地鐵隧道通風系統運行策略優化與實測研究

宋立 車輪飛 劉斌臣 劉俊 徐新華 王飛飛

1 武漢地鐵集團運營有限公司

2 中鐵第四勘察設計院集團有限公司

3 華中科技大學建筑環境與能源應用工程系

0 引言

隨著我國城鎮化的推進，城市交通壓力越來越大，地鐵已成為公共交通的重要方式。同時，地鐵的能耗也十分巨大的。通風系統的能耗約占軌道交通系統總能耗的30%～40%[1-3]。此外，地鐵的通風系統設計普遍以遠期規劃為選型依據，實際運行時能耗有較大的節能空間近十年，國內很多研究機構及學者對地鐵隧道區間的通風系統進行了研究。楊波力[4]等對地鐵區間隧道進行了測量，可知外界大氣溫度直接影響區間隧道溫度，且運行時間的增加導致區間隧道熱堆積加劇，使得區間隧道環境溫度逐年升高。王峰、雷波等[5]人根據客流分布、列車運行模式等特點，對地鐵隧道內不同節能措施進行模擬計算，得出地鐵運營初期或近期關閉軌道排熱風井，隧道內最高平均溫度可滿足規范要求。張鵬[6]采用模擬軟件對不同運營時期、多種風量工況下地鐵的熱環境進行逐時模擬分析，結合換氣量與降溫效果需求提出了車站隧道的排風量應取40 m3/s 左右。賀杜[7]研究了通風系統調節的傳統控制、風機調速的變頻控制及變頻調速在隧道通風中的應用。羅輝、王靜偉[8]等人提出的根據列車運行對數結合隧道內溫度作為判斷條件調整隧道風機運行臺數的節能運行模式，配置變頻風機，根據行車對數及隧道內溫度來控制風機的運行頻率可以進一步達到節能運行的目的。

減少風機運行時間等策略對隧道內環境質量參數和能耗的影響相關的研究較少，值得開展進一步研究。基于此，本文通過實測的方法研究了車站隧道內空氣質量參數，如溫度、濕度、CO2濃度、顆粒物濃度等隨時間和隧道風機的運行策略的變化。本文進一步提出了兩種優化的節能運行模式。

1 某車站區間隧道通風系統的簡介及環境現狀

1.1 某車站的隧道通風系統及既有運行策略

本文以武漢軌道交通二號線某車站為研究對象。根據調研與測試，該站設置了4 臺隧道風機，每臺功率為58.4 kW，風量為65.8 m3/s。此外，隧道風機未配備變頻控制裝置。當前的隧道風機按照時間表自動運行，其運行策略為，每天早晚各通風一次，時間分別為半小時，即0:00-0:30 和4:00-4:30，其余時間風機關閉。

1.2 車站區間隧道內環境質量現狀

1.2.1 測試方法及儀器

為獲取該車站隧道及相鄰區間隧道內的空氣環境參數，在車站及下行區間隧道內布置了5 個溫濕度傳感器（±0.5 ℃；±5%RH）、1 臺CO2測量儀（精度：溫度±0.6 ℃；CO2±50 ppm）、1 臺顆粒物測試儀（±5%）。測量時間為夏季（6 月），各測試儀器測量時間間隔為30 秒，連續測量48 小時，測點分布如圖1 所示。

圖1 某車站相鄰區間隧道測點布置

1.2.2 區間隧道內環境質量現狀

采用前述測試方法獲得了隧道內連續兩天的環境空氣參數，包括溫濕度、PM2.5 濃度、顆粒物濃度等，具體結果如后文所示。圖2 表示該站的下行區間及車站隧道內的溫濕度、濃度、顆粒物隨時間的變化。規范[9]規定，在夏季列車車廂設置空調、車站設置全封閉站臺門時，區間隧道內溫度不得高于40 ℃、相對濕度不超過70%、CO2日平均濃度應小于1500 ppm、地下車站公共區域空氣中可吸入顆粒物（PM2.5、PM10）的日平均濃度應小于250 μg/m3。綜上所述，區間隧道內溫濕度、CO2濃度、PM 均在規范要求之內，有一定的節能空間。因此，可對隧道風機運行策略采取一定的手段進行控制，達到節能目的。

圖2 某車站的車站、區間隧道內空氣質量參數隨時間的變化

2 隧道風機運行策略節能潛力分析及驗證

2.1 隧道風機節能運行策略

根據區間隧道內的空氣質量參數的實測數據研究分析，可知在既有隧道風機運行策略下，熱濕環境、CO2濃度、顆粒物濃度都在規范[7]要求的范圍內，并且距離限值較遠。因此，可對隧道風機系統的既有運行策略進行優化以節能。基于此，本節提出如下三種隧道風機系統的運行策略：①晚間1:00-1:30 及早間4:00-4:15 開啟；②晚間1:00-1:30 不開，早間4:00-4:30開啟；③晚間1:00-1:30 開啟，早間4:00-4:30 不開。按照上述測試方法對所提策略進行了連續4 天的驗證測試。其中，第1 天按照策略①進行；第2 天按照既有運行策略進行，作為對比；第3 天按照策略②進行；第4天按照策略③進行。

