可調通風型站臺門系統在濟南地鐵中的適用性研究

王國富 劉海東 潘 雷

(1. 山東科技大學土木工程與建筑學院 山東青島 266590； 2. 濟南軌道交通集團有限公司 濟南 250101)

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可調通風型站臺門系統在濟南地鐵中的適用性研究

王國富1，2劉海東2潘 雷2

(1. 山東科技大學土木工程與建筑學院 山東青島 266590； 2. 濟南軌道交通集團有限公司 濟南 250101)

根據濟南地區的氣象條件、地鐵運行模式、客流量等特點，研究可調通風型站臺門系統在濟南地鐵中的適用性。以地鐵R1線地下車站為例，通過使用計算軟件STESS對地下車站隧道內熱環境進行模擬計算，并采用年值法對可調通風型站臺門系統、集成閉式系統、站臺門系統、安全門系統等4種系統的空調制式進行經濟性分析。結果表明，濟南地鐵采用可調通風型站臺門系統，可以滿足設計規范中對區間隧道內空氣溫度的要求，并能降低系統運行能耗，節約運行費用，實現城市軌道交通的可持續發展。

城市軌道交通；可調通風型站臺門系統；通風空調；模擬；經濟性分析

1 研究背景

在地鐵建設中，環境控制系統(簡稱環控系統)的主要作用是創造一個合適的運營環境，不僅為乘客提供安全、衛生、舒適的環境，同時也為列車及設備的運行提供必要的條件。統計表明，環控系統能耗約占整個地鐵用電負荷的40%～60%[1]，環控系統方案的合理與否嚴重影響地鐵運營能耗，如何降低其能耗是國內地鐵行業研究的重點與發展方向。

濟南軌道交通地下車站環控系統方案應從濟南市的軌道交通整體要求、運力情況和地理氣候等方面綜合考慮和選擇。由于站臺門形式不同，地鐵站內的空調通風系統也不同，本文將站臺門分為安全門(全高安全門、半高安全門)、屏蔽門、可調通風型站臺門。目前在地鐵空調通風模式的設計中，安全門系統與站臺門系統都得到了廣泛應用[2]。可調通風型站臺門系統將屏蔽門系統與安全門系統的優點結合起來，在夏季可調通風型站臺門轉換為屏蔽門，可降低公共區空調冷負荷；在過渡季和冬季，可調通風型站臺門轉換為安全門，充分利用列車運行的活塞風對區間隧道及站臺進行有效通風換氣，并對車站公共區進行降溫冷卻，減少公共區的風機開啟時間。筆者就可調通風型站臺門系統在濟南地區軌道交通中的適用性進行了研究。

2 可調通風型站臺門系統

2.1 系統原理

可調通風型站臺門系統是在傳統屏蔽門的固定門或滑動門上部設置帶可控風閥通風口的一種空調制式?？烧{通風型站臺門立面如圖1所示，站臺門可調風口的結構如圖2所示?？照{季節屏蔽門上的通風口關閉，采用傳統屏蔽門系統運行，有效阻隔軌行區與站臺之間的空氣流動，不僅可以減少車站空調負荷，提高乘客候車舒適性，還可以減小空調機組裝機容量，節約機房面積，從而減少初投資；非空調季節屏蔽門風口開啟，采用開式系統運行，由于屏蔽門風口打開，隧道區域與地面出入口形成流動通道，活塞風隨列車進出車站同時擾動站臺空氣，為車站引入新鮮空氣，減少車站大系統設備的運行時間，達到節能目的。與屏蔽門系統相比，可調通風型站臺門系統在非空調季節采用自然通風維持地鐵環境，節約了通風能耗；而與安全門相比，夏季車站空調只需負擔車站公共區冷負荷，隧道內可以靠自然通風或機械通風，控制最高溫度不高于40℃[3]即可，大大降低了空調系統能耗。整合了屏蔽門系統與閉式系統節能優勢的可調通風型站臺門系統，可以適用于多種氣候分區，實現全年節能運行，其空調通風原理如圖3所示。

