譚 虓教授級高級工程師 劉 濤工程師 劉 欣高級工程師 彭 李工程師 劉 旭工程師

(1.北京市地鐵運營有限公司機電分公司,北京100043;2.北京市軌道交通設(shè)計 研究院有限公司 北京市軌道交通工程技術(shù)研究中心,北京 100068)

0 引言

北京地鐵的地面車站和高架車站站臺均采用半開放式設(shè)計,大部分站臺層長度為120m左右,公共區(qū)域未設(shè)置通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)[1],僅使用自然通風(fēng),縱向自然通風(fēng)效果較差。在夏季,環(huán)境持續(xù)高溫,為保證車廂內(nèi)溫度適宜,車內(nèi)空調(diào)必須長時間滿負荷運行,停靠站臺時,會將大量的冷凝熱排放于站臺,導(dǎo)致站臺溫度升高。當站臺最高氣溫達到35℃時,為確保列車行車安全,需增加軌溫測量次數(shù),防止熱脹冷縮引起軌道伸縮變形;從地鐵站設(shè)備安全運行的角度而言,若設(shè)備產(chǎn)生的熱量不能及時排除,對通信、供電、機電設(shè)備的安全運行也將產(chǎn)生一定的影響;地鐵站高峰時人員較多,導(dǎo)致人員熱濕負荷較大,從而造成夏季站臺悶熱的環(huán)境,候車時乘客常常發(fā)生昏厥。為此,降低軌道交通地面車站溫度,保障地面車站的運營安全,提升地鐵運營服務(wù)品質(zhì)成為北京市民的焦點問題[2-4]。

半開放式的站臺層設(shè)置通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng),很難通過傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)對公共區(qū)環(huán)境的有效調(diào)節(jié)。目前,國內(nèi)外軌道交通針對地面及高架站特別是站臺層夏季降溫的研究多集中于站臺圍護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[5-6],如增設(shè)屋檐和突出的幕墻等遮光措施,但由于建筑規(guī)模和采光需求等,站臺溫度改善效果不明顯?；诖?本文以北京市亦莊文化園站乘客候車區(qū)熱環(huán)境的改善為例,通過分析車站情況和改善要求,提出一套適用于地面及高架車站站臺公共區(qū)降溫的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)解決方案,研發(fā)一套適用于地面及高架車站站臺公共區(qū)降溫的智能高效性設(shè)備。此方案的實施可提升地鐵運營服務(wù)品質(zhì)、保障車站的安全運營。

1 車站概況及改善設(shè)計要求

1.1 車站概況

亦莊文化園站是北京地鐵亦莊線的一個車站,位于北京市大興區(qū)天華東路和文化園西路的交匯處。亦莊文化園站呈東西走向,為典型的2層地面?zhèn)仁杰囌?地面一層為站廳層,二層為站臺層(開敞式設(shè)計),車站設(shè)置半高站臺門,如圖1。

經(jīng)現(xiàn)場踏勘測量發(fā)現(xiàn),站臺層溫度與室外溫度相近或略高,如圖2。

圖1 亦莊文化園站改造前狀態(tài)Fig.1 Status before improvement of thermal environment of Yizhuang Cultural Park Station

圖2 亦莊文化園站站內(nèi)外溫度Fig.2 Temperature inside and outside Yizhuang Cultural Park Station

1.2 熱環(huán)境改善設(shè)計要求

由于國內(nèi)外規(guī)范對地鐵站臺公共區(qū)無具體的設(shè)計標準,國內(nèi)既有站臺公共區(qū)基本采用自然通風(fēng)設(shè)置。近年來,隨著設(shè)備精度不斷提升及乘客對地鐵車站環(huán)境的要求日益提高,國內(nèi)部分地面及高架車站公共區(qū)進行了通風(fēng)空調(diào)的改造。如:采用設(shè)置搖頭風(fēng)扇或者吊扇的局部通風(fēng)措施,由于所選搖頭風(fēng)扇風(fēng)量較小,降溫效果并不明顯;采用多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng),由于站臺層是開放式設(shè)計且建筑物的熱輻射嚴重,致使多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)制冷效果不明顯。

