軌道交通地下車站過渡季通風模式研究

上海建科建筑節能技術股份有限公司 錢 程

0 引言

地鐵活塞風對車站內的環境有著重要的影響。列車進站時，由于活塞風的滲入作用，站內形成正壓，站內空氣通過人行通道排至室外；列車出站時，由于活塞風的抽吸作用，站內形成負壓，室外空氣通過人行通道進入站內[1]。目前不少學者對地鐵活塞風進行了大量的研究，利用現場實測、數值模擬等手段對其風速、變化規律、影響因素進行了分析[2-4]，但對于活塞風作用下從人行通道滲入站內的新風的定量研究較少。而且有關站內活塞風的研究大多針對非屏蔽門系統，而對于全封閉式屏蔽門系統，業內認為滲入車站公共區域的隧道活塞風量微乎其微，但實際上，采用全封閉式屏蔽門系統的車站也客觀存在不容忽視的周期性波動的活塞風[5]。因此，本文采用現場實測的方法，定量化研究裝有全封閉式屏蔽門系統的車站在活塞風作用下由人行通道口滲入站內的新風量，通過對比站內實時新風量需求，提出更節能的通風模式，降低地鐵站能耗。

1 實驗對象和方法簡介

1.1 測試概況

1.1.1測試車站基本情況

選取上海軌道交通某地下車站為研究對象。該車站于2010年開通，采用全封閉屏蔽門系統，為非換乘車站。車站設計了如圖1所示的通風系統，新風從新風井或由新風機引入，經過混風室、組合式空調機組、送風靜壓箱送入站內，最終送入室內末端。排風經過室內排風口收集，經回排室、回排風機后送入排風井直接排到室外。

圖1 通風系統示意圖

目前在過渡季該車站有3種通風模式：第1種為開啟組合式空調機組風機和回排風機，關閉新風機；第2種為開啟組合式空調機組風機，關閉新風機和回排風機；第3種為開啟回排風機，關閉新風機和組合式空調機組。在所有的通風模式中，過渡季新風機均不開啟，利用回排風機及組合式空調機組風機驅動，提供新風。

實際調研發現，該車站通常采用第1種通風模式，第2種與第3種通風模式很少使用。據現場工作人員解釋：1) 依據他們的經驗，多開風機能保障站內新風；2) 乘客投訴站內環境“悶”時，工作人員就會認為站內新風不足，于是加開風機，增加新風量。

1.1.2室外溫度

測試日期為2019年4月29—30日，測試期間最高氣溫為27 ℃，最低氣溫為16 ℃。

1.1.3逐時客流量

從地鐵客票系統調取了測試期間的逐時客流量，比較第1天和第2天客流量及其變化趨勢可以發現：1) 第1天和第2天進出站人數峰值相似，第1天峰值為2 420人/h，第2天峰值為2 386人/h；2) 第1天和第2天客流變化趨勢相似，進出站總人數在1天之內出現2個高峰，時間為08:00—09:00和17:00—18:00，其余時段人數變化平緩。第1天和第2天的逐時客流量分別如圖2、3所示。

圖2 第1天逐時客流量

圖3 第2天逐時客流量

1.2 風速和CO2濃度測量方法

1.2.1風速測量方法

該車站有4個人行通道，利用熱球風速儀(量程0.05～30.00 m/s,分辨率0.01 m/s，-5%≤誤差≤5%，且-0.05 m/s≤誤差≤0.05 m/s)測量人行通道口的風速。由于熱球風速儀無法判斷風向，故在熱球風速儀測試桿上粘貼輕質絲帶，通過絲帶的擺動方向判斷風速流向。通過全時視頻記錄儀的記錄視頻，由人工對熱球風速儀的風速記錄值與風向進行對應。

考慮到不能長時間在出入口進行人工測試，尤其是上下班高峰期會影響車站正常運營，因此在吊頂上布置風速儀和絲帶，并通過攝像機實時記錄絲帶飄動情況，測試示意圖和具體布置如圖4所示。

圖4 儀器布置點位

1.2.2風速測量誤差分析

在通道口1截面上，同時利用4臺風速儀測試4個點的風速，并與長期測試點的風速進行對比分析。如表1所示，3組測試工況測點的風速都較為均勻，每組工況的平均風速與長期測點風速之差為-11%～4%左右。考慮到每組工況平均風速與長期測點風速誤差不大，可認為長期測點風速近似為截面平均風速。

