地鐵車站月平均氣溫隨運營年限演化特性*

王麗慧 曾憲明 張雨蒙 鄭 懿 宋 潔

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

0 引言

伴隨著軌道交通的快速發展,地鐵車站通風空調系統能耗問題逐漸受到人們的關注。實際運行中地鐵行車密度隨運營年限增大,在運營初期地鐵行車密度相對較低,導致區間隧道空氣溫度對車站月平均氣溫的影響較小,同時地鐵車站圍巖土體在運營初期吸熱能力較強,造成初期空調季車站月平均氣溫較低,車站空調系統提供的冷量大于車站的冷負荷,故而有必要探究地鐵車站月平均氣溫隨運營年限的演化特性,為地鐵車站通風空調系統的合理運行及車站圍巖土體中自然冷量的利用提供一定的數據支撐。

目前地鐵車站空氣溫度相關的既有研究包括地鐵車站的熱環境、熱舒適等。游杰偉通過實測冬季西安某地鐵車站空氣溫度數據,分析得出車站空氣溫度變化趨勢與室外溫度變化趨勢一致,車站最高溫度出現的時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]。張文榕通過對西安某地鐵車站的測試分析得出,地鐵車站冬季空氣溫度隨室外溫度波動呈小幅(±2 ℃范圍內)變化趨勢[2]。谷雅秀等人采用熱環境實測和熱舒適調查問卷相結合的研究方法,研究了長春地鐵1號線某車站的熱舒適情況,得出地鐵車站公共區80%舒適區的溫度范圍冬季為9.8～14.3 ℃,過渡季為15.8～21.0 ℃,夏季為22.3～28.2 ℃[3]。筆者團隊利用相對熱指標RWI計算獲得不同室外溫度下的地鐵車站運行空氣溫度,分析得到當室外溫度處于33.0～37.0 ℃時,推薦車站運行空氣溫度為30.1～34.4 ℃[4]。徐敏凱等人通過測試和調研蘇州某地鐵站夏季環境參數,研究了地鐵車站的熱環境和熱舒適性,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]。

上述研究均是針對車站單年空氣溫度和熱舒適等方面的,而對地鐵車站月平均氣溫的逐年演化特性研究較少。本文基于車站內部空氣熱平衡方程,選用室外月平均氣溫和區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營初期、中期和遠期的逐年演化特性,為車站通風空調系統合理運行和節能提供理論依據。

1 理論建模與實測驗證

本文采用的研究思路是對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間隧道空氣溫度的逐年演化,通過理論計算得到不同運營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測值相驗證。在車站空氣熱平衡理論模型中對地鐵的車站環境和區間環境作以下說明：

1) 機械通風(空調)行為：地鐵車站空調系統的送風量、送風比焓和冷量在運營15年內均為恒定值。

2) 室內熱源變化：地鐵車站的照明和設備產熱均按照單位面積指標計算,在運營15年內為恒定值;車站站廳和站臺的人員全熱散熱量均以成年男子的散熱量作為計算依據;車輛編組在運營15年內均設置為8節編組(4動4拖);行車密度隨不同運營時期變化,在第1～5年為15對/h,在第6～10年為20對/h,第11～15年為30對/h。

3) 系統方案：屏蔽門系統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

根據熱平衡原理對地鐵車站空氣換熱量進行分析,得到地鐵車站內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和屏蔽門滲透風攜帶熱量、屏蔽門傳熱量、圍巖土體蓄放熱量、空調送風攜帶熱量及人員、設備和照明產生的熱量[6]。為簡化理論計算作以下假設：1) 將地鐵車站站廳和站臺當作一個整體空間,且車站內空氣溫度分布均勻。2) 不考慮地鐵車站空氣和區間隧道空氣含濕量的逐年演變。3) 不考慮地鐵車站運行時段早高峰、晚高峰、平峰及其他時段對車站出入口漏風量和屏蔽門滲透風量的影響,本文采用車站出入口漏風量和屏蔽門滲透風量的月平均值。地鐵車站內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為地鐵車站運營時間,h;GP為車站屏蔽門月平均滲透風量,m3/h;hq為區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,W/(m2·K);F為屏蔽門面積,m2,屏蔽門尺寸為2.0 m×2.2 m(長×高),共計60扇;tq為區間隧道月平均氣溫,℃;tp為車站月平均氣溫,℃;Gm為車站空調月平均送風量,m3/h;hs為車站空調送風月平均空氣比焓,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為設備散熱量,kJ。

