西安地鐵車站環(huán)境實測及公共區(qū)空調(diào)負荷計算分析

齊江浩，趙蕾，王君，李德輝，郭永楨，鄧保順

( 1.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063；3.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

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西安地鐵車站環(huán)境實測及公共區(qū)空調(diào)負荷計算分析

齊江浩1，趙蕾1，王君2，李德輝3，郭永楨3，鄧保順3

( 1.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063；3.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

摘要:基于對西安地鐵2號線緯一街站車站公共區(qū)、站臺隧道、活塞風(fēng)井、排熱風(fēng)道和室外空氣的溫度和相對濕度的逐時監(jiān)測，通過負荷計算及理論分析車站公共區(qū)空調(diào)負荷逐時變化規(guī)律并提出負荷計算建議。通常負荷計算中是按照規(guī)范中的規(guī)定，以晚高峰為基礎(chǔ)取定常值。研究結(jié)果表明：雖然早高峰溫度低但相對濕度大，加之早高峰客流量常常大于晚高峰，致使地鐵實際運營中車站公共早高峰空調(diào)負荷時常大于晚高峰。建議空調(diào)負荷計算中綜合考慮早晚高峰的峰值負荷。

關(guān)鍵詞：西安地鐵；測試；早高峰；晚高峰；逐時負荷

城市軌道交通具有準時、安全、衛(wèi)生、便捷和舒適等優(yōu)點，近年來發(fā)展迅速。不僅在北京、上海、廣州、深圳等一線城市掀起了建設(shè)地鐵的熱潮，在長沙、武漢、鄭州、杭州和西安等二線城市，地鐵建設(shè)也在如火如荼地進行。地鐵能夠降低地面噪聲，減少城市污染，改善地面交通狀況，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。然而，地鐵環(huán)控能耗占地鐵整個運營能耗的比例大，甚至超過了列車牽引能耗，這成為人們關(guān)注的熱點問題。針對地鐵車站公共區(qū)熱負荷的研究對空調(diào)設(shè)備的選型和滿足環(huán)境控制要求下節(jié)能控制運行至關(guān)重要。徐波等[1-4]均對公共區(qū)熱負荷進行研究，但大都針對非屏蔽門系統(tǒng)，且新風(fēng)焓值均按規(guī)范規(guī)定的常量取值，即取固定新風(fēng)焓值，并未考慮室外新風(fēng)焓值的逐時變化。西安地鐵2號線全線采用屏蔽門系統(tǒng)，為西安地鐵首條開工和運營的線路，北起位于未央?yún)^(qū)的北客站，南至位于長安區(qū)的韋曲南站。西安建筑科技大學(xué)聯(lián)合中鐵第一勘察設(shè)計集團有限公司于2013-08～2014-11對2號線有代表性的緯一街站、市圖書館站、鐘樓站的區(qū)間隧道、站臺隧道、公共區(qū)及活塞風(fēng)道和風(fēng)井出入口的空氣溫濕度進行了監(jiān)測。通過監(jiān)測更清晰地了解了地鐵各部分環(huán)境狀況，為其他地鐵環(huán)控設(shè)備選型和控制提供參考。

1測試方案

1.1測試儀器

測試選用具有溫度及相對濕度測量功能的testo175H1數(shù)據(jù)記錄儀。該儀器外形尺寸為149mm×53mm×27mm，可存儲高達1百萬組數(shù)據(jù)，電池壽命長達3a，可實現(xiàn)長時間連續(xù)監(jiān)測。溫度監(jiān)測范圍為-20～55 ℃，測量精度為±0.4 ℃，分辨率為0.1 ℃。電容式濕度傳感器的測量范圍為0～100%，測量精度為±2%，分辨率為0.1%。該儀器由尖端技術(shù)設(shè)計而成，具有最高級別的數(shù)據(jù)安全性以及測量可靠性。

1.2車站參數(shù)及測試方案

以緯一街站為研究對象，緯一街站是西安地鐵2號線第16座車站，南側(cè)為會展中心站，北側(cè)為小寨站，為明挖地下2層島式車站，車站全長179.6m，標準段寬度18.5m，有效站臺長度120m，島式站臺寬為10m。站廳層公共區(qū)面積1 297m2，站臺層公共區(qū)面積1 020m2。在車站南、北端地面上分設(shè)有1座區(qū)間隧道活塞機械風(fēng)亭，1座新風(fēng)亭和1座排風(fēng)亭。2號線列車為6節(jié)編組，車內(nèi)空調(diào)由列車頂部車載空調(diào)器提供。本站遠期2036年運營晚高峰小時客流量13 422人次/h。

