王春旺，李曉鋒

（清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京 100084）

1 研究背景

國內(nèi)目前對(duì)軌排系統(tǒng)的研究集中在軌排風(fēng)口的分布優(yōu)化、風(fēng)機(jī)節(jié)能潛力的分析、風(fēng)機(jī)運(yùn)行的控制策略、風(fēng)機(jī)的實(shí)際排熱效果等。王麗慧等[2]對(duì)上海地鐵8 個(gè)典型站的軌排系統(tǒng)風(fēng)量進(jìn)行了測(cè)試，得出軌排系統(tǒng)實(shí)際風(fēng)量與設(shè)計(jì)風(fēng)量的差異，并理論計(jì)算了排熱風(fēng)機(jī)能耗潛力。羅輝等[3]通過建立車站隧道排熱計(jì)算模型，提出了軌排系統(tǒng)節(jié)能的運(yùn)行方式，并實(shí)測(cè)了運(yùn)行效果。李娟等[4]對(duì)蘇州地鐵2號(hào)線車站隧道溫度進(jìn)行了測(cè)試，認(rèn)為軌排風(fēng)機(jī)不具備設(shè)置的必要性。蔣志祥等[5]在冬季工況下對(duì)上海地鐵7 號(hào)線某站排熱系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果提出了相關(guān)控制策略。郭永楨等[6]通過對(duì)西安某地鐵站軌道排熱系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提出了適合于西安地區(qū)軌道排熱系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行策略。唐凱[7]采用實(shí)測(cè)結(jié)果加數(shù)值模擬的方法，對(duì)軌排系統(tǒng)取消軌底排風(fēng)的可行性進(jìn)行了研究，分析了列車再生制動(dòng)效率及列車時(shí)速對(duì)結(jié)果的影響。其余學(xué)者[8-11]多采用數(shù)值模擬的方法，研究軌排系統(tǒng)對(duì)地鐵隧道熱環(huán)境的影響。

以上研究雖不乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，但研究對(duì)象均為運(yùn)營初、近期的地鐵路線，且所在氣候區(qū)多為夏熱冬冷地區(qū)，結(jié)論缺乏一定的說服力，而采用數(shù)值模擬研究的方法又缺少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的支撐。另外，列車?？空緯r(shí)冷凝器周圍會(huì)聚集大量的高溫空氣，軌排風(fēng)機(jī)運(yùn)行對(duì)冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度會(huì)產(chǎn)生何種影響也未見相關(guān)研究的報(bào)道。因此，針對(duì)以上研究狀況，筆者對(duì)華南地區(qū)某運(yùn)行條件已達(dá)遠(yuǎn)期要求的地鐵線路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，內(nèi)容包括車站隧道空氣溫度、區(qū)間隧道空氣溫度，同時(shí)對(duì)該線路運(yùn)行列車的空調(diào)冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)行了測(cè)試。通過分析開、關(guān)軌排工況下，車站隧道、區(qū)間隧道及列車空調(diào)冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度的變化規(guī)律，得出了軌排系統(tǒng)的排熱效果，說明軌排系統(tǒng)的必要性，也為軌排系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

2 測(cè)試內(nèi)容及方法

針對(duì)研究需求，測(cè)試對(duì)象需選擇中國最熱地區(qū)達(dá)到遠(yuǎn)期工況的地鐵線路，所以選擇了華南地區(qū)某城市的地鐵線路，測(cè)試時(shí)間為2017 年7 月，為當(dāng)?shù)刈顭嵩?。該線路于2009 年開通運(yùn)行，至測(cè)試開展時(shí)已運(yùn)行9 年，圖1 為該線路各車站遠(yuǎn)期預(yù)測(cè)日客流量與測(cè)試期間實(shí)際日客流量的對(duì)比。從客流量的對(duì)比可以看出，該線路的實(shí)際運(yùn)行工況已接近遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)的運(yùn)行工況。線路運(yùn)行列車為6 節(jié)編組，列車制動(dòng)采取再生制動(dòng)方式。

圖1 線路各車站實(shí)際客流量與預(yù)測(cè)客流量對(duì)比 Figure 1 Actual passenger flow and forecast passenger flow comparison

2.1 車站隧道溫度測(cè)點(diǎn)布置

車站隧道溫度測(cè)試包括車站隧道空氣溫度測(cè)試及軌頂和軌底排風(fēng)口溫度測(cè)試兩部分內(nèi)容。在中間車廂?？课恢醚馗叨确较颍O(shè)上、中、下3 種高度測(cè)點(diǎn)，T 代表上部測(cè)點(diǎn)，M 代表中部測(cè)點(diǎn)，B 代表下部測(cè)點(diǎn)，分別距離軌底地面3.5、1.5、0.5m。軌頂排風(fēng)口布置了1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，位于站臺(tái)排熱風(fēng)室的軌頂干管排風(fēng)口處，軌底排風(fēng)口沿站臺(tái)長度方向布置了3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示，測(cè)試儀器如表1 所示。