圖1 可調通風型站臺門立面

圖2 站臺門可調風口結構

圖3 可調通風型站臺門系統空調通風原理

2.2 系統特點

1) 可調通風型站臺門系統的通風空調方案在機房面積、設備布置上均與傳統的屏蔽門通風空調系統相同，能滿足地鐵內部通風、空調、消防排煙的功能要求。

2) 與集成閉式系統相比(系統原理如圖4所示)，夏季車站公共區空調負荷較小，冷卻塔容量相應減少，冷卻塔噪聲降低，冷卻水管徑減小，冷卻塔布置靈活性增加，可降低地面冷卻塔規劃條件的協調難度；但增加了活塞風道、排熱風道，車站規模略有加大，導致地面規劃條件的協調難度有所增加。

圖4 集成閉式系統空調通風原理

3) 在寒冷地區，通過全年能耗分析，可調通風型站臺門系統相比屏蔽門系統每年可節省電耗23.4%、節約運行費用26%[4]，且過渡季節越長，節能優勢越突出。

4) 與屏蔽門系統(系統原理如圖5所示)相比，可調通風型站臺門系統在過渡季可以充分利用活塞風來冷卻公共區和區間隧道的空氣，從而降低非空調季通風系統的運行能耗，節約運行費用。

圖5 安全門系統(閉式系統)空調通風原理

3 數值模擬分析

筆者采用STESS[5]軟件，針對濟南地區氣象條件和地鐵中遠期規劃，對空調季及非空調季隧道內空氣溫度進行模擬分析。

3.1 地鐵空氣動力學和熱力學模型

3.1.1 STESS軟件建模

STESS軟件簡化了地鐵環控系統模型，地鐵內的氣流流動按一維流動處理，地鐵隧道當量為圓管，以水力直徑為特征尺寸進行數值分析。地鐵隧道壁分為兩層，內層為維護結構，外界為巖土層。隧道內的空氣通過對流換熱和熱輻射與隧道壁面進行熱交換，考慮到墻表面溫度變化特性，深層土壤的溫度按恒溫處理，由于溫度梯度很小，隧道軸向傳熱相對隧道徑向傳熱可忽略，故隧道壁傳熱的物理模型為深埋雙層圓管一維不穩定導熱。根據濟南軌道交通R1線地下站建立了相應的模型。

3.1.2 數學模型[6-7]

1) 根據已有的物理模型，建立非線性微分方程。

一維流動運動方程為:

(1)

對于特定的某等截面管段i，假定壓力變化及阻力損耗呈線性分布，則有：

(2)

其中質量力fxi為：

(3)

式中，fx為流體所受到的質量力，m/s2；G為流體的體積流量，m3/s；g為重力加速度，9.807 m/s2；D、H分別為支路的阻力損失與獲得的能量，Pa；L為支路長度，m；p為壓力，Pa；S為支路的阻力系數，Pa/(m3/s)2；V為流體流速，m/s；x為距離，m；i為支路序號。

2) 傳熱計算及溫度求解基本原理。

假設所研究的區域具有一、二、三類邊界條件，且土壤中不存在熱源，則有如下導熱微分方程：

(4)

式中，t為溫度；ρ為密度；c為比熱；λ為導熱系數；r代表位置變量；τ代表時間變量；n為邊界的外法線方向；∑1、∑2、∑3分別表示第1、2、3類邊界條件；Ω為所研究的區域。

3.2 數值模擬計算

根據所建立的數學模型，對R1線隧道內熱環境進行分析研究。

3.2.1 工程概況

濟南軌道交通R1線工程位于濟南市西部新城區，線路全長26.1 km，共設置車站11座，其中地下站4座，高架站7座。濟南屬于寒冷地區，最熱月的平均溫度為27.5 ℃，高于25 ℃。軌道交通R1線遠期高峰小時對數為30對，列車為6節編組，兩者乘積為180，應采用空調系統。