地鐵車站空氣熱平衡計算模型示意圖見圖1。

注：QC為地鐵車站出入口漏風量引起的熱量變化;QPS為區間隧道側與車站側溫差引起的地鐵站屏蔽門傳熱量;Qm為空調季地鐵車站空調送風逐時攜帶的熱量;QPC為地鐵車站屏蔽門滲透風量引起的熱量變化。圖1 地鐵車站熱平衡計算模型示意圖

1.2 地鐵車站月平均空氣溫度理論求解參數確定

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

1) 室外側參數確定。

室外側參數有2個：地鐵車站出入口漏風量和室外空氣比焓。在熱平衡方程中采用車站出入口月平均漏風量和室外月平均空氣比焓,其中車站出入口月平均漏風量隨行車密度不同而改變,而室外月平均空氣比焓在15年內不變。筆者團隊的課題組前期基于不同行車密度的車站實測結果,對車站空氣熱平衡方程進行了求解,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量[7]。室外月平均空氣比焓由實測某一年的上海地區室外氣象參數確定。

2) 室內側參數確定。

室內側參數有3個：車站空調送風量、車站空調送風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月平均送風量和車站空調送風月平均空氣比焓,且兩者在15年內不變;而圍巖土體逐月凈蓄放熱量在15年內逐年變化。地鐵車站空調月平均送風量和送風比焓由實測得到,其送風量為144 000 m3/h,送風比焓為55.78 kJ/kg。對于地鐵車站圍巖土體逐月凈蓄放熱量,課題組前期通過ANSYS對不同年限地鐵車站圍巖土體溫度場和蓄放熱量情況進行了模擬[8],并在地鐵車站土體縮尺模型實驗臺[9]進行了驗證,具體見圖2。

圖2 不同運營年限地鐵車站圍巖土體逐月凈蓄放熱量

3) 區間隧道側參數確定。

區間隧道側參數有3個：車站屏蔽門滲透風量、區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量隨行車密度不同而改變,區間隧道月平均氣溫和月平均空氣比焓在15年內逐年變化。課題組前期基于對不同行車密度車站的實測結果,對車站空氣熱平衡方程進行了求解,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量[7];區間隧道月平均溫度根據課題組前期進行的SES模擬得到[10],具體見圖3,并結合實測的區間隧道月平均空氣濕度共同得到區間隧道月平均空氣比焓。

圖3 不同運營年限區間隧道月平均氣溫

人員散熱量QP、照明散熱量QZ及設備散熱量QS可根據文獻[11]得出,再根據上文確定的室外側、室內側和區間隧道側的參數,其中室外空氣溫度、空調送風比焓均以某一年的月平均實測值代入,不隨運營年限改變,而區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營年限的月平均值代入。本文重點研究車站月平均氣溫隨運營年限的演化規律,熱平衡方程左邊為車站逐月空氣熱量變化量ΔQ,右邊各項熱量按照不同月份進行計算,將比焓與車站空氣溫度的關系式(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算結果實測驗證

選取上海地區某運營第5年的典型雙層島式地鐵車站,并進行1年以上的現場監測,監測對象為地鐵車站站廳與站臺典型位置的空氣溫濕度。分別在地鐵車站站廳和站臺中部3.5 m高度處各布置1個空氣溫濕度測點。測試儀器為紐扣式溫濕度記錄儀,測量范圍為溫度-40～85 ℃、相對濕度0～100%,精度為溫度±0.01 ℃、相對濕度±5%,數據采集時間為30 min。圖4顯示了地鐵車站月平均氣溫實測值與理論計算值的比較,因實測值為車站運營第5年的全年空氣溫度,故選取第5年車站計算溫度與之相驗證。

