屏蔽門系統地鐵車站空調負荷研究現狀及展望

隋學敏,王靖宜,郭 磊,張淵博

(1.長安大學建筑工程學院,西安 710061； 2.長安大學環境科學與工程學院,西安 710054；3.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

引言

近年來，地鐵已成為解決城市交通問題的重要途徑之一。與早期興建的地鐵相比，人們對如今地鐵的環境狀況寄予了更高的期望。地鐵通風空調系統擔負著為乘客和工作人員創造一個生理和心理上都能滿意的適宜環境，并滿足地鐵設備正常運轉的重要職能，是地鐵中不可或缺的重要組成部分。地鐵通風空調系統一般分為開式系統、閉式系統和屏蔽門系統，相比之下，屏蔽門系統能有效阻隔站臺與隧道之間的熱交換并阻擋了空氣污染物，是近年來地鐵建設及改造主要運用的環控模式。

該系統的特征在于僅在屏蔽門開啟時存在區間隧道與車站之間的對流傳熱，大幅度降低了隧道內的熱空氣與地鐵站臺區域的冷空氣之間的熱質交換，降低了站臺空調系統的負荷[1]。屏蔽門系統因其出色的節能性和舒適性深受城市軌道交通建設單位的青睞。目前，地鐵車站多采用全空氣方式對站廳、站臺等區域進行熱濕環境調控，通風空調系統的運行能耗顯著高于辦公樓、商場等普通公共建筑，有研究表明屏蔽門地鐵車站環控系統能耗占非牽引耗電量的35%～50%[2-3]，如何降低地鐵車站通風空調系統能耗已成為亟待解決的問題。

地鐵車站空調系統設計中，設計負荷計算的準確性對空調系統的經濟性、運行效果和能耗有重要影響。地鐵車站環控系統空調負荷與普通地面建筑空調負荷的主要不同之處在于，地鐵車站處于地下，故地鐵車站環境不受太陽輻射的影響，除了計算冷負荷時必須考慮室外新風的影響之外，在計算地鐵車站自身的空調冷負荷時基本可忽略室外環境的影響。另外，屏蔽門系統地鐵車站的空調負荷也有一些其他的特殊性，如地鐵環境受乘客的人員負荷影響很大，但乘客只在地鐵車站內做短暫停留；屏蔽門開啟導致的站臺與隧道間的風量交換由于影響因素眾多、流動狀況復雜，難以準確確定，使得屏蔽門漏風引起的這部分負荷計算存在難點。本文對屏蔽門系統地鐵車站空調負荷組成要素及其計算方法進行了分析，歸納總結了目前該系統負荷計算中存在的關鍵問題，重點對屏蔽門滲漏風及車站出入口滲透風的研究現狀進行了綜述和評價，為屏蔽門系統地鐵車站的空調負荷計算及其相關研究提供參考。

1 車站空調負荷

屏蔽門系統地鐵車站空調系統根據服務對象的不同通常分為公共區空調系統(簡稱“大系統”)和設備區空調系統(簡稱“小系統”)。大系統的服務對象主要包含站廳、站臺。站廳與車站出入口連接，是與外界大氣直接相連的過渡空間；站臺通常位于站廳的下層，通過樓梯、電梯等開口與站廳相連，并通過屏蔽門與隧道空間相連接。小系統服務對象主要包括各類人員辦公用房、通信用房、設備用房等。本文所述地鐵車站空調系統，主要針對以乘客為服務對象的車站公共區空調系統。

1.1 車站空調冷負荷的構成

屏蔽門系統模式下，地下車站可視為一個相對封閉的地下箱形建筑。通常情況下地鐵車站環控系統冷負荷Ql包括照明、電梯等設備負荷Qzs、圍護結構傳熱負荷Qw、人員負荷Qp、機械新風負荷Qx、送回風管路溫升形成的冷負荷Qf及由屏蔽門滲漏風和出入口滲透風引起的滲風負荷Qs。

