)荷的增加。而當(dāng)屏蔽門表現(xiàn)為漏出風(fēng)，此時站臺公共區(qū)空調(diào)冷風(fēng)通過開啟的屏蔽門流入隧道，造成了冷量的損失，為保證站臺的壓力，勢必要引入同體積的室外新風(fēng)來維持，同樣造成了車站冷負(fù)荷的增加。屏蔽門滲漏風(fēng)引起的滲風(fēng)負(fù)荷可由公式(7)計算得到[13-14]

Qsl=ρGsl(hw-hp)

(7)

式中，Qsl為由屏蔽門滲漏風(fēng)引起的滲風(fēng)負(fù)荷，kW；ρ為屏蔽門滲漏風(fēng)的密度，取1.2 kg/m3；Gsl為屏蔽門漏風(fēng)量，m3/s；hp為站臺區(qū)空氣焓值，kJ/kg。式(7)中，當(dāng)隧道通過屏蔽門向站臺滲入風(fēng)時，hw為隧道區(qū)間空氣焓值，kJ/kg；當(dāng)站臺通過屏蔽門向隧道漏風(fēng)時，由于這部分風(fēng)量損失由室外新風(fēng)補(bǔ)償，hw為室外新風(fēng)焓值，kJ/kg。

出入口滲透風(fēng)引起的滲風(fēng)負(fù)荷由以下公式計算

Qst=ρGst(hw-hc)

(8)

式中，Qst為由出入口滲透風(fēng)引起的滲風(fēng)負(fù)荷，kW；ρ為出入口滲透風(fēng)的密度，取1.2 kg/m3；Gst為出入口滲透空氣量，m3/s；hc為站廳區(qū)空氣焓值，kJ/kg；hw為室外新風(fēng)焓值，kJ/kg。

要準(zhǔn)確計算滲風(fēng)負(fù)荷，設(shè)計人員需要確切得到通過屏蔽門的空氣交換量與滲漏模式，以及出入口滲透風(fēng)量與滲透模式。但由于屏蔽門漏風(fēng)量及出入口滲透風(fēng)量的有關(guān)計算因為它們的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性目前尚無法精確計算，使得這兩部分負(fù)荷尚無精確的計算方法，通常采用估算方法。如屏蔽門漏風(fēng)量通常采用5～10 m3/s，出入口滲透負(fù)荷則是基于各出入口通道截面面積，按照200 W/m2進(jìn)行估算[5]。

1.2 車站空調(diào)濕負(fù)荷

濕負(fù)荷主要有兩個來源，即圍護(hù)結(jié)構(gòu)散濕和人員散濕，夏季還包括來自室外新風(fēng)的潛熱負(fù)荷。圍護(hù)結(jié)構(gòu)散濕是指外圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土壤間的散濕量，可通過單位面積的散濕量進(jìn)行計算，按照經(jīng)驗數(shù)據(jù)，單位面積散濕量可按2 g/(m2·h)進(jìn)行計算[15]。

總結(jié)來看，屏蔽門系統(tǒng)地鐵車站大系統(tǒng)冷負(fù)荷中，設(shè)備、照明負(fù)荷比較容易確定，可按單位面積負(fù)荷指標(biāo)計算；人員負(fù)荷、機(jī)械新風(fēng)負(fù)荷、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷、風(fēng)機(jī)溫升負(fù)荷與濕負(fù)荷有較明確的計算方法，可根據(jù)實際工程情況計算。但由屏蔽門和出入口導(dǎo)致的滲風(fēng)負(fù)荷目前多采用估算，仍缺少合理的定量計算方法。滲風(fēng)負(fù)荷在車站空調(diào)負(fù)荷中占有不小的比例，有研究者對上海兩典型車站的負(fù)荷分析表明，滲風(fēng)負(fù)荷在車站公共區(qū)空調(diào)冷負(fù)荷中的比例分別可達(dá)18.4%及25.5%[3]。正確計算滲風(fēng)負(fù)荷的關(guān)鍵在于確定滲風(fēng)量的大小，滲風(fēng)量的準(zhǔn)確計量對屏蔽門系統(tǒng)地鐵車站空調(diào)負(fù)荷的正確計算具有重要意義。