2.2 區(qū)間隧道空氣溫度測(cè)試

參考文獻(xiàn)[12]的測(cè)試方法，區(qū)間隧道空氣溫度測(cè)點(diǎn)布置在區(qū)間隧道的中間位置，測(cè)試儀器的安裝高度距軌行面約1.5 m，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置及示意如圖3所示。

2.3 列車空調(diào)冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度測(cè)試

車站軌排系統(tǒng)的設(shè)置是為了保證區(qū)間隧道溫度滿足規(guī)范要求，保證列車空調(diào)能夠正常運(yùn)行，因此列車空調(diào)冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度測(cè)試更能直觀地反映出區(qū)間熱環(huán)境對(duì)列車空調(diào)的影響。

圖2 軌行區(qū)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置 Figure 2 Measuring points in subway station tunnel

表1 測(cè)試儀器的主要參數(shù) Table 1 The main parameters of the test instrument

圖3 區(qū)間隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置 Figure 3 Measuring points in tunnel

在6 節(jié)車廂對(duì)應(yīng)的車頂冷凝器外罩上，各布置1個(gè)移動(dòng)電源及傳感器，如圖4 所示。傳感器的安裝位置與冷凝器翅片有一定的安全距離，可保證采集數(shù)據(jù)的有效性，能真實(shí)反映冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度。

以已知K、Ca和Mg含量的樣品為本底，在樣品中準(zhǔn)確加入一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行回收率試驗(yàn)。然后根據(jù)樣品原含量、加標(biāo)量和加標(biāo)后樣品含量計(jì)算回收率。結(jié)果表明，K、Ca和Mg的加標(biāo)回收率分別為97.84%、95.43%、89.80%，能夠滿足分析要求。

圖4 冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度測(cè)點(diǎn)布置 Figure 4 Condenser inlet air temperature measuring points

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 車站隧道溫度測(cè)試結(jié)果

圖5 為車站隧道連續(xù)一周的空氣溫度，該線路當(dāng)時(shí)軌排風(fēng)機(jī)處于常開模式，出于測(cè)試需要，在7～9 日3 天全線關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)?？梢钥闯?，空氣溫度波動(dòng)頻繁，說明受行車影響較大，圖中的尖峰值對(duì)應(yīng)列車?？空緯r(shí)刻，表明此時(shí)溫度上升明顯，列車空調(diào)冷凝器向隧道內(nèi)排出了大量的冷凝熱；空氣溫度在1 個(gè)工作日中有2 次峰值溫度，分別對(duì)應(yīng)地鐵運(yùn)營的早、晚高峰；沿高度方向，底部與中部溫度基本一致，平均溫度均為35.4℃，上部空氣平均溫度高出1℃，為36.4℃，這是由于列車?？空緯r(shí)，上部測(cè)點(diǎn)的位置離列車頂部冷凝器的位置更近，所以溫度較高。綜合來看，上、中、下空氣測(cè)點(diǎn)平均溫度35.4℃，與中部空氣溫度測(cè)點(diǎn)基本一致。

圖5 車站隧道實(shí)時(shí)溫度 Figure 5 Subway station tunnel real-time temperature

圖6 是一個(gè)典型工作日車站隧道溫度的變化規(guī)律?？梢钥闯?，車站隧道的空氣溫度在早9:00 和晚19:00左右出現(xiàn)兩次峰值溫度，對(duì)應(yīng)地鐵運(yùn)營的早晚高峰期，早上6:00 地鐵開始運(yùn)營，隧道溫度逐漸升高，至早高峰時(shí)到達(dá)第一個(gè)峰值溫度；早高峰過后，發(fā)車對(duì)數(shù)減少，溫度呈下降趨勢(shì)，此后雖然室外溫度繼續(xù)上升，溫度升高了近3℃(9:00—13:00)，但由于該時(shí)間段內(nèi)列車發(fā)車對(duì)數(shù)未變，所以隧道溫度基本保持穩(wěn)定，直至晚高峰到達(dá)第二個(gè)峰值溫度。晚高峰后，隨著發(fā)車對(duì)數(shù)的減少，溫度逐漸降低，地鐵停運(yùn)后，溫度逐漸降至最低。由典型日的隧道空氣溫度變化規(guī)律可知，隧道溫度受室外溫度的波動(dòng)影響較小，受行車對(duì)數(shù)的影響較大。