(1)照明、電梯等設備負荷Qzs

照明、電梯等設備負荷可按照單位面積指標計算。照明負荷單位面積指標與普通公共建筑差異不大，通常為15～20 W/m2，隨著LED照明等節能技術的推廣應用，單位面積的照明負荷指標可進一步降低至10～15 W/m2。設備負荷包括自動扶梯、垂直電梯、廣告、緊急疏散指示牌、自動售檢票機等，是由車站公共區所有用電設施產生的，設備負荷單位面積指標通常為15～20 W/m2[4]。

(2)圍護結構傳熱負荷Qw

圍護結構傳熱負荷主要指外圍護結構及內圍護結構傳熱形成的冷負荷。地鐵車站外圍護結構傳熱是指外圍護結構與土壤間的傳熱，由于該傳熱量對于車站得熱為負值，且比例甚微，通常可忽略不計[5]。因此圍護結構傳熱主要是指車站的內圍護結構間的溫差傳熱，如屏蔽門與站臺間的傳熱及車站軌道排熱風道與站臺或站廳間的傳熱。其中，軌道排熱風道的計算傳熱面積應考慮軌頂風道頂板、軌頂風道側壁、軌底風道頂板的面積[6]，且根據排熱風道圍護結構材料的不同，傳熱系數應分別計算，在此統一稱之為排熱風道圍護結構傳熱系數。該部分傳熱量可以按照一維穩態導熱，根據下式計算

(1)

(2)

式中，Qd、Qf分別為屏蔽門傳熱量及排熱風道圍護結構傳熱量，kW；Fd、Ff分別為屏蔽門和排熱風道圍護結構的面積，m2；ts為排熱風道內溫度；tα為站臺計算溫度，℃；tt為隧道內的空氣溫度，℃；Kf為排熱風道圍護結構傳熱系數，W/(m2·℃)；Kd為屏蔽門傳熱系數，W/(m2·℃)。

(3)人員負荷Qp

人員負荷取決于車站內的人員數量、活動狀態與環境溫度。地下車站人員負荷Qp同普通建筑人員負荷相比具有特殊性。確定人員負荷的關鍵是確定高峰小時客流量。高峰小時客流量一般源自當地交通規劃部門的客流預測報告，地鐵車站的地理位置、周邊人口和崗位構成、生活習慣、是否換乘等情況，對客流高峰的影響很大，即使同一個城市的不同地鐵線路，客流高峰也有可能出現在不同的時間段。一般而言，居住、辦公和工業用地引發的客流主要是通勤客流，客流一般呈現早晚兩個高峰，通常早高峰客流高于晚高峰客流量居多[7-8]。而商業地帶、火車站、體育館等周邊車站高峰時間與通勤客流高峰時段有所不同，呈現不同的特殊性，例如有調查表明某地區商業引發客流的高峰時間為08：00-10：00及14：00-16：00，火車站引發的高峰客流出現在節假日，因此特殊地帶周圍的車站應根據具體客流預測計算逐時冷負荷[9]。

地鐵車站人員負荷的另一個特殊性在于乘客滯留時間較短，車站內乘客的行為特征是“短暫逗留”，人體散熱冷負荷系數可取1.0。人員負荷按照勞動強度為“輕度勞動”計算，即站廳室內設計溫度30 ℃下顯熱散熱量為35 W/人，全熱散熱量為182 W/人；站臺室內設計溫度28 ℃下顯熱散熱量為47 W/人，全熱散熱量為182 W/人。非換乘站的人員負荷可按照式(3)～式(5)計算[10]

(3)

(4)

(5)

式中，Nc、Np分別為站廳、站臺的計算人數，人；A1、A2分別為車站逐時進站、出站人數，人；a1、a2分別為乘客進站在站廳、站臺停留的時間，min，可取2 min或根據乘客購票時間、行車間隔決定；b1、b2分別為乘客出站在站廳、站臺的停留時間，min，可取1.5 min或根據乘客出站所需時間決定；Qp為車站人員負荷，kW；qp為乘客全熱散熱量，W/人。

(4)機械新風負荷Qx

機械新風負荷取決于機械新風量及室內外空氣的比焓差。計算公式如下

(6)

式中，Qx為機械新風負荷，kW；ρo為室外新風的密度，取1.2 kg/m3；Gx為機械新風量，m3/s；hw為室外空氣焓值，kJ/kg；hc、hp分別為站廳、站臺空氣焓值，kJ/kg。

