昆明市地鐵站設備與管理用房冬季室內熱環境實測分析

何璇，羅緣，劉猛，胡夢強

(1.中鐵四院集團西南勘察設計有限公司，昆明 650000;2.重慶大學 土木工程學院，重慶 400045)

由于具有運量大、速度快、班次密、安全舒適、準點率高等優點，城市軌道交通在中國各城市迅速發展。截至2018年底，中國內地累計有35個城市開通城市軌道交通，共計線路185條，運營總長度5 761.4 km[1]。與其他交通工具相比，城市軌道交通的特點之一是需要設置車站供乘客候車。在中國，地下軌道交通站的數量占比大，如在北京、上海、武漢3座城市中，地下車站占比分別達到了76%、70%、80%，即使在高架站較多的重慶，地下車站數量也達到了58%。為營造舒適的候車環境，保證重要設備的運行安全，地下車站內通常設置有通風空調系統來控制室內熱濕環境。根據服務對象不同，車站的通風空調系統往往分為“大系統”、“小系統”，其中“大系統”服務于車站公共區，“小系統”服務于設備與管理用房。

地下車站的能耗主要由通風空調系統能耗、照明能耗、電梯能耗和其他能耗組成[2]，其中，通風空調系統能耗占比較高，約占車站總用電量的60%～70%[3]。近年來，針對地鐵站通風空調系統的節能，相關學者開展了大量研究，包括地鐵站通風空調系統用能特征研究[2, 4-5]、節能診斷研究[6-7]、系統優化控制研究[8-10]等。Wang等[11]針對北京地鐵的通風空調系統展開現場實測，并開發了自動控制系統(綜合環境監測、人流監測、子系統運行監測)來實現節能，結果表明，車站有31%～40%的能源消耗在了暖通空調系統，所開發的自動控制系統在不同車站可實現20%～38%的節能效益。Fukuyo[12]使用計算流體力學與行人行為模擬來輔助地鐵站的空調系統設計，結果表明，與傳統的通風空調系統設計相比，所提出的設計方法可明顯提高人員熱舒適并降低能耗。目前，針對地鐵站設備與管理用房的通風空調系統研究較少。黃明才[13]實測了某車站設備與管理用房通風空調系統，并認為主要存在風量分配不合理與系統運行控制策略不明確兩方面問題。王鳳艷[14]認為，變風量空調系統能很好地適應車站設備用房冷負荷變化，節能效果好且初投資增量較少。余玨等[15]通過現場實測設備與管理用房的壁面溫度、送回風狀態參數和風量、設備表面溫度等參數，計算了各房間內的設備發熱量，結果表明，設計冷負荷遠高于設備實際發熱量。

昆明市地處溫和地區，室外自然條件優越，氣溫波動小，對于營造室內的舒適環境十分有利。昆明地區的地下車站，公共區往往只設置通風系統，設備與管理用房設置通風系統和變頻多聯機空調系統。其中，設備與管理用房通風空調系統的設備容量占比較大，且其全天24 h運行，因此，節能潛力較高。本文針對昆明市地下車站的設備與管理用房的室內熱環境展開實測分析，診斷通風空調系統設計、運行中存在的問題，為接下來的節能優化提供方向和數據支撐。

1 研究對象

昆明市目前在運營地鐵線路共4條，分別為1號線(2013年開通運營)、2號線(2014年開通運營)、3號線(2017年開通運營)和6號線機場線(2012年開通運營)。從2號線中選取兩座地下車站(車站A和B)，3號線中選取一座地下車站(車站C)進行實測。所選取的車站均為非換乘車站，基本信息見表1。

表1 目標車站的基本信息Table 1 Basic information of target stations

3座車站設備與管理用房的通風空調系統設置同中有異。首先，均采用變頻多聯機空調系統為特定房間供冷；其次，通風系統均有分區，即并非1套通風系統服務所有設備與管理用房，但分區個數不同；最后，在車站C的1個通風系統(T1)中，送、排風機均“一大一小”設置，可配合空調系統實現“小新風空調模式”，這種設計方法并未用于車站A和B。根據車站C的通風系統設計表明，T1系統的運行風機取決于重要房間室內空氣焓值(取信號設備室，56.12 kJ/kg)與室外空氣焓值的大小，當前者大時，采用“全新風空調模式”(即大功率風機運行)；反之，采用“小新風空調模式”(即小功率風機運行)。

