王麗慧 曾憲明 張雨蒙 鄭 懿 宋 潔

(1.上海理工大學(xué),上海;2.北京房地集團(tuán)有限公司,北京;3.安徽省建筑設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,合肥;4.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司,上海)

0 引言

伴隨著軌道交通的快速發(fā)展,地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗問題逐漸受到人們的關(guān)注。實(shí)際運(yùn)行中地鐵行車密度隨運(yùn)營(yíng)年限增大,在運(yùn)營(yíng)初期地鐵行車密度相對(duì)較低,導(dǎo)致區(qū)間隧道空氣溫度對(duì)車站月平均氣溫的影響較小,同時(shí)地鐵車站圍巖土體在運(yùn)營(yíng)初期吸熱能力較強(qiáng),造成初期空調(diào)季車站月平均氣溫較低,車站空調(diào)系統(tǒng)提供的冷量大于車站的冷負(fù)荷,故而有必要探究地鐵車站月平均氣溫隨運(yùn)營(yíng)年限的演化特性,為地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的合理運(yùn)行及車站圍巖土體中自然冷量的利用提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

目前地鐵車站空氣溫度相關(guān)的既有研究包括地鐵車站的熱環(huán)境、熱舒適等。游杰偉通過實(shí)測(cè)冬季西安某地鐵車站空氣溫度數(shù)據(jù),分析得出車站空氣溫度變化趨勢(shì)與室外溫度變化趨勢(shì)一致,車站最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間與室外最高溫度相比延后3～4 h左右,車站大廳溫度略低于地下通道與大廳連接處溫度[1]。張文榕通過對(duì)西安某地鐵車站的測(cè)試分析得出,地鐵車站冬季空氣溫度隨室外溫度波動(dòng)呈小幅(±2 ℃范圍內(nèi))變化趨勢(shì)[2]。谷雅秀等人采用熱環(huán)境實(shí)測(cè)和熱舒適調(diào)查問卷相結(jié)合的研究方法,研究了長(zhǎng)春地鐵1號(hào)線某車站的熱舒適情況,得出地鐵車站公共區(qū)80%舒適區(qū)的溫度范圍冬季為9.8～14.3 ℃,過渡季為15.8～21.0 ℃,夏季為22.3～28.2 ℃[3]。筆者團(tuán)隊(duì)利用相對(duì)熱指標(biāo)RWI計(jì)算獲得不同室外溫度下的地鐵車站運(yùn)行空氣溫度,分析得到當(dāng)室外溫度處于33.0～37.0 ℃時(shí),推薦車站運(yùn)行空氣溫度為30.1～34.4 ℃[4]。徐敏凱等人通過測(cè)試和調(diào)研蘇州某地鐵站夏季環(huán)境參數(shù),研究了地鐵車站的熱環(huán)境和熱舒適性,分析得出夏季熱中性溫度為26.3 ℃,期望溫度為26.5 ℃,80%調(diào)研人群的夏季熱接受溫度范圍為25.3～27.0 ℃[5]。

上述研究均是針對(duì)車站單年空氣溫度和熱舒適等方面的,而對(duì)地鐵車站月平均氣溫的逐年演化特性研究較少。本文基于車站內(nèi)部空氣熱平衡方程,選用室外月平均氣溫和區(qū)間隧道月平均氣溫與車站圍巖土體逐月凈蓄放熱量作為邊界條件,建立理論求解模型,得到車站月平均氣溫在運(yùn)營(yíng)初期、中期和遠(yuǎn)期的逐年演化特性,為車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)合理運(yùn)行和節(jié)能提供理論依據(jù)。

1 理論建模與實(shí)測(cè)驗(yàn)證

本文采用的研究思路是對(duì)該車站建立空氣熱平衡理論模型,基于地鐵車站圍巖土體蓄放熱量和區(qū)間隧道空氣溫度的逐年演化,通過理論計(jì)算得到不同運(yùn)營(yíng)年限下地鐵車站月平均氣溫,并與第5年的地鐵車站月平均氣溫實(shí)測(cè)值相驗(yàn)證。在車站空氣熱平衡理論模型中對(duì)地鐵的車站環(huán)境和區(qū)間環(huán)境作以下說明：

