地鐵車站軌行區上下排熱風速實測與分析

王麗慧 任 俊 王曉保 龔 偉 宋 潔

地鐵車站軌行區上下排熱風速實測與分析

王麗慧1任 俊1王曉保2龔 偉2宋 潔2

1上海理工大學環境與建筑學院
2上海申通軌道交通研究咨詢有限公司

地鐵車站軌行區排熱系統是排出列車制動過程中摩擦生熱等熱量的有效方式。采用現場實測的研究方法，對上海地鐵8個典型車站軌行區上排熱和下排熱的風口風速進行了逐一測試，通過分析實測數據得知其存在如下一些問題：各風口風速分布不均勻，靠近風機側風口風速偏大；部分風口因堵塞測不到風速，并存在風速偏小等現象。最后根據上下排熱系統實測總風量和排熱風機額定風量的差異，計算出排熱風機能耗的節能潛力。

軌行區上下排熱現場實測排熱風機能耗

0 引言

列車在區間隧道內停靠站臺過程中，釋放大量熱量，主要包括車廂內部空調系統通過車體上部冷凝器的散熱，列車車輪與軌道之間的摩擦生熱，列車運行活塞風從區間隧道內帶來的熱量。這些熱量占列車區間運行總產熱量的近50%[1～3]。在閉式系統或屏蔽門系統中，這部分熱量若不有效排出，都將會導致區間隧道溫度升高和站臺溫度升高，而地鐵車站軌行區上下排熱的設計就是為此而設計的。其中，上排熱風管以排出車廂空調冷凝器熱為主，兼排出區間隧道內的空氣熱量；下排熱風管主要用于列車車輛排熱和區間隧道內空氣熱量的排除。

近年來，有關地鐵車站軌行區上下排熱的研究日益增多，郝盛[4]通過CFD數值模擬分析得到車站軌行區上排熱采用小風口并位于列車冷凝器上方時排熱效果更好，能夠有效降低車站隧道溫度；王峰[5]通過SES數值模擬分析了車站活塞風井風量與軌行區排熱風量之間的關系；畢正博[6]分析得到當無軌行區上下排熱系統時軌行區最高溫度會上升2.9℃，指出軌行區上下排熱系統不僅能夠在軌行區高溫段排熱，而且能夠使得活塞風井整體換氣效率提高。王永鏢[7]提出了將軌行區排熱量與地鐵排熱回收熱泵系統相結合的思路，并進行了必要的技術經濟性分析。

本文針對上海地鐵8個車站進行了軌行區上下排熱系統運行狀況的現場實測，指出現有各站軌行區上下排熱系統通風排熱存在的問題及成因，并深入分析了排熱風機能耗狀況。

1 現場實測

本次實測對上海地鐵各主要運營線路的共計8個代表車站進行了實測，本文中采用S1～S8表示，實測時間選在無列車運營的零點至凌晨三點的時段，實測內容包括兩個主要部分：其一是在排熱風機全部開啟工況，對軌行區上下排熱風口進行逐個風口的風速測定；其二是記錄排熱風機的銘牌參數，進行風機運營能耗的估算。圖1為車站軌行區上下排熱風道的相對位置圖，圖2為上下排熱風口的實測照片。

圖1 隧道截面上下排熱風道相對位置示意圖

圖2 排熱風口現場圖

通常設計中，上排熱管尺寸3000mm×700mm，每節車廂配備2組風口，每組5個風口，風口中心間距1000mm，共10個，風口尺寸為500mm×1000mm。下排熱管尺寸1500mm×1340mm，每節列車配備12組風口，分3組，中間6個風口，風口中心間距1775mm，兩邊2組各3個風口，風口中心間距為1475mm，風口尺寸為300mm×775mm。實測采用Testo435-2型手持式熱線風速儀，其量程為0～20m/s，測試精度為±0.1m/s。風口測點布置如圖3所示，左側為上排熱風口，右側是下排熱風口。

圖3 排熱風口測點布置示意圖

2 實測結果與分析

2.1 排熱風口實測風速分析

通過上述現場實測，總體來看，現有上海地鐵車站軌行區上下排熱狀況不理想，存在一些共性的問題，下面結合典型車站分析說明。

1）上下排熱風口風速分布不均勻

以S6站為例，該站車站軌行區上排熱風道共有排風風口38個，下排熱風道共有風口54個。車站設計風量約為156455m3/h。圖4給出了S6站上下排風風口實測數據圖（注：圖中編號為1的風口靠近排熱風機；紅線為各風口的設計排熱風速）。從圖中可見，S6站各風口風速均達到設計值，但風速不均勻性明顯。上排熱風道往桂林路方向在第6個風口處風速從5.7m/s降到2.9m/s，兩個方向上都是從約1/3風口處風速開始急劇下降。風口風速不均勻，靠近排熱風機的風口風速大，最大風速為7m/s，最小風速卻不到1m/s，有待改善。兩個方向上風口下排熱變化基本規律相似，大概在21個風口處兩個方向的風速都開始低于2m/s，遠小于開始時風口最大風速10m/s。

圖4 S6站上下排熱實測數據

2）部分風口沒有出風

實測中，3～4個車站軌行區上下排熱風口存在部分風口無風現象，造成這一現象的原因主要集中在部分風口存在堵塞和風口百葉調節不當的現象。部分風口無風將嚴重影響軌行區上下排熱效果，導致區間隧道溫度升高。圖5為S3站實測結果（注：圖中編號為1的風口靠近排熱風機；紅線為各風口的設計排熱風速），車站軌行區共有上排熱風口38個，下排熱風口50個，實測過程中，由于其對稱性測試一半風口足可。從圖中可見，S3站軌行區在排熱風機最大功率運行工況下，只有很少一部分風口存在排風現象，排熱效果很不理想。

