鄭永平

（成都軌道交通集團(tuán)有限公司，成都，610041）

空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算是開(kāi)展后續(xù)設(shè)計(jì)工作的前提。地鐵車(chē)站與民用建筑的空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算方法差別較大，地鐵車(chē)站的負(fù)荷計(jì)算存在開(kāi)敞式出入口、列車(chē)行車(chē)對(duì)數(shù)影響、客流變化影響、隧道熱傳遞、屏蔽門(mén)漏風(fēng)干擾等特有因素，并不能完全套用民用建筑的負(fù)荷計(jì)算方法。地鐵行業(yè)的只要求計(jì)算遠(yuǎn)期負(fù)荷，目前地鐵行業(yè)內(nèi)根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50117-2013），一般只進(jìn)行最不利工況下即遠(yuǎn)期早、晚高峰期間的地鐵車(chē)站的空調(diào)負(fù)荷計(jì)算，不進(jìn)行空調(diào)負(fù)荷的逐時(shí)計(jì)算，缺乏對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化及全年的負(fù)荷特性的了解，也很難準(zhǔn)確地進(jìn)行全年空調(diào)系統(tǒng)能耗的估算。由于地鐵車(chē)站最不利工況點(diǎn)的負(fù)荷、客流數(shù)據(jù)、新風(fēng)量、屏蔽門(mén)漏風(fēng)的附加負(fù)荷等均考慮為最不利工況的疊加，導(dǎo)致計(jì)算負(fù)荷常常比實(shí)際負(fù)荷大很多，導(dǎo)致負(fù)荷計(jì)算結(jié)果偏大，后續(xù)系統(tǒng)選型偏大，造成投資浪費(fèi)和運(yùn)營(yíng)能源浪費(fèi)。

針對(duì)以上現(xiàn)狀，本研究針對(duì)實(shí)際地鐵車(chē)站，通過(guò)充分分析客流隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化情況，安檢或限流導(dǎo)致的乘客滯留情況，車(chē)站隧道、車(chē)站公共區(qū)、車(chē)站出入口的風(fēng)量交換的動(dòng)態(tài)變化情況、設(shè)備發(fā)熱量波動(dòng)規(guī)律等因素，通過(guò)編制相關(guān)計(jì)算程序，進(jìn)行逐時(shí)負(fù)荷的精細(xì)化計(jì)算，分析動(dòng)態(tài)負(fù)荷變化特性，分析地鐵車(chē)站精細(xì)化的動(dòng)態(tài)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算方法。

1 工程概況

廣州地鐵某車(chē)站站臺(tái)呈T字形疊交，主體建筑面積為34556 m2；地下一層站廳層建筑面積為13716 m2；地下二層站臺(tái)層、設(shè)備層建筑面積為13716 m2；地下三層站臺(tái)層建筑面積為7124 m2。

根據(jù)廣州市地鐵車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)室外設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合地鐵規(guī)范中對(duì)室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)的要求，得到公共區(qū)及管理用房室內(nèi)外設(shè)計(jì)參數(shù)，如下所示。

公共區(qū)室內(nèi)外空氣計(jì)算參數(shù)

管理用房室內(nèi)外空氣計(jì)算參數(shù)

1.1 新風(fēng)量取值標(biāo)準(zhǔn)

1.1.1 站廳、站臺(tái)公共區(qū)

空調(diào)季節(jié)新風(fēng)取下面三者最大值：按20.0 m3/人.h計(jì)；按車(chē)站屏蔽門(mén)漏風(fēng)量計(jì)；按總風(fēng)量的15 %計(jì)。

非空調(diào)季節(jié)每個(gè)計(jì)算人員按不少于30 m3/人.h計(jì)。

1.1.2 設(shè)備管理用房：30 m3/人.h計(jì)；無(wú)人值班的設(shè)備用房按不少于2人計(jì)。

2 地鐵車(chē)站負(fù)荷模擬

2.1目標(biāo)地鐵站建模過(guò)程

模擬軟件采用DEST軟件，首先在CAD中根據(jù)工程設(shè)計(jì)圖紙繪制地鐵車(chē)站外墻及內(nèi)墻輪廓線，從而建立起1∶1的地鐵車(chē)站的平面模型。以地下一層為例，如下圖所示。

圖1 地鐵車(chē)站建模模型

2.2 負(fù)荷模擬結(jié)果分析

2.2.1 車(chē)站公共區(qū)動(dòng)態(tài)負(fù)荷分析

車(chē)站公共區(qū)負(fù)荷主要包括通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷、照明及各類(lèi)設(shè)備負(fù)荷、人員負(fù)荷、滲漏風(fēng)負(fù)荷以及新風(fēng)負(fù)荷等。其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷只與全封閉式屏蔽門(mén)和站臺(tái)板的自身熱工參數(shù)有關(guān)，與地鐵車(chē)站室外氣象環(huán)境條件及地鐵客流量變化均無(wú)關(guān)，照明及各類(lèi)設(shè)備負(fù)荷這部分負(fù)荷來(lái)源穩(wěn)定，也不隨客流量變化。而對(duì)于人員負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷，取決于地鐵站內(nèi)的實(shí)時(shí)人數(shù)和與他們?cè)谲?chē)站內(nèi)的滯留時(shí)間。故這部分負(fù)荷是造成車(chē)站公共區(qū)負(fù)荷變化的最關(guān)鍵因素。