測試過程中在緯一街站取18個測點布置儀器，分別在活塞風(fēng)井出口處、排熱風(fēng)機入口處、站臺隧道軌行區(qū)、區(qū)間隧道活塞風(fēng)孔附近、區(qū)間隧道中間聯(lián)絡(luò)通道處及站廳站臺公共區(qū)。測點具體布置情況如表1和圖1所示。儀器的采樣記錄周期為20min，從2013-08-03的0∶33∶44～2014-11-13的15∶13∶44不間斷地對測點溫度及相對濕度進行監(jiān)測。

2緯一街站公共區(qū)逐時熱負荷分析計算

配有屏蔽門系統(tǒng)的地鐵車站公共區(qū)空調(diào)負荷主要由以下幾部分組成：車站照明及設(shè)備負荷、人員負荷、壁面吸放熱所增減的負荷、出入口滲透負荷、新風(fēng)負荷、屏蔽門開啟時對流換熱與屏蔽門傳熱負荷等[5]。

在地鐵車站空調(diào)負荷計算中大都按照《地鐵設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定，即夏季空調(diào)室外空氣計算干球溫度采用近20a晚高峰負荷時平均不保證30h的干球溫度[6]，夏季空調(diào)室外空氣計算濕球溫度采用20a夏季晚高峰負荷時平均每年不保證30h的濕球溫度。目前地鐵設(shè)計中常以地鐵晚高峰客流和新風(fēng)參數(shù)作為車站設(shè)計空調(diào)負荷的基礎(chǔ)，即認為車站空調(diào)負荷最高點總出現(xiàn)在晚高峰。地鐵的新風(fēng)焓值常按規(guī)范中確定的固定數(shù)值取值，即按常量計算，并未考慮室外新風(fēng)及隧道內(nèi)空氣焓值的逐時變化。

表1　測點布置

注：圖中1，2，3和4為活塞風(fēng)孔。排熱風(fēng)道WT-TH2和4測點及區(qū)間隧道中間聯(lián)絡(luò)通道測點WT-TH11和12，15，16未在圖中標注。圖1　車站測點平面布置圖Fig.1 Plain layout of station gauging point

取測試中的2014-08-01～08-05為5個典型日進行車站公共區(qū)負荷計算分析，此過程中公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)正處在最小新風(fēng)工況運行，即新風(fēng)量按12.6m3/h·人計算，且空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量不小于總風(fēng)量的10%[7]。各項負荷計算如下。

2.1設(shè)備負荷

車站設(shè)備發(fā)熱量相對恒定，不隨季節(jié)、年度及客流量的變化而變化。根據(jù)各設(shè)備的負荷及設(shè)備效率可直接計算出車站設(shè)備發(fā)熱量[8]。

車站站廳和站臺照明密度為：13W/m2；垂直電梯：7kW/臺；自動扶梯：15kW/臺；廣告燈箱：30kW/站(站廳)，20kW/站(站臺)；自動檢票機：500W/臺。

2.2人員負荷

人員散熱有顯熱和潛熱兩種形式，其中潛熱量直接轉(zhuǎn)化為熱負荷，而顯熱量一部分以對流方式散發(fā)到室內(nèi)，計入瞬時冷負荷，另外一部分以輻射方式散發(fā)至室內(nèi)。

由于乘客在車站滯留的時間不同，這部分負荷實際是動態(tài)負荷，準確計算困難。上車時乘客從地面進入地鐵站廳、站臺候車、直至進入地鐵車廂，全過程大致需要3～5min，下車乘客經(jīng)車站站臺、站廳直至地面，約需3min。這一過程的平均時間與列車行車計劃相關(guān)，客流量確定之后還需考慮適當(dāng)?shù)娜杭禂?shù)[9]，車站人員散熱量計算如(1)式：

(1)

式中：q為站臺人員散熱指標，W/人；nmax為站臺高峰客流量，人/h；n′為群集系數(shù)，取0.9；m為客流密度系數(shù)，如表2[2，10]； T為每位乘客在公共區(qū)停留的時間，min。

人員散熱指標按輕度勞動人員計算，取182W/人。本站遠期2 036a運營晚高峰小時客流量13 422人次/h。乘客上車時在站廳停留3min，站臺停留2min，下車時站臺停留1.5min，站廳停留1.5min[11]。

2.3圍護結(jié)構(gòu)負荷

圍護結(jié)構(gòu)與空氣接觸面積很大，蓄熱能力很強。圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳熱過程是一個以1a為周期的緩慢的不穩(wěn)定傳熱過程，熱慣性非常大。當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)不斷被加熱升溫時，隧道內(nèi)并不覺得熱，而當(dāng)隧道內(nèi)感覺出過熱時，整個圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)己經(jīng)積蓄了大量的熱，不得不追加大量的財力物力，采取降溫措施，以維持系統(tǒng)正常運營。