3.2.2 模擬分析模型

濟南軌道交通R1線列車選用B型車、6節編組，最大斷面流量21 500人次/h(遠期單向早高峰客流最大斷面)，有效站臺120 m，車站長160 m，共設4座地下站臺(王府莊站、大楊莊站、濟南西站、演馬莊站)，最大行車間隔180 s，車站、配線區采用矩形斷面，區間采用圓斷面，車站其余信息見表1。因R1線前7站為地上站，從王府莊站開始為地下站，王府莊站前為地下隧道的洞口，圖6中站1～站4分別代表王府莊站—演馬莊站。

表1 R1線地下車站信息

圖6 R1線地下站臺及隧道示意

3.2.3 模擬分析

利用STESS軟件，在排熱風量為40 m3/s的標準工況下，對R1線地下隧道內夏季平均溫度和冬季平均溫度進行模擬分析，結果見圖7～8。

從計算結果看，區間隧道的溫度呈洞口溫度高、線路終點溫度低的整體趨勢，是活塞風井進風、區間土壤熱壑作用、列車發熱量等因素影響的綜合體現，但對溫度波動起決定性作用的主要是出站端活塞風井、列車進站時的制動發熱量以及車載冷凝器的發熱量。

圖7 標準工況下左、右線冬季平均溫度曲線

圖8 標準工況下左、右線夏季平均溫度曲線

從圖7～8可見，全線的溫度分布呈以下規律：

1) 由于列車進站時的制動效應以及列車空調冷凝器的散熱作用，車站隧道的溫度普遍高于相鄰區間隧道的溫度，夏季時兩者平均溫差超過2 ℃。

2) 區間隧道的溫度與相鄰車站隧道的溫度具有相同的變化趨勢，當車站隧道的溫度較高時，相鄰區間隧道的溫度也較高；當車站隧道的溫度較低時，相鄰區間隧道的溫度也較低。

3) 冬季因受室外空氣的影響，洞口處空氣溫度較低，隧道內空氣溫度較高，靠近線路終點空氣溫度趨于平穩。

4) 由圖8可知，地下站區間隧道夏季溫度為29.7～30.6 ℃(圖中陰影部分為區間隧道，非陰影部分為軌行區)，符合地鐵設計規范對區間隧道內空氣夏季最高不超過35 ℃的要求，因車輛頂部有空調散熱，模擬結果中車站軌行區溫度較高，為32.2～33.4 ℃，由于屏蔽門可完全阻隔軌行區與站臺公共區，因此車站公共區溫度不受軌行區影響，滿足設計溫度的要求。由圖7可知，地下車站遠期冬季區間隧道最低平均溫度為15.2～15.9 ℃，符合設計規范的要求。

4 經濟效益分析

筆者結合濟南市軌道交通R1線工程的特點，對傳統閉式系統、屏蔽門系統、集成閉式系統、可調通風型站臺門系統，分別從運行能耗、土建投資、設備投資和維護費用等方面進行綜合經濟比較[8-10]。

4.1 運行能耗

按照遠期通風空調負荷，筆者分不同季節對傳統閉式、集成閉式、屏蔽門系統及可調通風型站臺門系統的運行能耗進行了對比，見表2。

表2 四種通風空調制式全年運行能耗對比 kW

由表2可知，可調通風型站臺門系統通過調整可控風口的開啟與關閉，切換系統的運行模式使耗電量大幅降低?？照{季節可控風口關閉，空調系統耗電量為集成閉式系統的79%，保持了屏蔽門系統空調季節的節能優勢；非空調季節可控風口開啟，按照安全門系統運行，可有效利用隧道活塞風進行通風，站臺站廳通風能耗大幅降低，耗電量為集成閉式系統的60%。

4.2 年綜合費用

筆者采用年值法對4種制式的空調系統進行動態比較。建立系統費用年值數學模型，權衡投資費用和運行費用，尋求技術上和經濟上的最佳選配方案。

4.2.1 系統綜合費用年值

系統綜合費用年值用折算費用來表示，包括初投資、年運行費用(電費或燃氣費)、年維護費用，即：

C0=Cr+Cm+(A/P,i,n)(C-S)+Si

(5)