圖6 典型日隧道空氣實(shí)時(shí)溫度 Figure 6 Typical daily tunnel air real-time temperature

從圖5 可以看出，軌排風(fēng)機(jī)關(guān)閉后，溫度曲線有上升趨勢(shì)。為了更詳細(xì)地分析軌排風(fēng)機(jī)關(guān)閉前后空氣溫度的變化趨勢(shì)，開、關(guān)軌排風(fēng)機(jī)各選擇一天進(jìn)行對(duì)比，測(cè)點(diǎn)選擇上部最不利溫度測(cè)點(diǎn)。根據(jù)線路列車運(yùn)行計(jì)劃表，兩天的行車計(jì)劃一致。開軌排風(fēng)機(jī)時(shí)，室外平均溫度30.7℃，最高溫度35℃；關(guān)軌排風(fēng)機(jī)時(shí)，室外平均溫度30.1℃，最高溫度34.5℃；兩天的室外溫度基本接近，如圖7 所示。可以看出，軌排風(fēng)機(jī)關(guān)閉后，無論是站臺(tái)隧道內(nèi)有車(圖中的尖峰數(shù)據(jù))還是無車，空氣溫度均有上升。這說明，軌排風(fēng)機(jī)的開啟 對(duì)列車?？空緯r(shí)冷凝熱的排出是有利的。開軌排風(fēng)機(jī)時(shí)全天平均溫度36.5℃，日最高小時(shí)溫度37.2℃，關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)后全天平均溫度37.2℃，日最高小時(shí)溫度37.9℃，分別升高了0.7℃。

圖7 開、關(guān)軌排車站隧道上部測(cè)點(diǎn)溫度對(duì)比 Figure 7 Temperature comparison of measuring points in the upper part of tunnel

進(jìn)一步，將開、關(guān)軌排風(fēng)機(jī)時(shí)晚高峰(18:00—19:00)的測(cè)點(diǎn)溫度進(jìn)行對(duì)比(見圖8)，開軌排風(fēng)機(jī)時(shí)晚高峰室外溫度34.2℃，關(guān)軌排風(fēng)機(jī)時(shí)室外溫度32.1℃。與開啟軌排風(fēng)機(jī)相比，關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)后，測(cè)點(diǎn)溫度明顯升高。圖9 為該時(shí)段站臺(tái)停車及無車時(shí)測(cè)點(diǎn)的平均溫度統(tǒng)計(jì)。站臺(tái)停車時(shí)，開啟軌排風(fēng)機(jī)測(cè)點(diǎn)平均溫度37.6℃，關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)后溫度升高至38.6℃，升高了1.0℃；站臺(tái)無車時(shí)，開啟軌排風(fēng)機(jī)測(cè)點(diǎn)平均溫度36.6℃，關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)后為37.3℃，升高了0.7℃。

圖8 晚高峰開、關(guān)軌排風(fēng)機(jī)，車站隧道測(cè)點(diǎn)溫度對(duì)比 Figure 8 Comparison of temperature of tunnel measuring points in evening peak hours

圖9 晚高峰開、關(guān)軌排車站風(fēng)機(jī)，隧道測(cè)點(diǎn)平均溫度對(duì)比 Figure 9 Comparison of average temperature of tunnel measuring points in evening peak hours

3.2 軌排風(fēng)口溫度測(cè)試結(jié)果

軌排風(fēng)口的溫度更能直接體現(xiàn)排熱系統(tǒng)的排熱效果，圖10 為軌頂、軌底排風(fēng)口溫度與隧道空氣測(cè)點(diǎn)溫度及室外空氣溫度的對(duì)比。可以看出，軌頂排風(fēng)溫度明顯高于軌底排風(fēng)溫度，軌頂排風(fēng)溫度要高于隧道上部測(cè)點(diǎn)溫度，軌底排風(fēng)溫度在早、晚高峰期間高于中部空氣測(cè)點(diǎn)溫度，其余時(shí)間與中部空氣測(cè)點(diǎn)溫度重合甚至低于后者，說明列車?？空竞螽a(chǎn)熱的主要來源是冷凝器散熱。

圖10 軌排風(fēng)溫度與隧道空氣溫度對(duì)比 Figure 10 Temperature comparison of exhaust outlet and subway station tunnel