選取廣州車(chē)陂南站兩個(gè)典型日實(shí)測(cè)的地鐵客流量數(shù)據(jù)，即4月9日（星期六）和4月10日（星期一）兩日逐時(shí)客流量，如下所示。

圖2 車(chē)站典型工作日逐時(shí)客流量

基于典型日的客流變化數(shù)據(jù)及其它輸入條件，可以得到為DeST空調(diào)負(fù)荷模擬地鐵車(chē)站站廳典型工作日的逐時(shí)客流量和逐時(shí)總冷負(fù)荷的變化曲線，如上圖所示。從圖中可以明顯的看出，空調(diào)的總冷負(fù)荷的變化規(guī)律與逐時(shí)客流量關(guān)系以及室外新風(fēng)焓值關(guān)系緊密?？照{(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷出現(xiàn)兩個(gè)峰值，這與客流量出現(xiàn)的兩個(gè)峰值分別對(duì)應(yīng)。其中冷負(fù)荷在8時(shí)出現(xiàn)一個(gè)峰值，為309.41 kW，晚高峰18時(shí)出現(xiàn)全天最高冷負(fù)荷，為349.10 kW。

圖3 站廳典型工作日逐時(shí)冷負(fù)荷

由此可見(jiàn)，車(chē)站公共區(qū)的空調(diào)負(fù)荷變化會(huì)呈現(xiàn)明顯的峰谷趨勢(shì)，這一負(fù)荷特性為空調(diào)運(yùn)行采用變新風(fēng)量控制方法提供了依據(jù)。同時(shí)也可以看出，雖然地鐵車(chē)站典型工作日做大客流量是早上8時(shí)，但是最大負(fù)荷卻在晚高峰出現(xiàn)。這是由于廣州地區(qū)午后室外空氣焓值比早上高，從而使得晚高峰時(shí)新風(fēng)負(fù)荷較大，從而使得晚高峰總冷負(fù)荷反而超過(guò)了客流量最大的早高峰。

圖中為車(chē)站一典型休息日冷負(fù)荷變化情況?？梢钥闯?，休息日無(wú)明顯的峰谷趨勢(shì)，這與其客流變化與典型工作日相比較為平穩(wěn)的規(guī)律相符合，其最大冷負(fù)荷出現(xiàn)在下午18時(shí)，此時(shí)也是休息日對(duì)應(yīng)的最大客流時(shí)刻。此外，工作日和休息日的負(fù)荷差異明顯，上述典型工作日的最大冷負(fù)荷為349.10 kW，而休息日的最大冷負(fù)荷為211.38 kW，且?guī)缀跞熵?fù)荷均在100-200 kW間。這主要是由于休息日客流量相對(duì)較少，且客流變化與典型工作日相比存在差異所致。

圖4 車(chē)站休息日逐時(shí)客流量曲線圖

圖5 車(chē)站休息日逐時(shí)冷負(fù)荷曲線圖

上圖為公共區(qū)全年的逐時(shí)冷負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化示意圖，公共區(qū)全年最大冷負(fù)荷出現(xiàn)在5月31日，為1131 kW，相較于設(shè)計(jì)負(fù)荷1213 kW小了6.7 %。在10月19日后冷負(fù)荷開(kāi)始有明顯下降，標(biāo)志著廣州進(jìn)入秋冬季節(jié)，室外空氣焓值降低，低冷負(fù)荷狀態(tài)持續(xù)20天左右，在11月9日負(fù)荷再次上升至800 kW左右。

圖6 公共區(qū)逐時(shí)冷負(fù)荷簇狀圖

2.2.2 車(chē)站設(shè)備管理用房動(dòng)態(tài)負(fù)荷分析

管理用房負(fù)荷主要包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷、照明及設(shè)備負(fù)荷、人員負(fù)荷以及新風(fēng)負(fù)荷，但管理用房冷負(fù)荷各項(xiàng)負(fù)荷的特點(diǎn)與公共區(qū)又有顯著不同，管理用房主要負(fù)荷來(lái)源是設(shè)備負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷。由于設(shè)備用房人數(shù)很少，大多數(shù)均按2人計(jì)，故人員負(fù)荷占比很少，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷由于設(shè)備用房較為集中，且大部分房間的室內(nèi)的溫濕度控制要求相同，故占比也很小。對(duì)于新風(fēng)負(fù)荷，由于設(shè)備用房人員數(shù)量少而設(shè)備發(fā)熱量大的特點(diǎn)，大部分房間均是采取新風(fēng)占比10 %的方法來(lái)定新風(fēng)量。

