屏蔽門地鐵車站公共區空調負荷影響因素分析

鮮少華

(浙江省交通規劃設計研究院 杭州310006)

屏蔽門地鐵車站公共區空調負荷的大小，直接決定了空調系統的初投資和運行費用，對車站規模也有一定的影響。準確地進行負荷計算并采取有效措施降低空調負荷，可以減少設備容量和管道尺寸，節省初投資，對于空調系統的節能運行也具有重要意義，值得深入研究和探討。

1 冷負荷的組成及特點

1.1 冷負荷的組成

屏蔽門地鐵車站公共區空調系統冷負荷由公共區冷負荷、新風冷負荷以及附加冷負荷組成。公共區冷負荷主要包括以下幾部分得熱量形成的冷負荷:一是圍護結構的傳熱量，二是人體、照明和設備的散熱量，三是滲透空氣帶入的熱量，四是伴隨各種散濕過程產生的潛熱量。

地鐵車站周圍的土壤是一個很大的容熱體，有很強的蓄熱能力，能蓄存夏季的熱量到冬季釋放，因此在計算空調負荷時，車站的外圍護結構與土壤間的傳熱可以不考慮。圍護結構傳熱主要指通過屏蔽門和軌底排熱風道等內圍護結構傳入的熱量，根據文獻［1］第7.2.5條的規定，圍護結構、人體、照明和設備等的得熱量均可按穩態方法計算其形成的冷負荷。附加冷負荷主要是指由風機、風管溫升等引起的冷負荷。

1.2 冷負荷的特點

地鐵車站深埋地下，僅通過若干出入口及風井與外界相通，與一般的地面建筑相比，其冷負荷有一些特殊性，主要表現在以下兩個方面:

1)各類負荷中以穩態傳熱居多。車站位于地下，基本不受太陽輻射的影響，圍護結構散熱、散濕相對穩定;照明燈具、設備全天使用，其負荷也比較穩定。

2)需要考慮空氣滲透形成的冷負荷。車站有若干個出入口與室外大氣直接相通，列車停站時屏蔽門開啟，受區間列車活塞風以及排熱風機的共同作用，車站與隧道會產生大量的空氣交換，隧道內的熱空氣進入站臺，站臺內的空調冷風進入隧道，室外新風從出入口滲透進入車站，這些都會導致車站冷負荷的增加。

2 室內相對濕度對冷負荷的影響

眾所周知，提高室內設計溫度，有利于空調系統的節能，那么相對濕度對系統能耗的影響又如何呢?文獻［2］第13.2.14條規定，當車站采用空調系統時，站廳和站臺的相對濕度為40%～70%。在設計時，室內相對濕度應該取高一點還是低一點，哪個對系統節能有利呢?下面以杭州地鐵2號線某屏蔽門系統的地下2層島式車站為例，對這一問題進行研究。

2.1 公共區冷負荷計算

該站總長169 m，總寬22.7 m，站臺有效長度120 m，計算長度114 m，站臺寬14 m，車站主體建筑面積8 004 m1。遠期晚高峰預測車站上客量為7 946人/h，下客量為6 754人/h。負荷計算采用的相關參數如下:

1)室內設計參數。站廳，干球溫度30℃，相對濕度65%;站臺，干球溫度29℃，相對濕度65%。

2)新風量標準。每個乘客每小時新風量不小于12.6 m3，且系統的新風量不小于總送風量的10%。

3)屏蔽門漏風量。根據系統設計單位提供的數據，取10 m3/s。

4)送風溫升為1.5℃，回風溫升為1.0℃。

5)圍護結構散濕量為1.0 g/m1·h。

計算結果見表1。

表1 杭州地鐵2號線某車站公共區冷負荷計算結果

2.2 相對濕度變化對冷負荷的影響

以上述車站為例，計算其在不同設計相對濕度下的冷負荷、風量等，結果見表2。以相對濕度65%的計算結果為基準值，不同相對濕度下空調系統冷負荷及送風量的比較見表3。

表2 不同室內設計相對濕度下空調系統計算結果

表3 不同相對濕度下公共區空調系統相關參數比較

從表2、3可以看出，隨著室內相對濕度的降低，室內空氣露點溫度會下降，雖然可以通過加大送風溫差來減少系統總送風量，但由于滲透空氣負荷、溫升附加負荷及新風負荷均有較大幅度的增加，導致系統冷負荷增加較多，總送風量不減反增，空調系統初投資和運行費用都隨之增加?？梢姡瑢τ谄帘伍T系統的地鐵車站公共區而言，提高室內設計相對濕度，有利于系統節能。