從溫度的時(shí)間變化規(guī)律來看，早、晚高峰期間軌頂排風(fēng)溫度明顯高于其他時(shí)間的相關(guān)溫度，從10:00—17:00 排風(fēng)溫度基本保持不變，這是由于該時(shí)間段內(nèi)列車發(fā)車對(duì)數(shù)均勻，均為每小時(shí)12 對(duì)發(fā)車，因此隧道內(nèi)產(chǎn)熱均勻，該時(shí)段內(nèi)排風(fēng)溫度比較穩(wěn)定。

圖11 為早高峰8:00—9:00、下午14:00—15:00、晚高峰18:00—19:00 軌頂排風(fēng)溫度與室外溫度對(duì)比。早晚高峰期間，軌頂排風(fēng)溫度明顯高于室外溫度，下午室外溫度最高時(shí)，列車停車時(shí)排風(fēng)溫度高出室外溫度1.3℃，車站無車時(shí)排風(fēng)溫度低于室外溫度約1℃；下午該線路行車對(duì)數(shù)為12 對(duì)/h，即前一趟車離站后，下一趟車需要5 min 才能到站。由圖10 可以看出， 這段時(shí)間內(nèi)軌底排風(fēng)溫度要低于隧道空氣溫度，這是因?yàn)樵摃r(shí)間段隧道內(nèi)產(chǎn)熱量較少，同時(shí)軌排風(fēng)機(jī)的抽吸作用導(dǎo)致站臺(tái)冷空氣滲入隧道，軌底風(fēng)口的排熱作用并無體現(xiàn)，甚至可理解為在“排冷”，軌排風(fēng)口的整體排熱效果并不理想。

圖11 不同時(shí)段軌頂排風(fēng)溫度 Figure 11 OTE (over track exhaust) air temperature in different periods

3.3 區(qū)間隧道溫度測(cè)試結(jié)果

圖12 為區(qū)間隧道空氣測(cè)試結(jié)果，可以看出區(qū)間隧道空氣的變化規(guī)律與車站隧道空氣溫度基本一致，區(qū)間隧道空氣溫度要低于車站隧道空氣溫度；測(cè)試期間區(qū)間空氣溫度日平均值34.6℃，車站隧道空氣溫度日平均值35.4℃。從圖12 中還可以看出，關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)后，區(qū)間空氣溫度也呈上升趨勢(shì)：日平均溫度由34.4℃升高至35.2℃，升高0.8℃；日最高小時(shí)溫度由35.1℃升高至36.0℃，升高0.9℃(見圖13)。

圖12 區(qū)間隧道實(shí)時(shí)溫度 Figure 12 Interval tunnel real-time temperature

圖13 開、關(guān)軌排區(qū)間隧道測(cè)點(diǎn)溫度對(duì)比 Figure 13 Temperature comparison of measuring points in interval tunnel

3.4 列車?yán)淠鬟M(jìn)風(fēng)溫度測(cè)試結(jié)果

設(shè)置軌道排熱風(fēng)機(jī)的目的是保證在遠(yuǎn)期工況下列車空調(diào)能正常運(yùn)行，通過對(duì)冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度的測(cè)試，能夠真實(shí)地反映開、關(guān)軌排風(fēng)機(jī)工況下列車在區(qū)間隧道和停靠站后冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度的變化規(guī)律。

圖14 是晚高峰期間列車沿下行首站至尾站空調(diào)冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度變化曲線，進(jìn)風(fēng)溫度基本在36℃～45℃之間；根據(jù)行車計(jì)劃統(tǒng)計(jì)出列車在區(qū)間內(nèi)及?？空緯r(shí)的進(jìn)風(fēng)溫度(見圖15)，區(qū)間隧道內(nèi)冷凝器的平均進(jìn)風(fēng)溫度36.5℃，停靠站后的平均溫度40.3℃。

圖14 開啟軌排風(fēng)機(jī)晚高峰冷凝器進(jìn)風(fēng)實(shí)時(shí)溫度 Figure 14 Real-time air inlet temperature of condenser in the evening

圖15 開啟軌排風(fēng)機(jī)晚高峰冷凝器進(jìn)風(fēng)平均溫度 Figure 15 Average inlet air temperature of condenser in the evening peak

圖16、17 為關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)后冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度的變化?？梢钥闯觯淠鬟M(jìn)風(fēng)溫度上限值頻繁超過45℃，列車?？空竞筮M(jìn)風(fēng)平均溫度42.7℃，升高2.4℃，且隨著列車位置的變化呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，尤其在靠近線路中間位置的車站冷凝器，進(jìn)風(fēng)溫度升高明顯，甚至超過50℃。不難推測(cè)，這與車站在晚高峰期間的客流量相關(guān)，該線路中部位置處于市中心地段，晚高峰期間列車載客量猛增，勢(shì)必導(dǎo)致列車?yán)淠魃崃看蠓仍黾樱顾淼罒岘h(huán)境進(jìn)一步惡化，更不利于冷凝器散熱。值得說明的是，在測(cè)試結(jié)束當(dāng)天，地鐵運(yùn)維部門反饋，該趟列車在運(yùn)行晚高峰期間，列車空調(diào)冷凝器多次觸發(fā)高溫保護(hù)，導(dǎo)致空調(diào)無法正常運(yùn)行。

