上海建科建筑節(jié)能技術(shù)股份有限公司 錢 程

0 引言

地鐵活塞風(fēng)對車站內(nèi)的環(huán)境有著重要的影響。列車進站時，由于活塞風(fēng)的滲入作用，站內(nèi)形成正壓，站內(nèi)空氣通過人行通道排至室外；列車出站時，由于活塞風(fēng)的抽吸作用，站內(nèi)形成負壓，室外空氣通過人行通道進入站內(nèi)[1]。目前不少學(xué)者對地鐵活塞風(fēng)進行了大量的研究，利用現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬等手段對其風(fēng)速、變化規(guī)律、影響因素進行了分析[2-4]，但對于活塞風(fēng)作用下從人行通道滲入站內(nèi)的新風(fēng)的定量研究較少。而且有關(guān)站內(nèi)活塞風(fēng)的研究大多針對非屏蔽門系統(tǒng)，而對于全封閉式屏蔽門系統(tǒng)，業(yè)內(nèi)認為滲入車站公共區(qū)域的隧道活塞風(fēng)量微乎其微，但實際上，采用全封閉式屏蔽門系統(tǒng)的車站也客觀存在不容忽視的周期性波動的活塞風(fēng)[5]。因此，本文采用現(xiàn)場實測的方法，定量化研究裝有全封閉式屏蔽門系統(tǒng)的車站在活塞風(fēng)作用下由人行通道口滲入站內(nèi)的新風(fēng)量，通過對比站內(nèi)實時新風(fēng)量需求，提出更節(jié)能的通風(fēng)模式，降低地鐵站能耗。

1 實驗對象和方法簡介

1.1 測試概況

1.1.1測試車站基本情況

選取上海軌道交通某地下車站為研究對象。該車站于2010年開通，采用全封閉屏蔽門系統(tǒng)，為非換乘車站。車站設(shè)計了如圖1所示的通風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)從新風(fēng)井或由新風(fēng)機引入，經(jīng)過混風(fēng)室、組合式空調(diào)機組、送風(fēng)靜壓箱送入站內(nèi)，最終送入室內(nèi)末端。排風(fēng)經(jīng)過室內(nèi)排風(fēng)口收集，經(jīng)回排室、回排風(fēng)機后送入排風(fēng)井直接排到室外。

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

目前在過渡季該車站有3種通風(fēng)模式：第1種為開啟組合式空調(diào)機組風(fēng)機和回排風(fēng)機，關(guān)閉新風(fēng)機；第2種為開啟組合式空調(diào)機組風(fēng)機，關(guān)閉新風(fēng)機和回排風(fēng)機；第3種為開啟回排風(fēng)機，關(guān)閉新風(fēng)機和組合式空調(diào)機組。在所有的通風(fēng)模式中，過渡季新風(fēng)機均不開啟，利用回排風(fēng)機及組合式空調(diào)機組風(fēng)機驅(qū)動，提供新風(fēng)。

實際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該車站通常采用第1種通風(fēng)模式，第2種與第3種通風(fēng)模式很少使用。據(jù)現(xiàn)場工作人員解釋：1) 依據(jù)他們的經(jīng)驗，多開風(fēng)機能保障站內(nèi)新風(fēng)；2) 乘客投訴站內(nèi)環(huán)境“悶”時，工作人員就會認為站內(nèi)新風(fēng)不足，于是加開風(fēng)機，增加新風(fēng)量。

1.1.2室外溫度

測試日期為2019年4月29—30日，測試期間最高氣溫為27 ℃，最低氣溫為16 ℃。

1.1.3逐時客流量

從地鐵客票系統(tǒng)調(diào)取了測試期間的逐時客流量，比較第1天和第2天客流量及其變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)：1) 第1天和第2天進出站人數(shù)峰值相似，第1天峰值為2 420人/h，第2天峰值為2 386人/h；2) 第1天和第2天客流變化趨勢相似，進出站總?cè)藬?shù)在1天之內(nèi)出現(xiàn)2個高峰，時間為08:00—09:00和17:00—18:00，其余時段人數(shù)變化平緩。第1天和第2天的逐時客流量分別如圖2、3所示。