2 滲風(fēng)負(fù)荷

2.1 滲風(fēng)負(fù)荷的形成原因與影響因素

雖然屏蔽門將站臺與隧道分隔成兩個獨立的熱環(huán)境，但屏蔽門在列車到站時會開啟20～30 s。在此期間，為了及時排出列車制動及車廂空調(diào)產(chǎn)生的熱量，設(shè)置在隧道區(qū)間內(nèi)的軌道排熱風(fēng)機(jī)開啟，這會引起站臺隧道側(cè)處于負(fù)壓。除了從活塞風(fēng)井處補(bǔ)風(fēng)，還會在屏蔽門開啟時吸入站臺公共區(qū)的冷空氣，造成站臺已冷卻的空氣流入隧道；同時，列車在隧道內(nèi)運行產(chǎn)生的活塞風(fēng)由于慣性作用，在列車停止時不會立即停止，而是會在列車與屏蔽門之間的間隙產(chǎn)生復(fù)雜的擾動，從而在列車尾部附近的屏蔽門會有小部分隧道內(nèi)的空氣流入站臺[13]。這兩部分氣流形成屏蔽門滲漏風(fēng)。屏蔽門滲漏風(fēng)量的影響因素包括活塞風(fēng)井的位置和斷面面積、列車停站時間和屏蔽門開啟時間、屏蔽門開啟面積、列車車廂與屏蔽門的間距、隧道及站臺溫度分布引起的熱壓等[16]。

圖1 出入口滲透風(fēng)形成示意[20]

由于站臺通過屏蔽門進(jìn)入隧道的瞬時漏風(fēng)量很大，對我國南方某城市屏蔽門系統(tǒng)的實測研究表明，典型工況下瞬時漏風(fēng)量約為空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計新風(fēng)量的3倍[17]。這將導(dǎo)致站內(nèi)的瞬時負(fù)壓，這部分負(fù)壓將由出入口引入室外新風(fēng)來補(bǔ)充，形成了出入口滲透風(fēng)。出入口滲透風(fēng)形成示意如圖1所示。其影響因素除了列車運行產(chǎn)生的活塞風(fēng)作用，還包括隧道活塞風(fēng)井的位置、軌道排熱風(fēng)機(jī)排風(fēng)量、機(jī)械送風(fēng)模式、列車運行工況、熱壓作用、出入口通道長度、車站埋深、旁通作用等[18-19]。

因此，在列車行駛形成的活塞作用及軌道排熱風(fēng)機(jī)等影響因素的綜合作用下， “隧道空氣-室內(nèi)空氣”和“室外空氣-室內(nèi)空氣”的質(zhì)量傳遞構(gòu)成了屏蔽門滲漏風(fēng)與出入口滲透風(fēng)。

2.2 屏蔽門滲漏風(fēng)

2.2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外研究者對屏蔽門滲漏風(fēng)的研究方法主要有實測法、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計算法、CFD模擬計算法等。屏蔽門滲漏風(fēng)量的大小與屏蔽門啟閉狀態(tài)有關(guān)。列車在正常運行過程中，屏蔽門處于關(guān)閉狀態(tài)；在列車停站時間內(nèi)，屏蔽門一直保持開啟狀態(tài)。

(1)屏蔽門關(guān)閉狀態(tài)的滲漏風(fēng)研究

屏蔽門關(guān)閉狀態(tài)下的滲漏風(fēng)主要是通過屏蔽門縫隙滲漏。列車的運行經(jīng)歷勻速駛?cè)胝九_，在離站約100 m處減速進(jìn)站直到停車后屏蔽門開啟，待屏蔽門再次關(guān)閉時列車開始加速駛出，達(dá)到正常行駛速度時進(jìn)入勻速狀態(tài)。在此期間，由于列車速度變化及活塞風(fēng)的慣性作用導(dǎo)致隧道內(nèi)氣流重新分布，并通過屏蔽門縫隙形成滲漏風(fēng)。提高屏蔽門的安裝施工質(zhì)量，加強(qiáng)屏蔽門氣密性可有效減少屏蔽門關(guān)閉時的滲漏風(fēng)[21]。有研究表明，一個行車周期內(nèi)屏蔽門關(guān)閉狀態(tài)時的漏風(fēng)量僅有0.680～0.824 m3/s[13-14，22]。該漏風(fēng)量很小，對站臺環(huán)境影響可以忽略。