結(jié)合現(xiàn)場情況,本文設(shè)計目標為:改造后候車區(qū)局部室內(nèi)溫度比室外溫度低3～5℃,以提升乘客候車的舒適性,改善列車、軌道及車站設(shè)備的運行環(huán)境,提高運營的安全性。

2 技術(shù)方案

亦莊文化園站技術(shù)改造采用12臺蒸發(fā)冷卻機組直接送風(fēng)的方式,利用空氣與水直接接觸換熱,實現(xiàn)蒸發(fā)降溫效果。首先,在站臺南側(cè)和北側(cè)候車區(qū)分別設(shè)置13個環(huán)境檢測點,在南側(cè)靠近中間出入口處設(shè)置一個環(huán)境對比檢測點(此處不在蒸發(fā)冷卻機組的送風(fēng)范圍內(nèi)),作為熱環(huán)境改善的對比檢測點;然后,對檢測點進行連續(xù)一個月的溫度檢測;最后,對比環(huán)境檢測點和環(huán)境對比檢測點的日平均溫度,同時,利用計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)模擬溫度分布和風(fēng)速等級。

2.1 系統(tǒng)原理

蒸發(fā)冷卻機組采用逆流濕簾作為降溫介質(zhì),水從濕簾的頂部沿濕簾的波紋表面均勻地流下,使?jié)窈煆纳系较戮鶆虻貪駶?冷氣機內(nèi)部的離心風(fēng)機工作時,抽風(fēng)產(chǎn)生壓力,迫使未飽和的空氣流經(jīng)多孔濕潤濕簾表面,空氣中大量的顯熱轉(zhuǎn)化為潛熱,迫使進入室內(nèi)的空氣從干球溫度降低接近濕球溫度,增加了空氣的濕度。同時,空氣中的水分在蒸發(fā)過程中吸收空氣中的熱量,使干燥的熱空氣變?yōu)闈崈魸駶櫟臎鏊諝?從而起到降溫、增濕的作用。設(shè)備參數(shù),見表1。

表1 技術(shù)優(yōu)化設(shè)備參數(shù)Tab.1 Equipment parameters for technical optimization

2.2 方案布置

蒸發(fā)冷卻機組布置在站臺側(cè)后方,出風(fēng)口在機組上部,距地面約2m的位置,風(fēng)成扇形吹向站臺門候車區(qū)域,每節(jié)車廂對應(yīng)布置一臺蒸發(fā)冷卻機組,如圖3。

圖3 方案布置Fig.3 Schematic layout

2.3 檢測、分析方法

實驗中采用溫度計、風(fēng)速儀作為測試儀器。全部蒸發(fā)冷卻機組運行超過30min后,測量26個環(huán)境檢測點和環(huán)境對比檢測點的溫度,并計算26個環(huán)境檢測點的風(fēng)速平均值。

溫度場和風(fēng)速場的模擬采用ANSYS軟件進行CFD建模,以Fluent軟件進行計算。模擬過程中遵循質(zhì)量、動量、能量守恒,由于站臺空間較大同時考慮湍動能的變化。

3 數(shù)據(jù)分析與討論

3.1 環(huán)境檢測點溫度

26個環(huán)境檢測點的位置靠近上車點,環(huán)境對比檢測點在南側(cè)靠近中間出入口處,如圖4。進行連續(xù)一個月的溫度檢測,每日平均溫度數(shù)據(jù),如圖5。

由圖5可知,環(huán)境對比檢測點最高溫度為35.6℃,站臺26個環(huán)境檢測點最高溫度為31.6℃;站臺溫降最大達到4.76℃(8月13日),站臺月平均溫度為28.75℃。由此可見,采用蒸發(fā)冷卻機組進行站臺熱環(huán)境改善具有可行性。

圖4 檢測點布置Fig.4 Layout of detection points

圖5 亦莊文化園站熱環(huán)境溫度改善對比Fig.5 Temperature comparison of Yizhuang Cultural Park Station after improvement of thermal environment

