楊 鋆 靳 睿 孟 杰 張 歡△

(1.天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司,天津;2.天津大學(xué),天津)

0 引言

隨著城市化的蓬勃發(fā)展,城市軌道交通建設(shè)愈發(fā)重要。地鐵作為城市居民日常出行的主要交通方式之一[1],大大影響著城市未來(lái)發(fā)展的態(tài)勢(shì)與走向。近年來(lái),隨著碳中和、碳達(dá)峰等目標(biāo)的提出,地鐵站的節(jié)能問(wèn)題備受關(guān)注[2]。其中,地鐵站隧道排熱系統(tǒng)是否有節(jié)能的潛力及如何科學(xué)地使用成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[3]。要想解決這一問(wèn)題,通過(guò)實(shí)地考察、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究必不可少。

隧道內(nèi)的熱量主要產(chǎn)生于列車與鐵軌的摩擦和空調(diào)冷凝器散熱[4]。現(xiàn)階段,有人認(rèn)為排熱系統(tǒng)不必設(shè)置,因?yàn)槠鋵?duì)車站隧道降溫效果有限,其對(duì)電能的消耗遠(yuǎn)大于排熱系統(tǒng)帶來(lái)的收益。此外排熱系統(tǒng)的設(shè)置還對(duì)車站房間布置有較大影響,應(yīng)該取消[5]。但也有人認(rèn)為,結(jié)合地鐵隧道內(nèi)溫度過(guò)高的危害,僅靠列車運(yùn)行產(chǎn)生的活塞風(fēng)不足以維持隧道內(nèi)熱環(huán)境,而開啟排熱系統(tǒng)能使隧道內(nèi)溫度短時(shí)間內(nèi)下降,進(jìn)而保證隧道內(nèi)溫度不超標(biāo),是地鐵運(yùn)營(yíng)不可或缺的環(huán)節(jié)[6]。再加上隧道與公共區(qū)的站臺(tái)相連接,如果隧道內(nèi)的余熱累積,還會(huì)對(duì)公共區(qū)的熱環(huán)境產(chǎn)生影響[4],使得公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)能耗無(wú)謂增大,不利于節(jié)能。

結(jié)合GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求,即列車車廂設(shè)置空調(diào)、車站設(shè)置全封閉站臺(tái)時(shí),隧道內(nèi)空氣溫度不得高于40 ℃[7],區(qū)間隧道內(nèi)的二氧化碳日平均體積分?jǐn)?shù)應(yīng)小于1.5‰[7-8],以及工程施工難度、工程投資、風(fēng)道占用空間、管線布置難度等問(wèn)題,本文針對(duì)天津某地鐵站排熱系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)測(cè)研究。通過(guò)對(duì)比分析排熱系統(tǒng)不同運(yùn)行工況下,隧道內(nèi)空氣溫度和二氧化碳濃度、公共區(qū)空氣溫度和空調(diào)系統(tǒng)制冷量及排熱風(fēng)機(jī)排熱量,進(jìn)一步研究排熱系統(tǒng)對(duì)于控制隧道內(nèi)溫度、二氧化碳濃度的作用,以及排熱系統(tǒng)對(duì)于公共區(qū)熱環(huán)境的影響。

1 車站的選擇及基本概況

選擇天津某運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)且安裝排熱系統(tǒng)及屏蔽門的地鐵站,結(jié)合室外氣象條件,在天津夏季最熱的時(shí)間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),充分接近室外氣溫最高的最不利工況。

該地鐵車站未設(shè)置再生能吸收裝置,運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10 a。圖1、2分別為該地鐵車站排熱系統(tǒng)和排熱風(fēng)道示意圖。在站臺(tái)兩端分別設(shè)1個(gè)混合風(fēng)室和1臺(tái)排熱風(fēng)機(jī),軌頂、軌底的風(fēng)道連接至混合風(fēng)室,在排熱風(fēng)機(jī)的作用下,將隧道內(nèi)的熱量排至室外,進(jìn)而達(dá)到排熱的目的[9]。故排熱系統(tǒng)有2個(gè)出口,需要對(duì)其出口風(fēng)溫分別進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖1 排熱系統(tǒng)示意圖