圖5 S3站軌行區上下排熱實測數據

圖6 S2站上排熱實測數據

3）風口風速小于設計風速

在存在各個風口風速不均勻現象的同時，上下排熱風口的實際風速小于設計風速的現象也非常突出。圖6為S2站上排熱實測結果（注：圖中編號為1的風口靠近排熱風機；紅線為各風口的設計排熱風速），該站上排熱風口共有32個，從上下行線的實測數據可見，幾乎所有風口的實測風速均小于設計值，這將導致上排熱不充分，區間隧道溫度控制不利。這主要是因為排熱系統的局部阻力和沿程阻力過大造成的，實際地鐵風管施工過程往往受到空間和布局的限制，導致實際的系統阻力大于設計值，而使總體風速降低。

2.2 各車站特征參數對比分析

將各個車站上下排熱的平均風速作為特征速度，將之與設計院提供的設計風速進行對比，并且將每個車站實測的各個風口的風速作為樣本，計算其標準差以表征其均勻性。如圖7和表1所示，除了部分車站的下排熱平均風速等夠達到設計風速外，上排熱均不能達到要求，像S3站（0.39/1.10）、S4站（0.07/1.10）、S5站（0.14/1.30）更是連設計風速的30%都未達到(前邊是實際風速、后邊是設計風速)；并且從標準差的計算中，可以看出各個站排熱風口都存在很嚴重的不均勻現象。總的來說，從目前所測試的8個典型車站軌行區上下排熱的數據來看，上下排熱系統效果很不理想。

圖7 各車站特征風速與標準差

表1 各車站上下排熱均值、標準差與設計風速（單位：m/s）

2.3 排熱風機能耗分析

實測過程中，各站的排熱風機均按照額定工況運，而由于上下排熱系統和風口末端的各種問題，大部分車站的實際排熱風量與額定風量之間存在一定的差異，由式（1）可知，風機風量與功率之間存在如下關系：

式中：Q為風機風量，m/s；N為風機功率，kW；下標m為額定工況。

由各車站排熱系統實際排風量推算出正常工況下風機應該消耗的功率，與風機實際的消耗功率（額定工況下為額定功率）進行對比，由式（2）可計算得到，因排熱風道設計運營存在的問題所導致的風機能耗浪費率η，這也是下一步上、下排熱風道優化設計運營的節能潛力所在。

表2給出了7個車站總風量的實測結果，通過與風機額定風量對比，可以計算得到各個車站風機能耗浪費率η。其中，因中山公園站上排熱風道已拆除，未進行計算。從表2可見，不同車站風機浪費率不同，額定風量與實測風量差別越大，風機能耗浪費率越大。

表2 軌行區上下排熱風機能耗計算

3 結論

通過對上海既有8個地鐵車站上下排熱系統的現場實測，分析得到軌行區上下排熱系統運行存在如下幾個主要問題：上下排熱各風口風速不均勻，且一般靠近風機側風速較大；部分風口存在堵塞現象；部分風口風速低于額定風速現象。最后通過對比上下排熱系統的實測風量與額定風量的關系，提出排熱風機能量浪費率的定義，分析了上下排熱系統設計運營優化帶來排風風機節能潛力空間。

[1]楊巨瀾.地鐵通風空調系統變頻技術方案探討[J].制冷與空調, 2008,22(4):37-41

[2]丁劍哄,朱偉峰,葉倩,等.屏蔽門對地鐵站內環境影響的實驗研究[J].建筑科學,2006,22(6A):58-60

[3]匡江紅,余斌.地鐵空調通風環境控制系統的節能探討[J].能源研究與信息,2003,(4):218-222

[4]郝盛.地鐵車站隧道軌頂排熱風口設置形式研究[J].建筑熱能通風空調,2011,20(6):45-47

[5]王峰,雷波.地鐵隧道通風系統節能研究[J].地下空間與工程學報,2012,8(1):172-176

[6]畢正博.屏蔽門制式地鐵軌行區通風模式研究[D].成都:西南交通大學碩士論文,2012

[7]王永鏢,李炳熙.地鐵排熱回收熱泵系統的技術經濟性分析[J].沈陽工程學院學報,2005,1(1):26-29

Me a s ure m e nt Study on Subw a y Sta tion Tunne l Exha us t Sys te m a nd Fa n Ene rgy Cons um ption Ana lys is

WANG Li-hui1,REN Jun1,WANG Xiao-bao2,GONG Wei2,SONG Jie2
1 School of Environment and Architecture,University of Shanghai for Science and Technology
2 Shanghai Shentong Rail Transit Research Consulting Co.,Ltd.

Subway station tunnel exhaust system is an effective way to discharge the heat during train braking process. By testing eight typical Shanghai subway station tunnel exhaust outlet wind velocity,the measured data was analyzed that its existence some questions as follows:uneven distribution of each tuyere wind speed,bigger wind velocity near fan side,part of outlets having no speed because of blocking,and existing small wind phenomena.At last,according to the difference between the measured total volume and nominal air delivery of exhaust fan,the potential of exhaust fan consumption was calculated.

subway station tunnel exhaust system,on-site measurement,exhaust fan consumption

1003-0344（2014）04-025-4

2013-7-15

王麗慧（1978～），女，副教授，博士；上海市楊浦區上海理工大學環境與建筑學院407室（200093）；E-mail:66amy99@126.com基金項目：國家自然科學基金（50908147）