地鐵車站設備房空調負荷實測研究

房 爍 夏美秀 鄭進龍

(1. 蘇州市軌道交通集團有限公司,215004,蘇州;2. 廣州地鐵設計研究院有限公司,510010,廣州//第一作者,助理工程師)

相對于其他地面建筑，一般位于地下的地鐵車站與外界環境主要通過出入口通道及地面風亭相連通，車站內部環境受外界干擾較小。但由于車站內部設備多、發熱量大，且對環境溫濕度要求高，因此，為保證車站內工作人員的安全舒適以及設備的正常運行，必須設置通風空調系統。文獻[1]對車站大系統負荷進行了研究，結果表明出入口進風及站臺門漏風對大系統負荷具有很大影響；文獻[2]對地鐵車站中各類電氣設備發熱量進行了分析，結果表明理論計算值與估算值有較大差異。因此，對車站設備管理用房進行空調冷負荷計算方法研究十分必要。

1 地鐵空調系統介紹

地鐵車站空調系統分為公共區通風空調系統(簡稱大系統)和設備管理用房通風空調系統(簡稱小系統)。大系統在正常運營時，為乘客提供過渡性舒適環境；當車站公共區發生火災時，能迅速排除煙氣，同時為乘客提供一定的迎面風速。小系統正常運營時，應能為地鐵工作人員提供舒適的工作環境，且滿足設備良好的運行環境；當車站管理、設備用房區發生火災時，應能排除煙氣或隔斷火源、煙氣，并保持局部區域的相對正壓。

本文只針對南方某城市地鐵站設備用房的小系統空調冷負荷與設備發熱量進行測試研究。

2 小系統負荷組成及其實測研究方法

地鐵車站多為地下建筑，幾乎不受地面外部條件影響，但根據GB 50157—2013《地鐵設計規范》對設備管理用房夏季空調室外計算溫濕度的要求，應采用歷年平均不保證50 h的干、濕球溫度進行小系統空調冷負荷計算。該室外計算溫度與民用建筑空調負荷計算室外溫度一致。設備房室內環控設計參數如表1所示。

2.1 小系統冷負荷組成

設備房小系統空調冷負荷由設備發熱量負荷、圍護結構傳熱負荷、照明負荷、人員負荷、新風負荷等組成。設備發熱量負荷是影響設備房間空調系統負荷的重要組成部分。

表1 設備房室內環控設計參數

2.2 空調負荷及設備發熱量實測研究方法

設備發熱量在室內通過設備與室內空氣對流換熱、設備與圍護結構熱輻射、圍護結構內表面與空氣對流換熱3個過程形成室內冷負荷。

設備房圍護結構內表面與室內空氣的對流換熱可以通過測量房間內表面溫度、面積以及回風溫度得出：

Q1=αwAw(tw-ta)

(1)

式中：

αw——圍護結構內表面對流傳熱系數，取3.9 W/(m2·K)[3]；

Aw——圍護結構內表面積，m2；

tw——圍護結構內表面溫度，°C；

ta——室內空氣溫度，°C。

設備用房的室內空調負荷可以通過測量設備房空調系統的送、回風風量及送、回風空氣溫濕度狀態得出：

Q2=Laρ(hin-hout)

(2)

式中：

La——送風量，m3/s；

ρ——空氣密度，取1.2 kg/m3；

hin——送風焓值，kJ/kg；

hout——回風焓值，kJ/kg。

設備房間內設備與圍護結構內表面的輻射換熱量[4]可以通過測量房間內表面溫度、面積以及設備表面積得到：

(3)

式中：

Ae——設備表面積，m2；

Aw——房間內表面積，m2；

εe——設備表面發射率，取0.65；

εw——房間內表面發射率，取0.85；

Te——設備表面熱力學溫度，K；

Tw——房間內表面熱力學溫度，K；

σ——黑體輻射常數，取5.67×10-8W/(m2·K4)。

本研究于2016年6月底對南方某城市地鐵車站設備房的空調負荷和設備發熱量進行為期10 d的測試。現場實測圖見圖1。該系統采用全空氣空調系統，具體測試方法如下：

(1)使用WSZY-1型溫濕度自動記錄儀(精度為溫度±0.3 ℃，濕度±3%)記錄各設備房送、回風溫度和濕度。測點位于房間送、回風口處，每個風口布置1個測點，每2 min記錄1次數據。

