地鐵安全門系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)舒適性與能耗性研究

劉宏聲

摘? ? 要：地鐵的快捷和方便，使得其成為我國大型城市解決日益緊張的交通問題的主要方式。本文對(duì)安全門系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)舒適性和能耗性的研究采用的是模擬計(jì)算的方法。首先，針對(duì)兩種系統(tǒng)的不同特點(diǎn)建立了兩種系統(tǒng)的熱濕負(fù)荷計(jì)算模型。然后，針對(duì)我國北方地區(qū)天津地鐵一號(hào)線下瓦房站，以本課題組所建立的并已經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證合理有效的CFD模型，分別進(jìn)行夏季空調(diào)工況和冬季工況舒適性的模擬計(jì)算。舒適性的研究主要通過車站站廳層、站臺(tái)層站臺(tái)區(qū)域不同斷面的溫度場、速度場、PMV、PPD等指標(biāo)對(duì)比分析與研究。

關(guān)鍵詞：安全門系統(tǒng);屏蔽門系統(tǒng);舒適性;能耗性;CFD模擬;能耗模擬

1? 國內(nèi)外發(fā)展與研究現(xiàn)狀

我國的地鐵環(huán)控研究始于20世紀(jì)80年代，清華大學(xué)在90年代后期對(duì)北京和上海地鐵進(jìn)行了長期現(xiàn)場測試，主要包括溫度分布、列車散熱量、壁面熱流量、風(fēng)速分布的24小時(shí)連續(xù)變化，以及站臺(tái)空間氣流場等。以此為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，加上對(duì)流體網(wǎng)絡(luò)非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)、地下空間和非均質(zhì)土壤層不穩(wěn)定傳熱過程進(jìn)行了深入的理論分析，開發(fā)了一套地鐵熱環(huán)境模擬分析軟件STESS，對(duì)天津地鐵，深圳擬建地鐵進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)地鐵車站和隧道熱環(huán)境控制系統(tǒng)的可行性研究、方案比選和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、設(shè)計(jì)咨詢，以及對(duì)環(huán)控系統(tǒng)進(jìn)行改造、自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)等提供技術(shù)支持。

2? 地鐵環(huán)控的重要性

地鐵一般都深處地下，車站和列車行車隧道被數(shù)米至數(shù)十米厚的土層覆蓋，與外界的空氣交換只能通過車站的出入口和有限的隧道風(fēng)井來進(jìn)行。同時(shí)列車運(yùn)行、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)和乘客等會(huì)發(fā)出大量的熱量;列車剎車時(shí)產(chǎn)生大量粉塵，乘客和工作人員的新陳代謝也產(chǎn)生大量的熱濕負(fù)荷和CO2流體;同時(shí)由于地鐵周圍土壤通過地鐵圍護(hù)結(jié)構(gòu)的滲濕量也很大。僅靠空氣的自然流動(dòng)和擴(kuò)散，是無法排除如此巨大的熱濕負(fù)荷和污染物，從而難以保持地鐵內(nèi)部環(huán)境的舒適性。據(jù)廣東省疾病控制中心提供的資料顯示，紐約地鐵里的金屬鋼塵是鉻、錳、鐵的重要污染源。

3? 地鐵安屏蔽門系統(tǒng)與安全門系統(tǒng)

地鐵屏蔽門系統(tǒng)為從上到下的一道玻璃隔墻與活動(dòng)門，設(shè)置方式是沿著車站站臺(tái)邊緣與兩端頭，將站臺(tái)乘客候車區(qū)與列車進(jìn)站停靠區(qū)區(qū)分開，具有較高的安全性，并且系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所需能耗較少。而安全門系統(tǒng)與屏蔽門系統(tǒng)相比，結(jié)構(gòu)方式更為簡單，也可以起到對(duì)乘客的安全保護(hù)作用，同時(shí)還具有降噪作用。但是安全門系統(tǒng)并不能起到節(jié)能作用，車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗比較高，并且在前期設(shè)備投運(yùn)所需成本較高。地鐵交通位于地下環(huán)境，車站與區(qū)間隧道設(shè)計(jì)為長條形地下建筑，除出入口、通風(fēng)亭以及隧道洞口可以與室外環(huán)境溝通外，其余部門基本上與大氣環(huán)境隔絕，必須要設(shè)置環(huán)控系統(tǒng)來保證乘客的安全性與舒適性，并在保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的同時(shí)降低能耗。屏蔽門系統(tǒng)通過將車站空間與列車運(yùn)行空間區(qū)分開，可以減少車站空調(diào)冷氣進(jìn)入到隧道內(nèi)，且減少了列車剎車時(shí)產(chǎn)生的熱量進(jìn)入到候車區(qū)，同時(shí)還可以減少出入口因列車活塞作用吸入大量新風(fēng)形成的冷負(fù)荷，所需能耗更低。