整體管理用房總負(fù)荷為944 kW，原有設(shè)計(jì)負(fù)荷總量為1002.3 kW，DeST模擬出來(lái)管理用房總負(fù)荷結(jié)果相比較小。這是由于DeST模擬的是逐時(shí)負(fù)荷，考慮到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱的影響與氣象條件的變化，負(fù)荷計(jì)算結(jié)果必會(huì)比設(shè)計(jì)負(fù)荷小。

圖7 管理用房逐時(shí)冷負(fù)荷簇狀圖

上圖為管理用房全年的逐時(shí)冷負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化示意圖，公共區(qū)全年最大冷負(fù)荷出現(xiàn)在7月6日，為981.91 kW。與公共區(qū)的逐時(shí)負(fù)荷變化情況不同，管理用房的負(fù)荷變化趨勢(shì)更為平穩(wěn)，這一方面是由于管理用房的負(fù)荷來(lái)源主要來(lái)自于設(shè)備發(fā)熱，而公共區(qū)由于人員數(shù)目變化而導(dǎo)致負(fù)荷變化明顯，另一方面也是由于管理用房的新風(fēng)負(fù)荷占比相對(duì)較小，受室外氣象條件影響也自然就相對(duì)于公共區(qū)更小一些。另外從圖中可以看出高冷負(fù)荷階段出現(xiàn)在5月25日至10月15日之間，這與其室外空氣焓值在這一時(shí)間段較高有關(guān)。

最后對(duì)車(chē)站全年負(fù)荷變化情況進(jìn)行分析，下圖為DeST模擬的車(chē)站全年的逐時(shí)總冷負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化示意圖。

圖8 車(chē)站逐時(shí)總冷負(fù)荷變化曲線圖

從圖中可以看出，其變化趨勢(shì)與公共區(qū)負(fù)荷變化情況較為吻合。車(chē)站全年最大冷負(fù)荷出現(xiàn)在5月31日，為2060.50 kW，這也與公共區(qū)峰值負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)間相同。根據(jù)原有設(shè)計(jì)說(shuō)明，車(chē)站總設(shè)計(jì)負(fù)荷為2220.37 kW，DeST模擬結(jié)果比設(shè)計(jì)負(fù)荷小了7 %，考慮一定的安全系數(shù)，這一數(shù)值還是相對(duì)合理的。5月20日至10月15日為全年高負(fù)荷較為集中的時(shí)間段。全年負(fù)荷率為20-40 %的小時(shí)數(shù)最多，這對(duì)后面的機(jī)組選型方面也有一定的指導(dǎo)意義。

3 地鐵車(chē)站負(fù)荷模擬

由模擬結(jié)果可知，車(chē)站公共區(qū)的動(dòng)態(tài)負(fù)荷變化是與地鐵車(chē)站客流變化緊密相關(guān)的，這是地鐵車(chē)站建筑空調(diào)負(fù)荷的最大特點(diǎn)。在計(jì)算車(chē)站公共區(qū)新風(fēng)負(fù)荷上，通常會(huì)按照預(yù)測(cè)遠(yuǎn)期運(yùn)營(yíng)階段最大客流量計(jì)算和公共區(qū)總送風(fēng)量的15 %計(jì)算，但該方法未考慮到客流量逐時(shí)變化特性，造成了能耗的浪費(fèi)。在節(jié)能運(yùn)行策略研究上，可考慮根據(jù)公共區(qū)這一典型動(dòng)態(tài)負(fù)荷變化特性進(jìn)行分析。

在管理用房負(fù)荷模擬的結(jié)果分析上看，管理用房的負(fù)荷日變化并不大且沒(méi)有明顯的峰谷特征。此外在與設(shè)計(jì)負(fù)荷的對(duì)比中，可以發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果負(fù)荷偏小，主要原因是由于各設(shè)備用房的設(shè)備發(fā)熱量提資大于實(shí)際發(fā)熱量，模擬根據(jù)設(shè)備用房設(shè)備發(fā)熱量實(shí)測(cè)結(jié)果考慮發(fā)熱量動(dòng)態(tài)變化。

對(duì)于站臺(tái)層房間，考慮地鐵列車(chē)活塞風(fēng)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳濕的影響，增大了房間的潛熱負(fù)荷，宜根據(jù)隧道空氣溫、濕度對(duì)房間的全熱負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償。

本研究針對(duì)實(shí)際地鐵車(chē)站，考慮客流特性、車(chē)站隧道熱傳遞、屏蔽門(mén)漏風(fēng)、車(chē)站出入口引風(fēng)新風(fēng)、設(shè)備發(fā)熱量波動(dòng)規(guī)律等因素，得到了車(chē)站公共區(qū)及設(shè)備管理用房的動(dòng)態(tài)負(fù)荷分析結(jié)果，得到了動(dòng)態(tài)負(fù)荷分布規(guī)律，可以作為后續(xù)設(shè)備選型及能耗分析的依據(jù)。