上部開閉式站臺門系統在青島地鐵的應用研究

楊子嘯

（中鐵二院工程集團有限責任公司 成都 610031）

0 前言

對于地鐵通風空調系統，以地鐵站臺與隧道之間有無站臺門隔離而分為“屏蔽門系統”和“閉式系統”，在國內地鐵通風空調系統的實際應用中，其地域特征非常明顯，“南屏北閉”的系統模式，成為國內地鐵界實際應用的典型代表。對于眾多處于過渡地帶的地區城市，既無典型的地域氣象特征，也無代表性的系統模式。在閉式系統中，站臺與隧道沒有實質性分隔，在夏季空調季依靠列車行駛的活塞風將車站冷量帶入區間，從而使得空調設備容量、機房面積、風亭規模、相配套的電氣設備容量增大，在乘客舒適度、噪聲和空氣品質等方面較屏蔽門系統差，閉式系統多用于當地最熱月平均溫度大于25℃，高峰時間每小時列車運行對數和每列車車輛數乘積高于180 的地鐵系統[1]。應用工程有青島地鐵3 號線[2]、北京地鐵四、五、九、十號線[3]等；而屏蔽門系統的站臺與隧道有全封閉站臺門作為實質性分隔，使車站與區間成為相對獨立的區域，在非空調季不能利用隧道列車的運動活塞效應將外界冷空氣引入站臺和隧道，應用工程包括成都地鐵一號線[4]、廣州地鐵八號線[5]等。因此在地鐵方案設計中，通過全面的技術經濟比較是實際工程中亟待解決的問題。青島地處山東半島東南部，南臨黃海，具有空調季較短、通風季較長的氣候特點。針對青島的固有地域氣候特性，考慮了閉式系統和屏蔽門系統的技術優勢，本文對青島地區的麥島站、海游路站、華樓山路站實施了創新節能的上部開閉式站臺門系統，該方案對大部分處于過渡地帶的城市地鐵具有廣泛的適應性。

地鐵環控系統需要大量的用電負荷，據統計，地鐵空調的用電量一般相當于整個地鐵運營系統用電量的40%-50%[6]。在地鐵站能耗分析的相關研究中，研究方法一般包括現場實測[7,8]和仿真分析[9,10]。邊志美[11]以上海地鐵為例，通過調研得到地鐵運行線路車站環境控制系統的負荷特性和能耗狀況，對開式系統、閉式系統和屏蔽門系統的高峰負荷、逐時負荷特性以及環控能耗進行了定量比較。付強[12]等人對重慶地鐵6 號線車站建立能耗模型，采用Energyplus 軟件模擬定風量與變風量空調系統的全年能耗情況。在地鐵站空調系統的能耗問題的研究背景下，本研究分別從仿真和現場測試兩個角度分析上部開閉式站臺門系統的節能效果。

1 系統概述

上部開閉式站臺門系統（后文簡稱為復合式系統）是將車站站臺門上方約500mm 與隧道相通的斷面做成可以啟閉的通風窗，其形式如圖1 所示。復合式系統的配置與屏蔽門系統完全一致，包括：隧道通風系統、車站公共區通風空調系統、車站設備及管理用房通風空調系統、空調水系統。在夏季空調運行期，通過控制固定門上的風閥，關閉通風窗，使隧道與站臺空間相互分離，采用屏蔽門系統模式，實現夏季空調的節能。而在其他非空調季節開啟通風窗，充分利用隧道列車運動活塞效應將室外冷空氣引入站臺和隧道，強化通風節能效果，實現非空調季節閉式系統的優勢。

圖1 海游路站上部開閉式站臺門系統Fig.1 Upper open and close platform door system of Haiyou Road Station

復合式系統兼具屏蔽門系統和閉式系統的優點，設備配置及土建規模按屏蔽門系統的小負荷方式進行設計，在空調季節按屏蔽門系統節能運行方式運行、非空調季節按閉式系統節能運行方式運行。相對于閉式系統，車站空調冷負荷僅為閉式系統的1/2～1/3，相應的空調設備容量、空調機房面積、給通風空調配用的電氣設備容量顯著減小，減少土建及設備初投資約120 萬元/站，在公共區環境噪聲、空氣品質和乘客舒適度等方面均顯著優于閉式系統。相對于屏蔽門系統，由于該系統對土建的要求及設備配置同屏蔽門系統一致，因而其土建及設備初投資同屏蔽門系統一樣，優勢在于在非空調季節運行時更加節能。