按照現行GB 50157—2013《地鐵設計規范》[11]，當采用空調系統時，機械新風量應取總人員需求新風量與系統總送風量的10%兩者中的最大值。總人員需求新風量取決于人均需求新風量及高峰時段人數，人均新風量下限值取12.6 m3/h[11]。但也有研究者認為該最小新風量取值偏小，建議應根據各地鐵車站的地理位置和周邊情況，通過室外CO2濃度計算來確定，對于國內大部分城市地鐵，該值取15～19 m3/h比較合適。只有在室外環境特別好的情況下，該值才能取12.6 m3/h[7]。

關于室外空氣與車站內空氣的焓差，對于室外狀態點的確定，現行GB 50157—2013《地鐵設計規范》[11]規定對于地下車站公共區夏季室外空氣計算溫度，應采用近20年夏季地鐵晚高峰負荷時平均每年不保證30h的干球溫度；夏季空調室外計算濕球溫度，應采用近20年夏季地鐵晚高峰負荷時平均不保證30 h的濕球溫度。根據其條文說明，沒有采用GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[12]規定的“采用歷年平均不保證50 h的平均溫度”，是因為地鐵與地面建筑不同，規范[12]中每年不保證50 h的干球溫度出現在12：00-14：00，而此時正值地鐵客流低谷。若同時采用夏季不保證50 h的干球溫度與地鐵晚高峰負荷來計算空調冷負荷，就形成兩個峰值疊加，冷負荷偏大，因此采用地鐵晚高峰客流出現時間對應的室外溫度作為室外空氣計算溫度。但亦有學者通過研究計算指出，一般城市早高峰時的室外新風焓值高于晚高峰的室外新風焓值，且車站的早高峰客流量高于晚高峰者居多。如果按照晚高峰空氣比焓值計算，可能會導致大系統空調負荷偏小[8]。關于負荷計算取早高峰還是晚高峰的問題，文獻[7]進行了詳細分析與討論，由于室外空氣比焓值呈周期性變化，且車站客流高峰時段并不固定，早高峰還是晚高峰的空調負荷大，并非固定不變，建議有條件盡可能作逐時負荷計算，至少要對客流高峰的幾個時間段進行計算對比。

另外，目前設計人員在考慮機械新風負荷時普遍存在低估出入口滲透新風影響的現象，若考慮到這部分新風，機械新風負荷將會進一步減小。

(5)送、回風管路溫升冷負荷Qf

送風機與回風機在工作時，由機械損失和摩擦損失最終轉換為熱量導致送風溫度升高，而地鐵送風機風量大，風機溫升導致的耗冷量不可忽略。計算時，風機溫升形成的負荷通常按1.5 ℃的溫升計算考慮[8]。

(6)滲風負荷Qs

滲風負荷在本文中表示屏蔽門滲漏風和出入口滲透風共同導致的總負荷。屏蔽門在列車停站時開啟，屏蔽門滲漏風導致站臺與隧道環境暫時換熱，造成大系統冷負荷的增加。此外，車站的出入口滲透風也會引起一部分滲風負荷。

屏蔽門滲漏風量并不是一個籠統的概念，當屏蔽門表現為滲入風，此時隧道內的熱濕空氣通過開啟的屏蔽門進入站臺，增加了站臺的得熱量，造成了冷負荷的增加。而當屏蔽門表現為漏出風，此時站臺公共區空調冷風通過開啟的屏蔽門流入隧道，造成了冷量的損失，為保證站臺的壓力，勢必要引入同體積的室外新風來維持，同樣造成了車站冷負荷的增加。屏蔽門滲漏風引起的滲風負荷可由公式(7)計算得到[13-14]

Qsl=ρGsl(hw-hp)

(7)

式中，Qsl為由屏蔽門滲漏風引起的滲風負荷，kW；ρ為屏蔽門滲漏風的密度，取1.2 kg/m3；Gsl為屏蔽門漏風量，m3/s；hp為站臺區空氣焓值，kJ/kg。式(7)中，當隧道通過屏蔽門向站臺滲入風時，hw為隧道區間空氣焓值，kJ/kg；當站臺通過屏蔽門向隧道漏風時，由于這部分風量損失由室外新風補償，hw為室外新風焓值，kJ/kg。