(2)屏蔽門開啟狀態(tài)的滲漏風(fēng)研究

為了直觀得到屏蔽門開啟時的滲漏風(fēng)量，不少研究者使用實測法對已建成的地鐵站進(jìn)行了現(xiàn)場實測，實測法涉及間接測量法及直接測量法。由于屏蔽門開啟時間短，且各個門附近的氣流受乘客進(jìn)出因素等影響，氣流模式比較復(fù)雜，難以對滲漏風(fēng)量進(jìn)行直接測試，許多研究者采用了風(fēng)量平衡法間接測量得出屏蔽門漏風(fēng)量。主要通過對一些易于測量、擾動較小位置處的風(fēng)量進(jìn)行測試，如車站出入口風(fēng)量、空調(diào)系統(tǒng)送回風(fēng)量、站廳與站臺相連的樓梯口風(fēng)量等，然后通過空氣質(zhì)量守恒方程算出總滲漏風(fēng)量。

表1給出了現(xiàn)有文獻(xiàn)中采用間接測量法進(jìn)行現(xiàn)場實測的測試位置及測試結(jié)果。從現(xiàn)有測試結(jié)果來看，實際運行中屏蔽門漏風(fēng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計中常用的估算值5～10 m3/s。且方向是由站臺流向隧道。屏蔽門滲漏風(fēng)對地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)的影響實際上是冷量的損失。

表1 屏蔽門漏風(fēng)量間接測量結(jié)果匯總

間接測量法簡便有效，但缺點是無法測出各個屏蔽門兩側(cè)的空氣交換量。也有研究者在屏蔽門開啟前后使用風(fēng)速儀直接在屏蔽門處進(jìn)行實測。由于直接測量法可直觀反映單個屏蔽門處的氣流模式及漏風(fēng)量，所得到的數(shù)據(jù)非常具有參考價值。但在實際中，這部分空氣的流動受到乘客進(jìn)出等因素的影響，測點較難確定，測量位置的選取將直接影響實測的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中采用直接測量法的實測研究并不多。彭治霖[26]將測點位置定在屏蔽門邊緣，距屏蔽門平面和頂部邊緣20 cm。根據(jù)其測試結(jié)果可以看出軌道排熱風(fēng)機(jī)關(guān)閉情況下，車頭端由站臺流向隧道的風(fēng)量明顯大于車尾端由隧道進(jìn)入站臺的風(fēng)量。龔蓂杰[27]測試的方案是由測試人員手持風(fēng)速儀，在屏蔽門打開前將風(fēng)速儀探頭與屏蔽門縫隙成20°角，距離地面1.5 m，距離縫隙20 cm；屏蔽門打開后將探頭升至屏蔽門頂部30 cm處并與屏蔽門垂直；屏蔽門再次關(guān)閉時探頭放置回初始位置。測試結(jié)果顯示：站臺公共區(qū)流入隧道的空氣量為23.93 m3/s，隧道流入站臺公共區(qū)的空氣量為1.83 m3/s。

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)法指用圖論方法對通風(fēng)管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行抽象描述，把通風(fēng)管網(wǎng)變成一個由線、點及其屬性組成的系統(tǒng)，即通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系開發(fā)的地鐵熱環(huán)境模擬軟件STESS[28]、美國交通部發(fā)布的地鐵環(huán)境模擬軟件SES、瑞典EQUA公司開發(fā)的隧道環(huán)境仿真軟件IDA TUNNEL[29]也是基于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)法，其關(guān)鍵在于確定網(wǎng)絡(luò)模型各連接點處的局部阻力系數(shù)。與CFD計算方法相比，網(wǎng)絡(luò)法計算過程簡便，可用于設(shè)計階段屏蔽門漏風(fēng)量的估算。李亮[30]介紹了使用三維CFD場模擬計算得到屏蔽門處的等效局部阻力系數(shù)的方法，并對比了屏蔽門漏風(fēng)量的三維CFD模擬計算結(jié)果與STESS網(wǎng)絡(luò)模型計算結(jié)果，得出站臺區(qū)流入隧道的空氣量約為27.4 m3/s，從隧道流入站臺的空氣量不到站臺流入隧道空氣量的7%的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，李俊等[24]根據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的串并聯(lián)關(guān)系求解各個支路的阻抗，并根據(jù)屏蔽門所在支路和活塞風(fēng)井支路的阻抗，得出了求解屏蔽門漏風(fēng)量的計算式，并采用現(xiàn)場測試結(jié)果驗證了其準(zhǔn)確性。該計算式如下