1) 機(jī)械通風(fēng)(空調(diào))行為：地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量、送風(fēng)比焓和冷量在運(yùn)營(yíng)15年內(nèi)均為恒定值。

2) 室內(nèi)熱源變化：地鐵車站的照明和設(shè)備產(chǎn)熱均按照單位面積指標(biāo)計(jì)算,在運(yùn)營(yíng)15年內(nèi)為恒定值;車站站廳和站臺(tái)的人員全熱散熱量均以成年男子的散熱量作為計(jì)算依據(jù);車輛編組在運(yùn)營(yíng)15年內(nèi)均設(shè)置為8節(jié)編組(4動(dòng)4拖);行車密度隨不同運(yùn)營(yíng)時(shí)期變化,在第1～5年為15對(duì)/h,在第6～10年為20對(duì)/h,第11～15年為30對(duì)/h。

3) 系統(tǒng)方案：屏蔽門系統(tǒng)典型雙層島式地鐵車站。

1.1 地鐵車站空氣熱平衡理論模型

根據(jù)熱平衡原理對(duì)地鐵車站空氣換熱量進(jìn)行分析,得到地鐵車站內(nèi)空氣的熱平衡理論模型。車站空氣溫度受到多種因素綜合影響,其中主要影響因素為地鐵車站出入口漏風(fēng)和屏蔽門滲透風(fēng)攜帶熱量、屏蔽門傳熱量、圍巖土體蓄放熱量、空調(diào)送風(fēng)攜帶熱量及人員、設(shè)備和照明產(chǎn)生的熱量[6]。為簡(jiǎn)化理論計(jì)算作以下假設(shè)：1) 將地鐵車站站廳和站臺(tái)當(dāng)作一個(gè)整體空間,且車站內(nèi)空氣溫度分布均勻。2) 不考慮地鐵車站空氣和區(qū)間隧道空氣含濕量的逐年演變。3) 不考慮地鐵車站運(yùn)行時(shí)段早高峰、晚高峰、平峰及其他時(shí)段對(duì)車站出入口漏風(fēng)量和屏蔽門滲透風(fēng)量的影響,本文采用車站出入口漏風(fēng)量和屏蔽門滲透風(fēng)量的月平均值。地鐵車站內(nèi)空氣熱平衡方程如下：

ΔQ=ρGC(hw-hp)τ+ρGP(hq-hp)τ+KF(tq-tp)τ+ρGm(hs-hp)τ+QT+QP+QZ+QS

(1)

式中 ΔQ為地鐵車站空氣熱量變化量,kJ;ρ為空氣密度,kg/m3;GC為車站出入口月平均漏風(fēng)量,m3/h;hw為室外月平均空氣比焓,kJ/kg;hp為車站月平均空氣比焓,kJ/kg;τ為地鐵車站運(yùn)營(yíng)時(shí)間,h;GP為車站屏蔽門月平均滲透風(fēng)量,m3/h;hq為區(qū)間隧道月平均空氣比焓,kJ/kg;K為地鐵車站屏蔽門傳熱系數(shù),W/(m2·K);F為屏蔽門面積,m2,屏蔽門尺寸為2.0 m×2.2 m(長(zhǎng)×高),共計(jì)60扇;tq為區(qū)間隧道月平均氣溫,℃;tp為車站月平均氣溫,℃;Gm為車站空調(diào)月平均送風(fēng)量,m3/h;hs為車站空調(diào)送風(fēng)月平均空氣比焓,kJ/kg;QT為車站圍巖土體逐月凈蓄放熱量,kJ;QP為人員散熱量,kJ;QZ為照明散熱量,kJ;QS為設(shè)備散熱量,kJ。

