蘭州地區某地鐵建筑冷負荷模擬計算研究

韓福成 李 炎 趙 珀 黃帥帥

蘭州地區某地鐵建筑冷負荷模擬計算研究

韓福成 李 炎 趙 珀 黃帥帥

（蘭州交通大學環境與市政工程學院 蘭州 730070）

針對蘭州某地區地鐵站冷負荷的計算進行研究，這對降低地鐵站環控設備容量和減少運行成本有較大意義。與國內相同規模地鐵車站的冷負荷相比較，模擬所得結果（最不利工況下）均在合理區間——公共區負荷549.20kW（參考值：420~570kW）；設備區負荷545.19kW（參考值：404kW~581kW），表明計算方法、參數設定合理，計算結果正確。經過DeST-C模擬計算及數據分析得出以下結論：車站整體冷負荷模擬結果達到設計計算冷負荷±2%的累計時段僅占空調季（6、7、8月份）總時長的0.42%；空調季車站公共區平均冷指標模擬值為87.27W/m2，約占設計冷指標的73.0%；設備區平均冷指標模擬值為293.89W/m2，約占設計冷指標的94.7%。以上結論可作為蘭州地區未來地鐵車站環控設備選型、臺套數匹配以及后期環控調節方案設計提供數據參考。

蘭州地區；地鐵車站；負荷模擬；DeST-C

0 引言

1 蘭州地區地理及氣候條件

蘭州屬溫帶大陸性氣候，降水少，日照多，年平均蒸發量1446.4mm，氣候干燥，晝夜溫差大，年平均氣溫10.2℃左右，年平均降水量約287.6mm，主要集中在6~9月，市區海拔平均高度1518米。總的來說，蘭州干旱少雨、海拔較高，地理、氣候環境與我國其他已開通地鐵的城市大不相同，因此對蘭州地鐵環控系統進行研究有一定實用價值。蘭州地鐵環控系統的室外設計氣象參數見表1內所示數值，參數采用蘭州地區近20年夏季晚高峰負荷時段，平均每年同時不保證30h的干、濕球溫度的平均值確定[3]。

表1 室外設計氣象參數表

2 地鐵站建筑基本概況

本次模擬對象為一座位于蘭州市的明挖地下雙層島式地鐵站，2014年3月開始建造，2019年6月完工并開始運營，總建筑面積17940m2，其中應用空調面積6350m2。地下一層為站廳層，主體長度374.08m，標準段寬度21.60m；地下二層為站臺層，有效站臺長度140m，島式站臺寬度為12.5m。該地鐵車站建筑具體圍護結構構造、尺寸及傳熱系數[4]等參數數值見表2。

表2 圍護結構構造、尺寸及傳熱系數表

3 地鐵站建筑模型的負荷模擬計算

3.1 地鐵站建筑模型室內參數設置

DeST模擬軟件中，按照建筑基本圍護結構概況建立模型后，還需設定建筑內部各類房間的室內熱擾參數、室內設計參數、人員及設備作息模式等具體工況[5]。地鐵站站內各類型房間室內空調設計相關參數[6]詳見表3。

表3 不同類型房間室內空調設計參數表

續表3 不同類型房間室內空調設計參數表

注：夏季室內空氣允許波動范圍為±1℃

地鐵車站內部所用設備按照使用區域的不同，分為公共區設備和設備區設備兩類，所研究地鐵車站模型內部設備散熱量按照表4取值。

表4 地鐵車站設備散熱量表

車站人員負荷為動態負荷，數值隨人流量的變化而發生改變，車站遠期（2041年）運營時段地鐵車站公共區預測逐時客流量[7]詳見圖1。

圖1 地鐵車站公共區人員逐時流量圖

3.2 地鐵站建筑模型全年冷負荷模擬

圖2 地鐵車站全年冷負荷模擬結果圖

圖2是DeST軟件模擬所得的地鐵車站全年逐時冷負荷散點圖，分析圖中數據可得出以下結論：

（1）可以看出負荷值主要分布在兩部分：第一部分，在300~500kW區間的地鐵站非運營時段的車站冷負荷；第二部分，在800~1100kW區間的地鐵站運營時段的車站冷負荷。出現數值上的明顯分化原因是——車站公共區與設備區中人員管理用房部分在非運營時段環控系統關閉。此時，地鐵車站環控系統整體負荷僅包括設備區內弱電房和強電房兩部分冷負荷；

