商業(yè)建筑和地鐵連通道氣流節(jié)能控制研究

摘? 要：該文針對地鐵與商業(yè)建筑通道氣流往復流動導致空調能耗過高的問題，開發(fā)了一種地鐵上蓋建筑連通道氣流節(jié)能控制系統(tǒng)（BSAFT），并獲得了發(fā)明專利授權。該文對該系統(tǒng)的性能進行了理論分析和類比實驗。分析和實驗結果表明，BSAFT系統(tǒng)節(jié)能效果好、智能化程度高，在保證地鐵客流高峰期人員的安全通行的情況下可以顯著降低地鐵上蓋商業(yè)建筑空調系統(tǒng)能耗，營造高舒適度的室內環(huán)境。

關鍵詞：地鐵;商業(yè)建筑;連通道;智能控制

中圖分類號：U231? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 前言

隨著國家領導人在巴黎氣候大會上的莊嚴承諾，我國建筑節(jié)能領域迎來了新的發(fā)展契機，大量的地鐵上蓋商業(yè)建筑參照LEED、BREEAM或我國綠色建筑星級評定標準進行設計和建造，取得了很好的經濟效益、環(huán)境效益和社會效益。以中鐵建設開發(fā)、設計、建造并運營的蘋果園地鐵交通樞紐商務區(qū)J地塊——中國鐵建耀中心項目為例，該項目在立面效果、節(jié)能環(huán)保和物業(yè)運營等方面已成為局部標志性建筑。然而，由于直接與地鐵連通，地鐵上蓋商業(yè)建筑也存在著設計建造難度大、易受地鐵振動影響和能耗較大等問題。在消除地鐵振動影響方面已有大量相關研究，并提出了改變結構自振頻率避免共振等許多行之有效的方案。但是，在控制地鐵連通道泄露室內冷熱風、降低地鐵上蓋商業(yè)建筑空調能耗方面，鮮有研究。該文提出了一種地鐵上蓋建筑連通道氣流節(jié)能控制系統(tǒng)（BSAFT），并對其進行理論分析和類比實驗，以證實其節(jié)能效果和應用價值。

1 地鐵上蓋建筑連通道氣流節(jié)能控制系統(tǒng)（BSAFT）

當前，新型地鐵列車經過CFD模擬輔助設計，風阻性能優(yōu)異，且現代地鐵系統(tǒng)的阻塞比和通風系統(tǒng)也經過優(yōu)化設計，大部分地鐵線路都安裝了屏蔽門，地鐵活塞風現象得到一定程度的緩解。然而，新型列車運行的速度和進出站頻次也大大提高，屏蔽門頂與站臺頂之間也留有通風空間以北京地鐵10號線為例，地鐵站臺空間的活塞風效應仍然對地鐵站臺和與其連通的地鐵上蓋商業(yè)建筑的空調舒適度和能耗產生顯著影響。列車進站的活塞效應造成地鐵站內處于正壓狀態(tài)，隧道內和地鐵站內的氣流會通過連通道進入地鐵上蓋建筑。反之，列車出站活塞效應會造成地鐵站內處于負壓狀態(tài)，地鐵上蓋建筑內的氣流會通過連通道泄漏入地鐵站內。而在人流密度大的各大城市，地鐵雙向進出站最小間隔可達45 s。與地鐵相通的地鐵上蓋建筑會隨著列車的進出站頻繁受到氣流往復干擾，導致2個問題。1）地鐵上蓋建筑連通道附近黃金商業(yè)區(qū)域的空調效果無法保證，過冷或過熱的高速氣流往復擾動，降低了室內舒適度，嚴重影響了商業(yè)區(qū)的環(huán)境舒適度。2）大量地鐵上蓋建筑內的空調冷量或熱量流失，造成地鐵上蓋商業(yè)建筑空調系統(tǒng)能耗過高。針對這種情況，筆者開發(fā)了一種地鐵上蓋建筑連通道氣流節(jié)能控制系統(tǒng)（BSAFT）并獲得了發(fā)明專利授權。

如圖1所示，BSAFT包括電動伸縮門、風幕機、變頻控制器、卷簾門、風速風向風溫測量儀、系統(tǒng)控制器和壓力傳感地墊等7個主要部件。BSAFT系統(tǒng)在地鐵上蓋建筑與地鐵的連通道處安裝，智能開閉電動伸縮門和風幕機，減少空調能量損耗，顯著改變了臨近區(qū)域的環(huán)境溫度。由于地鐵出站、進站在上下班高峰期存在瞬間高峰人流，為避免電動伸縮門關閉時間與人流高峰時間重合，該系統(tǒng)設有壓力傳感地墊測量通過的人員密集度，當通過的人員密集度符合高峰期標準時，系統(tǒng)控制器發(fā)出指令開啟電動伸縮門，優(yōu)先保證人員安全、快速通行。