對于配有屏蔽門系統(tǒng)的車站空調(diào)負荷而言，土壤傳熱所占的比例甚微，基本可以忽略不計[12]。

表2　各時刻的客流密度系數(shù)

2.4出入口滲透負荷

出入口滲透換熱量按面積指標進行概算[13]，取200W/m2。緯一街站共設(shè)有4個出口，每個出口尺寸寬×高為6.2m×2.5m。

2.5新風(fēng)負荷

計算公式如下：

Qh=ρV(iw-in)

(2)

式中：ρ為新風(fēng)密度，取1.29kg/m3；V為新風(fēng)量，m3/s；iw為室外空氣焓值，kJ/kg； in為室內(nèi)空氣焓值，kJ/kg。

其中新風(fēng)量為

V=12.6nmaxm

(3)

新風(fēng)量隨著客流變化而逐時變化[14]。

2.5.1室內(nèi)外空氣狀態(tài)及逐時焓差

測試中WY-TH01和WY-TH03測點測得車站左右兩端活塞風(fēng)井出口處的溫度和相對濕度。根據(jù)測試數(shù)據(jù)取2測點的均值作為室外空氣焓值的逐時變化值。室內(nèi)空氣狀態(tài)根據(jù)站廳公共區(qū)WY-TH17和站臺公共區(qū)WY-TH18測點確定。08-01～08-05室外空氣相對濕度變化如圖2(a)所示，車站公共區(qū)空氣相對濕度如圖2(b)所示，室內(nèi)外空氣逐時焓差如圖2(c)所示。

(a)室外空氣相對濕度；(b)車站公共區(qū)相對濕度(c)室內(nèi)外逐時焓差圖2　室外相對濕度及室內(nèi)外焓值Fig.2 Relative humidity and enthalpy difference of outdoor and indoor air

車站公共區(qū)空氣相對濕度及焓值變化幅度小，室內(nèi)空氣焓值隨著客流變化在62.92～67.56kJ/kg范圍內(nèi)波動。

從圖2可看出，緯一街站測試階段室外空氣焓值最高值出現(xiàn)在15∶00，為116.06kJ/kg，最小值出現(xiàn)在24∶00，為68.12kJ/kg，變化幅度大。另外，雖然晚高峰室外溫度高，但室外空氣相對濕度比早高峰低很多。根據(jù)測試，緯一街站晚高峰室外溫度比早高峰高7.38 ℃左右，在此基礎(chǔ)上08-01晚高峰室內(nèi)外焓差仍出現(xiàn)了小于早高峰的情況。在一些晝夜溫差小，晚高峰與早高峰室外溫度差異比西安小的城市，實際運營中其早高峰新風(fēng)負荷要高于晚高峰，如鄭晉麗[16]對上海地鐵的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)早高峰新風(fēng)負荷高于晚高峰。

2.6屏蔽門開啟時對流換熱量與傳熱量

隧道內(nèi)列車運行產(chǎn)熱、車廂冷凝器散熱及廣告牌等其他設(shè)備產(chǎn)熱使隧道溫度高于站臺，列車停站時屏蔽門開啟站內(nèi)與隧道冷熱空氣對流換熱。另外，通過屏蔽門傳熱也會使車站冷負荷增加。

屏蔽門開啟時對流換熱量計算公式[16]如下：

Qd=ρVd(ih-in)

(4)

式中：ρ為活塞風(fēng)密度，取1.29kg/m3；Vd為屏蔽門開啟對流風(fēng)量，按5～10m3/s估算其漏風(fēng)量；ih為隧道活塞風(fēng)焓值，kJ/kg； in為站臺區(qū)域空氣焓值，kJ/kg。

屏蔽門傳熱量計算如下：

Q=KFΔt

(5)

式中：K為屏蔽門傳熱系數(shù)，取14W/m2·K； F為屏蔽門面積，(屏蔽門高4m，長113m，共2排)； △t為隧道區(qū)與站臺區(qū)溫度差。

其中，WY-TH06測點位于站臺層下行線有效站臺中部軌行區(qū)，WY-TH08測點位于站臺層上行線有效站臺中部軌行區(qū)，2測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)可有效表征隧道活塞風(fēng)焓值逐時變化情況。

08-01～08-05站臺隧道內(nèi)空氣溫度逐時變化如圖3(a)所示，隧道內(nèi)空氣相對濕度逐時變化如圖3(b)，隧道內(nèi)空氣焓值逐時變化如圖3(c)所示。