3座車站設備與管理用房在功能劃分上存在很高的一致性，但通風系統的裝機容量存在較大差異，分別為43.8、30.8、66.8 kW?？紤]到3座車站的設備與管理用房面積差異較大，但層高相同，因此，計算通風系統的風機功率密度分別為30、19、36 W/m2。3座車站的變頻多聯機空調的總制冷量分別為157、194、224 kW，單位空調面積的供冷量分別為0.29、0.28、0.36 kW/m2。

2 研究方法

研究主要關注對象為設備與管理用房的通風空調系統，因此，根據其設置情況，將房間分為4類： 1)有人員常駐的管理用房，包括車控室、站長室等； 2)設置有通風空調系統的設備用房，包括通信設備室、信號設備室等； 3)只設置通風系統的設備用房，包括低壓開關柜室、高壓開關柜室等； 4)其他通風房間，包括消防泵房、清掃間、衛生間等。選擇1)～3)類中的代表房間作為研究對象。

現場實測分為兩階段。第1階段為典型房間的實際尺寸、通風系統風量實測，目的在于獲得房間的換氣次數、送排風平衡狀態等信息；第2階段為典型房間空氣狀態長期監測，目的在于獲得房間通風空調系統的送、排風溫度，用于分析室內熱環境。在現場實測過程中，通風空調系統均處于正常運行狀態。需要說明的是，雖然車站C的T1系統設計時考慮了“小新風空調模式”與“全新風空調模式”，但實際運行時，“小新風空調模式”給車站管理人員的感覺是“沒有風”，因此，日常運行時均采用“全新風空調模式”。風量測試與空氣狀態參數監測所選取的房間見表2。

表2 短期測試與空氣狀態參數長期監測所選取的房間Table 2 Selected rooms during the short-term testing and long-term monitoring

風量測試于2018年11月初進行。在測試中，采用熱線風速儀測量通風系統的送風口、排風口的斷面風速，并乘以風口的有效面積，得到送風量和排風量。由于風口均為矩形，測試時的測點的選取滿足《公共建筑節能檢測標準》，按圖1設置測點。在測量風口的斷面風速時，每個風口重復測量3次，最終取平均值作為斷面平均風速。

圖1 風口的風速測點布置Fig.1 Layout of velocity measurement

空氣狀態長期監測中，使用溫濕度記錄儀測量記錄通風空調系統的送、排風溫濕度，儀器分別放置于空調系統出風口、通風系統送風口和排風口處，此外，在每座車站的新風井處安裝一個溫濕度儀器，用于監測室外空氣參數。監測日期為11月5日—11月24日，共計20 d，儀器的記錄間隔設置為5 min。測試中所用的儀器的相關參數見表3。

3 結果與分析

3.1 風量分析

3.1.1 送排風平衡 短期測試中，通過測量送、排風口的斷面風速，得到了通風系統的送、排風量，分別按照式(1)～式(3)計算了各房間送、排風的不平衡率，送風量差異和排風量差異。3座車站的計算結果分別見圖2～圖4。

(1)

表3 測試用儀器相關參數Table 3 Details of test instruments

(2)

(3)

圖2 車站A設備與管理用房各房間送、排風量Fig.2 Supply/exhaust air volume of rooms in Station

圖3 車站B設備與管理用房各房間送、排風量Fig.3 Supply/exhaust air volume of rooms in Station

圖4 車站C設備與管理用房各房間送、排風量Fig.4 Supply/exhaust air volume of rooms in Station

對于車站A，送風量差異分布在-50%～39%，排風量差異分布在-93%～53%，送、排風不平衡率分布在-48%～92%。不平衡率最大的情況出現在低壓開關柜室，該房間所屬通風系統的送、排風機布置在站廳，靠近低壓開關柜室附近，而該系統中除低壓開關柜室的其他房間均位于站臺層，風管上存在較多的彎管，阻力特性較復雜。與車站A不同，車站B的送風量、排風量相較于設計值整體偏小，不平衡率負值居多，即大部分房間為負壓狀態。車站C的送風量差異分布在-96%～14%，排風量差異分布在-85%～46%，送、排風不平衡率分布在-93%～64%，與車站B相似，車站C的大部分房間也呈現負壓狀態。

圖2～圖4表明，各房間的送、排風量差異較大，不平衡率較高。車站A的低壓開關柜室、車站B的商用通信設備室、車站C的環控電控室，不平衡率超過了90%。與普通民用建筑不同，地下車站的設備與管理用房位于地下，且房間密封性較好，通風系統成為其與外界的唯一聯系，若通風系統送、排風量與設計值偏差較大，將影響室內熱環境營造與環控系統能耗。