圖2 排熱風(fēng)道示意圖

2 實(shí)驗(yàn)儀器與測(cè)點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)儀器如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器

2.1 區(qū)間隧道與軌行區(qū)

為了研究隧道內(nèi)的空氣溫度是否超標(biāo),在區(qū)間隧道和軌行區(qū)分別布置了溫度測(cè)點(diǎn)。區(qū)間隧道部分:在相鄰兩站間的區(qū)間隧道中點(diǎn)處,分別在靠近地面鐵軌和靠近列車車頂?shù)奈恢酶鞑贾?個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。由于GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定區(qū)間隧道內(nèi)的二氧化碳日平均體積分?jǐn)?shù)應(yīng)小于1.5‰(即1 500×10-6),故除溫度測(cè)點(diǎn)外,還在區(qū)間隧道最不利處(即相鄰兩站間的區(qū)間隧道中點(diǎn)處)布置二氧化碳測(cè)試儀進(jìn)行全天監(jiān)測(cè)記錄。

軌行區(qū)部分:在軌底風(fēng)口及靠近隧道中間高度的廣告燈箱處各布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)。不同高度的測(cè)點(diǎn)分別反映不同位置的溫度情況,確保在列車啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)與鐵軌摩擦產(chǎn)熱、列車空調(diào)冷凝器散熱及廣告燈箱散熱等空氣溫度有可能超標(biāo)的區(qū)域均進(jìn)行溫度測(cè)量。

2.2 排熱風(fēng)機(jī)

除了對(duì)隧道內(nèi)空氣溫度的直接監(jiān)測(cè),排熱風(fēng)機(jī)的排熱量也是本實(shí)驗(yàn)研究所關(guān)心的。在排熱系統(tǒng)的進(jìn)出口處布置溫度測(cè)點(diǎn),進(jìn)而得出進(jìn)出隧道的空氣溫差;再在排熱風(fēng)機(jī)前后布置風(fēng)速測(cè)點(diǎn),通過(guò)風(fēng)量計(jì)算排熱量。其中,風(fēng)速測(cè)點(diǎn)按照九宮格求平均的方法布置。

2.3 公共區(qū)

不同排熱工況下,站廳站臺(tái)的溫濕度及公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)制冷量同樣是衡量公共區(qū)空氣是否受到排熱系統(tǒng)影響的一個(gè)重要指標(biāo)。通過(guò)在站廳站臺(tái)的立柱上布置溫度測(cè)點(diǎn)及在環(huán)控機(jī)房的組合式空調(diào)箱內(nèi)布置溫度、風(fēng)速測(cè)點(diǎn),得到公共區(qū)的氣溫和制冷量變化情況。公共區(qū)溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 公共區(qū)溫度測(cè)點(diǎn)布置

2.4 室外

室外氣象參數(shù)對(duì)本實(shí)驗(yàn)研究也有一定程度的影響,故對(duì)室外氣溫也進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與記錄。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)研究工況

為了分別研究排熱系統(tǒng)中軌頂、軌底系統(tǒng)的作用,本實(shí)驗(yàn)研究設(shè)4種測(cè)試工況:軌頂與軌底排熱系統(tǒng)均開啟、軌頂與軌底排熱系統(tǒng)均關(guān)閉、只開啟軌頂排熱系統(tǒng)、只開啟軌底排熱系統(tǒng)。為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更具有說(shuō)服性,每種工況均包含客流高峰時(shí)段,即早高峰為07:30—09:00,晚高峰為17:00—19:00。