地鐵車站空氣熱平衡計(jì)算模型示意圖見圖1。

注：QC為地鐵車站出入口漏風(fēng)量引起的熱量變化;QPS為區(qū)間隧道側(cè)與車站側(cè)溫差引起的地鐵站屏蔽門傳熱量;Qm為空調(diào)季地鐵車站空調(diào)送風(fēng)逐時(shí)攜帶的熱量;QPC為地鐵車站屏蔽門滲透風(fēng)量引起的熱量變化。圖1 地鐵車站熱平衡計(jì)算模型示意圖

1.2 地鐵車站月平均空氣溫度理論求解參數(shù)確定

地鐵車站月平均空氣溫度主要受室外空氣溫度、區(qū)間隧道空氣溫度、圍巖土體蓄放熱量及空調(diào)季車站空調(diào)系統(tǒng)通風(fēng)的影響,因此地鐵車站空氣熱平衡理論模型的參數(shù)確定主要由以下三部分組成。

1) 室外側(cè)參數(shù)確定。

室外側(cè)參數(shù)有2個(gè)：地鐵車站出入口漏風(fēng)量和室外空氣比焓。在熱平衡方程中采用車站出入口月平均漏風(fēng)量和室外月平均空氣比焓,其中車站出入口月平均漏風(fēng)量隨行車密度不同而改變,而室外月平均空氣比焓在15年內(nèi)不變。筆者團(tuán)隊(duì)的課題組前期基于不同行車密度的車站實(shí)測(cè)結(jié)果,對(duì)車站空氣熱平衡方程進(jìn)行了求解,確定了本文所采用的不同行車密度下各月車站出入口月平均漏風(fēng)量[7]。室外月平均空氣比焓由實(shí)測(cè)某一年的上海地區(qū)室外氣象參數(shù)確定。

2) 室內(nèi)側(cè)參數(shù)確定。

室內(nèi)側(cè)參數(shù)有3個(gè)：車站空調(diào)送風(fēng)量、車站空調(diào)送風(fēng)比焓和地鐵車站圍巖土體蓄放熱量。在熱平衡方程中采用車站空調(diào)月平均送風(fēng)量和車站空調(diào)送風(fēng)月平均空氣比焓,且兩者在15年內(nèi)不變;而圍巖土體逐月凈蓄放熱量在15年內(nèi)逐年變化。地鐵車站空調(diào)月平均送風(fēng)量和送風(fēng)比焓由實(shí)測(cè)得到,其送風(fēng)量為144 000 m3/h,送風(fēng)比焓為55.78 kJ/kg。對(duì)于地鐵車站圍巖土體逐月凈蓄放熱量,課題組前期通過ANSYS對(duì)不同年限地鐵車站圍巖土體溫度場(chǎng)和蓄放熱量情況進(jìn)行了模擬[8],并在地鐵車站土體縮尺模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)[9]進(jìn)行了驗(yàn)證,具體見圖2。

圖2 不同運(yùn)營(yíng)年限地鐵車站圍巖土體逐月凈蓄放熱量

3) 區(qū)間隧道側(cè)參數(shù)確定。

區(qū)間隧道側(cè)參數(shù)有3個(gè)：車站屏蔽門滲透風(fēng)量、區(qū)間隧道空氣溫度和空氣比焓。在熱平衡方程中均采用月平均值,其中車站屏蔽門月平均滲透風(fēng)量隨行車密度不同而改變,區(qū)間隧道月平均氣溫和月平均空氣比焓在15年內(nèi)逐年變化。課題組前期基于對(duì)不同行車密度車站的實(shí)測(cè)結(jié)果,對(duì)車站空氣熱平衡方程進(jìn)行了求解,確定了本文所采用不同行車密度下各月車站屏蔽門月平均滲透風(fēng)量[7];區(qū)間隧道月平均溫度根據(jù)課題組前期進(jìn)行的SES模擬得到[10],具體見圖3,并結(jié)合實(shí)測(cè)的區(qū)間隧道月平均空氣濕度共同得到區(qū)間隧道月平均空氣比焓。