圖4 運營第5年地鐵車站氣溫實測值與理論計算值對比

如圖4所示,地鐵車站月平均氣溫理論計算值與實測值較為吻合,計算最大誤差在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,說明車站空氣熱平衡理論計算結果具有可靠性。

2 地鐵車站月平均氣溫逐年演化結果分析

2.1 運營第1年地鐵車站月平均氣溫

對地鐵車站月平均氣溫進行熱平衡理論計算,求得運營第1年地鐵車站月平均氣溫理論值,如圖5所示。

圖5 運營第1年地鐵車站、區間隧道和室外月平均氣溫對比

由圖5可以看出,運營第1年室外和區間隧道的空氣溫度基本相同。空調季車站通風空調系統對車站月平均氣溫起主要控制作用,非空調季室外和區間隧道空氣溫度對車站月平均氣溫的影響較大。具體表現為：空調季,車站空調系統開啟,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;而非空調季,受室外和區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間隧道空氣溫度。

2.2 地鐵車站不同運營時期月平均氣溫演化特性

將5年劃分為1個運營時間段,分為運營初期(第1～5年)、中期(第6～10年)和遠期(第11～15年)。通過現場調研得出車站空調系統冷量為708 kW(遠期最不利工況),為探究不同運營時期夏季車站空調系統的節能空間,給出此冷量下不同運營時期車站月平均氣溫逐年演化情況,并與站廳站臺空調設計溫度平均值29 ℃(站廳和站臺空調設計溫度分別為30、28 ℃)進行比較[12],如圖6所示。

圖6 第1～15年不同運營時期地鐵車站月平均氣溫逐年演化圖

由圖6a可知,運營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 ℃,最高氣溫出現在第5年的8月,為26.4 ℃。此時地鐵行車密度較低,為15對/h,所以屏蔽門滲透風量和區間隧道內列車產生的熱源相對較小,車站空氣得到的屏蔽門的傳熱量及滲透風的對流換熱量相對較小,同時車站圍巖土體吸熱能力較好,導致初期夏季車站月平均氣溫均低于站廳站臺空調設計溫度平均值,說明初期車站空調系統按遠期最不利工況運行,提供的冷量遠大于車站的冷負荷,因此在運營初期車站空調系統具有一定的節能空間。

由圖6b可知,運營中期車站月平均氣溫高于初期,最高氣溫出現在第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 ℃。因為中期地鐵行車密度增大為20對/h,加大了屏蔽門的滲透風量和區間隧道內列車產生的熱源,使得車站空氣得到的屏蔽門的傳熱量及滲透風的對流換熱量增大,而運營中期車站圍巖土體吸熱能力較初期有所下降,綜合導致了運營中期車站月平均氣溫的升高。在運營第6、7年的夏季,車站月平均氣溫低于站廳站臺空調設計溫度平均值,說明在運營中期車站通風空調系統也具備一定的節能空間;而第8～10年夏季車站月平均氣溫與站廳站臺空調設計溫度平均值較為接近,此時空調系統處于最佳運行狀態。

由圖6c可知,運營遠期車站月平均氣溫高于初期和中期,最高氣溫出現在第15年的8月,為34.9 ℃。運營遠期區間隧道為極限工況,即地鐵行車密度為30對/h,并且區間隧道土體蓄放熱為飽和狀態,其列車產生的熱源和屏蔽門滲透風量較初期明顯增大,此時區間隧道內溫度較高,導致車站空氣得到的屏蔽門的傳熱量及滲透風的對流換熱量相對較大,而運營遠期車站圍巖土體吸熱能力較初期產生較大衰減,此時車站空調系統提供的冷量不足,導致車站月平均氣溫躍升至34.9 ℃,高于站廳站臺空調設計溫度平均值29 ℃。說明當運營遠期區間隧道溫度較高時,需對車站空調系統進行調節來確保乘客的舒適性。

由于第11年后區間隧道空氣溫升較小,且車站圍巖土體蓄放熱量也達到了穩定,車站月平均氣溫在第11年后基本保持不變,故僅對前10年7—9月車站月平均氣溫呈現逐年上升的趨勢進行線性擬合,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