3 屏蔽門滲漏空氣對負荷的影響

3.1 屏蔽門開啟時的風量平衡

列車停站時屏蔽門開啟，由于隧道排熱風機的抽吸作用以及活塞風的慣性作用，車站與隧道之間通過屏蔽門發生大量的空氣交換。相關研究表明，位于列車前部及中部區域的屏蔽門表現為漏出風，氣流從站臺流向隧道，處于列車尾部區域的屏蔽門表現為滲入風，氣流從隧道流向站臺，從站臺進入隧道的漏風量遠大于從隧道進入站臺的滲風量［3-7］。屏蔽門開啟時車站公共區氣流平衡見圖1。

圖1 屏蔽門開啟時車站公共區氣流平衡

根據車站公共區風量平衡可以得出

式中:Gc——出入口滲透風量，kg/h;

Gs——空調系統送風量，kg/h;

Gh——空調系統回風量，kg/h;

Gq——從隧道進入站臺的滲風量，kg/h;

Gz——從站臺進入隧道的漏風量，kg/h。

Gs與Gh的差值就是空調系統的新風量，Gz與Gq合稱為屏蔽門滲漏風量。

3.2 屏蔽門滲漏風量形成的冷負荷

對于屏蔽門地鐵車站而言，列車運行時屏蔽門處于關閉狀態，車站與隧道之間僅通過屏蔽門微小的縫隙進行空氣交換，該數值很小，在計算車站冷負荷時可以忽略不計。列車停站時屏蔽門開啟，從隧道進入站臺的滲風以及從出入口進入車站的滲透空氣均會造成車站空調冷負荷的增加。

從隧道進入站臺的滲風量形成的全熱冷負荷Qq(W)，以及出入口滲透空氣形成的全熱冷負荷Qc(W)，可按下式［8］計算為

式中:hq——隧道空氣的焓，kJ/kg;

hn——站臺空氣的焓，kJ/kg;

hw——室外空氣的焓，kJ/kg。

其余參數含義同前。

由式(1)可知，出入口滲透風量的大小與空調系統新風量及屏蔽門滲漏風量有關。如果空調系統新風量大于從站臺進入隧道的漏風量與從隧道進入站臺的滲風量之差，此時不需要考慮出入口空氣滲透冷負荷;如果空調系統新風量不足以補償通過屏蔽門從站臺凈流入隧道的空氣量，室外空氣就會通過出入口進入車站，則需要考慮該部分滲透空氣形成的冷負荷。

3.3 屏蔽門滲漏風量研究現狀

影響屏蔽門滲漏風量的因素很多，主要包括車輛運行狀況、列車牽引曲線、車站隧道排熱風機、活塞風井的位置和斷面面積、列車停站時間和屏蔽門開啟時間、屏蔽門開啟面積、列車車廂與屏蔽門的間距、乘客進出車門的擁擠程度、隧道及站臺溫度分布引起的熱壓作用等［3］。目前，國內外主要采用數值模擬計算或通風網絡模型估算。

李俊等采用網絡法對屏蔽門漏風量進行估算，得出單列列車停站時通過屏蔽門從站臺進入隧道的風量約為31 m3/s，現場實測統計值約為29.5 m3/s［3］。王迪軍等對廣州地鐵典型車站進行數值模擬計算，結果表明:每側站臺屏蔽門在開啟過程中，隧道熱風通過屏蔽門進入站臺的總平均流量為16.30 m3/s，站臺冷風通過屏蔽門進入隧道的總平均流量為41.84 m3/s［4］。李亮等通過模擬計算，得出列車停站期間流入隧道的空氣量約為27.5 m3/s，流入站臺的空氣量不到流入隧道空氣量的7%［5］。楊巨瀾等通過CFD模擬計算，得出上海地鐵9號線某地下3層島式車站屏蔽門的漏風量為28 828～34 470 m3/h［6］。項毅通過CFD模擬計算，得出在一個行車周期4 min之內整個站臺的漏風量為8.36 m3/s［9］。

從以上研究結果可以看出，屏蔽門開啟時滲漏風量很大，對空調負荷的影響不容忽視。以本文分析的車站為例，從表1可以看出，因屏蔽門滲漏而導致滲透空氣形成的冷負荷占系統總冷負荷的比例超過了20%。因此，準確地分析和確定屏蔽門滲漏風量，有助于提高負荷計算的準確性。