圖2 第1天逐時客流量

圖3 第2天逐時客流量

1.2 風(fēng)速和CO2濃度測量方法

1.2.1風(fēng)速測量方法

該車站有4個人行通道，利用熱球風(fēng)速儀(量程0.05～30.00 m/s,分辨率0.01 m/s，-5%≤誤差≤5%，且-0.05 m/s≤誤差≤0.05 m/s)測量人行通道口的風(fēng)速。由于熱球風(fēng)速儀無法判斷風(fēng)向，故在熱球風(fēng)速儀測試桿上粘貼輕質(zhì)絲帶，通過絲帶的擺動方向判斷風(fēng)速流向。通過全時視頻記錄儀的記錄視頻，由人工對熱球風(fēng)速儀的風(fēng)速記錄值與風(fēng)向進行對應(yīng)。

考慮到不能長時間在出入口進行人工測試，尤其是上下班高峰期會影響車站正常運營，因此在吊頂上布置風(fēng)速儀和絲帶，并通過攝像機實時記錄絲帶飄動情況，測試示意圖和具體布置如圖4所示。

圖4 儀器布置點位

1.2.2風(fēng)速測量誤差分析

在通道口1截面上，同時利用4臺風(fēng)速儀測試4個點的風(fēng)速，并與長期測試點的風(fēng)速進行對比分析。如表1所示，3組測試工況測點的風(fēng)速都較為均勻，每組工況的平均風(fēng)速與長期測點風(fēng)速之差為-11%～4%左右?？紤]到每組工況平均風(fēng)速與長期測點風(fēng)速誤差不大，可認為長期測點風(fēng)速近似為截面平均風(fēng)速。

表1 截面風(fēng)速與長期測試點風(fēng)速對比

1.2.3新風(fēng)量計算方法

圖5 單個通道內(nèi)的有效滲入新風(fēng)量計算方法

在計算出每個通道口的逐時新風(fēng)量G之后，可以累加G1、G2、G3、G4的風(fēng)量，求得站內(nèi)總滲入新風(fēng)量Gz。

1.2.4地下車站人員需求新風(fēng)量

地下車站人員包含工作人員和乘車人員，工作人員取實際人數(shù)15人，乘車人員根據(jù)車站票務(wù)系統(tǒng)取站內(nèi)逐時人數(shù)，人均新風(fēng)量按設(shè)計規(guī)范取為12.6 m3/(人·h)[6]，乘車人員人均進站和出站時間根據(jù)列車區(qū)間行駛時間估算，進站時間為10 min，出站時間為5 min。地下車站人員需求新風(fēng)量由式(1)計算。

12.6 m3/(人·h)

(1)

式中Gx為地下車站人員需求新風(fēng)量，m3/h；Nj為每小時進站人數(shù)，人/h；Nc為每小時出站人數(shù)，人/h；Ng為工作人員數(shù)，人。

1.2.5CO2濃度測量方法

在站臺和站廳按圖6布置CO2濃度測試儀器，自動記錄站內(nèi)CO2濃度變化情況。

圖6 CO2濃度測試儀器布置示意圖

2 實驗工況

在過渡季，軌道交通地下車站存在開風(fēng)機增加新風(fēng)量供應(yīng)的現(xiàn)象。為了驗證不同風(fēng)機模式下的站內(nèi)新風(fēng)量，共設(shè)計了3種測試模式：第1種為單開排風(fēng)機模式；第2種為風(fēng)機全關(guān)模式；第3種為風(fēng)機全開模式。在該車站進行了不同通風(fēng)模式下的CO2濃度測試。

3 車站不同風(fēng)機開啟模式下由通道滲入站內(nèi)的新風(fēng)量

3.1 車站風(fēng)機開啟模式

該車站風(fēng)機開啟模式實際情況為：第1天維持單開回排風(fēng)機(08：00—19:00)；第2天08:00—10:00保持風(fēng)機全關(guān)，10:00—15:00空調(diào)風(fēng)機和回排風(fēng)機全開。

3.2 車站人員新風(fēng)需求量

根據(jù)式(1)計算人員新風(fēng)需求量，第1天需求高峰值為4 003 m3/h，第2天需求高峰值為4 108 m3/h，2天非高峰期間風(fēng)量范圍為1 500～2 000 m3/h。第1天與第2天的人員新風(fēng)需求量分別如圖7、8所示。