4? 安全門系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)分析

4.1? 安全門系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)分析

4.1.1? 安全門系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

①安全性地鐵列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的活塞效應(yīng)，這樣當(dāng)列車進(jìn)入站臺(tái)時(shí)將會(huì)給站臺(tái)候車的乘客帶來被活塞風(fēng)吹吸的危險(xiǎn)。裝設(shè)安全門后，由于站臺(tái)與隧道空間有有一定的隔擋，避免了活塞風(fēng)對(duì)站在的直接影響。

②節(jié)省初投資。安全門系統(tǒng)相比屏蔽門體統(tǒng)優(yōu)勢是安全門系統(tǒng)可以節(jié)省初投資。在有些地區(qū)和同一地區(qū)的不同線路當(dāng)受到初投資費(fèi)用過高困擾時(shí)安全門系統(tǒng)在環(huán)控系統(tǒng)中便發(fā)揮了其優(yōu)勢。

4.1.2? 安全門系統(tǒng)缺點(diǎn)

安全門系統(tǒng)的缺點(diǎn)是其不能起到節(jié)能的作用，不能有效減少車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗，并且設(shè)備初投資要高于屏蔽門系統(tǒng)，運(yùn)行和維修費(fèi)用也高于屏蔽門系統(tǒng)。

4.2? 屏蔽門系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)分析

4.2.1? 屏蔽門系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

①安全性。地鐵列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的活塞效應(yīng)，這樣當(dāng)列車進(jìn)入站臺(tái)時(shí)將會(huì)給站臺(tái)候車的乘客帶來被活塞風(fēng)吹吸的危險(xiǎn)。裝設(shè)屏蔽門后，由于站臺(tái)與隧道空間有屏蔽門隔離開來。只有當(dāng)列車停靠站臺(tái)，并且列車門與屏蔽門完全對(duì)正時(shí)，屏蔽門才同時(shí)打開，以便乘客上下車，從而避免了乘客探頭張望和隨車奔跑的現(xiàn)象，也避免了候車人員及物跌落站臺(tái)軌道的危險(xiǎn)。另外，屏蔽門上還安裝了探測各種障礙物的傳感器，一旦有障礙物存在，傳感器發(fā)出的信息將使屏蔽門再開閉機(jī)構(gòu)動(dòng)作，這樣可有效地減少車門挾人、挾物的事故。

②節(jié)能。由于地下車站和區(qū)間隧道是長條形的地下建筑，除車站的出人口、通風(fēng)亭和隧道洞口與室外溝通外，基本上與大氣隔離，因此需要環(huán)控系統(tǒng)來保證乘客安全、舒適和確保設(shè)備使用壽命。設(shè)置第一種類型屏蔽門系統(tǒng)后，車站空間與列車運(yùn)行空間完全隔開，避免了大量空調(diào)冷氣進(jìn)入隧道，減少了列車剎車時(shí)所散發(fā)出的熱量進(jìn)入候車區(qū)，并減少站臺(tái)出入口由于列車活塞作用吸人大量新風(fēng)所形成的冷負(fù)荷。這樣首先是減少了冷量消耗，達(dá)到空調(diào)節(jié)能的目的，其次是減少空調(diào)設(shè)備容量，相應(yīng)地減少了空調(diào)機(jī)房土建面積與投資。