BSAFT系統(tǒng)可顯著減少地鐵上蓋建筑物由于地鐵通道氣流損耗的空調冷量或熱量，保證地鐵連通道附近黃金商業(yè)區(qū)域的空調效果，并通過間歇和變頻運行減少風幕機的運行能耗。系統(tǒng)節(jié)能效果好，智能化程度高，在保證地鐵客流高峰期人員的安全通行的情況下可顯著減少空調系統(tǒng)能耗，并營造高舒適度的室內環(huán)境。

2 BSAFT系統(tǒng)節(jié)能理論分析

根據空調系統(tǒng)供冷工況下熱力學效率公式（1）和能源損失公式（2）可見，空調區(qū)的室內溫度tn、送風溫度ts和末端送風系統(tǒng)的耗功率W直接影響空調房間空調的效率。供冷工況下，減少送風溫差的同時降低空調末端風機能耗，空調效率提高，能源損失減少。

（1）

（2）

式（1）、（2）中，η為供冷熱力學效率，Q1為空調系統(tǒng)冷負荷 （kW），Qs為空氣處理機組冷負荷 （kW），tdn為室內等效平均溫度（℃），tds為送風等效平均溫度（℃），to為室外設計溫度（℃），W為末端設備功率（kW），△E為能量損耗。

如公式（3）所示，通過表冷器處理的空調系統(tǒng)送風溫度直接受室內溫度即進風溫度的影響。在不考慮往復氣流對室內熱舒適產生的影響的情況下，室內空調系統(tǒng)的效率可以通過監(jiān)測室內溫度、送風溫度等參數進行評估。對于風機盤管和空氣處理機組，獲得室內溫度和送風溫度的關系需先計算接觸系數ε2。

（3）

式中：A為換熱面積（m2），Ay為迎風面積（m2），Vy為迎面風速（m/s），ρ為空氣密度（kg/m3），hw為表面?zhèn)鳠嵯禂担╓/m2·K），Cp為空氣比熱容（kJ/kg·K）。

（4）

式中：tn、tsn分別為室內平均干濕球溫度（℃），ts、tss分別為送風平均干濕球溫度（℃）。

在夏季地鐵運營高峰期，由于室外氣溫較高，地鐵隧道引入的室外風溫度高，地鐵站臺人員密集且存在燈光發(fā)熱情況，地鐵站臺的氣溫一般高于與其連通的地鐵上蓋商業(yè)建筑。通過地鐵通道侵入上蓋物業(yè)的氣流會顯著提高連通道附近區(qū)域的空氣溫度。而安裝于連通道附近區(qū)域的室內末端，例如風機盤管，在同樣風量下室內溫度即盤管進風溫度提高時，風機能耗不變，但由于氣流與冷凍水的換熱溫差增大，所以制冷量增大，且送風溫差加大，根據以上各式可以得出，此時空調房間的能源利用效率降低。而增設BSAFT系統(tǒng)后，將顯著減少高溫站臺空氣在隧道風的驅動下進入建筑物的情況，降低連通道附近區(qū)域的空氣溫度，使其接近地鐵上蓋商業(yè)建筑空調區(qū)的設計溫度，從而實現節(jié)能效果。

3 實驗研究

基于評估分析BSAFT系統(tǒng)在節(jié)約空調能耗方面的效果的目的，筆者將一個區(qū)域的建筑作為研究對象，利用普通感應開閉門對位于連通道旁的房間的空調能耗進行了測量和分析，以評估BSAFT系統(tǒng)的性能和使用效果。由于7月份一般為每年最熱的月份，選擇7月份為典型月進行試驗研究。此外，根據空調系統(tǒng)負荷模擬計算的結果，地鐵連通道附近區(qū)域的空調負荷極大值一般出現在下午，但該時段并非地鐵通行的高峰時段。所以，本研究選擇了負荷較高且地鐵發(fā)車頻次密集、人流量大的晚高峰時段進行研究。

圖2是典型月晚高峰時段地鐵連通道附近區(qū)域的空調累計耗冷量的測量結果。由于新風機組冷凍水單獨供給和計量，且地鐵連通道附近區(qū)域新風需求不穩(wěn)定，實驗主要針對連通道附近區(qū)域的室內末端系統(tǒng)的供冷量使用冷量計量表進行測量與記錄。由圖2可見，未安裝BSAFT系統(tǒng)區(qū)域的日累計空調耗冷量波動較大，與室外溫度變化呈正相關性。而設有BSAFT系統(tǒng)的區(qū)域日累計耗冷量相對穩(wěn)定，波動較小，與室外溫度的相關性較低。日累計耗冷量明顯少于未設BSAFT系統(tǒng)的區(qū)域，平均減少約30%。