表1 截面風速與長期測試點風速對比

1.2.3新風量計算方法

圖5 單個通道內的有效滲入新風量計算方法

在計算出每個通道口的逐時新風量G之后，可以累加G1、G2、G3、G4的風量，求得站內總滲入新風量Gz。

1.2.4地下車站人員需求新風量

地下車站人員包含工作人員和乘車人員，工作人員取實際人數15人，乘車人員根據車站票務系統取站內逐時人數，人均新風量按設計規范取為12.6 m3/(人·h)[6]，乘車人員人均進站和出站時間根據列車區間行駛時間估算，進站時間為10 min，出站時間為5 min。地下車站人員需求新風量由式(1)計算。

12.6 m3/(人·h)

(1)

式中Gx為地下車站人員需求新風量，m3/h；Nj為每小時進站人數，人/h；Nc為每小時出站人數，人/h；Ng為工作人員數，人。

1.2.5CO2濃度測量方法

在站臺和站廳按圖6布置CO2濃度測試儀器，自動記錄站內CO2濃度變化情況。

圖6 CO2濃度測試儀器布置示意圖

2 實驗工況

在過渡季，軌道交通地下車站存在開風機增加新風量供應的現象。為了驗證不同風機模式下的站內新風量，共設計了3種測試模式：第1種為單開排風機模式；第2種為風機全關模式；第3種為風機全開模式。在該車站進行了不同通風模式下的CO2濃度測試。

3 車站不同風機開啟模式下由通道滲入站內的新風量

3.1 車站風機開啟模式

該車站風機開啟模式實際情況為：第1天維持單開回排風機(08：00—19:00)；第2天08:00—10:00保持風機全關，10:00—15:00空調風機和回排風機全開。

3.2 車站人員新風需求量

根據式(1)計算人員新風需求量，第1天需求高峰值為4 003 m3/h，第2天需求高峰值為4 108 m3/h，2天非高峰期間風量范圍為1 500～2 000 m3/h。第1天與第2天的人員新風需求量分別如圖7、8所示。

圖7 第1天人員新風需求量

圖8 第2天人員新風需求量

3.3 車站通道滲入站內新風量

3.3.1通道口逐時通風量

綜合比較3種通風模式下各個通風口風量可以發現，車站同一端相對的2個出入口存在風向相反、風量差異較大的現象，如單排模式下通道A保持進風的狀態，風量均值達到77 190 m3/h，而通道B保持流出的狀態，風量均值達到-18 236 m3/h，通道C保持進風的狀態，風量均值達到35 087 m3/h，通道D保持流出的狀態，風量均值達到-18 236 m3/h，即從通道A和C進入站內的風部分從通道B和D流出。其他通風模式亦存在上述現象，3種通風模式下4個通道的逐時通風量如圖9～11所示。

圖9 單排風模式4個通道逐時通風量

圖10 風機全關模式4個通道逐時通風量

圖11 風機全開模式4個通道逐時通風量

3.3.2通道口滲入站內有效新風量

累加4個通道風量，得到進入站內的有效新風量。如圖12所示，地鐵站第1天采用單排風模式，即只開回排風機，進入站內的新風量通常由地鐵運行造成的活塞風和回排風造成，進入站內的平均新風量為8.4萬m3/h，遠高于室內人員需求新風量。

圖12 單開回排風機出入口滲入新風量

圖13顯示了第2天08:00—09:00風機全關模式下出入口滲入新風量。地鐵站內新風量主要是由地鐵運行造成的活塞風組成，進入站內的平均新風量為1.8萬m3/h，出入口滲入新風量也高于地鐵內人員需求新風量。

圖13 風機全關模式下出入口滲入新風量

圖14顯示了第2天10:00—15:00風機全開模式下出入口滲入新風量。進入站內的新風量不僅由地鐵運行造成的活塞風和回排風組成，也包含空調箱風機直接抽取的室外新風，新風量達到1.4萬m3/h左右，也高于人員新風量需求。若加上空調箱風機送入站內的風量(空調箱額定風量為4萬m3/(臺·h)，共4臺)，則在活塞風、回排風機、空調箱風機耦合作用下，整個站內新風量可達13.4萬m3/h。