出入口滲透風引起的滲風負荷由以下公式計算

Qst=ρGst(hw-hc)

(8)

式中，Qst為由出入口滲透風引起的滲風負荷，kW；ρ為出入口滲透風的密度，取1.2 kg/m3；Gst為出入口滲透空氣量，m3/s；hc為站廳區空氣焓值，kJ/kg；hw為室外新風焓值，kJ/kg。

要準確計算滲風負荷，設計人員需要確切得到通過屏蔽門的空氣交換量與滲漏模式，以及出入口滲透風量與滲透模式。但由于屏蔽門漏風量及出入口滲透風量的有關計算因為它們的復雜性和不穩定性目前尚無法精確計算，使得這兩部分負荷尚無精確的計算方法，通常采用估算方法。如屏蔽門漏風量通常采用5～10 m3/s，出入口滲透負荷則是基于各出入口通道截面面積，按照200 W/m2進行估算[5]。

1.2 車站空調濕負荷

濕負荷主要有兩個來源，即圍護結構散濕和人員散濕，夏季還包括來自室外新風的潛熱負荷。圍護結構散濕是指外圍護結構與土壤間的散濕量，可通過單位面積的散濕量進行計算，按照經驗數據，單位面積散濕量可按2 g/(m2·h)進行計算[15]。

總結來看，屏蔽門系統地鐵車站大系統冷負荷中，設備、照明負荷比較容易確定，可按單位面積負荷指標計算；人員負荷、機械新風負荷、圍護結構傳熱負荷、風機溫升負荷與濕負荷有較明確的計算方法，可根據實際工程情況計算。但由屏蔽門和出入口導致的滲風負荷目前多采用估算，仍缺少合理的定量計算方法。滲風負荷在車站空調負荷中占有不小的比例，有研究者對上海兩典型車站的負荷分析表明，滲風負荷在車站公共區空調冷負荷中的比例分別可達18.4%及25.5%[3]。正確計算滲風負荷的關鍵在于確定滲風量的大小，滲風量的準確計量對屏蔽門系統地鐵車站空調負荷的正確計算具有重要意義。

2 滲風負荷

2.1 滲風負荷的形成原因與影響因素

雖然屏蔽門將站臺與隧道分隔成兩個獨立的熱環境，但屏蔽門在列車到站時會開啟20～30 s。在此期間，為了及時排出列車制動及車廂空調產生的熱量，設置在隧道區間內的軌道排熱風機開啟，這會引起站臺隧道側處于負壓。除了從活塞風井處補風，還會在屏蔽門開啟時吸入站臺公共區的冷空氣，造成站臺已冷卻的空氣流入隧道；同時，列車在隧道內運行產生的活塞風由于慣性作用，在列車停止時不會立即停止，而是會在列車與屏蔽門之間的間隙產生復雜的擾動，從而在列車尾部附近的屏蔽門會有小部分隧道內的空氣流入站臺[13]。這兩部分氣流形成屏蔽門滲漏風。屏蔽門滲漏風量的影響因素包括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、隧道及站臺溫度分布引起的熱壓等[16]。

圖1 出入口滲透風形成示意[20]

由于站臺通過屏蔽門進入隧道的瞬時漏風量很大，對我國南方某城市屏蔽門系統的實測研究表明，典型工況下瞬時漏風量約為空調系統的設計新風量的3倍[17]。這將導致站內的瞬時負壓，這部分負壓將由出入口引入室外新風來補充，形成了出入口滲透風。出入口滲透風形成示意如圖1所示。其影響因素除了列車運行產生的活塞風作用，還包括隧道活塞風井的位置、軌道排熱風機排風量、機械送風模式、列車運行工況、熱壓作用、出入口通道長度、車站埋深、旁通作用等[18-19]。

因此，在列車行駛形成的活塞作用及軌道排熱風機等影響因素的綜合作用下， “隧道空氣-室內空氣”和“室外空氣-室內空氣”的質量傳遞構成了屏蔽門滲漏風與出入口滲透風。

2.2 屏蔽門滲漏風

2.2.1 國內外研究現狀

目前國內外研究者對屏蔽門滲漏風的研究方法主要有實測法、通風網絡計算法、CFD模擬計算法等。屏蔽門滲漏風量的大小與屏蔽門啟閉狀態有關。列車在正常運行過程中，屏蔽門處于關閉狀態；在列車停站時間內，屏蔽門一直保持開啟狀態。