(9)

式中，Gsl為單列列車停站時總屏蔽門漏風(fēng)量，m3/s；Gp為列車停站時車站軌道排熱風(fēng)量，m3/s；S0、Si分別為屏蔽門支路和活塞風(fēng)井支路阻抗，kg/m7。

Li X等人[31]利用地鐵熱環(huán)境仿真軟件STESS，研究了隧道長度、列車發(fā)車密度、屏蔽門氣密性、雙向列車到站時間間隔等因素對屏蔽門漏風(fēng)量的影響，并在多因素分析的基礎(chǔ)上，利用多項式擬合提出了一個行車周期內(nèi)的屏蔽門漏風(fēng)量的計算公式，如式(10)～式(13)所示

57.49n2-520n+7 046)

(10)

68.94n2-534.1n+7 415)

(11)

32.42n2+159.7n+4 700)

(12)

44.50n2+1 266n+199.7)

(13)

式中，G為屏蔽門開啟時間段內(nèi)漏風(fēng)量，m3/h；下標(biāo)為隧道長度；n為該時間段內(nèi)行車對數(shù)，范圍為6～30列/h；f為屏蔽門的間隙面積，m2。

CFD模擬計算法指使用計算流體力學(xué)軟件建立三維模型，數(shù)值模擬計算屏蔽門漏風(fēng)量。由于CFD方法可以模擬預(yù)測多種行車工況下及不同環(huán)控模式下的氣流運動情況及整個流場狀況，目前是研究屏蔽門滲漏風(fēng)量及滲漏模式中應(yīng)用最多的方法。楊巨瀾[32]以上海地鐵9號線的中華路站為研究對象，利用計算流體力學(xué)軟件STAR-CD對漏風(fēng)量進(jìn)行1 h內(nèi)的穩(wěn)態(tài)模擬，得到了當(dāng)軌道排熱風(fēng)機(jī)風(fēng)壓為400～650 Pa時，對應(yīng)的屏蔽門漏風(fēng)量為8.01 ～9.58 m3/s。陶海濤[22]利用CFD動網(wǎng)格生成技術(shù)使網(wǎng)格可以隨列車在隧道內(nèi)運動不斷調(diào)整，模擬得到屏蔽門開啟時的漏風(fēng)量，結(jié)論是隧道流入站臺區(qū)的風(fēng)量為23.05 m3/s，站臺區(qū)流入隧道內(nèi)的風(fēng)量為25.43 m3/s。齊衛(wèi)陽等人[33]使用CFD模擬軟件，通過UDF編譯實現(xiàn)列車勻速、減速、靜止和加速4個過程，得出的結(jié)論是隧道流入站臺的平均流量為0.88 m3/s，站臺流入隧道的平均流量為10.03 m3/s。也有研究者運用網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)合場模型的方法模擬得出屏蔽門漏風(fēng)量，具體的步驟是運用SES或STESS軟件模擬得到列車在隧道內(nèi)運行產(chǎn)生的活塞風(fēng)速，并以此作為速度邊界條件，建立隧道-站臺流場三維CFD模型。此方法可以有效減少模型中隧道段的長度，節(jié)省計算內(nèi)存與時間。張宏等人[34]利用STESS與CFD模擬相結(jié)合，計算得到某典型島式站臺屏蔽門漏風(fēng)量為16.5 m3/s，方向由站臺流入隧道，越靠近車頭漏風(fēng)量越大，車尾對應(yīng)的兩個屏蔽門總體風(fēng)量是由隧道流入站臺。王迪軍等人[35]利用SES模擬軟件與CFD模擬結(jié)合研究屏蔽門開啟時的漏風(fēng)量，結(jié)論是隧道流入站臺區(qū)的風(fēng)量為16.30 m3/s，站臺區(qū)流入隧道的風(fēng)量為41.84 m3/s。趙全超等[13]利用SES模擬軟件與CFD模擬結(jié)合，得到了屏蔽門打開期間流向隧道平均滲漏風(fēng)量為25.08 m3/s，流向站臺的平均滲漏風(fēng)量為21.87 m3/s的結(jié)論。項毅[14]用SES軟件和CFD模型結(jié)合，并分為前后有車、前后無車、前無后有、前有后無4個工況，分別計算屏蔽門開啟時滲漏風(fēng)量，得到站臺流入隧道的風(fēng)量為18.3～30.99 m3/s，隧道流入站臺的風(fēng)量為22.3～25.63 m3/s的結(jié)論。

