地面站熱環境控制技術研究

劉濤、郭宏巍、劉旭、肖杰、黃濤

（1.北京市地鐵運營有限公司機電分公司技術部，北京 100043；2.北京市地鐵運營有限公司機電分公司第一項目部，北京 100079；3.北京市地鐵運營有限公司機電分公司安全質量部，北京 100043；4.北京金淏源凈化技術有限公司，北京 100070）

1 研究背景

隨著我國經濟的高速發展，城市化、區域化進程的加快，城市軌道交通成為市民出行首選的交通出行方式。北京是我國最早修建軌道交通的城市，經過多年的發展，目前已開通運營的軌道交通線路18 條，總運營里程超過554km。城市軌道交通在設計、建設階段，綜合線路地質、經濟等因素，北京建設了地面站、高架車站共70 余座。大部分地面站或高架站站臺層長度為120m 左右，此類型車站站廳一般位于地面層，站臺位于高架層或站廳及站臺均位于高架層。地面站及高架車站在建設時期，車站公共區域未設置通風空調系統，車站公共區域僅考慮自然通風、排煙。而縱向自然通風效果較差，且軌道交通站高峰時人員較多，導致人員熱濕負荷較大，從而造成夏季站臺悶熱的環境。地面站及高架車站在夏季站臺及站廳溫度相對較高，站臺溫度常達到35℃以上，個別車站甚至超過40℃。滿足乘客對軌道交通站候車環境舒適性的需求，改善軌道交通站乘客候車區的候車環境成為工程技術人員必須面對的課題。

地面站及高架站公共區室內熱源較多，人員密度比較大，其熱環境很難通過傳統中央空調系統實現公共區環境的有效調節，同時傳統中央空調系統在開放式空間能耗較大。改善室內空氣流動，特別是自然、新鮮空氣的流動，是室內熱環境改善的途徑。自然通風是暖通空調行業利用自然資源最直接的方式之一，其具有建筑運行能耗低、提高建筑室內空氣等特點。國內外的軌道交通地面站及高架站公共區建設初期基本是采取自然通風的措施，但自然通風受室外環境包括但不限于室外溫度、相對濕度及空氣質量等影響，無法進行有針對性的合理空氣調節，普遍存在夏季站內悶熱的現象。國內外軌道交通針對地面及高架站特別是站臺層夏季降溫，尚未有成熟的技術方案和產品支持。綜上所述都為本課題的研發提供大量的基礎數據和實際需求，為本課題研發成果的落地示范提供了廣闊的平臺。

2 亦莊文化園站試點分析

研究實施亦莊文化園站乘客候車區熱環境改善的方案，以站內溫濕度+能效比為雙核心監控指標提出通風空調系統的節能運行方案、策略及關鍵指標的控制參數十分必要。通過此次試點站研究將獲得地面站乘客候車區熱環境方案的梳理，研發一套適用于地面及高架車站站臺公共區降溫的智能高效關鍵性組合空調設備及監控系統，實現智能運維。

2.1 亦莊文化園站改造前狀況

亦莊文化園站整體呈東西走向，東西長124.6m，南北寬23.1m，圍護結構至候車屏蔽門7.1m；建筑整體采用鋼結構框架基礎，南北兩側外圍護結構為全玻璃幕墻結構，軌行區上頂兩側為自然采光結構；整體站內結構熱負荷大，受室外環境空氣質量影響大，經現場測試站內溫度與室外溫度接近，而在夏季日照強烈時間段，站內溫度受陽光輻射影響，高于室外空氣溫度。

2.2 熱環境改造方案概述

2.2.1 方案論證

北京的氣候為暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候，同時根據上述北京地區歷史氣象參數進行分析，可以判斷每年5 月下旬至9 月中旬是氣溫比較高的時間段，日照強度及時間長均較高（見圖1）。

圖1 北京四季天氣

根據北京地區歷史氣象參數分析，該時間段平均溫度為22～28℃，相對濕度為43%～62%。站臺空間屬于比較炎熱干燥的環境，考慮節能因素，濕度＜60%時可采用“等焓降溫”方式，而濕度＞60% 時可采用“等濕降溫”方式。

狀態點計算：由空氣焓濕圖2 計算。

圖2 空氣焓濕圖

（1）當初始狀態點相對濕度＜60%時：

狀態點A——干球溫度：26℃。相對濕度：56%。

對應焓值為：56.4kJ/kg。

狀態點B——干球溫度：22.1℃。相對濕度：80%。

對應焓值固定（等焓）：56.4kJ/kg。

（2）當初始狀態點相對濕度＞60%時：

狀態點C——干球溫度：28℃。相對濕度：68%。露點溫度：21.4℃。

狀態點D——干球溫度：21.1℃。相對濕度：68%。露點溫度：15℃。

由計算數值可以看出，兩種方式在不同狀態下可降溫4～7℃，滿足設計需求，因此可以采用直接蒸發式冷風機作為降溫系統的主要設備，而夏季溫度較高時需要配置空氣源冷水機組控制水溫（確保在空氣露點溫度以下）[1]。

2.2.2 方案概述

專用直接蒸發式冷風機組設備布置于站臺側后方，出風口在設備上部，距地面約2m 的位置，由4 個球形噴口形成扇形吹向列車靠站方向，間隔約20m 放置一臺，讓候車人群得到設備送風。列車通過站臺產生的活塞風成為設備的進風來源，同時也成為環境的自然排風。《蒸發冷卻通風空調系統設計與安裝》圖集，對于這樣的非潮濕（中等濕度）環境，人流量密集的公共場所取換氣次數30～35 次/h，取值30 次/h，則單側站臺冷風送風量應為9000m3/h；兩側站臺供選用12 臺蒸發冷卻機組（見圖3）。