圖7 第1天人員新風(fēng)需求量

圖8 第2天人員新風(fēng)需求量

3.3 車站通道滲入站內(nèi)新風(fēng)量

3.3.1通道口逐時通風(fēng)量

綜合比較3種通風(fēng)模式下各個通風(fēng)口風(fēng)量可以發(fā)現(xiàn)，車站同一端相對的2個出入口存在風(fēng)向相反、風(fēng)量差異較大的現(xiàn)象，如單排模式下通道A保持進風(fēng)的狀態(tài)，風(fēng)量均值達到77 190 m3/h，而通道B保持流出的狀態(tài)，風(fēng)量均值達到-18 236 m3/h，通道C保持進風(fēng)的狀態(tài)，風(fēng)量均值達到35 087 m3/h，通道D保持流出的狀態(tài)，風(fēng)量均值達到-18 236 m3/h，即從通道A和C進入站內(nèi)的風(fēng)部分從通道B和D流出。其他通風(fēng)模式亦存在上述現(xiàn)象，3種通風(fēng)模式下4個通道的逐時通風(fēng)量如圖9～11所示。

圖9 單排風(fēng)模式4個通道逐時通風(fēng)量

圖10 風(fēng)機全關(guān)模式4個通道逐時通風(fēng)量

圖11 風(fēng)機全開模式4個通道逐時通風(fēng)量

3.3.2通道口滲入站內(nèi)有效新風(fēng)量

累加4個通道風(fēng)量，得到進入站內(nèi)的有效新風(fēng)量。如圖12所示，地鐵站第1天采用單排風(fēng)模式，即只開回排風(fēng)機，進入站內(nèi)的新風(fēng)量通常由地鐵運行造成的活塞風(fēng)和回排風(fēng)造成，進入站內(nèi)的平均新風(fēng)量為8.4萬m3/h，遠高于室內(nèi)人員需求新風(fēng)量。

圖12 單開回排風(fēng)機出入口滲入新風(fēng)量

圖13顯示了第2天08:00—09:00風(fēng)機全關(guān)模式下出入口滲入新風(fēng)量。地鐵站內(nèi)新風(fēng)量主要是由地鐵運行造成的活塞風(fēng)組成，進入站內(nèi)的平均新風(fēng)量為1.8萬m3/h，出入口滲入新風(fēng)量也高于地鐵內(nèi)人員需求新風(fēng)量。

圖13 風(fēng)機全關(guān)模式下出入口滲入新風(fēng)量

圖14顯示了第2天10:00—15:00風(fēng)機全開模式下出入口滲入新風(fēng)量。進入站內(nèi)的新風(fēng)量不僅由地鐵運行造成的活塞風(fēng)和回排風(fēng)組成，也包含空調(diào)箱風(fēng)機直接抽取的室外新風(fēng)，新風(fēng)量達到1.4萬m3/h左右，也高于人員新風(fēng)量需求。若加上空調(diào)箱風(fēng)機送入站內(nèi)的風(fēng)量(空調(diào)箱額定風(fēng)量為4萬m3/(臺·h)，共4臺)，則在活塞風(fēng)、回排風(fēng)機、空調(diào)箱風(fēng)機耦合作用下，整個站內(nèi)新風(fēng)量可達13.4萬m3/h。

圖14 風(fēng)機全開模式下出入口滲入新風(fēng)量

比較3種通風(fēng)模式下通道滲入的新風(fēng)量可知：單開回排風(fēng)機模式的新風(fēng)量最大，其次為風(fēng)機全關(guān)，最小為風(fēng)機全開；風(fēng)機全關(guān)和風(fēng)機全開2種模式新風(fēng)量相差不大。由于風(fēng)機全關(guān)時進入站內(nèi)的新風(fēng)只有由通道滲入的新風(fēng)，沒有風(fēng)機送入的新風(fēng)，故其新風(fēng)量是最小的，最多可以滿足9 200人/h(進站4 600人/h和出站4 600人/h)的客流量。

單開回排風(fēng)機模式下通道滲入新風(fēng)量最大，因為通道滲入新風(fēng)量不僅包含了由活塞風(fēng)引起的滲入新風(fēng)，也包含了由回排風(fēng)機引起的室外空氣進入站內(nèi)的新風(fēng)。風(fēng)機全關(guān)模式下通道滲入新風(fēng)量則全是由活塞風(fēng)引起的；風(fēng)機全開模式下通道滲入新風(fēng)量由活塞風(fēng)、回排風(fēng)機、空調(diào)箱風(fēng)機耦合引起。如果回排風(fēng)機排出風(fēng)量與空調(diào)箱風(fēng)機補風(fēng)量相等，那么通道滲入新風(fēng)量只由活塞風(fēng)引起；如果回排風(fēng)機排出風(fēng)量小于空調(diào)箱風(fēng)機補風(fēng)量，那么通道滲入新風(fēng)量應(yīng)該為活塞風(fēng)引起的滲入新風(fēng)減去排風(fēng)量和補風(fēng)量的差值，這也能說明為什么風(fēng)機全開模式下通道滲入新風(fēng)量小于風(fēng)機全關(guān)模式。