(1)屏蔽門關閉狀態的滲漏風研究

屏蔽門關閉狀態下的滲漏風主要是通過屏蔽門縫隙滲漏。列車的運行經歷勻速駛入站臺，在離站約100 m處減速進站直到停車后屏蔽門開啟，待屏蔽門再次關閉時列車開始加速駛出，達到正常行駛速度時進入勻速狀態。在此期間，由于列車速度變化及活塞風的慣性作用導致隧道內氣流重新分布，并通過屏蔽門縫隙形成滲漏風。提高屏蔽門的安裝施工質量，加強屏蔽門氣密性可有效減少屏蔽門關閉時的滲漏風[21]。有研究表明，一個行車周期內屏蔽門關閉狀態時的漏風量僅有0.680～0.824 m3/s[13-14，22]。該漏風量很小，對站臺環境影響可以忽略。

(2)屏蔽門開啟狀態的滲漏風研究

為了直觀得到屏蔽門開啟時的滲漏風量，不少研究者使用實測法對已建成的地鐵站進行了現場實測，實測法涉及間接測量法及直接測量法。由于屏蔽門開啟時間短，且各個門附近的氣流受乘客進出因素等影響，氣流模式比較復雜，難以對滲漏風量進行直接測試，許多研究者采用了風量平衡法間接測量得出屏蔽門漏風量。主要通過對一些易于測量、擾動較小位置處的風量進行測試，如車站出入口風量、空調系統送回風量、站廳與站臺相連的樓梯口風量等，然后通過空氣質量守恒方程算出總滲漏風量。

表1給出了現有文獻中采用間接測量法進行現場實測的測試位置及測試結果。從現有測試結果來看，實際運行中屏蔽門漏風量遠遠大于設計中常用的估算值5～10 m3/s。且方向是由站臺流向隧道。屏蔽門滲漏風對地鐵車站空調系統的影響實際上是冷量的損失。

表1 屏蔽門漏風量間接測量結果匯總

間接測量法簡便有效，但缺點是無法測出各個屏蔽門兩側的空氣交換量。也有研究者在屏蔽門開啟前后使用風速儀直接在屏蔽門處進行實測。由于直接測量法可直觀反映單個屏蔽門處的氣流模式及漏風量，所得到的數據非常具有參考價值。但在實際中，這部分空氣的流動受到乘客進出等因素的影響，測點較難確定，測量位置的選取將直接影響實測的準確性。現有文獻中采用直接測量法的實測研究并不多。彭治霖[26]將測點位置定在屏蔽門邊緣，距屏蔽門平面和頂部邊緣20 cm。根據其測試結果可以看出軌道排熱風機關閉情況下，車頭端由站臺流向隧道的風量明顯大于車尾端由隧道進入站臺的風量。龔蓂杰[27]測試的方案是由測試人員手持風速儀，在屏蔽門打開前將風速儀探頭與屏蔽門縫隙成20°角，距離地面1.5 m，距離縫隙20 cm；屏蔽門打開后將探頭升至屏蔽門頂部30 cm處并與屏蔽門垂直；屏蔽門再次關閉時探頭放置回初始位置。測試結果顯示：站臺公共區流入隧道的空氣量為23.93 m3/s，隧道流入站臺公共區的空氣量為1.83 m3/s。