2 模型建立

本文選取青島地鐵2 號線相鄰三個標準站臺建立SES 模型，假設三個站臺的人流密度、發車對數、區間隧道長度完全一樣。圖2、圖3 和圖4分別為閉式系統、屏蔽門系統和復合式系統的SES網絡節點圖。

圖2 閉式系統SES 平面節點圖Fig.2 SES plan node diagram of closed system

圖3 屏蔽門系統SES 平面節點圖Fig.3 SES plan node diagram of platform screen doors system

圖4 復合式系統SES 平面節點圖Fig.4 SES plan node diagram of composite system

2.1 阻力系數的確定

由于SES 一維模型計算時首先需要輸入各類阻力系數，SES 雖然給出了阻力系數確定的方法，為驗證阻力系數合理性，采用FLUENT 軟件對三個標準站臺（含2 個區間）閉式系統進行了數值模擬，幾何模型如圖5 所示。其中閉式模型車站長寬高分別為120m、19m、3.5m，閉式系統模型安全門高度1.5m。閉式系統的網格總數約為1133302。閉式系統的邊界條件設置如下：

圖5 系統三維模型Fig.5 System 3D model

（a）邊界性質：速度進口、壓力出口、排氣扇。

（b）列車運動過程：減速、停車及加速。加、減速過程通過動網格模型和導入的UDF 程序實現。

（c）動網格采用光滑和自動重畫兩種模型。

（d）熱量分布：根據列車的運動規律，車底部散熱量按加速、減速分布，空調冷凝器熱量在車頂部均勻散發。

（e）時間步長：0.001。

室外氣象參數采用標準年7 月28 日的逐時參數，采用PISO 算法，采用二階迎風格式迭代。

采用兩種方式確定阻力系數：（1）單一的三維局部阻力的模型，對流體不同流速下的流場進行三維模擬。（2）站臺和隧道的三維模型，根據流量比相等的原則來確定各阻力系數。得到活塞風井的阻力系數如圖6 所示。

圖6 活塞風井的阻力系數Fig.6 Resistance coefficient of piston air shaft

2.2 屏蔽門漏風量

屏蔽門空調系統的負荷主要是由人員和燈光設備的負荷構成，由于列車停站后，屏蔽門開啟，站臺和隧道的空氣狀態不同，隧道氣流會經過屏蔽門進出站臺，影響站臺的空調負荷。因此，通過三維模擬獲得列車停站后屏蔽門開啟和關閉期間隧道和站臺間的漏風量。根據FLUENT 模擬結果，隧道空氣進入站臺的流量單側為2.31m3/s，車站進入站臺的空氣流量單側為8.47m3/s。每側列車進站屏蔽門的平均漏風量約為6.16m3/s。

2.3 空調系統得熱量

（1）客流預測分為早高峰、晚高峰和平均客流預測。青島2 號線有多個站臺，各個站臺的客流數量不等，通過簡化模型，引入標準車站的概念，對2 號線沿線各車站進行平均標準車站的人數預測，結果如下：

晚高峰車站人數：5739 人/h；

早高峰車站人數：6182 人/h；

人體顯熱：52W/人；

人體潛熱：129W/人。

（2）照明及其他機械設備散熱

照明：20W/m2；

進/出閘機：550W/臺×20 臺；自動售票機：700W/臺×8 臺；

驗票機：300W/臺×2 臺；票房售票機：400W/臺×4 臺；

電梯：電機及變頻器散熱率為5kW；

通信設備：站廳、站臺總散熱量各為2.5kW。

3 結果與討論

3.1 空調期和通風期確定

地鐵站通風空調系統設備運行持續時間越長，用電量越大，其年度空調期的確定是影響設計方案能耗的核心要素。相對于空調期的概念，通風空調系統的全年非空調時段皆視為通風期，利用SES模擬計算結果，確定青島地鐵不同通風空調制式的空調期和通風期。