2.2.2 尚需解決的關(guān)鍵問題

(1)在以往車站空調(diào)設(shè)計中，通常認(rèn)為屏蔽門開啟時，軌行區(qū)有5～10 m3/s的隧道熱空氣進(jìn)入站臺區(qū)，產(chǎn)生空調(diào)負(fù)荷，但通過對現(xiàn)有地鐵車站屏蔽門漏風(fēng)量實測分析發(fā)現(xiàn)，屏蔽門滲漏風(fēng)實際上是站臺區(qū)域的冷空氣流向隧道區(qū)域，屬于空調(diào)冷量的損失，這部分風(fēng)量損失將由出入口引入室外新風(fēng)補(bǔ)充。但在設(shè)計中能否簡單地將這部分風(fēng)量等同于出入口滲透風(fēng)來計算滲風(fēng)負(fù)荷仍需討論。因此，在今后的研究中應(yīng)著重于解決屏蔽門滲漏風(fēng)與出入口滲透風(fēng)之間的關(guān)系，更加合理地認(rèn)識和研究這兩者在地鐵車站中的影響及作用規(guī)律。

(2)使用CFD法模擬屏蔽門滲漏風(fēng)尚未形成統(tǒng)一的結(jié)論，SES與STESS軟件計算結(jié)果作為后續(xù)CFD模擬邊界條件模擬出的結(jié)果差異也較大。原因可能在于：SES采用龍格-庫塔迭代法進(jìn)行求解，而STESS采用改進(jìn)的基本回法(MMKP法)，加快了收斂速度；其次SES中的氣象參數(shù)來源于美國氣候數(shù)據(jù)中心或者開利公司，其中并不包括中國各城市，且最新版本于1997年推出，距今已有20年的時間，普遍不適應(yīng)如今中國各地新建的地鐵形式[36]。因此，尋找更加適合的模擬軟件，減小模擬與實測之間的差異，才能更好地為系統(tǒng)設(shè)計及實際運行提供有效指導(dǎo)。

2.3 出入口滲透風(fēng)2.3.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著近年來對地鐵空調(diào)計算負(fù)荷研究的深入，研究者逐漸認(rèn)識到出入口滲透風(fēng)才是影響地鐵空調(diào)計算負(fù)荷準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。目前針對出入口滲透風(fēng)的研究中使用最多的方法是實測法，即在每個出入口通道內(nèi)同時對風(fēng)速與風(fēng)向進(jìn)行直接測量。關(guān)于每個通道內(nèi)截面測點數(shù)目的選取，精確的測量需要在同一通道截面上對多個測點進(jìn)行測量，計算平均風(fēng)速。有實測研究表明截面上單個測點的風(fēng)速即可代表截面平均風(fēng)速[37]，為使測量工作易于操作，目前的實測研究中也多選取不受客流影響的區(qū)域進(jìn)行單點測量。從現(xiàn)有實測結(jié)果來看，出入口滲透風(fēng)隨屏蔽門開啟關(guān)閉的影響呈周期性變化，但總體表現(xiàn)為進(jìn)風(fēng)，因此為地鐵車站提供了大量的新鮮空氣。CO2濃度可以作為反映出入口滲透風(fēng)量和機(jī)械新風(fēng)量的一個直觀指標(biāo)。許多針對已建成的車站內(nèi)部CO2濃度實測顯示，實際運營的地鐵車站內(nèi)CO2濃度遠(yuǎn)低于規(guī)范[11]規(guī)定的CO2體積分?jǐn)?shù)限值1 500×10-6[38-39]。這是由于機(jī)械新風(fēng)和出入口滲透風(fēng)共同引入新風(fēng)導(dǎo)致車站新風(fēng)量過大，造成了資源的浪費。因此，機(jī)械新風(fēng)負(fù)荷具有最大的節(jié)能潛力。