圖3 不同運(yùn)營(yíng)年限區(qū)間隧道月平均氣溫

人員散熱量QP、照明散熱量QZ及設(shè)備散熱量QS可根據(jù)文獻(xiàn)[11]得出,再根據(jù)上文確定的室外側(cè)、室內(nèi)側(cè)和區(qū)間隧道側(cè)的參數(shù),其中室外空氣溫度、空調(diào)送風(fēng)比焓均以某一年的月平均實(shí)測(cè)值代入,不隨運(yùn)營(yíng)年限改變,而區(qū)間隧道空氣溫度和比焓及車站圍巖土體蓄放熱量則以不同運(yùn)營(yíng)年限的月平均值代入。本文重點(diǎn)研究車站月平均氣溫隨運(yùn)營(yíng)年限的演化規(guī)律,熱平衡方程左邊為車站逐月空氣熱量變化量ΔQ,右邊各項(xiàng)熱量按照不同月份進(jìn)行計(jì)算,將比焓與車站空氣溫度的關(guān)系式(2)代入式(1),即可求出不同年限車站月平均氣溫。

hp=1.01tp+(2 500+1.84tp)d

(2)

式中d為車站空氣含濕量,g/kg。

1.3 典型年地鐵車站月平均氣溫理論計(jì)算結(jié)果實(shí)測(cè)驗(yàn)證

選取上海地區(qū)某運(yùn)營(yíng)第5年的典型雙層島式地鐵車站,并進(jìn)行1年以上的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)對(duì)象為地鐵車站站廳與站臺(tái)典型位置的空氣溫濕度。分別在地鐵車站站廳和站臺(tái)中部3.5 m高度處各布置1個(gè)空氣溫濕度測(cè)點(diǎn)。測(cè)試儀器為紐扣式溫濕度記錄儀,測(cè)量范圍為溫度-40～85 ℃、相對(duì)濕度0～100%,精度為溫度±0.01 ℃、相對(duì)濕度±5%,數(shù)據(jù)采集時(shí)間為30 min。圖4顯示了地鐵車站月平均氣溫實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的比較,因?qū)崪y(cè)值為車站運(yùn)營(yíng)第5年的全年空氣溫度,故選取第5年車站計(jì)算溫度與之相驗(yàn)證。

圖4 運(yùn)營(yíng)第5年地鐵車站氣溫實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比

如圖4所示,地鐵車站月平均氣溫理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為吻合,計(jì)算最大誤差在7月,為9.20%,最小誤差在12月,為0.64%,逐月平均誤差為5.60%,滿足整體誤差在10%以內(nèi),說明車站空氣熱平衡理論計(jì)算結(jié)果具有可靠性。

2 地鐵車站月平均氣溫逐年演化結(jié)果分析

2.1 運(yùn)營(yíng)第1年地鐵車站月平均氣溫

對(duì)地鐵車站月平均氣溫進(jìn)行熱平衡理論計(jì)算,求得運(yùn)營(yíng)第1年地鐵車站月平均氣溫理論值,如圖5所示。

圖5 運(yùn)營(yíng)第1年地鐵車站、區(qū)間隧道和室外月平均氣溫對(duì)比

由圖5可以看出,運(yùn)營(yíng)第1年室外和區(qū)間隧道的空氣溫度基本相同。空調(diào)季車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)對(duì)車站月平均氣溫起主要控制作用,非空調(diào)季室外和區(qū)間隧道空氣溫度對(duì)車站月平均氣溫的影響較大。具體表現(xiàn)為：空調(diào)季,車站空調(diào)系統(tǒng)開啟,6月車站空氣溫度有所下降,隨后7、8、9、10月的車站月平均氣溫分別為24.4、24.3、24.0、24.2 ℃,其車站月平均氣溫基本維持在24 ℃左右;而非空調(diào)季,受室外和區(qū)間隧道空氣溫度的影響,地鐵車站月平均氣溫在第1年的1—5月逐漸上升,在5月達(dá)到22.9 ℃;除此之外,受到車站圍巖土體放熱量的影響,11、12月地鐵車站空氣溫度分別為20.2 ℃和14.8 ℃,均高于同期室外空氣溫度和區(qū)間隧道空氣溫度。