以上均是針對屏蔽門未完全封閉、夏季炎熱、室內外氣溫較高地區(qū)的地鐵站（地鐵站臺夏季溫度過高可能由各種原因導致，例如隧道風量太大影響空調效果、未設站臺空調或站臺空調系統(tǒng)為省電未滿負荷開啟）的情況進行的分析。此外，我們需要注意到，地下冬暖夏涼，尤其在深度達10 m，甚至10 m以上的地鐵隧道所在深度，地下土壤溫度在夏季（供冷季）可能低于18 ℃。考慮地域、隧道埋深、車輛、設備、站臺人員及照明散熱等情況，在夏季室外氣溫不高、地鐵發(fā)車頻率低的地區(qū)，設有空調供冷的地鐵站地鐵隧道活塞風到達連通道時的溫度可能會保持26 ℃以下，即地鐵上蓋建筑室內空調溫度。且對于沒有設空調供冷的地鐵站，地鐵隧道活塞風到達連通道時的溫度在人流高峰期可能大于26 ℃，在人流少、發(fā)車間隔大的低谷時段有可能低于26 ℃。也就是說，通過連通道進入地鐵上蓋建筑的氣流溫度在不同地區(qū)、同一地區(qū)的不同站、同一站的不同運行時段，在多參數影響下存在波動，不能單純認為連通道氣流溫度高于建筑物室內溫度，提高了建筑能耗。在夏季連通道氣流溫度低于上蓋建筑室內空調溫度時，連通道氣流的進入反而會降低建筑能耗。冬季供暖工況可以進行類似分析。

針對這種情況，BSAFT系統(tǒng)采用多種傳感器檢測氣流的溫度和流向，通過智能控制器對系統(tǒng)進行合理控制，對連通道氣流去弊存利。以夏季工況為例，忽略風速對舒適度影響的情況下，具體控制策略如下。1）BSAFT的風速風向風溫測量儀如果測量到低于26 ℃的氣流通過連通道進入地鐵上蓋建筑，就保持電動伸縮門開啟的狀態(tài)，發(fā)出指令關閉風幕機（例如地鐵運營單位也有防止地鐵內冷風泄露的要求，該項控制要求可根據地鐵運營單位要求更改）。2）BSAFT的風速風向風溫測量儀如果測量到高于26℃的氣流通過連通道進入地鐵上蓋建筑，就關閉電動伸縮門，發(fā)出指令開啟風幕機。風幕機運行的頻率根據通過的風速大小由系統(tǒng)控制器根據預設的控制程序確定。3）當通過的人員密集度符合高峰期標準時，在風幕控制寬度保持開啟的同時，系統(tǒng)控制器發(fā)出指令開啟電動伸縮門，優(yōu)先保證人員安全、快速的通行。4）為避免列車雙向頻繁到站導致氣流頻繁波動而導致BSAFT在沒有形成穩(wěn)定氣流的情況下頻繁動作，在BSAFT系統(tǒng)控制器中可預設延時動作程序，例如可設定風幕機延時20 s重新測量確認參數后再動作，電動伸縮門延時10 s重新測量確認參數后再動作。BSAFT系統(tǒng)控制器具有可編程設定功能，具體的設定也可以根據不同地域、不同地鐵站和不同上蓋物業(yè)的情況在現場因地制宜、靈活設定。

5 結論

通過BSAFT系統(tǒng)的理論分析和實驗研究，證明該研究提出的BSAFT系統(tǒng)可以應對各種情況，智能化程度高、控制策略科學合理、節(jié)能效果好，顯著提升了臨近區(qū)域的舒適度。BSAFT可以在現有的地鐵上蓋建筑與地鐵的聯通道加裝，可以不增加大型設備、不對地鐵站和上蓋建筑通風系統(tǒng)進行改動，適用性廣，除了可以在新建建筑安裝BSAFT外，也可以針對現有建筑進行改造升級。BSAFT系統(tǒng)目前已獲發(fā)明專利授權。此外，BSAFT雖是針對氣流情況比較復雜的地鐵上蓋商業(yè)建筑與地鐵的連通道設計，但還可以用在氣流情況相對比較簡單的大型商業(yè)建筑與室外、地下車庫或CBD地下車行隧道或綜合的連通口處，作為建筑物自然通風或復合式通風系統(tǒng)的可選智慧組件，具有廣泛的應用價值。

參考文獻

[1]董霜，朱元清.地鐵振動環(huán)境及對建筑影響的研究概況[J].噪聲與振動控制，2004，24（2）：1-4.

[2]王寬.一種地鐵上蓋建筑連通道氣流節(jié)能控制系統(tǒng)：201310452052.8[P].2017-01-04.

[3]王寬.基于次日能耗模擬的冰蓄冷運行策略研究[J].鐵道建筑技術，2015（12）：94-98.

[4]戎衛(wèi)國，李永安，張建明.空調系統(tǒng)熱力學分析與節(jié)能[C]//全國暖通空調制冷2006年學術年會論文集，2006：14-17.