出入口滲透風(fēng)的主要動力有室外風(fēng)速風(fēng)向決定的風(fēng)壓通風(fēng)、地鐵車站內(nèi)與室外溫度不同導(dǎo)致的熱壓通風(fēng)以及軌道排熱風(fēng)機(jī)和活塞效應(yīng)引起的負(fù)壓效應(yīng)。由于影響因素復(fù)雜，目前尚未有出入口滲透風(fēng)準(zhǔn)確的定量研究。但不少研究者針對室外風(fēng)向風(fēng)速、出入口類型、車站埋深、環(huán)控系統(tǒng)風(fēng)量、隧道活塞風(fēng)井位置、隧道長度、屏蔽門阻抗、行車列次、旁通效應(yīng)等因素對出入口滲透風(fēng)進(jìn)行了定性分析[17-20，40-42]。Yang L等[19]在對某典型地鐵車站進(jìn)行實測的基礎(chǔ)上，提出出入口滲透風(fēng)受旁通效應(yīng)的影響，有部分無法進(jìn)入車站內(nèi)部成為有效新風(fēng)，以此提出了計算出入口有效新風(fēng)量的方法，并對我國不同地區(qū)4個典型屏蔽門車站的出入口滲透風(fēng)模式進(jìn)行研究，結(jié)果表明，由出入口滲入的有效新風(fēng)明顯大于站內(nèi)人員需求的新風(fēng)量。Guan B等[43]通過對中國夏熱冬冷地區(qū)的兩個典型地鐵站進(jìn)行實測，得到常規(guī)小新風(fēng)工況下出入口滲透風(fēng)量為(2.5～4.6)×104m3/h，關(guān)閉機(jī)械新風(fēng)系統(tǒng)后出入口滲透風(fēng)量增加了(0.6～0.9)×104m3/h。實測結(jié)合理論計算結(jié)果表明：即使達(dá)到遠(yuǎn)期高峰客流量的情況下，無機(jī)械新風(fēng)的運行模式也足以保證地鐵站內(nèi)乘客的新風(fēng)需求，室內(nèi)CO2濃度、顆粒物濃度及溫濕度可以達(dá)到要求，并且與小新風(fēng)運行模式相比節(jié)能9.9%～19.6%。王行宇[44]在空調(diào)季對重慶與成都地區(qū)地鐵車站出入口滲透風(fēng)進(jìn)行實測，測試結(jié)果為總滲透風(fēng)量為19.97 m3/s，約是最小新風(fēng)需求量的9.5倍。

以上研究結(jié)果表明，現(xiàn)有的地鐵環(huán)境下，出入口滲透風(fēng)足以滿足大多數(shù)地鐵站乘客對新風(fēng)的需求，無需開啟機(jī)械新風(fēng)。Zhang Y等[45]利用地鐵熱環(huán)境仿真軟件STESS對無錫市某地鐵車站出入口滲透風(fēng)在無機(jī)械新風(fēng)的工況下進(jìn)行了模擬，進(jìn)一步對出入口滲透風(fēng)能否滿足最小新風(fēng)需求進(jìn)行了論證。結(jié)果如圖2及圖3所示，表明只有在遠(yuǎn)期客流量很大或某些大型換乘站需要額外的機(jī)械新風(fēng)。今后的設(shè)計工作應(yīng)結(jié)合地鐵交通客流量有波峰、波谷的特點，根據(jù)站內(nèi)客流情況，在非高峰時段關(guān)閉機(jī)械新風(fēng)系統(tǒng)，利用出入口滲透新風(fēng)滿足人員新風(fēng)需求，可有效降低空調(diào)運行能耗，并且這種方式對人員負(fù)荷和滲風(fēng)負(fù)荷所占比例較大的車站效果會更加明顯。

圖2 近期工況下出入口滲透新風(fēng)量及新風(fēng)需求量的逐時變化[45]