3.2 結(jié)果分析

在4種工況下,測(cè)試時(shí)間內(nèi)溫度均在客流高峰時(shí)段達(dá)到最高,以下最高溫度即為客流高峰溫度。

3.2.1區(qū)間隧道最不利處靠近地面鐵軌處的溫度

區(qū)間隧道最不利處靠近地面鐵軌處溫度見(jiàn)表2。由表2可以看出:最高溫度與平均溫度受室外氣溫影響明顯,整體趨勢(shì)符合室外氣溫的變化規(guī)律,即室外氣溫高的工況對(duì)應(yīng)的最高溫度也高,但最高溫度始終沒(méi)有超標(biāo);軌頂與軌底排熱系統(tǒng)全部開啟與全部關(guān)閉的工況相比,平均溫度基本一致,說(shuō)明排熱系統(tǒng)啟停的影響小于室外氣溫的影響;對(duì)比分析只開啟軌頂排熱系統(tǒng)與只開啟軌底排熱系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)平均溫度僅相差0.1 ℃,再加上不同工況下室外氣溫不同所帶來(lái)的差異,對(duì)于區(qū)間隧道最不利處靠近地面鐵軌處的空氣溫度并不因只開啟軌頂或軌底排熱系統(tǒng)而產(chǎn)生顯著差別,故設(shè)于軌行區(qū)的排熱系統(tǒng)對(duì)區(qū)間隧道的影響并不區(qū)分“上下”,即并不因軌頂或軌底風(fēng)口的位置不同而對(duì)區(qū)間隧道產(chǎn)生影響。

表2 區(qū)間隧道最不利處靠近地面鐵軌處溫度 ℃

3.2.2區(qū)間隧道最不利處靠近列車車頂處的溫度

區(qū)間隧道最不利處靠近列車車頂處溫度見(jiàn)表3。由表3可以看出:最高溫度均不超標(biāo);依舊受室外氣溫影響較大,隨著室外氣溫的波動(dòng),4種工況下的平均溫度波動(dòng)不超過(guò)0.3 ℃,最高溫度波動(dòng)不超過(guò)0.5 ℃,其影響小于室外氣溫所帶來(lái)的影響。由于測(cè)點(diǎn)位置同樣位于區(qū)間隧道,也能得出排熱系統(tǒng)對(duì)其影響小的結(jié)論。

表3 區(qū)間隧道最不利處靠近列車車頂處溫度 ℃

將位于區(qū)間隧道最不利處的不同測(cè)點(diǎn)反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖4),能夠更直接地看出區(qū)間隧道內(nèi)熱量聚集的位置,位于鐵軌附近的空氣溫度比車頂附近的空氣溫度高0.1～0.2 ℃,即列車勻速運(yùn)行摩擦鐵軌產(chǎn)生的熱量大于列車空調(diào)散熱量,但均未超過(guò)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的40 ℃限值。區(qū)間隧道內(nèi)的熱量?jī)H靠列車運(yùn)行產(chǎn)生的活塞風(fēng)及隧道四周壁面的冷卻即可控制。

圖4 區(qū)間隧道內(nèi)不同位置空氣溫度

3.2.3軌行區(qū)內(nèi)廣告燈箱處及軌底風(fēng)口處空氣溫度

軌行區(qū)內(nèi)廣告燈箱處及軌底風(fēng)口處空氣溫度見(jiàn)表4,區(qū)間隧道與軌行區(qū)空氣溫度對(duì)比見(jiàn)圖5。對(duì)于豎直高度相同的測(cè)點(diǎn),除去實(shí)驗(yàn)誤差及外界因素干擾,由于列車在軌行區(qū)內(nèi)完成制動(dòng)與啟動(dòng),列車與鐵軌的摩擦更大,故軌行區(qū)內(nèi)軌底處的空氣溫度始終高于區(qū)間隧道,最大相差0.7 ℃。排熱系統(tǒng)的風(fēng)口也建在軌行區(qū)內(nèi),在排熱風(fēng)機(jī)的作用下,尤其是軌頂與軌底排熱系統(tǒng)均開啟時(shí),氣流極其不均勻,擾動(dòng)大,氣溫高。但軌底附近及廣告燈箱等不利位置的最高氣溫仍不超過(guò)40 ℃,故排熱系統(tǒng)可以關(guān)閉,僅靠活塞效應(yīng)和隧道壁面及周圍土壤自然冷卻。