2.2 地鐵車站不同運(yùn)營(yíng)時(shí)期月平均氣溫演化特性

將5年劃分為1個(gè)運(yùn)營(yíng)時(shí)間段,分為運(yùn)營(yíng)初期(第1～5年)、中期(第6～10年)和遠(yuǎn)期(第11～15年)。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研得出車站空調(diào)系統(tǒng)冷量為708 kW(遠(yuǎn)期最不利工況),為探究不同運(yùn)營(yíng)時(shí)期夏季車站空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能空間,給出此冷量下不同運(yùn)營(yíng)時(shí)期車站月平均氣溫逐年演化情況,并與站廳站臺(tái)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度平均值29 ℃(站廳和站臺(tái)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度分別為30、28 ℃)進(jìn)行比較[12],如圖6所示。

圖6 第1～15年不同運(yùn)營(yíng)時(shí)期地鐵車站月平均氣溫逐年演化圖

由圖6a可知,運(yùn)營(yíng)初期車站月平均氣溫逐年遞增,遞增速率較為平緩,初期車站月平均氣溫最大溫升為2.5 ℃,最高氣溫出現(xiàn)在第5年的8月,為26.4 ℃。此時(shí)地鐵行車密度較低,為15對(duì)/h,所以屏蔽門滲透風(fēng)量和區(qū)間隧道內(nèi)列車產(chǎn)生的熱源相對(duì)較小,車站空氣得到的屏蔽門的傳熱量及滲透風(fēng)的對(duì)流換熱量相對(duì)較小,同時(shí)車站圍巖土體吸熱能力較好,導(dǎo)致初期夏季車站月平均氣溫均低于站廳站臺(tái)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度平均值,說明初期車站空調(diào)系統(tǒng)按遠(yuǎn)期最不利工況運(yùn)行,提供的冷量遠(yuǎn)大于車站的冷負(fù)荷,因此在運(yùn)營(yíng)初期車站空調(diào)系統(tǒng)具有一定的節(jié)能空間。

由圖6b可知,運(yùn)營(yíng)中期車站月平均氣溫高于初期,最高氣溫出現(xiàn)在第10年的8月,為30.2 ℃,其溫升幅度也高于初期,最大溫升為3.0 ℃。因?yàn)橹衅诘罔F行車密度增大為20對(duì)/h,加大了屏蔽門的滲透風(fēng)量和區(qū)間隧道內(nèi)列車產(chǎn)生的熱源,使得車站空氣得到的屏蔽門的傳熱量及滲透風(fēng)的對(duì)流換熱量增大,而運(yùn)營(yíng)中期車站圍巖土體吸熱能力較初期有所下降,綜合導(dǎo)致了運(yùn)營(yíng)中期車站月平均氣溫的升高。在運(yùn)營(yíng)第6、7年的夏季,車站月平均氣溫低于站廳站臺(tái)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度平均值,說明在運(yùn)營(yíng)中期車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)也具備一定的節(jié)能空間;而第8～10年夏季車站月平均氣溫與站廳站臺(tái)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度平均值較為接近,此時(shí)空調(diào)系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。

由圖6c可知,運(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)期車站月平均氣溫高于初期和中期,最高氣溫出現(xiàn)在第15年的8月,為34.9 ℃。運(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)期區(qū)間隧道為極限工況,即地鐵行車密度為30對(duì)/h,并且區(qū)間隧道土體蓄放熱為飽和狀態(tài),其列車產(chǎn)生的熱源和屏蔽門滲透風(fēng)量較初期明顯增大,此時(shí)區(qū)間隧道內(nèi)溫度較高,導(dǎo)致車站空氣得到的屏蔽門的傳熱量及滲透風(fēng)的對(duì)流換熱量相對(duì)較大,而運(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)期車站圍巖土體吸熱能力較初期產(chǎn)生較大衰減,此時(shí)車站空調(diào)系統(tǒng)提供的冷量不足,導(dǎo)致車站月平均氣溫躍升至34.9 ℃,高于站廳站臺(tái)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度平均值29 ℃。說明當(dāng)運(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)期區(qū)間隧道溫度較高時(shí),需對(duì)車站空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)來確保乘客的舒適性。