圖16 關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)晚高峰冷凝器實(shí)時(shí)進(jìn)風(fēng)溫度 Figure 16 Real-time air inlet temperature of condenser in the evening peak after closing the fan

圖17 關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)晚高峰冷凝器進(jìn)風(fēng)平均溫度 Figure 17 Average inlet air temperature of condenser in the evening peak after closing the fan

冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度測(cè)試數(shù)據(jù)表明：當(dāng)列車在區(qū)間隧道內(nèi)走行時(shí)，關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)對(duì)空調(diào)影響不大；但當(dāng)列車?？空緯r(shí)，關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)對(duì)冷凝器散熱影響較大。由于列車停站后與空氣對(duì)流效果變差，冷凝器排放的高溫空氣聚集在站臺(tái)隧道內(nèi)不能被有效排出，冷凝器周圍的空氣溫度快速升高，瞬時(shí)進(jìn)風(fēng)溫度超過45℃，有的站甚至超過50℃，超過冷凝器正常工作溫度的上限(45℃)[1]，致使列車空調(diào)無法工作。

4 結(jié)論與探討

對(duì)華南地區(qū)某一運(yùn)營遠(yuǎn)期線路的軌排系統(tǒng)的排熱效果進(jìn)行測(cè)試，主要結(jié)論如下：

1) 測(cè)試期間(7 月)，車站隧道中部測(cè)點(diǎn)的平均溫度為35.4℃，日最高小時(shí)溫度36.3℃，下部測(cè)點(diǎn)溫度與中部相當(dāng)，上部測(cè)點(diǎn)溫度比中部溫度高約1℃。

2) 區(qū)間隧道測(cè)點(diǎn)溫度比車站隧道溫度低約0.8℃，日最高小時(shí)溫度低約1℃。

3) 軌頂排風(fēng)溫度明顯高于站臺(tái)隧道空氣溫度，軌底排風(fēng)溫度在早晚高峰期間高于隧道空氣溫度，其余時(shí)刻與隧道空氣溫度相當(dāng)，甚至低于后者，軌頂風(fēng)口總體排熱效果優(yōu)于軌底風(fēng)口。

4) 關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)后，車站隧道最不利測(cè)點(diǎn)的平均溫度升高0.7℃，日最高小時(shí)溫度升高0.7℃；區(qū)間隧道測(cè)點(diǎn)的平均溫度升高0.8℃，日最高小時(shí)溫度升高0.9℃。車站隧道及區(qū)間隧道空氣溫度有明顯升高趨勢(shì)，說明開啟軌排風(fēng)機(jī)能有效抑制隧道溫升。

5) 關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)后，晚高峰列車?？空纠淠鞯倪M(jìn)風(fēng)平均溫度由40.3℃升高至42.7℃，升高了2.4℃，部分車站列車停站后冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度超過50℃，影響列車空調(diào)的正常運(yùn)行，軌排風(fēng)機(jī)能夠有效抑制列車?？空酒陂g冷凝器進(jìn)風(fēng)溫升。

以上結(jié)果表明，在華南地區(qū)，對(duì)于運(yùn)營遠(yuǎn)期地鐵線路，關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)后，區(qū)間隧道溫度、車站隧道溫度雖然仍滿足規(guī)范要求(不超過40℃)，但晚高峰列車?？空酒陂g冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度已頻繁超過45℃，導(dǎo)致空調(diào)無法正常運(yùn)行，因此在晚高峰期間應(yīng)開啟軌排風(fēng)機(jī)進(jìn)行排熱。當(dāng)前高峰期行車對(duì)數(shù)為24 對(duì)/h，如果達(dá)到遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)工況30對(duì)/h，隧道熱環(huán)境勢(shì)必會(huì)更加惡劣，冷凝器超溫情況會(huì)更加嚴(yán)重，軌排風(fēng)機(jī)的排熱作用愈發(fā)重要，這說明在該地區(qū)設(shè)置軌排風(fēng)機(jī)的必要性。同時(shí)，測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)軌底風(fēng)口的排熱效果并不理想，這也為后續(xù)優(yōu)化軌排系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。