3.4 減少屏蔽門滲漏風量的途徑

由于排熱風機的抽吸作用，使得隧道側處于負壓狀態，當列車停站、屏蔽門開啟時，站內的空氣就會通過屏蔽門進入隧道，這是屏蔽門漏風的主要原因。就車站范圍而言，排熱風機的補風主要有兩個來源，一是活塞風井和活塞風道，二是車站出入口。適當增加活塞風道凈過風面積，縮短活塞風道長度，降低室外空氣通過活塞風道到達排熱風機的通風阻力，可以有效減少屏蔽門滲漏風量。

此外，對車站排熱方式進行優化，采用變頻控制技術，減少排熱風機的排風量，也可以減少滲漏風量。

4 空調系統新風量的確定

在目前的工程實踐中，確定屏蔽門地鐵車站公共區空調系統的最小新風量有兩種方法:方法1是取計算人員新風量與系統總送風量的10%二者中的較大值，方法2是取計算人員新風量、系統總送風量的10%、屏蔽門滲漏風量三者的最大值［10］。屏蔽門滲漏風量是把一段時間內列車停站時通過開啟的屏蔽門從站臺進入隧道的總漏風量以及從隧道進入站臺的總滲風量平均到計算時段內得到的值，一般取5～10 m3/s［3］。

以上述車站為例，假定每小時停靠30對列車，每次停站屏蔽門開啟時間取20 s，屏蔽門開啟時漏風量取30 m3/s，兩種方法的計算結果見表4(室內設計相對濕度取65%)。

表4 兩種新風量下計算結果比較

從表4可以看出，按方法2確定新風量，空調系統冷負荷及總送風量比按方法1確定新風量時要大很多。這主要是因為屏蔽門滲透風量是脈沖型的，屏蔽門開啟時產生，關閉時可忽略不計。在地鐵列車運行時，多數情況下屏蔽門處于關閉狀態。

從前文所述可知，列車停站屏蔽門開啟時，漏風量約為30 m3/s，若采用一段時間內屏蔽門漏風量的平均值作為空調系統的最小新風量，在屏蔽門開啟時仍然無法避免室外空氣從出入口進入車站。而在屏蔽門關閉時，將會有大量的站內冷空氣通過出入口排出站外，造成冷量損失和能源浪費。因此，若負荷計算時已經考慮了屏蔽門滲漏風量形成的冷負荷，則在確定新風量時可以忽略屏蔽門滲漏風量這一影響因素。此時，建議按計算人員新風量與系統總送風量的10%二者中的較大值確定空調系統新風量。

5 結論與建議

1)提高屏蔽門地鐵車站公共區設計相對濕度，空調系統冷負荷及送風量均減少，空調系統能耗降低。在滿足人員“暫時舒適”的前提下，應盡量提高室內設計相對濕度。

2)屏蔽門滲漏風量對地鐵車站公共區空調系統負荷影響較大，應進行仔細的分析計算，力求為負荷計算提供準確的依據。可以通過降低活塞風道阻力、排熱風機采用變頻技術等措施減少屏蔽門漏風量。

3)建議按人員需要的新風量確定地鐵車站公共區空調系統的新風量，不應把屏蔽門漏風量作為新風量選取的評判標準，但需要計算屏蔽門滲漏風量形成的冷負荷。

［1］GB 50736—2012民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2012.

［2］GB 50157—2003地鐵設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

［3］李俊，李曉鋒，朱穎心.地鐵屏蔽門滲漏風量的計算方法及其對空調負荷的影響分析［J］.建筑科學，2009，25(12):68-70.

［4］王迪軍，羅燕萍，賀利工，等.地鐵車站屏蔽門滲漏風量數值分析［J］.城市軌道交通研究，2007，10(1):45-49.

［5］李亮，李曉鋒，朱穎心.關于列車停站時段屏蔽門滲透風量的研究［C］//2005年全國暖通空調專業委員會空調模擬分析學組學術交流會論文集.北京，2005:308-316.

［6］楊巨瀾，張發勇.地鐵屏蔽門漏風量CFD模擬計算初探［C］//鐵路暖通空調專業2006年學術交流會論文集.成都，2006:28-30.

［7］李亮.關于列車停站時段站臺屏蔽門滲透風量的數值模擬研究［D］.北京:清華大學，2006.

［8］陸耀慶.實用供熱空調設計手冊［M］.2版.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［9］項毅.站臺屏蔽門滲漏風量的模擬分析［D］.重慶:西南交通大學，2007.

［10］龔波，劉伊江.屏蔽門漏風量對空調負荷影響的探討［J］.建筑熱能通風空調，2012，31(1):86-88.