3.1.2 換氣次數 根據風量測試得到的各房間送、排風量以及房間的實際尺寸信息，計算得到各房間的實際換氣次數，見圖5～圖7。此外，圖中給出了實測的換氣次數與設計情況下的換氣次數和規范規定的最小換氣次數之間的倍數關系。

圖5 車站A設備與管理用房各房間換氣次數實測值Fig.5 Air exchange rate of rooms in Station

圖6 車站B設備與管理用房各房間換氣次數實測值Fig.6 Air exchange rate of rooms in Station

圖7 車站C設備與管理用房各房間換氣次數實測值Fig.7 Air exchange rate of rooms in Station

從圖5～圖7可以看出，各房間的設備與管理用房的換氣次數與設計值的比例分布在1左右，車站A的實測值/設計值最小為0.5，最大為2.3，平均值為1.3。相比較車站A，車站B的實際換氣次數偏小，實測換氣次數與設計值之比分布在0.3～1.5，平均值為0.8。對于車站C，最小值、最大值和平均值分別為0.2、2.1、1.0。而換氣次數的實測值與規范規定的最小值的比例普遍大于1，其中，車站A的交接班室二者的比例達到5.4，車站B的安全門設備室二者的比例為3.3，車站C的商用通信設備室二者的比例為9.2。此外，在現場實測過程中發現，空調房間往往設置有較高的地板架空層和天花板吊頂，房間的實際層高遠小于建筑層高(車站A站廳層的建筑層高與實際層高分別為4.5 m和2.8 m)，而在設計通風系統時，換氣次數往往根據建筑層高設計計算，導致換氣次數在房間實際尺寸下偏高。當室外空氣焓值低于室內空氣時，室外新風對室內余熱有移除作用，而當室外空氣焓值高于室內焓值時，過高的換氣次數將增加通風空調系統能耗。因此，合理的設計房間通風系統，使換氣次數在一定范圍內對通風系統節能意義重大。

3.2 空氣狀態分析

3.2.1 送風溫度與室外溫度 空氣狀態監測期間，各房間的通風系統送風溫度及車站新風井處測得的室外空氣溫度分布情況見圖8。從圖中可以看出，通風系統的送風溫度普遍高于新風井處測得的室外新風溫度。車站A的第2類房間送風溫度平均值比室外新風平均值高4.2 ℃，第3類房間的差值為5.9 ℃；車站B的第2類房間、第3類房間的送風溫度與室外新風溫度的平均值分別相差6.1、7.4 ℃；對于車站C，數值分別為5.0、3.9 ℃。

圖8 長期監測的送風溫度與室外新風溫度Fig.8 Outdoor air temperature and supply air temperature

造成送風溫度與室外新風溫度差異的主要原因是送風機及風管傳熱導致的溫升，根據文獻[16]，對于設備與管理用房的送風系統，當風機全壓為500 Pa時，假定風機全壓效率為0.8(較高)，空氣通過通風機的溫升值為0.59 ℃；而風管傳熱造成的溫升與管內外溫差、管內風量和流速、管長有關，當風管內風量為500 m3/h、空氣流速為2.5 m/s時，無絕熱層薄鋼板風管的溫升為0.38 ℃/(℃·10 m)。車站C車控室、交接班室、安全門設備室、環控電控室、蓄電池室為同一通風系統，低壓開關柜室為另一通風系統，可以看出，不同的送風系統設置造成送風溫度差異較大。

3.2.2 送風溫度與排風溫度 在空氣狀態長期監測中，車站A的通風系統存在較多“停止運行”的狀態，因此，從車站B、車站C中選取房間進行空氣狀態參數分析。選擇車站B交接班室(第1類)、環控電控室(第2類)、蓄電池室(第3類)，車站C車控室(第1類)、安全門設備室(第2類)、低壓開關柜室(第3類)作為分析對象。初步分析長期監測結果發現，房間的熱環境參數呈現周期性變化，因此，選擇車站B、C設備與管理用房通風空調系統的穩定運行時期(車站B：11月14日12時—11月21日12時，車站C：11月10日12時—11月17日12時)，期間送風井的空氣溫度變化見圖9。由圖9可以看出，車站C夜間溫度較低，這與車站運營時間較短、地層溫度較低有關。