通風網絡法指用圖論方法對通風管網系統進行抽象描述，把通風管網變成一個由線、點及其屬性組成的系統，即通風網絡。清華大學建筑技術科學系開發的地鐵熱環境模擬軟件STESS[28]、美國交通部發布的地鐵環境模擬軟件SES、瑞典EQUA公司開發的隧道環境仿真軟件IDA TUNNEL[29]也是基于通風網絡法，其關鍵在于確定網絡模型各連接點處的局部阻力系數。與CFD計算方法相比，網絡法計算過程簡便，可用于設計階段屏蔽門漏風量的估算。李亮[30]介紹了使用三維CFD場模擬計算得到屏蔽門處的等效局部阻力系數的方法，并對比了屏蔽門漏風量的三維CFD模擬計算結果與STESS網絡模型計算結果，得出站臺區流入隧道的空氣量約為27.4 m3/s，從隧道流入站臺的空氣量不到站臺流入隧道空氣量的7%的結論。在此基礎上，李俊等[24]根據通風網絡的串并聯關系求解各個支路的阻抗，并根據屏蔽門所在支路和活塞風井支路的阻抗，得出了求解屏蔽門漏風量的計算式，并采用現場測試結果驗證了其準確性。該計算式如下

(9)

式中，Gsl為單列列車停站時總屏蔽門漏風量，m3/s；Gp為列車停站時車站軌道排熱風量，m3/s；S0、Si分別為屏蔽門支路和活塞風井支路阻抗，kg/m7。

Li X等人[31]利用地鐵熱環境仿真軟件STESS，研究了隧道長度、列車發車密度、屏蔽門氣密性、雙向列車到站時間間隔等因素對屏蔽門漏風量的影響，并在多因素分析的基礎上，利用多項式擬合提出了一個行車周期內的屏蔽門漏風量的計算公式，如式(10)～式(13)所示

57.49n2-520n+7 046)

(10)

68.94n2-534.1n+7 415)

(11)

32.42n2+159.7n+4 700)

(12)

44.50n2+1 266n+199.7)

(13)

式中，G為屏蔽門開啟時間段內漏風量，m3/h；下標為隧道長度；n為該時間段內行車對數，范圍為6～30列/h；f為屏蔽門的間隙面積，m2。

CFD模擬計算法指使用計算流體力學軟件建立三維模型，數值模擬計算屏蔽門漏風量。由于CFD方法可以模擬預測多種行車工況下及不同環控模式下的氣流運動情況及整個流場狀況，目前是研究屏蔽門滲漏風量及滲漏模式中應用最多的方法。楊巨瀾[32]以上海地鐵9號線的中華路站為研究對象，利用計算流體力學軟件STAR-CD對漏風量進行1 h內的穩態模擬，得到了當軌道排熱風機風壓為400～650 Pa時，對應的屏蔽門漏風量為8.01 ～9.58 m3/s。陶海濤[22]利用CFD動網格生成技術使網格可以隨列車在隧道內運動不斷調整，模擬得到屏蔽門開啟時的漏風量，結論是隧道流入站臺區的風量為23.05 m3/s，站臺區流入隧道內的風量為25.43 m3/s。齊衛陽等人[33]使用CFD模擬軟件，通過UDF編譯實現列車勻速、減速、靜止和加速4個過程，得出的結論是隧道流入站臺的平均流量為0.88 m3/s，站臺流入隧道的平均流量為10.03 m3/s。也有研究者運用網絡模型結合場模型的方法模擬得出屏蔽門漏風量，具體的步驟是運用SES或STESS軟件模擬得到列車在隧道內運行產生的活塞風速，并以此作為速度邊界條件，建立隧道-站臺流場三維CFD模型。此方法可以有效減少模型中隧道段的長度，節省計算內存與時間。張宏等人[34]利用STESS與CFD模擬相結合，計算得到某典型島式站臺屏蔽門漏風量為16.5 m3/s，方向由站臺流入隧道，越靠近車頭漏風量越大，車尾對應的兩個屏蔽門總體風量是由隧道流入站臺。王迪軍等人[35]利用SES模擬軟件與CFD模擬結合研究屏蔽門開啟時的漏風量，結論是隧道流入站臺區的風量為16.30 m3/s，站臺區流入隧道的風量為41.84 m3/s。趙全超等[13]利用SES模擬軟件與CFD模擬結合，得到了屏蔽門打開期間流向隧道平均滲漏風量為25.08 m3/s，流向站臺的平均滲漏風量為21.87 m3/s的結論。項毅[14]用SES軟件和CFD模型結合，并分為前后有車、前后無車、前無后有、前有后無4個工況，分別計算屏蔽門開啟時滲漏風量，得到站臺流入隧道的風量為18.3～30.99 m3/s，隧道流入站臺的風量為22.3～25.63 m3/s的結論。