采用蒸發(fā)冷卻機組直接送風(fēng)方式對軌道交通地面站進行熱環(huán)境改善,可使地面站維持在較舒適的溫度下,不僅提高了乘客及工作人員的舒適性,也改善了車站行車系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)及通信信號等設(shè)備系統(tǒng)的運行環(huán)境,從而提高車站運營的安全性。

3.2 CFD模擬分析

3.2.1 溫度模擬分析

為準確分析整個站臺層的溫度分布,了解蒸發(fā)冷卻機組對整個站臺溫降的影響,對亦莊文化園站進行溫度分布分析,選取環(huán)境溫度為35.6℃進行模型計算。站臺1.5m高處溫度分布,如圖6;最高溫日環(huán)境檢測點溫度,見表2。

圖6中2條白線代表南北兩側(cè)各13處環(huán)境檢測點所處的位置。環(huán)境檢測點靠近上車點,其溫度即為乘客候車時所處的環(huán)境溫度。從圖6可知,增加蒸發(fā)冷卻機組后,除車站兩端及電梯扶梯口外,整個站臺溫度都有明顯降低,和表2實地檢測的溫度相符合(平均溫度為31.6℃,平均溫降4℃),也符合熱環(huán)境改善設(shè)計目標。且現(xiàn)場調(diào)研顯示,乘客認為體感降溫明顯,設(shè)備報故障率降低。

圖6 站臺1.5m高處溫度分布Fig.6 Temperature distribution at 1.5m above the platform

表2 最高溫日環(huán)境檢測點溫度Tab.2 Temperature of environmental detection points on maximum temperature day

3.2.2 風(fēng)速模擬分析

除站臺溫度場分布外,站臺風(fēng)速對站臺熱環(huán)境的改善也是一個重要的指標參數(shù)。對站臺1.5m高處風(fēng)速場分布進行模擬,計算結(jié)果如圖7。

從圖7可知,增加12臺蒸發(fā)冷卻機組以直接送風(fēng)的方式可覆蓋除站臺設(shè)備間外的全部空間,在機組風(fēng)口處直線位置風(fēng)速明顯較高,可以達到3～5m/s,屬于3級微風(fēng);其他區(qū)域風(fēng)速較低,約為1.8m/s左右,屬于2級輕風(fēng)。從風(fēng)速等級數(shù)據(jù)可知,蒸發(fā)冷卻機組給整個站臺帶來的是輕微風(fēng)等級,給乘客提供了舒適的候車體驗。

圖7 站臺1.5m高處風(fēng)速分布Fig.7 The speed distribution of wind at 1.5m above the platform

綜上所述,軌道交通地面站采用蒸發(fā)冷卻技術(shù),可降低車站的環(huán)境溫度,且溫度、風(fēng)場覆蓋范圍較廣,讓乘客獲得更舒適的體驗感。不僅改善了乘客的候車環(huán)境,提升了地鐵的運營服務(wù)品質(zhì),而且改善了列車、軌道及車站設(shè)備的運行環(huán)境,降低了地鐵設(shè)備的故障率,提高了運營的安全性。對軌道交通新線建設(shè)、工程改造等均具有較強的技術(shù)價值和指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

采用蒸發(fā)冷卻機組直接送風(fēng)方式對地面站(亦莊文化園站)的熱環(huán)境進行改善后,通過實測數(shù)據(jù)及模擬分析可知:

(1)采用蒸發(fā)冷卻技術(shù),夏季地面站臺平均溫降接近5℃,提升了乘客候車的舒適性,改善了地鐵運營服務(wù)品質(zhì),也降低了通信信號等設(shè)備的故障率,提高了運營的安全性。

(2)通過CFD軟件對溫度場和風(fēng)速場的模擬分析,12臺蒸發(fā)冷卻機組帶來的溫度降低可覆蓋除車站兩端及電梯扶梯口外的所有空間;同時,還給除車站兩端設(shè)備外的所有空間營造輕微級的風(fēng)速場,讓乘客獲得舒適的體驗感。