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（2）雖然車站冷負荷值分布在兩個區域，但每一部分的變化趨勢是相同的：車站負荷值最高月份為7月份，全站負荷值最低月份為1月份；1至7月份大致逐月遞增；7至12月份大致逐月遞減。

3.3 地鐵站公共區冷負荷模擬計算

所研究地鐵車站公共區總面積為4594m2，在原設計中采用直接蒸發冷卻系統供冷[8]，其負荷包括出入口負荷、屏蔽門負荷、圍護結構負荷、人員負荷、設備負荷、照明負荷、新風負荷及其他負荷。

根據實際工程設計數據可知：公共區設計冷負荷為549.20kW，設計冷指標為119.55W/m2；站廳層設計冷負荷為224.18kW，設計冷指標為75.28W/m2；站臺層設計冷負荷為325.02kW，設計冷指標為201.13W/m2。采用DeST-C軟件所模擬的地鐵車站公共區冷負荷及冷指標結果如圖3、4所示。

公共區負荷相較于車站整體負荷與設備區負荷，其特點較為明顯：公共區并非全天24小時連續運營，因此在逐時負荷散點圖（圖3）中會發現有明顯間斷；因為影響因素較為穩定，運營時段負荷數值變化更加連貫，基本與外部氣候變化趨勢一致。

結合圖4與表5我們可以得出：在平均溫度最高的七月份（4344~5087h），車站公共區運營時間累計558小時，公共區冷指標大于設計冷指標時間累計21小時，占七月總運營時間3.41%，不連續分布且差值較小（0.03~1.34W/m2）。因此，并不會引起站內熱濕環境的失衡。此外從表5來看，在空調季（6月~8月）時段內公共區負荷波動并不明顯，基本維持在設計負荷的95%~100%區間內。

圖3 地鐵車站公共區全年冷負荷模擬結果圖

圖4 地鐵車站公共區全年冷指標模擬結果圖

表5 公共區模擬負荷與設計負荷對比

3.4 設備及管理用房負荷模擬計算

所研究地鐵站模型中設備及管理用房位于公共區的兩端，面積總計5264.1m2，其中空調區面積占33.37%，為1756.58m2，在原設計中采用多聯機供冷。其冷負荷包括人員負荷、設備負荷、新風負荷、照明負荷。

設備區設計冷負荷為545.19kW，設計冷指標為310.37W/m2。其中人員管理用房設計冷負荷為55.90kW，設計冷指標為137.23W/m2；弱電設備房間設計冷負荷為219.81kW，設計冷指標為276.10W/m2；強電設備房間設計冷負荷為269.48kW，設計冷指標為487.21W/m2。采用DeST-C軟件所模擬的地鐵車站設備區冷負荷及冷指標結果如圖5、6。

從設備區逐時冷負荷散點圖（圖5）可以看出，設備區負荷數值明顯分布有三層：

（1）上層負荷數值所屬時段為每天的6~8時，分布較為松散，數量最少。其形成原因是：車站非空調區夜間累積負荷與早高峰人員負荷兩不利因素疊加，使設備區周圍的環境溫度升高，設備區散熱困難度增加，逐時冷負荷異常增大；

（2）中層負荷數值所屬時段為每天的9~23時，分布較為集中，數量最多。因為車站設備區此時是正常運營時段，負荷為人員管理用房、弱電設備房與強電設備房的總和。

（3）下層負荷數值所屬時段為每天的23時至次日5時，分布集中，數量較多。此時，車站設備區處于非運營時段，總負荷包括弱電房負荷和強電房負荷兩部分，因此在空調季與正常負荷的差值與人員管理用房設計冷負荷（55.90kW）大致相等。

從圖6以及表6結合來看，我們可以總結出：

（1）在車站設備區全年負荷高峰（7月份），空調開啟時間累計744小時。公共區冷指標大于設計冷指標時間累計20小時，占七月總空調開啟時間2.69%，差值變動范圍為0.23~11.68W/m2且不連續分布。因此，不會引起設備區內熱濕環境的失衡。