5? 地鐵屏蔽門系統(tǒng)與安全門系統(tǒng)全面能耗模擬對(duì)比

5.1? EnergyPlus模擬計(jì)算機(jī)程序

EnergyPlus模擬計(jì)算過程主要可以分為三個(gè)步驟，即數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)計(jì)算以及結(jié)果輸出。以天津市下瓦房站為例，其為雙層島式站臺(tái)結(jié)構(gòu)，模擬車站分區(qū)與各區(qū)設(shè)計(jì)溫度如表1所示。車站維護(hù)結(jié)構(gòu)不考慮對(duì)站廳頂與站廳底，四周維護(hù)結(jié)構(gòu)其中外層為鋼筋混凝土襯砌，設(shè)計(jì)厚度為350～600mm。結(jié)構(gòu)內(nèi)層為土壤，厚度設(shè)計(jì)為3m。另外，利用程序來模擬下瓦房車站屏蔽門系統(tǒng)與安全門系統(tǒng)夏季均選擇用全空氣空調(diào)系統(tǒng)，且在過渡季節(jié)與冬季階段，安全門系統(tǒng)選擇用自然通風(fēng)方式，而屏蔽門系統(tǒng)在過渡季節(jié)選擇用新風(fēng)機(jī)供給新風(fēng)與排風(fēng)機(jī)排風(fēng)，冬季則只有新風(fēng)機(jī)提供新風(fēng)。

5.2? 系統(tǒng)通風(fēng)運(yùn)行模式

第一，屏蔽門系統(tǒng)。夏季空調(diào)通風(fēng)運(yùn)行，在室外空氣焓值大于回風(fēng)焓值時(shí)，選擇用最小新風(fēng)量工況;當(dāng)室外焓值小于或等于回風(fēng)焓值時(shí)，選擇全新風(fēng)工況。在過渡季節(jié)，關(guān)閉空調(diào)水系統(tǒng)提供供冷，僅開啟新風(fēng)機(jī)供給新風(fēng)。冬季隧道區(qū)通風(fēng)，活塞風(fēng)井自然進(jìn)風(fēng)，對(duì)隧道進(jìn)行冷卻。第二，安全門系統(tǒng)。夏季空調(diào)運(yùn)行模式與屏蔽門系統(tǒng)相同。過渡季階段，地鐵運(yùn)行時(shí)間段為開式運(yùn)行，關(guān)閉制冷系統(tǒng)進(jìn)入通風(fēng)運(yùn)作模式，活塞風(fēng)井自然通風(fēng)，實(shí)現(xiàn)隧道的冷卻。冬季通風(fēng)運(yùn)行方式為閉式運(yùn)行，僅僅維持乘客舒適度最小新風(fēng)量。且出入口進(jìn)口供給新風(fēng)。

5.2? 模擬結(jié)果分析

空調(diào)季空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行能耗主要為制冷機(jī)、空氣處理機(jī)組、泵、風(fēng)機(jī)以及冷卻塔等部分，在整個(gè)階段內(nèi)制冷機(jī)能耗存在一定差異，在外界溫度最高的7、8月份能耗最高，屏蔽門系統(tǒng)制冷機(jī)能能耗大約為安全門系統(tǒng)的40%。且就空調(diào)季各時(shí)間段系統(tǒng)泵能耗進(jìn)行分析，可以確定屏蔽門能耗大約為安全門系統(tǒng)的1/3。而冬季能耗分析，安全門系統(tǒng)通風(fēng)能耗為零，屏蔽門系統(tǒng)需運(yùn)行新風(fēng)機(jī)補(bǔ)充乘客所需新風(fēng)量，存在一定的能耗。安全門系統(tǒng)空調(diào)能耗要遠(yuǎn)大于屏蔽門系統(tǒng)，而屏蔽門系統(tǒng)通風(fēng)能耗要高于安全門系統(tǒng)，綜合分析全年屏蔽門系統(tǒng)運(yùn)行能耗更具優(yōu)勢。

6? 結(jié)束語

地鐵安全門系統(tǒng)要比屏蔽門系統(tǒng)更為簡單，且同樣具有安全性特點(diǎn)，但是在實(shí)際運(yùn)行中，對(duì)兩種系統(tǒng)運(yùn)行能耗進(jìn)行對(duì)比分析，可以確定屏蔽門系統(tǒng)運(yùn)行所需能耗更低，更符合低碳發(fā)展理念，具有更廣闊的發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐波.地鐵安全門系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)舒適性與能耗性研究[D].天津：天津大學(xué)，2007.

[2] 李曦.地鐵環(huán)控系統(tǒng)能耗對(duì)比分析與研究[D].南昌：華東交通大學(xué)，2014.