站臺隧道環(huán)境相對封閉，隧道溫度及相對濕度變化較小，溫度在26.85～28.18 ℃范圍內(nèi)波動，相對濕度在72.75%～83.32%范圍內(nèi)波動，焓值在71～79.12kJ/kg范圍內(nèi)波動。

(a)站臺隧道溫度逐時變化；(b)站臺隧道內(nèi)相對濕度；(c)站臺隧道空氣焓值變化圖3　站臺隧道空氣溫度、相對濕度及焓值逐時變化Fig.3 Hourly change of station tunnel’s temperature, relative humidity and enthalpy

2.7緯一街站公共區(qū)空調(diào)逐時熱負荷

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，通過理論計算，緯一街站車站照明及設(shè)備負荷為112.12kW，出入口滲透負荷為12.4kW。兩者相對恒定，測試中不隨時間及客流量的變化而變化。人員負荷隨著客流量的變化逐時變化，在早高峰8∶00時達到最大值，為146.57kW。

以5個典型日的平均值來看，新風(fēng)負荷隨著室外和車站公共區(qū)焓值的變化而逐時變化，最大值為133.18kW。屏蔽門開啟時對流換熱負荷與屏蔽門傳熱負荷也隨列車運行及公共區(qū)焓值變化而逐時變化，最大值出現(xiàn)在10∶00，為126.54kW。

緯一街站公共區(qū)空調(diào)負荷組成如圖4所示，負荷逐時變化情況如表3所示。

從表3可知，公共區(qū)空調(diào)負荷最大值出現(xiàn)在早高峰8∶00，為504.8kW，而晚高峰18∶00相對較小，為477.9kW。由此可知，在車站公共區(qū)空調(diào)負荷計算得過程中，僅以晚高峰負荷為計算依據(jù)有些偏頗，需要結(jié)合早高峰及晚高峰負荷綜合考慮。

圖4　負荷分布圖Fig.4 Distribution map of load

Table 3 Hourly air-conditioning load of the public zone of Wei Street StationkW

3結(jié)論

1)地鐵車站公共區(qū)空調(diào)負荷中的照明及設(shè)備負荷、出入口滲透負荷實時變化較小，而人員負荷、新風(fēng)負荷、屏蔽門開啟時對流換熱與屏蔽門傳熱負荷則隨著列車行車對數(shù)、客流量的變化而逐時變化，波動較大。

2)雖然早高峰室外溫度低但空氣相對濕度大，在所測地早晚高峰溫差達7.38℃的情況下仍出現(xiàn)08-01早高峰8∶00室外空氣焓值比晚高峰19∶00高3.05kJ/kg。在早晚高峰溫度差異小的城市，實際運營中早高峰負荷高于晚高峰。

3)公共區(qū)空調(diào)負荷中人員負荷和新風(fēng)負荷如圖4中所示所占比例最大。近年一些地方調(diào)研表明地鐵車站客流峰值大都出現(xiàn)在早高峰，與早高峰新風(fēng)負荷疊加后，實際中全日高峰負荷一般出現(xiàn)在早高峰，在設(shè)計中公共區(qū)空調(diào)負荷計算時應(yīng)同時考慮早晚高峰負荷值。

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* 收稿日期：2015-09-15

通訊作者：趙蕾(1971-)，女，陜西西安人，教授，從事地鐵活塞風(fēng)研究；E-mail：1021248669@qq.com

中圖分類號：TU834

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)06-1206-06

Field measurement of Xi’an Metro station environment andanalysis of air conditioning load for the public zone

QI Jianghao1，ZHAO Lei1，WANG Jun2，LI Dehui3，GUO Yongzhen3，DENG Baoshun3

(1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’an710055,China；2.ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.，Ltd,Wuhan430063,China；3.ChinaRailwayFirstSurver&DesignInstituteGroupCo.，Ltd,Xi’an710043,China)

Abstract:According to the monitoring data of temp rature and relative humidity of Xi’an Metro line 2 Wei Street Station ( i.e. public zone, station tunnel, piston shaft, heat exhaust duct and externalair), the load of air-conditioning and theoretical analysis are calculated. This paper reveals the hourly change rule of the public zone air-conditioning load,and put forward some suggestions. We calculate the public zone air-conditioning load according to the regulations in design specification,based on evening peak get the constant value.In reality,morning peak’s passenger flow is bigger and the air relative humidity is higher. Then the load of morning peak and evening should be rationally considered in the calculation of public zone air-conditioning load.

Key words:Xi’an Metro Line 2; field measurement; morning peak; evening peak; hourly air-conditioning load