圖3 蒸發冷卻機組覆蓋區域示意圖

2.3 專用蒸發冷卻機組

亦莊文化園站熱環境改造工程采用專用蒸發冷卻機組，有別于市場上常規蒸發式冷風機：第一，該設備采用無極變頻離心風機，在確保風量的同時可保持一定的風壓，從而提高有效的送風距離。第二，該設備采用球形噴口式風口，不僅設備美觀且送風角度調節靈活，便于送風角度及輻射范圍的調整。第三，具備完善的自控控制系統和全面的安全保護措施，有別于常規設備的簡單啟停控制，更節能更安全。第四，采用環保高分子纖維濕簾，蒸發面積更大，布水更均勻。第五，設備自帶儲水箱具有自動補水、溢水保護等多重功能，減少人員工作量，提升系統運行安全。

專用蒸發冷機組外形尺寸：1500mm×530mm×2150mm，單臺循環風量為6000～9000m3，單側站臺可安裝6 臺設備。地鐵專用蒸發冷機組送風口采用4 組球形噴嘴風口，層兩側風口采用直徑180mm 球形噴嘴，下層中間位置兩個風口采用直徑250mm 球形噴嘴。

2.3.1 標準工況風量及風口風速計算

（1）標準工況設定基礎：蒸發冷機組中間6.5m 處風速1.5m/s。

（2）中間風口計算：

中間風口風速：11～12m/s（參考現有樣機測試數據）。

中間單位風口風量：

（3）兩側風口計算：

兩側單位風口風量：2030m3/h（通過導流盡可能保證4 個風口風量一致）。

兩側風口風速：

（4）標準工況下總結：

設備總風量：8000m3/h。

風感：正面6.5m 處風感2 級（風速1.5m/s）；兩側13m 處 風 感0～1 級。

推算兩側13m 距離處風速：參考現有樣機測試數據，同時簡化氣流損失曲線為線性關系，每米距離風速降低1.87～1.55m/s；因此，兩側13m 處風速估算0.2～0.5m/s，存在微風感覺[2]。

2.3.2 最大運行工況下風量及風口風速計算

（1）最大運行工況設定基礎：蒸發冷機組兩側13m 處風速1.5m/s。

（2）兩側風口計算：

兩側風口風速：26m/s（參考現有樣機測試數據）。

兩側風口風量：

（3）中間風口計算：

中間風口風速：

推算中間6.5m 距離處風速：參考現有樣機測試數據，同時簡化氣流損失曲線為線性關系，每米距離風速降低1.87～1.55m/s；因此中間6.5m 處風速估算1.5～3.2m/s，風感較大。

（4）最大運行工況下總結：

設備總風量：9400m3/h。

風感：兩側13m 處風感1 級（風速1.5m/s）；中間6.5m 處風感2～3 級（風速1.5～3.2m/s）。

2.3.3 框架與面板

（1）框架采用不銹鋼材質，防腐性高，強度高。

（2）面板采用鍍鋅鋼板材質，內外噴塑工藝，外觀美觀；邊角采用倒角形式，更美觀；面板整體成型，結構更堅固，整體設備重量更小。

（3）結構采用側回風結構，保證回風效果；正面檢修門，便于設備檢修；球形噴口式風口確保有效送風距離。

2.3.4 變頻離心風機

（1）主要參數

額定電壓：380V。額定頻率：50Hz。額定功率：1.8kW。轉數：1350r/min。

（2）性能指標

電機防護等級：IP55。電機工作制：S1 級。

2.3.5 控制系統

當地控制器自帶12 個物理按鍵操控；自帶紅外遙控接收；LCD 液晶屏藍色背光動態顯示；標準485 通信；默認12 檔風速調節；通風、制冷、自動及定時開關機功能；預留BAS 接口，可與站內原有BAS 系統對接。

2.3.6 濕簾

主要性能指標為展開面積：45m2。環氧指數：27.4%。防火等級：B1 級。

2.3.7 儲水箱

設備自帶不銹鋼儲水箱，水箱壓制成型，具有自動補水、溢水保護、排水等功能。自帶溢水報警功能，當發生溢水故障時，報警功能進行提示，同時自動關閉補水系統，防止水源浪費。

2.4 水路系統

亦莊文化園站經現場查勘及測算，冷源直接采用自來水，但考慮北京地區自來水水質較硬，會對濕簾換熱產生不利影響，因此每側系統增加一套獨立的軟化水系統。專用蒸發冷卻機組采用浮球閥裝置實現自動補水及水位控制，因此水路系統增加定壓變頻水泵作為補水動力，實現自動補水功能；同時，考慮臨時停水或軟化水裝置反沖洗（設定為夜間自動運行）等不確定情況的發生，增設有效容積1m3的儲水箱進行緩沖。

3 檢測數據分析

亦莊文化園站熱環境改造工程實施后，2022 年8月8 日至9 月6 日進行持續的數據檢測，同時對照站臺結構相似的鄰站（亦莊橋站）進行對比，檢測數據達到預計效果。

檢測過程采用兩種方式分別進行：檢測方法一，采用單點對應檢測方式，主要對比環境溫度與改造后站臺溫度；檢測方法二，采用覆蓋方式進行檢測，再通過匯總平均值反映環境溫度與改造后站臺溫度差異。

4 結語

針對軌道交通地面站及高架站的熱環境，分析其形成的原因，研究現有暖通、通風技術特點，研發可改善軌道交通地面站及高架站熱環境的設備。通過項目的實施，使用階段的數據檢測分析，驗證了選取合適的送風量、送風距離、風速、供水量可有效改善乘客候車環境舒適性。送風溫度可調、自適應選擇送風風速、人工智能技術的采用，是設備未來迭代升級的方向。