由于第11年后區(qū)間隧道空氣溫升較小,且車站圍巖土體蓄放熱量也達(dá)到了穩(wěn)定,車站月平均氣溫在第11年后基本保持不變,故僅對(duì)前10年7—9月車站月平均氣溫呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)進(jìn)行線性擬合,可得到前10年7—9月車站月平均氣溫演化的擬合公式,見表1。

2.3 地鐵車站月平均氣溫逐年演化特性

對(duì)運(yùn)營(yíng)15年內(nèi)地鐵車站月平均氣溫進(jìn)行逐年熱平衡理論計(jì)算,其中地鐵車站室外空氣溫度均為上海地區(qū)某一年的室外月平均氣溫,不同年限車站圍巖土體逐月凈蓄放熱量和區(qū)間隧道月平均氣溫分別如圖2、3所示。由地鐵車站內(nèi)空氣熱平衡方程可得出逐年地鐵車站月平均氣溫,如圖7所示。

表1 前10年7—9月車站月平均氣溫?cái)M合結(jié)果

圖7 不同年限地鐵車站月平均氣溫逐年演化圖

由圖7可知：運(yùn)營(yíng)15年內(nèi)地鐵車站月平均氣溫呈現(xiàn)逐年升高趨勢(shì),在第1、5、10年的8月,地鐵車站月平均氣溫分別為24.3、26.4、30.2 ℃;第1～5 年溫升較慢,升高了2.1 ℃,第6～10年溫升較快,升高了3.8 ℃;前5年月平均氣溫上升幅度低于后5年,是因?yàn)榈罔F行車密度在第5年后增大,導(dǎo)致屏蔽門滲透風(fēng)量和區(qū)間隧道內(nèi)列車產(chǎn)生的熱源增大,進(jìn)而增大了車站空氣得到的屏蔽門的傳熱量及滲透風(fēng)的對(duì)流換熱量;在第11年車站月平均氣溫突然升高,且第11～15年車站月平均氣溫基本不變,為探究原因,將運(yùn)營(yíng)第10～15年的車站、區(qū)間隧道空氣溫度逐年進(jìn)行對(duì)比,如圖8所示。

圖8 第10～15年地鐵車站、區(qū)間隧道月平均氣溫

由圖8可知,在運(yùn)營(yíng)第11年時(shí),夏季區(qū)間隧道月平均氣溫產(chǎn)生了躍升現(xiàn)象。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是實(shí)際地鐵行車密度在運(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)期較大,并且區(qū)間隧道圍巖土體蓄放熱也達(dá)到了飽和狀態(tài),使得夏季區(qū)間隧道溫度超標(biāo)。為探究運(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)期區(qū)間隧道溫度超標(biāo)的情況,課題組前期模擬了運(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)期的區(qū)間隧道月平均氣溫,將其設(shè)定為極限工況,即行車密度設(shè)置為30對(duì)/h,區(qū)間隧道土體蓄放熱設(shè)置為飽和狀態(tài)[10]。因?yàn)榈罔F行車密度在運(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)期增大,使得屏蔽門滲透風(fēng)量和區(qū)間隧道內(nèi)列車產(chǎn)生的熱源增大,增加了車站空氣得到的傳熱量和對(duì)流換熱量,導(dǎo)致第10年至第11年8月時(shí)車站月平均氣溫由30.2 ℃上升至34.9 ℃,溫升為4.7 ℃,說明隨著運(yùn)營(yíng)年限的增加,區(qū)間隧道空氣溫度對(duì)車站月平均氣溫的影響逐漸增強(qiáng)。隨后在運(yùn)營(yíng)第11～15年時(shí),因?yàn)檫\(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)期的行車密度保持不變,區(qū)間隧道空氣溫升較小,并且車站圍巖土體蓄放熱為飽和狀態(tài),所以使得運(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)期車站空氣溫度變化較小。