2.2.2 尚需解決的關鍵問題

(1)在以往車站空調設計中，通常認為屏蔽門開啟時，軌行區有5～10 m3/s的隧道熱空氣進入站臺區，產生空調負荷，但通過對現有地鐵車站屏蔽門漏風量實測分析發現，屏蔽門滲漏風實際上是站臺區域的冷空氣流向隧道區域，屬于空調冷量的損失，這部分風量損失將由出入口引入室外新風補充。但在設計中能否簡單地將這部分風量等同于出入口滲透風來計算滲風負荷仍需討論。因此，在今后的研究中應著重于解決屏蔽門滲漏風與出入口滲透風之間的關系，更加合理地認識和研究這兩者在地鐵車站中的影響及作用規律。

(2)使用CFD法模擬屏蔽門滲漏風尚未形成統一的結論，SES與STESS軟件計算結果作為后續CFD模擬邊界條件模擬出的結果差異也較大。原因可能在于：SES采用龍格-庫塔迭代法進行求解，而STESS采用改進的基本回法(MMKP法)，加快了收斂速度；其次SES中的氣象參數來源于美國氣候數據中心或者開利公司，其中并不包括中國各城市，且最新版本于1997年推出，距今已有20年的時間，普遍不適應如今中國各地新建的地鐵形式[36]。因此，尋找更加適合的模擬軟件，減小模擬與實測之間的差異，才能更好地為系統設計及實際運行提供有效指導。

2.3 出入口滲透風2.3.1 國內外研究現狀

隨著近年來對地鐵空調計算負荷研究的深入，研究者逐漸認識到出入口滲透風才是影響地鐵空調計算負荷準確性的關鍵。目前針對出入口滲透風的研究中使用最多的方法是實測法，即在每個出入口通道內同時對風速與風向進行直接測量。關于每個通道內截面測點數目的選取，精確的測量需要在同一通道截面上對多個測點進行測量，計算平均風速。有實測研究表明截面上單個測點的風速即可代表截面平均風速[37]，為使測量工作易于操作，目前的實測研究中也多選取不受客流影響的區域進行單點測量。從現有實測結果來看，出入口滲透風隨屏蔽門開啟關閉的影響呈周期性變化，但總體表現為進風，因此為地鐵車站提供了大量的新鮮空氣。CO2濃度可以作為反映出入口滲透風量和機械新風量的一個直觀指標。許多針對已建成的車站內部CO2濃度實測顯示，實際運營的地鐵車站內CO2濃度遠低于規范[11]規定的CO2體積分數限值1 500×10-6[38-39]。這是由于機械新風和出入口滲透風共同引入新風導致車站新風量過大，造成了資源的浪費。因此，機械新風負荷具有最大的節能潛力。

出入口滲透風的主要動力有室外風速風向決定的風壓通風、地鐵車站內與室外溫度不同導致的熱壓通風以及軌道排熱風機和活塞效應引起的負壓效應。由于影響因素復雜，目前尚未有出入口滲透風準確的定量研究。但不少研究者針對室外風向風速、出入口類型、車站埋深、環控系統風量、隧道活塞風井位置、隧道長度、屏蔽門阻抗、行車列次、旁通效應等因素對出入口滲透風進行了定性分析[17-20，40-42]。Yang L等[19]在對某典型地鐵車站進行實測的基礎上，提出出入口滲透風受旁通效應的影響，有部分無法進入車站內部成為有效新風，以此提出了計算出入口有效新風量的方法，并對我國不同地區4個典型屏蔽門車站的出入口滲透風模式進行研究，結果表明，由出入口滲入的有效新風明顯大于站內人員需求的新風量。Guan B等[43]通過對中國夏熱冬冷地區的兩個典型地鐵站進行實測，得到常規小新風工況下出入口滲透風量為(2.5～4.6)×104m3/h，關閉機械新風系統后出入口滲透風量增加了(0.6～0.9)×104m3/h。實測結合理論計算結果表明：即使達到遠期高峰客流量的情況下，無機械新風的運行模式也足以保證地鐵站內乘客的新風需求，室內CO2濃度、顆粒物濃度及溫濕度可以達到要求，并且與小新風運行模式相比節能9.9%～19.6%。王行宇[44]在空調季對重慶與成都地區地鐵車站出入口滲透風進行實測，測試結果為總滲透風量為19.97 m3/s，約是最小新風需求量的9.5倍。