圖3 遠(yuǎn)期工況下出入口滲透新風(fēng)量及新風(fēng)需求量的逐時變化[45]

2.3.2 尚需解決的關(guān)鍵問題

(1)對出入口滲透風(fēng)的定性研究較多，但在設(shè)計中如何準(zhǔn)確確定出入口滲透風(fēng)量還沒有統(tǒng)一的結(jié)論。與此同時，目前的研究中缺乏軌道排熱系統(tǒng)與列車活塞風(fēng)對出入口滲透風(fēng)影響的敏感性分析。有研究表明，軌道排熱風(fēng)機(jī)實際排出的是隧道、車站和列車車廂的混合風(fēng)，并且大多數(shù)開始日常運營的地鐵線路初期，隧道溫度低于室外溫度，因此軌道排熱系統(tǒng)可根據(jù)情況間歇運行，或單開啟軌頂或軌底排熱風(fēng)機(jī)[46-48]。在不同的軌道排熱系統(tǒng)運行模式下，出入口滲透風(fēng)量的變化規(guī)律將是一個亟待討論的問題。

(2)近年來研究者關(guān)于出入口滲透風(fēng)的認(rèn)識逐漸清晰，利用出入口滲透風(fēng)滿足車站新風(fēng)需求、取消機(jī)械新風(fēng)系統(tǒng)就成為一種可行的技術(shù)路徑。但在地鐵運行遠(yuǎn)期，或某些客流量非常大的車站，出入口滲透風(fēng)能否滿足人員新風(fēng)需求仍需討論，若不滿足，如何根據(jù)室內(nèi)CO2濃度進(jìn)行機(jī)械新風(fēng)系統(tǒng)的運行調(diào)控需要進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論與展望

(1)屏蔽門系統(tǒng)地鐵車站空調(diào)設(shè)計負(fù)荷中滲風(fēng)負(fù)荷尚無明確的計算方法。屏蔽門滲漏風(fēng)對地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)的影響主要是冷量的損失，這部分冷空氣損失將由出入口引入新風(fēng)承擔(dān)，出入口滲透風(fēng)是造成空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷偏大的重要影響因素。出入口滲透風(fēng)顯示出巨大的節(jié)能潛力，使其研究更加重要?，F(xiàn)有研究中出入口滲透風(fēng)在地鐵車站內(nèi)的流動路徑還不明確，計算方法尚未得到一個定量的結(jié)論。

(2)由于地鐵站臺條件的復(fù)雜性，使用直接測試法測定屏蔽門漏風(fēng)量非常困難；同時，應(yīng)用不同的模擬軟件對屏蔽門漏風(fēng)量的模擬結(jié)果差異較大。因此，探討快速準(zhǔn)確測量屏蔽門漏風(fēng)量的方法，找尋及開拓更加符合我國地鐵建設(shè)環(huán)境的模擬軟件，是地鐵環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計負(fù)荷計算優(yōu)化的前提與關(guān)鍵。

(3)充分利用出入口滲透風(fēng)帶來新風(fēng)的優(yōu)勢降低機(jī)械新風(fēng)負(fù)荷是節(jié)能的關(guān)鍵?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明出入口滲透風(fēng)可以滿足大部分情況下站內(nèi)人員的新風(fēng)需求，但這部分新風(fēng)在大型或具有換乘功能的車站能否滿足新風(fēng)需求有待討論。同時出入口僅和站廳相連，當(dāng)車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時，出入口滲透風(fēng)是否滿足站臺人員的新風(fēng)需求需要進(jìn)一步研究。

(4)地鐵運行遠(yuǎn)期，或某些客流量非常大的車站，如何將機(jī)械新風(fēng)系統(tǒng)與采用出入口自然通風(fēng)的優(yōu)勢結(jié)合，優(yōu)化機(jī)械新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計及運行調(diào)控，對降低地鐵空調(diào)環(huán)控系統(tǒng)能耗至關(guān)重要。

(5)地下車站空調(diào)負(fù)荷受人員負(fù)荷影響，空氣調(diào)節(jié)過程非線性，溫度變化緩慢，因此，在計算地鐵站臺逐時負(fù)荷變化的基礎(chǔ)上，開發(fā)基于預(yù)測的環(huán)控系統(tǒng)控制方案是進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗的重要方向。