圖9 所選時間段送風井處空氣溫度Fig.9 Outdoor air temperature during selected

不考慮房間內的空氣溫度分布均勻性，將通風系統的排風溫度視為房間的空氣溫度，可統計得到各房間的空氣溫度分布情況，見圖10。圖10顯示各房間空氣溫度偏低，甚至出現較多低于規范規定的18～27 ℃區間的情況。3類房間中，第2類房間的空氣溫度最低，安全門設備室的平均溫度為18.6 ℃，環控電控室的平均溫度為18.2 ℃。第3類房間所選的兩個房間，溫度差異較大，車站C的低壓開關柜室，室內平均溫度為18.5 ℃，而車站B的蓄電池室，平均溫度為23.1 ℃。這與車站C運行年代短，新風井處夜間空氣溫度低，低壓開關柜室換氣次數高(16 次/h，規范規定最小6 次/h)，車站B蓄電池室換氣次數低(5 次/h，規范規定最小6 次/h)有關。而第1類房間的空氣溫度集中分布在20 ℃～24 ℃，未出現極低情況，表明室內人員會對通風空調系統進行調節以滿足舒適性。

圖10 空氣溫度分布

各房間通風系統的送、排風溫度比較情況見圖11。各房間均存在送風溫度高于排風溫度的情況，出現次數最多的為第2類房間，其中，車站B的環控電控室排風溫度一直低于送風溫度，車站C的安全門設備室這種情況的占比達65%。相較于第2類房間，第1類房間出現排風溫度低于送風溫度的比例較低，車控室和交接班室的比例分別為3%和15%。第3類房間中未設置有空調系統，但在車站B的蓄電池室也出現了42%的送風溫度高于排風溫度的情況，但溫差并不大，在0.5 ℃以內，主要出現在室外溫度相對較高的12～22 ℃時，其原因可能是房間墻壁內表面溫度較低，其對室外空氣有一定的冷卻作用。

圖11 通風系統送、排風溫度比較Fig.11 Comparison between supply and exhaust

3.2.3 空氣狀態逐時變化 根據測試結果，在室外空氣溫度相差不大時，各房間空調系統送風溫度、通風系統送風溫度和排風溫度變化相差不大，因此，取其中一天(車站B取11月15日，車站C取11月11日)分析空調系統送風溫度和通風系統送、排風溫度，各房間的溫度變化見圖12。

由圖12可知，每類房間中的空調系統送風，通風系統送、排風變化趨勢相似，對于第1類房間，由于空調系統設置溫度相對較高，空調系統送風溫度相對較高，交接班室、車控室的空調送風溫度平均值分別為21.7、19.3 ℃。且第1類房間的空調系統開啟頻率較低，一天內只有7個工作周期。第2類房間的空調系統送風溫度較低，環控電控室、安全門設備室的空調送風溫度平均值分別為13.9、16.9 ℃。其中，環控電控室的空調系統運行啟停頻繁，一天內有35個工作周期。安全門設備室的空調系統運行不規律，但可以看出運行頻率也高于第1類房間。第3類房間由于室內設備發熱量較小或室內設計溫度較高不設置空調系統，蓄電池室屬于室內設備發熱量小的情況，其通風系統排風溫度變化很小，平均值為23.2 ℃，日較差僅為0.34 ℃。低壓開關柜室屬于室內設計溫度較高的情況，在夜間，通風系統送風溫度較低時，帶走多余熱量，排風溫度較高；但當白天室外溫度較高時，排風溫度與送風溫度的差值較低，排除熱量的作用不明顯。

圖12 各房間的送、排風溫度變化Fig.12 Supply and exhaust air

4 結論

昆明市3座車站設備與管理用房通風空調系統實測，分析了房間通風量、換氣次數、室內溫度。分析結果表明，各房間送、排風量，換氣次數的實際值與設計值差異較大。在車站建成后，應對設備與管理用房的通風系統進行平衡調試，此外，由于未考慮地板架空層和天花板吊頂，空調房間的換氣次數實際值普遍遠高于規范規定的最小值，空調房間的地板、吊頂厚度相對固定，設計時應按照房間實際尺寸計算換氣次數；新風井處的新風溫度不能代表各房間的送風溫度，送風機及風管傳熱導致的溫升不可忽略；房間室內溫度普遍偏低，其中，有人員常駐的房間室內溫度集中分布在20～24 ℃，無人員常駐的空調房間室內溫度最低，且存在較多低于規范規定范圍下限的情況，非空調房間室內溫度受室內發熱量、換氣次數、室外氣象影響明顯。

通風空調系統的不合理設計或運行調節都將增加其能耗，若能根據上述分析結果采取有針對的措施，如合理設計通風空調系統、優化通風系統平衡性、提高室內空調設置溫度等，將起到一定的節能作用。此外，房間溫度過低與空調系統設計容量偏大有關，因此，將來應針對房間內設備的發熱負荷進行深入研究。