以上研究結果表明，現有的地鐵環境下，出入口滲透風足以滿足大多數地鐵站乘客對新風的需求，無需開啟機械新風。Zhang Y等[45]利用地鐵熱環境仿真軟件STESS對無錫市某地鐵車站出入口滲透風在無機械新風的工況下進行了模擬，進一步對出入口滲透風能否滿足最小新風需求進行了論證。結果如圖2及圖3所示，表明只有在遠期客流量很大或某些大型換乘站需要額外的機械新風。今后的設計工作應結合地鐵交通客流量有波峰、波谷的特點，根據站內客流情況，在非高峰時段關閉機械新風系統，利用出入口滲透新風滿足人員新風需求，可有效降低空調運行能耗，并且這種方式對人員負荷和滲風負荷所占比例較大的車站效果會更加明顯。

圖2 近期工況下出入口滲透新風量及新風需求量的逐時變化[45]

圖3 遠期工況下出入口滲透新風量及新風需求量的逐時變化[45]

2.3.2 尚需解決的關鍵問題

(1)對出入口滲透風的定性研究較多，但在設計中如何準確確定出入口滲透風量還沒有統一的結論。與此同時，目前的研究中缺乏軌道排熱系統與列車活塞風對出入口滲透風影響的敏感性分析。有研究表明，軌道排熱風機實際排出的是隧道、車站和列車車廂的混合風，并且大多數開始日常運營的地鐵線路初期，隧道溫度低于室外溫度，因此軌道排熱系統可根據情況間歇運行，或單開啟軌頂或軌底排熱風機[46-48]。在不同的軌道排熱系統運行模式下，出入口滲透風量的變化規律將是一個亟待討論的問題。

(2)近年來研究者關于出入口滲透風的認識逐漸清晰，利用出入口滲透風滿足車站新風需求、取消機械新風系統就成為一種可行的技術路徑。但在地鐵運行遠期，或某些客流量非常大的車站，出入口滲透風能否滿足人員新風需求仍需討論，若不滿足，如何根據室內CO2濃度進行機械新風系統的運行調控需要進一步研究。

3 結論與展望

(1)屏蔽門系統地鐵車站空調設計負荷中滲風負荷尚無明確的計算方法。屏蔽門滲漏風對地鐵車站空調系統的影響主要是冷量的損失，這部分冷空氣損失將由出入口引入新風承擔，出入口滲透風是造成空調系統負荷偏大的重要影響因素。出入口滲透風顯示出巨大的節能潛力，使其研究更加重要。現有研究中出入口滲透風在地鐵車站內的流動路徑還不明確，計算方法尚未得到一個定量的結論。

(2)由于地鐵站臺條件的復雜性，使用直接測試法測定屏蔽門漏風量非常困難；同時，應用不同的模擬軟件對屏蔽門漏風量的模擬結果差異較大。因此，探討快速準確測量屏蔽門漏風量的方法，找尋及開拓更加符合我國地鐵建設環境的模擬軟件，是地鐵環控系統設計負荷計算優化的前提與關鍵。

(3)充分利用出入口滲透風帶來新風的優勢降低機械新風負荷是節能的關鍵。現有研究結果表明出入口滲透風可以滿足大部分情況下站內人員的新風需求，但這部分新風在大型或具有換乘功能的車站能否滿足新風需求有待討論。同時出入口僅和站廳相連，當車站內部結構較為復雜時，出入口滲透風是否滿足站臺人員的新風需求需要進一步研究。

(4)地鐵運行遠期，或某些客流量非常大的車站，如何將機械新風系統與采用出入口自然通風的優勢結合，優化機械新風系統設計及運行調控，對降低地鐵空調環控系統能耗至關重要。

(5)地下車站空調負荷受人員負荷影響，空氣調節過程非線性，溫度變化緩慢，因此，在計算地鐵站臺逐時負荷變化的基礎上，開發基于預測的環控系統控制方案是進一步降低系統能耗的重要方向。