2.2 驗證性測試結果及分析

圖3 表示在不同的運行策略下，該站的下行區間及車站隧道內的溫濕度、CO2濃度、顆粒物隨時間的變化。圖3（a）、（b）所示，車站隧道溫度維持在25.5-25.9 ℃、下行區間隧道內空氣的溫度較為穩定，且維持在24.9～25.4 ℃，基本不受隧道長度的影響。經對比知，車站隧道內空氣的溫度高于區間隧道內空氣的溫度。區間隧道內空氣的相對濕度總體維持在92%～100%之間；車站隧道內空氣的相對濕度總體維持在87%～100%之間。從圖3（c）可以看到，在所提出的三種運行策略下，CO2濃度變化趨勢與既有策略下的變化一致。具體而言，列車運行時，CO2濃度較高，且在早晚高峰期達到峰值，列車停運后，CO2濃度逐漸降低。在列車運行時段內，CO2濃度介于500～680 ppm。在各種運行的策略下，CO2濃度值均遠低于規范[9]規定的CO2濃度上限（1500 ppm）。由此可見，隧道內CO2濃度雖存在一定的波動，隧道風機系統的運行策略變化對隧道內CO2濃度變化的影響有限。從圖3（d）可知，列車運營期間的PM2.5 顆粒物的濃度水平很低，基本保持在15 μg/m3以下。PM10 顆粒物濃度在50～80 μg/m3之間波動，與既有運行策略下的顆粒物濃度水平基本一致。此外，在策略①、②情形下，在夜間地鐵停運后，顆粒物濃度峰值較高，最高達到了150 μg/m3，而在其他策略驗證情形（既有策略、策略③）下，這種情況并沒有出現。這可能與測試當日中區間隧道內的維修保養狀況有關，隧道內存在檢修施工。

圖3 不同運行策略下車站及隧道區間內的空氣質量參數

總體而言，不同的運行策略對隧道內溫濕度、CO2、顆粒物的影響不明顯，且都符合規范[9]要求。因此，理論上前述所提策略可行，同時由于風機運行時間減少了，顯然可使風機能耗降低。

2.3 隧道通風系統的優化運行策略下節能潛力分析

在既有隧道通風模式下，隧道風機每天工作2次，運行頻率固定為50 Hz。根據前述在既有和改善性策略的測試結果，不同策略下的隧道內空氣質量狀況良好，能滿足規范要求。因此，隧道風機系統可進行優化以節能。本節主要分析可行的運行策略的節能潛力。由于夜間地鐵停運后，隧道內有維修人員，需維持的良好工作環境，這要求隧道風機夜間應運行。因此，在實際運行過程中，可按照前述所提的運行策略①、③控制隧道通風系統。

表1 某站隧道風機年能耗分析表

3 總結

本文通過調研、實測等方法對武漢地鐵2 號線某站隧道風機運行參數和隧道內環境參數的變化特性進行了研究。同時，本文比較了通風系統的既有運行策略及改善性的運行策略對隧道內空氣質量參數的影響，具體結論如下：

1）在隧道通風系統既有運行模式下，隧道內空氣溫度在25～28 ℃、相對濕度在55%～70%、CO2濃度在400～550 ppm。PM2.5 濃度在10 μm/m3以下、PM10 濃度在10～240 μg/m3，均在地鐵設計規范規定范圍內。

2）在三種改善性運行策略（①晚間通風半小時、早間通風15 分鐘，②晚間不通風、早間通風半小時，③晚上通風半小時、早間不通風）下，區間隧道內溫度、相對濕度、CO2濃度的范圍為25～26 ℃、87%～100%和450～650 ppm；PM2.5 濃度在15 μg/m3以下，PM10 濃度在50～80 μg/m3之間，且都符合規范[7]要求。由此可見，減少隧道風機運行時間或次數對隧道內溫濕度、CO2、顆粒物影響不大。從環境質量角度出發，前述所提策略可行，同時可減少風機運行時間、降低其能耗。

3）結合夜間檢修的環境需求，本文推薦策略①、③作為的隧道風機的運行策略。相比于既有風機運行策略，當采用這兩種節能策略時，所研究的地鐵站隧道風機的年能耗理論上可分別下降25%、50%。同時，這兩種節能策略亦適用于類似車站。