表4 軌行區(qū)內(nèi)廣告燈箱處及軌底風(fēng)口處空氣溫度 ℃

圖5 區(qū)間隧道與軌行區(qū)空氣溫度對(duì)比

3.2.4排熱系統(tǒng)排熱量

對(duì)于軌頂軌底排熱系統(tǒng)排熱量的問(wèn)題,本研究著眼于活塞風(fēng)井入口處和排熱系統(tǒng)出口處的空氣溫度,入口與出口的空氣溫度如圖6所示。

圖6 進(jìn)出隧道的空氣溫度對(duì)比

要判斷排熱系統(tǒng)究竟帶走了多少熱量,就需要以隧道為研究對(duì)象,找到空氣進(jìn)出隧道的通道。在忽略軌行區(qū)與站臺(tái)屏蔽門之間的滲透風(fēng)量的情況下,由于排熱風(fēng)機(jī)的作用,使得室外的高溫空氣從活塞風(fēng)井進(jìn)入隧道,而隧道內(nèi)的空氣通過(guò)排熱系統(tǒng)出口離開。測(cè)試結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)軌頂軌底排熱系統(tǒng)后到達(dá)出口處的空氣溫度始終處于27～28 ℃,均低于通過(guò)活塞風(fēng)井進(jìn)入隧道的空氣溫度。這意味著溫度較高的室外空氣在進(jìn)入排熱系統(tǒng)所負(fù)責(zé)區(qū)域的過(guò)程中,得到了土建風(fēng)道、隧道壁面、土壤等物體的降溫,盡管列車行駛過(guò)程中也產(chǎn)生熱量,但都得到了隧道本身的冷卻,故實(shí)際排出隧道的空氣的溫度較低。在這種情況下,引入隧道的熱量全由壁面土壤等承擔(dān),排熱系統(tǒng)并沒(méi)有起到排熱的作用。考慮到實(shí)驗(yàn)研究期間室外最高氣溫十分接近天津市最炎熱時(shí)的氣溫,故可以驗(yàn)證即使完全關(guān)閉排熱系統(tǒng)也是可行的。

3.2.5公共區(qū)氣溫及空調(diào)系統(tǒng)制冷量

本實(shí)驗(yàn)研究的最后部分以探究排熱系統(tǒng)運(yùn)行模式對(duì)公共區(qū)空氣溫度及空調(diào)系統(tǒng)制冷量的影響為目標(biāo),通過(guò)對(duì)比溫度等參數(shù)的變化,確定其影響程度。由于公共區(qū)與室外通過(guò)人員出入口等通道連接,室外氣溫也是影響公共區(qū)空氣溫度及空調(diào)系統(tǒng)制冷量的一個(gè)重要因素,需要予以考慮。

室外與站廳站臺(tái)溫度見(jiàn)表5。由表5可以看出:在4種工況下,站廳的平均溫度比站臺(tái)高0.3～0.8 ℃;站臺(tái)與站廳相比,更易受到隧道內(nèi)熱空氣的影響,且在排熱系統(tǒng)全部關(guān)閉的情況下,站臺(tái)空氣平均溫度比排熱系統(tǒng)全部開啟工況高0.2 ℃,最高溫度高0.5 ℃;只開啟軌頂或軌底排熱系統(tǒng)的工況,站臺(tái)空氣溫度相差0.1 ℃。雖然排熱工況發(fā)生改變,但對(duì)公共區(qū)氣溫的影響不超過(guò)0.5 ℃。公共區(qū)溫度波動(dòng)不大,空調(diào)系統(tǒng)制冷量的變化如圖7所示。排熱系統(tǒng)全部開啟和全部關(guān)閉所對(duì)應(yīng)的室外氣溫最為接近,空調(diào)系統(tǒng)制冷量相差30 kW。只開軌頂和只開軌底排熱系統(tǒng)的工況,空調(diào)系統(tǒng)制冷量相差25 kW左右,其原因?yàn)槭彝鈿鉁夭町?1 ℃)和客流量差異(500人次)。進(jìn)而得出結(jié)論:軌行區(qū)內(nèi)排熱系統(tǒng)的啟停對(duì)公共區(qū)空氣溫度的影響很小,可以忽略;反映在空調(diào)系統(tǒng)制冷量上的變化也很小,故排熱系統(tǒng)的節(jié)能潛力主要在其本身能否關(guān)閉甚至取消上。