空調期模擬參數選擇如下：

（1）空調季站臺設計溫度28℃，相對濕度65%；

（2）壁溫：28℃；

（3）空調季送風狀態點干球溫度19℃，濕球溫度18℃。

以復合式為例，其通風空調設置等同于屏蔽門系統，送風參數以送風量30m3/s，回風量18m3/s，排熱風量90m3/s 為基準，采用全新風運行，當車站內平均溫度高于通風設計溫度30℃時，則該溫度對應的時間即為空調開、關的日期。因此空調期為7 月19 日～8 月28 日，共計41 天。當車站設計溫度為26℃，室外氣象參數為20.0℃時，車站內的平均溫度值為25.9℃。根據標準年青島晚高峰（17 點）室外氣溫為20.0℃的日期為5 月19 日和10 月10 日。則送、回、排熱風機開啟的時間段為5 月19 日～7 月18 日及8 月29 日～10 月10 日（7月19 日～8 月28 日為空調期），共104 天。當車站設計溫度為18℃，室外氣象參數為8.9℃時，經模擬車站內的平均溫度值為18℃。根據標準年青島晚高峰（17 點）室外氣溫為8.9℃的日期為3 月28日和11 月25 日。送風機關閉、排熱風機開啟的時間段為3 月28 日～5 月18 日及10 月11 日～11 月25 日，共98 天。其余時間為不開啟風機的時間，共122 天。表1，表2，表3 分別給出了閉式系統、屏蔽門系統和復合式系統的空調期和通風期。

表1 閉式系統空調期、通風期Table 1 Air-conditioning period and ventilation period of closed system

表2 屏蔽門系統空調期、通風期Table 2 Air-conditioning period and ventilation period of platform screen doors system

表3 復合式系統空調期、通風期Table 3 Air-conditioning period and ventilation period of composite system

3.2 系統能耗分析

根據SES 模擬結果，不同系統的逐日能耗由圖7 給出。容易看出，對于不同模式而言，空調期的單日能耗閉式系統最高，復合式系統與屏蔽門系統相同。復合式系統與屏蔽門系統相比，由于復合式系統設備配置與其完全相同，夏季空調期部分重合；不同的是，復合式系統有條件開啟通風窗，利用隧道列車運動的活塞通風效果，從而縮短了空調期。

圖7 不同系統模式逐日能耗Fig.7 Daily energy consumption of different system modes

閉式系統、屏蔽門系統和復合式空調系統通風能耗、空調能耗及總能耗對比圖如圖8 所示，復合式系統全年運行能耗為最低，為364134kWh，分別比閉式系統和屏蔽門系統能耗低8%和35.5%。就空調能耗而言，復合式系統全年能耗最低，為225102kWh。閉式系統的通風能耗最低，為113652kWh。

3.3 現場實測結果

在2020 年4-5 月和10-11 月份通風季下，對麥島站、海游路站及華樓山站三個采用上部開閉式站臺門通風空調系統的車站采用不同的控制策略。4 月、5 月運行策略為關閉站內站臺門通風窗，采用大系統通風設備，10 月、11 月開啟站內站臺門通風窗，關閉大系統通風設備。如表4 所示，10月、11 月份這三個站在關閉大系統設備后，其車站通風空調用電量均有減少，最低節能率約為30%，麥島站節能率最高，可達36.77%，三個站在10 月和11 月的總節約電能52207kW/h。

表4 實測耗電量對比Table 4 Comparison of measured power consumption

4 結論

（1）復合式系統是針對青島地區空調季節短、非空調季節長的氣候特點而“量身打造”，是在完全安全可靠的基礎上，結合閉式系統、屏蔽門系統的優點所作出的新型節能技術方案，為國內大量處于南北過渡地帶的地區提供了一個經濟實用的地鐵通風空調系統方案。

（2）研究通過SES 軟件確定青島地鐵2 號線相鄰三個標準車站通風空調系統的空調期和通風期，進而比較了閉式系統、屏蔽門系統和復合式系統的逐日能耗和全年能耗。得出空調期的單日能耗復合式系統與屏蔽門系統低于閉式系統，且復合式系統空調期更短。就全年而言，復合式系統運行能耗最低，為364134kWh。

（3）現場實測結果表明，采用復合式系統的3 個車站（麥島站、海游路站、華樓山路站）在通風季實施采用開啟站臺門上部通風窗，同時關閉大系統通風設備策略節約電能共計52207kW/h，節能率最高可達36.77%。