圖14 風機全開模式下出入口滲入新風量

比較3種通風模式下通道滲入的新風量可知：單開回排風機模式的新風量最大，其次為風機全關，最小為風機全開；風機全關和風機全開2種模式新風量相差不大。由于風機全關時進入站內的新風只有由通道滲入的新風，沒有風機送入的新風，故其新風量是最小的，最多可以滿足9 200人/h(進站4 600人/h和出站4 600人/h)的客流量。

單開回排風機模式下通道滲入新風量最大，因為通道滲入新風量不僅包含了由活塞風引起的滲入新風，也包含了由回排風機引起的室外空氣進入站內的新風。風機全關模式下通道滲入新風量則全是由活塞風引起的；風機全開模式下通道滲入新風量由活塞風、回排風機、空調箱風機耦合引起。如果回排風機排出風量與空調箱風機補風量相等，那么通道滲入新風量只由活塞風引起；如果回排風機排出風量小于空調箱風機補風量，那么通道滲入新風量應該為活塞風引起的滲入新風減去排風量和補風量的差值，這也能說明為什么風機全開模式下通道滲入新風量小于風機全關模式。

4 不同風機模式下站內CO2濃度

進行風量測試的同時，也監測了該車站內的CO2濃度，結果如圖15所示。3種模式下站內CO2體積分數低于設計規范規定值1 500×10-6。一天之內CO2濃度出現2個高峰，第1個出現在08：00—09：00，第2個出現在17:00—18：00，為人員上下班的高峰期。

圖15 不同通風模式下站內CO2體積分數

比較單開回排風機和風機全開模式，第1天和第2天10：00—15:00平均進出站總人數分別為567、526人/h，CO2體積分數平均值分別為654×10-6和576×10-6。2種風機運行模式所服務的人數相差不大，站內CO2體積分數相差78×10-6，但都滿足站內CO2濃度的要求，從節約能耗的角度考慮，單開回排風機模式優于風機全開。

比較風機全關和單開回排風機模式，第1天和第2天早高峰時進出站總人數分別為2 420、2 386人/h，第1天單開回排風機模式下CO2體積分數峰值達到821×10-6，第2天風機全關模式下CO2體積分數峰值達到816×10-6。2種風機運行模式所服務的人數相差不大，站內CO2濃度控制效果也一致，從節能的角度考慮，風機全關模式優于單開回排風機。

綜上所述，3種通風模式下的站內CO2濃度都滿足設計規范要求。從節約能耗的角度考慮，風機全關模式是地下車站過渡季通風的最佳選擇。

5 節能量估算

在過渡季內，若該車站客流量小于等于測試工況及站內溫濕度滿足規范要求時，相比于目前采用的風機全開模式，采用風機全關的模式，依靠活塞風引起的通道滲入新風保障站內新風供應，每年最多可以節約風機電量8.19萬kW·h。具體計算過程如下：過渡季為3月初至5月初和10月中旬至11月中旬，共91 d；每天06:00—23:00運行，共計18 h；回排風機功率為15 kW/臺，實測運行功率為10 kW/臺左右，空調箱風機功率為22 kW/臺，實測運行功率為15 kW/臺左右，每天運行2臺回排風機和空調箱風機；則每年過渡季可節約電量P=2臺×(10 kW/臺+15 kW/臺)×18 h/d×91 d=81 900 kW·h。

6 結論

在本文測試工況下，即客流量峰值小于等于2 420人/h時，可以得出如下結論：

1) 實測表明，在單開回排風機、風機全關、風機全開3種模式下，由人行通道滲入站內的新風量能滿足人員新風需求，其中單開回排風機時通道滲入站內新風量最大，風機全開和風機全關模式滲入新風量相當。

2) 比較單開回排風機、風機全關、風機全開3種模式下站內CO2濃度可知，3種通風模式下站內CO2濃度控制效果一致，且CO2體積分數低于設計規范規定值1 500×10-6，滿足站內CO2濃度控制要求。

3) 客流量小于等于測試工況及站內溫濕度滿足規范要求時，建議該車站在過渡季使用風機全關的模式，相比于目前地鐵車站使用的風機全開模式，每年最多可節電8.19萬kW·h。