2.4 運(yùn)營(yíng)第1～15年地鐵車站空氣溫升特性

為進(jìn)一步研究運(yùn)營(yíng)第1～15年不同月份的地鐵車站月平均氣溫溫升情況,將運(yùn)營(yíng)第15年與第1年不同月份的地鐵車站月平均氣溫對(duì)應(yīng)相減,得到運(yùn)營(yíng)第15年較第1年不同月份的地鐵車站月平均氣溫的溫升值,如圖9所示。

圖9 第15年較第1年地鐵車站月平均氣溫的溫升情況

由圖9可知：運(yùn)營(yíng)第15年較第1年地鐵車站空氣溫升在夏季6—9月偏高,過渡季2—5月及10月適中,冬季11、12月和1月較小;最大溫升出現(xiàn)在夏季8月,為10.6 ℃,最小溫升出現(xiàn)在冬季1月,為3.1 ℃。地鐵車站圍巖土體蓄放熱量和區(qū)間隧道空氣溫度隨運(yùn)營(yíng)年限逐年遞增,使得車站空氣溫度也逐年上升,夏季室外空氣溫度較高,車站空氣溫升較大,而冬季室外空氣溫度較低,車站空氣溫升較小。

3 結(jié)論

本研究基于地鐵車站空氣熱平衡理論模型,對(duì)運(yùn)營(yíng)15年內(nèi)不同運(yùn)營(yíng)年限地鐵車站月平均氣溫進(jìn)行理論計(jì)算,具體結(jié)論如下：

1) 運(yùn)營(yíng)第1年地鐵車站月平均氣溫在1—5月溫度逐漸升高;6—10月因地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)開啟,車站內(nèi)部空氣溫度波動(dòng)較小;11—12月車站月平均氣溫緩慢下降,但始終高于室外和區(qū)間隧道空氣溫度。該變化趨勢(shì)主要受年度室外空氣溫度波、區(qū)間隧道空氣溫度波和地鐵車站圍巖土體蓄放熱量及夏季地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)開啟的影響。

2) 地鐵車站運(yùn)營(yíng)初期,最高氣溫出現(xiàn)在第5年的8月,為26.4 ℃;運(yùn)營(yíng)中期,最高空氣溫度出現(xiàn)在第10年的8月,為30.2 ℃;運(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)期,最高空氣溫度出現(xiàn)在第15年的8月,為34.9 ℃。運(yùn)營(yíng)初期及部分運(yùn)營(yíng)中期車站空氣溫度均低于站廳站臺(tái)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度的平均值,說明此時(shí)車站空調(diào)系統(tǒng)的冷量較大,車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)具有一定的節(jié)能空間。而運(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)期,在區(qū)間隧道為極限工況時(shí)車站空氣溫度較高,說明若區(qū)間隧道產(chǎn)生溫度超標(biāo)現(xiàn)象,此時(shí)需對(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行一定的調(diào)節(jié),來確保車站乘客的舒適性。

3) 在運(yùn)營(yíng)初、中、遠(yuǎn)期,地鐵車站行車密度逐漸增大,導(dǎo)致不同運(yùn)營(yíng)時(shí)期區(qū)間隧道空氣的溫升幅度不同,從而影響車站月平均氣溫的溫升幅度,在初、中、遠(yuǎn)期車站空氣溫升分別為2.1、3.8、4.7 ℃,說明隨著運(yùn)營(yíng)年限的增加,區(qū)間隧道空氣溫度對(duì)車站月平均氣溫的影響逐漸增大。

4) 車站月平均氣溫隨運(yùn)營(yíng)年限逐年升高,運(yùn)營(yíng)第15年較第1年,月平均氣溫最小溫升出現(xiàn)在1月,為3.1 ℃;最大溫升出現(xiàn)在8月,為10.6 ℃。