對運營15年內地鐵車站月平均氣溫進行逐年熱平衡理論計算,其中地鐵車站室外空氣溫度均為上海地區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間隧道月平均氣溫分別如圖2、3所示。由地鐵車站內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月車站月平均氣溫擬合結果

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：運營15年內地鐵車站月平均氣溫呈現逐年升高趨勢,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,是因為地鐵行車密度在第5年后增大,導致屏蔽門滲透風量和區間隧道內列車產生的熱源增大,進而增大了車站空氣得到的屏蔽門的傳熱量及滲透風的對流換熱量;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,將運營第10～15年的車站、區間隧道空氣溫度逐年進行對比,如圖8所示。

圖8 第10～15年地鐵車站、區間隧道月平均氣溫

由圖8可知,在運營第11年時,夏季區間隧道月平均氣溫產生了躍升現象。產生此現象的原因是實際地鐵行車密度在運營遠期較大,并且區間隧道圍巖土體蓄放熱也達到了飽和狀態,使得夏季區間隧道溫度超標。為探究運營遠期區間隧道溫度超標的情況,課題組前期模擬了運營遠期的區間隧道月平均氣溫,將其設定為極限工況,即行車密度設置為30對/h,區間隧道土體蓄放熱設置為飽和狀態[10]。因為地鐵行車密度在運營遠期增大,使得屏蔽門滲透風量和區間隧道內列車產生的熱源增大,增加了車站空氣得到的傳熱量和對流換熱量,導致第10年至第11年8月時車站月平均氣溫由30.2 ℃上升至34.9 ℃,溫升為4.7 ℃,說明隨著運營年限的增加,區間隧道空氣溫度對車站月平均氣溫的影響逐漸增強。隨后在運營第11～15年時,因為運營遠期的行車密度保持不變,區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,所以使得運營遠期車站空氣溫度變化較小。

2.4 運營第1～15年地鐵車站空氣溫升特性

為進一步研究運營第1～15年不同月份的地鐵車站月平均氣溫溫升情況,將運營第15年與第1年不同月份的地鐵車站月平均氣溫對應相減,得到運營第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：運營第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;最大溫升出現在夏季8月,為10.6 ℃,最小溫升出現在冬季1月,為3.1 ℃。地鐵車站圍巖土體蓄放熱量和區間隧道空氣溫度隨運營年限逐年遞增,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 結論

本研究基于地鐵車站空氣熱平衡理論模型,對運營15年內不同運營年限地鐵車站月平均氣溫進行理論計算,具體結論如下：

1) 運營第1年地鐵車站月平均氣溫在1—5月溫度逐漸升高;6—10月因地鐵車站空調系統開啟,車站內部空氣溫度波動較小;11—12月車站月平均氣溫緩慢下降,但始終高于室外和區間隧道空氣溫度。該變化趨勢主要受年度室外空氣溫度波、區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系統開啟的影響。

2) 地鐵車站運營初期,最高氣溫出現在第5年的8月,為26.4 ℃;運營中期,最高空氣溫度出現在第10年的8月,為30.2 ℃;運營遠期,最高空氣溫度出現在第15年的8月,為34.9 ℃。運營初期及部分運營中期車站空氣溫度均低于站廳站臺空調設計溫度的平均值,說明此時車站空調系統的冷量較大,車站通風空調系統具有一定的節能空間。而運營遠期,在區間隧道為極限工況時車站空氣溫度較高,說明若區間隧道產生溫度超標現象,此時需對通風空調系統進行一定的調節,來確保車站乘客的舒適性。

3) 在運營初、中、遠期,地鐵車站行車密度逐漸增大,導致不同運營時期區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、遠期車站空氣溫升分別為2.1、3.8、4.7 ℃,說明隨著運營年限的增加,區間隧道空氣溫度對車站月平均氣溫的影響逐漸增大。

4) 車站月平均氣溫隨運營年限逐年升高,運營第15年較第1年,月平均氣溫最小溫升出現在1月,為3.1 ℃;最大溫升出現在8月,為10.6 ℃。