4 不同風(fēng)機模式下站內(nèi)CO2濃度

進行風(fēng)量測試的同時，也監(jiān)測了該車站內(nèi)的CO2濃度，結(jié)果如圖15所示。3種模式下站內(nèi)CO2體積分數(shù)低于設(shè)計規(guī)范規(guī)定值1 500×10-6。一天之內(nèi)CO2濃度出現(xiàn)2個高峰，第1個出現(xiàn)在08：00—09：00，第2個出現(xiàn)在17:00—18：00，為人員上下班的高峰期。

圖15 不同通風(fēng)模式下站內(nèi)CO2體積分數(shù)

比較單開回排風(fēng)機和風(fēng)機全開模式，第1天和第2天10：00—15:00平均進出站總?cè)藬?shù)分別為567、526人/h，CO2體積分數(shù)平均值分別為654×10-6和576×10-6。2種風(fēng)機運行模式所服務(wù)的人數(shù)相差不大，站內(nèi)CO2體積分數(shù)相差78×10-6，但都滿足站內(nèi)CO2濃度的要求，從節(jié)約能耗的角度考慮，單開回排風(fēng)機模式優(yōu)于風(fēng)機全開。

比較風(fēng)機全關(guān)和單開回排風(fēng)機模式，第1天和第2天早高峰時進出站總?cè)藬?shù)分別為2 420、2 386人/h，第1天單開回排風(fēng)機模式下CO2體積分數(shù)峰值達到821×10-6，第2天風(fēng)機全關(guān)模式下CO2體積分數(shù)峰值達到816×10-6。2種風(fēng)機運行模式所服務(wù)的人數(shù)相差不大，站內(nèi)CO2濃度控制效果也一致，從節(jié)能的角度考慮，風(fēng)機全關(guān)模式優(yōu)于單開回排風(fēng)機。

綜上所述，3種通風(fēng)模式下的站內(nèi)CO2濃度都滿足設(shè)計規(guī)范要求。從節(jié)約能耗的角度考慮，風(fēng)機全關(guān)模式是地下車站過渡季通風(fēng)的最佳選擇。

5 節(jié)能量估算

在過渡季內(nèi)，若該車站客流量小于等于測試工況及站內(nèi)溫濕度滿足規(guī)范要求時，相比于目前采用的風(fēng)機全開模式，采用風(fēng)機全關(guān)的模式，依靠活塞風(fēng)引起的通道滲入新風(fēng)保障站內(nèi)新風(fēng)供應(yīng)，每年最多可以節(jié)約風(fēng)機電量8.19萬kW·h。具體計算過程如下：過渡季為3月初至5月初和10月中旬至11月中旬，共91 d；每天06:00—23:00運行，共計18 h；回排風(fēng)機功率為15 kW/臺，實測運行功率為10 kW/臺左右，空調(diào)箱風(fēng)機功率為22 kW/臺，實測運行功率為15 kW/臺左右，每天運行2臺回排風(fēng)機和空調(diào)箱風(fēng)機；則每年過渡季可節(jié)約電量P=2臺×(10 kW/臺+15 kW/臺)×18 h/d×91 d=81 900 kW·h。

6 結(jié)論

在本文測試工況下，即客流量峰值小于等于2 420人/h時，可以得出如下結(jié)論：

1) 實測表明，在單開回排風(fēng)機、風(fēng)機全關(guān)、風(fēng)機全開3種模式下，由人行通道滲入站內(nèi)的新風(fēng)量能滿足人員新風(fēng)需求，其中單開回排風(fēng)機時通道滲入站內(nèi)新風(fēng)量最大，風(fēng)機全開和風(fēng)機全關(guān)模式滲入新風(fēng)量相當(dāng)。

2) 比較單開回排風(fēng)機、風(fēng)機全關(guān)、風(fēng)機全開3種模式下站內(nèi)CO2濃度可知，3種通風(fēng)模式下站內(nèi)CO2濃度控制效果一致，且CO2體積分數(shù)低于設(shè)計規(guī)范規(guī)定值1 500×10-6，滿足站內(nèi)CO2濃度控制要求。

3) 客流量小于等于測試工況及站內(nèi)溫濕度滿足規(guī)范要求時，建議該車站在過渡季使用風(fēng)機全關(guān)的模式，相比于目前地鐵車站使用的風(fēng)機全開模式，每年最多可節(jié)電8.19萬kW·h。