其中

式中，C0為費用年值，元/a；Cr為年運行費用，元/a；Cm為年維護費用，元/a；(A/P,i,n)為資本回收系數；C為土建和站臺門、風機、表冷器、冷水機組、水泵、冷卻塔等設備的初投資，元；S為資本投資的凈殘值，元；i為不變折現率；u為現時折現率；f為通貨膨脹率；n為設備使用年限，年；P為凈現值，元。

4.2.2 年運行費用、維護費用的構成

1) 地鐵環控系統的年運行費用Cr主要包括系統空調、通風運行時風機、冷水機組和水泵等輔助設備的運行費用，即單位電價乘以系統年度總耗電量，則：

Cr=c×∑P

(6)

式中，c為電費的單位價格，元/kWh，參照濟南電價，按0.63元/kWh計算。

2) 年維護費用Cm包括空調通風系統機組的維修、保養，管理人員工資福利等費用，其影響因素很多，要給出確切的數值是很困難的，筆者采用估算法，按設備初投資C的一定比例計算維護管理費用，即每年維護費為：

Cm=ε×C

(7)

式中，ε為計取系數，取ε=0.03 。

4.2.3 4種空調制式年綜合費用對比

通風空調設備、站臺門、供電設備等使用壽命在20年左右，所以確定比較的期限為20年。地下車站的土建使用年限為100年，所以按100年進行折算，貸款年利率按6.55%計算。通過式(5)～(7)計算4種空調制式的年綜合運行費用，計算結果見表3。

由表3可知，可調通風型站臺門系統土建投資與傳統屏蔽門系統一致，因在屏蔽門上增設可開啟/關閉的風口，其他設備投資稍有增加?？照{季可調通風型

表3 4種通風空調制式年綜合費用對比

站臺門系統按屏蔽門系統運行，空調冷負荷??；非空調季節風口開啟，充分利用活塞風冷卻公共區，減少了風機的開啟時間及運行能耗，故由表3可以看出，可調通風型站臺門系統的空調、通風系統設備年耗電費用及年運營費用與其他系統相比最低，具有經濟優勢。

5 結論

1) 通過數值模擬分析，濟南地區地下車站采用可調通風型站臺門系統符合地鐵設計規范對區間隧道內空氣溫度的要求。

2) 根據濟南地區氣候特點，采用可調通風型站臺門系統，由于站臺門上風口可開啟/關閉，既保留了在空調季節的節能優勢，又可在非空調季節有效利用活塞風，節能效果明顯。

3) 通過對比傳統閉式系統、集成閉式系統、屏蔽門系統、可調通風型站臺門系統的運行費用及年綜合費用，可知可調通風型站臺門系統經濟性最優。

可調通風型站臺門系統作為一種新的空調制式系統，能夠滿足濟南市軌道交通的環控要求，同時可以降低系統運行能耗，節約運行費用，實現城市軌道交通的可持續發展，符合濟南軌道交通建設“四節一環?！钡木G色地鐵理念。

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(編輯：王艷菊)

Research on Adjustable Ventilation Platform Door System in Jinan Rail Transit

Wang Guofu1，2Liu Haidong2Pan Lei2

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590;2. Jinan Rail Transit Group Co., Ltd., Jinan 250101)

Considering some important factors such as meteorological phenomena, mode of operation, and volume of passenger flow, applicability study on adjustable ventilation platform doors system in Jinan rail transit was studied. Taking R1 of Jinan urban rail transit as a case, the adjustable ventilation platform doors system was analyzed by using simulation software STESS to simulate the thermal environment of subway. By using annual value method, this paper analyzes the economic function of adjustable ventilation platform doors system, platform screen door system, etc. The results show that, the adjustable ventilation platform door system can meet the subway design specifications and become more energy efficient, and the sustainable development of urban rail transit can be realized.

urban rail transit; adjustable ventilation platform doors system; ventilation and air conditioning; simulation; techno-economic analysis

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.05.020

2015-11-18

2015-12-01

王國富，男，研究員，從事城市軌道交通工程研究，

潘雷，男，碩士，高級工程師，從事綠色地鐵研究。

山東省自然科學基金(ZR2014EEM029，ZR2014EEQ028)

U231.4

A

1672-6073(2016)05-0099-05

metro_jinan@126.com