(2)使用TSI Model 8710 DP-CALC型風量罩(精度為±3%)測量各房間送、回風風量。由于送、回風風量較為穩定，最終風量值取3次測量值的平均值。

(3) 利用VarioCAM熱成像儀(精度為±1.5 ℃)測量小系統各房間及設備表面溫度，每4 h測量1次，連續測量2 d。

(4)測量各房間內表面面積及設備表面積。

a) 溫濕度自動記錄儀b) 風量罩c) 熱成像儀

圖1 現場實測圖片

3 設備房冷負荷計算值與實測值分析

3.1 設備房空調冷負荷設計計算

南方某城市地鐵車站設備管理用房空調冷負荷設計計算值如表2所示。

表2中冷負荷值以地鐵車站遠期客流及行車對數為基礎，根據各系統專業提資設備發熱量及各項負荷計算公式計算得到。

從表2可以看出，民用通信設備室、環控電控室、開關柜室、整流變壓器室的計算空調冷負荷較大，尤其是0.4 kV開關柜室達到61.7 kW，單位面>積冷負荷達456 W/m2。設計計算負荷偏大，必然導致設備配置偏大、實際荷載率低、空調設備長期運行于非高效工作區、能耗加大等不良問題。為達到空調設計方案優化、合理選擇冷水機組及空調機組容量、減少投資費用的目的，本研究對地鐵車站上述設備房冷負荷及設備發熱量進行了實測，進而指導及校正空調設計的合理性。

表2 某地鐵站設備房空調冷負荷計算值統計

3.2 設備房空調冷負荷實測計算

對各設備房的空調系統送、回風溫濕度及風量進行實測，再由公式(1)、(2)、(3)計算得出室內空調冷負荷值及設備發熱量值，如圖2和圖3所示。

圖2 某地鐵站設備房空調冷負荷及設備發熱量的實測值對比圖

圖3 某地鐵站設備房空調冷負荷的夜間與白天實測值對比圖

圖2中考慮了設備房通過圍護結構傳熱的失熱量，因此，圖中設備發熱量測試數據比空調負荷大，且設備發熱量形成的空調負荷起決定性作用。

圖3所示各設備房的白天與夜間測試結果值趨于穩定，差值在0.1～0.8 kW之間波動，說明設備房負荷和設備發熱量與室外環境及行車對數無明顯關系。圖中各數據取逐時最大值。

3.3 設計與實測冷負荷值對比分析

圖4為某站設計負荷值與實測值對比結果。由圖可見，設計值遠大于實測負荷值及設備發熱量值。其中專用通信電源室、民用通信設備、環控電控室及開關柜室等變電所設備房負荷設計值與實測值相差60%以上，警用通信設備室、配電室及站臺門設備室的計算值與實測值相差較少，差值在20%～40%范圍內。實測結果也說明空調負荷值有較大的優化空間，尤其是需要核實設備發熱量提資值的準確性，這對于空調系統節能改造具有較大的參考價值。

4 結論

本文提出了一種對地鐵車站設備發熱量進行實測的方法，并對南方某城市地鐵車站設備房空調冷負荷及設備發熱量進行了實測研究。研究結果表明，設備房實測空調負荷及設備發熱量值全天保持穩定，但均比設計計算值小很多，偏差在20%～77%范圍內。該研究結果有利于在設計階段合理降低設備發熱量取值，避免因設計計算空調冷負荷偏大而導致設備選型配置偏大，設備功耗增大，長期運行不節能，投資費用增加等惡性問題。本研究不足之處是短時段的測試數據不能代表整個空調季的空調負荷情況。今后，還需要進一步對多個車站長時間的連續測試數據來獲得更真實可靠的結果。

圖4 某站設備房空調冷負荷設計值與實測值及設備發熱量實測值對比圖