表5 室外與站廳站臺(tái)溫度 ℃

圖7 公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)制冷量

通過(guò)對(duì)以上不同工況下的平均溫度及客流高峰時(shí)段所達(dá)到的最高溫度的分析,不難發(fā)現(xiàn),僅從溫度不超標(biāo)的角度考慮,可以關(guān)閉排熱風(fēng)機(jī)。但考慮到遠(yuǎn)期客流量增大,車廂內(nèi)的二氧化碳濃度是否仍然可以滿足人員衛(wèi)生要求這一問(wèn)題,排熱風(fēng)機(jī)有無(wú)排除二氧化碳的作用還有待研究。

3.2.6區(qū)間隧道二氧化碳濃度

由于車廂內(nèi)的新風(fēng)來(lái)自于隧道,故對(duì)區(qū)間隧道最不利處的二氧化碳濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果見(jiàn)圖8、9。數(shù)據(jù)顯示,客流高峰時(shí)段的區(qū)間隧道最不利處二氧化碳體積分?jǐn)?shù)均為550×10-6左右,遠(yuǎn)小于規(guī)范中規(guī)定的1 500×10-6限值。由此可見(jiàn),排熱風(fēng)機(jī)對(duì)客流高峰時(shí)段的二氧化碳濃度影響不大。不同工況下僅在平峰時(shí)段有20×10-6的差異,也在測(cè)量精度誤差之內(nèi)。故排熱風(fēng)機(jī)對(duì)區(qū)間隧道二氧化碳濃度的影響甚小。

圖8 排熱系統(tǒng)全開/全關(guān)工況下區(qū)間隧道 最不利處CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)比

圖9 不同工況下區(qū)間隧道最不利處CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)比

4 結(jié)論

1) 在4種不同的排熱工況下,區(qū)間隧道最不利處及軌行區(qū)內(nèi)熱量容易聚集的位置空氣溫度均不超過(guò)規(guī)范限值。

2) 軌行區(qū)內(nèi)的空氣溫度高于區(qū)間隧道,平均高0.5～0.7 ℃。列車在進(jìn)入車站停穩(wěn)后,屏蔽門打開,乘客上下車,短時(shí)間內(nèi)軌行區(qū)與站臺(tái)空氣的流通對(duì)于軌行區(qū)來(lái)說(shuō)是正面影響,即溫度低的空氣進(jìn)入,起到了冷卻作用。列車運(yùn)行時(shí)的活塞效應(yīng)及四周壁面自然冷卻,足以使軌行區(qū)內(nèi)的空氣溫度也不超標(biāo)。

3) 排熱系統(tǒng)對(duì)區(qū)間隧道的影響由于距離長(zhǎng)而很小,其影響小于室外氣溫的影響。

4) 排熱系統(tǒng)出口空氣溫度低于活塞風(fēng)井入口空氣溫度,即空氣被土建結(jié)構(gòu)、隧道及風(fēng)道冷卻,并沒(méi)有帶走隧道內(nèi)的熱量,故排熱系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)揮排熱作用。

5) 排熱系統(tǒng)對(duì)公共區(qū)的熱環(huán)境及空調(diào)系統(tǒng)制冷量的影響不大,出于節(jié)能的目的,可以忽略。

6) 區(qū)間隧道的二氧化碳濃度隨客流高峰呈周期性變化,均小于規(guī)范限值,且排熱風(fēng)機(jī)的啟停對(duì)其峰值無(wú)明顯影響。