圖5 地鐵車站設備區全年冷負荷模擬結果

圖6 地鐵車站設備區全年冷指標模擬結果

表6 設備及管理用房模擬負荷與設計負荷對比表

Table 6 Equipment and management room simulation load and design load comparison table

（2）車站設備區在空調季（6月~8月）時段內，負荷波動規律——夜間負荷占設計負荷的85%~90%，地鐵正常運營時段負荷占設計負荷的95%~100%。

4 結果驗證

根據國內已建成且與本文研究對象面積相仿的地鐵車站設計數據可知：地鐵車站設備管理用房區負荷大多在404kW~581kW區間內[9-12]，其中強（弱）電機房冷指標指標通常在300~400W/m2、人員管理用房冷指標多在80~95W/m2[11]；公共區負荷420~570kW，冷指標通常在104~141W/m2。本文經DeST模擬所得結果（最不利工況下）如表7。

表7 地鐵車站模型部分模擬結果表

結合以上兩部分數據可知：本文模擬結果均在合理區間，所得結論可靠。

5 結論

本文對蘭州地區某地鐵站建筑公共區及設備管理用房區，應用DeST-C進行了全年負荷模擬計算。通過對模擬結果的分析與總結，可以得出以下結論：

（1）地鐵車站總體設計計算滿足最不利工況下設備選型的需要

地鐵車站總體設計計算冷負荷結果與DeST冷負荷模擬結果的峰值基本一致，模擬冷負荷超出部分僅占總運行時間的1.86%（6、7、8月份），最大超出數值僅占設計計算冷負荷的2.58%，均在相關規范的容許范圍內，在設備選型過程中通過附加合理的安全系數即可消除不利影響。

（2）DeST冷負荷模擬結果顯示空調季在大多時間未達到設計冷負荷

地鐵車站DeST冷負荷模擬結果達到設計計算冷負荷±2%的累計時段占空調季（6、7、8月份）總時長的0.42%。空調季車站公共區平均冷指標模擬值為87.27W/m2，設計冷指標為119.55W/m2；設備區平均冷指標模擬值為293.89W/m2，設計冷指標為310.37W/m2。

（3）車站運營時段負荷更容易受外界影響

車站公共區全年負荷總體標準偏差為38.64，設備區車站運營時段全年負荷總體標準偏差為40.99，而設備區車站非運營時段總體標準偏差僅為24.31。可見車站運營時段受人員流動、列車運行等動態變化因素影響較大，使車站負荷數值產生波動。

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Study on the Simulation Calculation of a Subway Building Load in Lanzhou Area

Han Fucheng Li Yan Zhao Po Huang Shuaishuai

( School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou, 730070 )

This paper studies the calculation of cooling load of a subway station in Lanzhou, which is of great significance to reduce the capacity of environmental control equipment and reduce the operating cost of the subway station. Compared with the cooling load of subway stations of the same size in China, the simulation results obtained in this paper (under the most adverse working conditions) are all within a reasonable range - the load in the public area is 549.20kW (reference value: 420~570kW). The load of the equipment area is 545.19kW (reference value: 404kW~581kW), which indicates that the calculation method and reasonable calculation result of parameter setting in this paper are correct. After DeST-C simulation calculation and data analysis, the following conclusions are drawn: the cumulative period of the station's overall cooling load simulation results reaching design calculated cooling load ±2% only accounts for 0.42% of the total time of the air conditioning season (June, July and August); The simulated value of the average cooling index in the public area of the station in the air conditioning season is 87.27w /m2, accounting for about 73.0% of the designed cooling index. The simulated value of the average cold index in the equipment area is 293.89w /m2, accounting for about 94.7% of the designed cold index. The above conclusions can be used as data reference for the selection of environmental control equipment, the matching of the number of sets and the design of the later environmental control regulation scheme in Lanzhou metro stations in the future.

Lanzhou area; subway station; Load simulation; DeST-C

TU96+2

A

1671-6612（2021）01-082-06

韓福成（1995.10-），男，碩士，E-mail：3080386866@qq.com

2020-05-27