上部開閉式站臺門系統(tǒng)在青島地鐵的應用研究

楊子嘯

（中鐵二院工程集團有限責任公司 成都 610031）

0 前言

對于地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)，以地鐵站臺與隧道之間有無站臺門隔離而分為“屏蔽門系統(tǒng)”和“閉式系統(tǒng)”，在國內(nèi)地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)的實際應用中，其地域特征非常明顯，“南屏北閉”的系統(tǒng)模式，成為國內(nèi)地鐵界實際應用的典型代表。對于眾多處于過渡地帶的地區(qū)城市，既無典型的地域氣象特征，也無代表性的系統(tǒng)模式。在閉式系統(tǒng)中，站臺與隧道沒有實質(zhì)性分隔，在夏季空調(diào)季依靠列車行駛的活塞風將車站冷量帶入?yún)^(qū)間，從而使得空調(diào)設備容量、機房面積、風亭規(guī)模、相配套的電氣設備容量增大，在乘客舒適度、噪聲和空氣品質(zhì)等方面較屏蔽門系統(tǒng)差，閉式系統(tǒng)多用于當?shù)刈顭嵩缕骄鶞囟却笥?5℃，高峰時間每小時列車運行對數(shù)和每列車車輛數(shù)乘積高于180 的地鐵系統(tǒng)[1]。應用工程有青島地鐵3 號線[2]、北京地鐵四、五、九、十號線[3]等；而屏蔽門系統(tǒng)的站臺與隧道有全封閉站臺門作為實質(zhì)性分隔，使車站與區(qū)間成為相對獨立的區(qū)域，在非空調(diào)季不能利用隧道列車的運動活塞效應將外界冷空氣引入站臺和隧道，應用工程包括成都地鐵一號線[4]、廣州地鐵八號線[5]等。因此在地鐵方案設計中，通過全面的技術經(jīng)濟比較是實際工程中亟待解決的問題。青島地處山東半島東南部，南臨黃海，具有空調(diào)季較短、通風季較長的氣候特點。針對青島的固有地域氣候特性，考慮了閉式系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)的技術優(yōu)勢，本文對青島地區(qū)的麥島站、海游路站、華樓山路站實施了創(chuàng)新節(jié)能的上部開閉式站臺門系統(tǒng)，該方案對大部分處于過渡地帶的城市地鐵具有廣泛的適應性。

地鐵環(huán)控系統(tǒng)需要大量的用電負荷，據(jù)統(tǒng)計，地鐵空調(diào)的用電量一般相當于整個地鐵運營系統(tǒng)用電量的40%-50%[6]。在地鐵站能耗分析的相關研究中，研究方法一般包括現(xiàn)場實測[7,8]和仿真分析[9,10]。邊志美[11]以上海地鐵為例，通過調(diào)研得到地鐵運行線路車站環(huán)境控制系統(tǒng)的負荷特性和能耗狀況，對開式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)的高峰負荷、逐時負荷特性以及環(huán)控能耗進行了定量比較。付強[12]等人對重慶地鐵6 號線車站建立能耗模型，采用Energyplus 軟件模擬定風量與變風量空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗情況。在地鐵站空調(diào)系統(tǒng)的能耗問題的研究背景下，本研究分別從仿真和現(xiàn)場測試兩個角度分析上部開閉式站臺門系統(tǒng)的節(jié)能效果。

1 系統(tǒng)概述

上部開閉式站臺門系統(tǒng)（后文簡稱為復合式系統(tǒng)）是將車站站臺門上方約500mm 與隧道相通的斷面做成可以啟閉的通風窗，其形式如圖1 所示。復合式系統(tǒng)的配置與屏蔽門系統(tǒng)完全一致，包括：隧道通風系統(tǒng)、車站公共區(qū)通風空調(diào)系統(tǒng)、車站設備及管理用房通風空調(diào)系統(tǒng)、空調(diào)水系統(tǒng)。在夏季空調(diào)運行期，通過控制固定門上的風閥，關閉通風窗，使隧道與站臺空間相互分離，采用屏蔽門系統(tǒng)模式，實現(xiàn)夏季空調(diào)的節(jié)能。而在其他非空調(diào)季節(jié)開啟通風窗，充分利用隧道列車運動活塞效應將室外冷空氣引入站臺和隧道，強化通風節(jié)能效果，實現(xiàn)非空調(diào)季節(jié)閉式系統(tǒng)的優(yōu)勢。

圖1 海游路站上部開閉式站臺門系統(tǒng)Fig.1 Upper open and close platform door system of Haiyou Road Station

復合式系統(tǒng)兼具屏蔽門系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)的優(yōu)點，設備配置及土建規(guī)模按屏蔽門系統(tǒng)的小負荷方式進行設計，在空調(diào)季節(jié)按屏蔽門系統(tǒng)節(jié)能運行方式運行、非空調(diào)季節(jié)按閉式系統(tǒng)節(jié)能運行方式運行。相對于閉式系統(tǒng)，車站空調(diào)冷負荷僅為閉式系統(tǒng)的1/2～1/3，相應的空調(diào)設備容量、空調(diào)機房面積、給通風空調(diào)配用的電氣設備容量顯著減小，減少土建及設備初投資約120 萬元/站，在公共區(qū)環(huán)境噪聲、空氣品質(zhì)和乘客舒適度等方面均顯著優(yōu)于閉式系統(tǒng)。相對于屏蔽門系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)對土建的要求及設備配置同屏蔽門系統(tǒng)一致，因而其土建及設備初投資同屏蔽門系統(tǒng)一樣，優(yōu)勢在于在非空調(diào)季節(jié)運行時更加節(jié)能。

2 模型建立

本文選取青島地鐵2 號線相鄰三個標準站臺建立SES 模型，假設三個站臺的人流密度、發(fā)車對數(shù)、區(qū)間隧道長度完全一樣。圖2、圖3 和圖4分別為閉式系統(tǒng)、屏蔽門系統(tǒng)和復合式系統(tǒng)的SES網(wǎng)絡節(jié)點圖。

圖2 閉式系統(tǒng)SES 平面節(jié)點圖Fig.2 SES plan node diagram of closed system

圖3 屏蔽門系統(tǒng)SES 平面節(jié)點圖Fig.3 SES plan node diagram of platform screen doors system

圖4 復合式系統(tǒng)SES 平面節(jié)點圖Fig.4 SES plan node diagram of composite system

2.1 阻力系數(shù)的確定

由于SES 一維模型計算時首先需要輸入各類阻力系數(shù)，SES 雖然給出了阻力系數(shù)確定的方法，為驗證阻力系數(shù)合理性，采用FLUENT 軟件對三個標準站臺（含2 個區(qū)間）閉式系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬，幾何模型如圖5 所示。其中閉式模型車站長寬高分別為120m、19m、3.5m，閉式系統(tǒng)模型安全門高度1.5m。閉式系統(tǒng)的網(wǎng)格總數(shù)約為1133302。閉式系統(tǒng)的邊界條件設置如下：

圖5 系統(tǒng)三維模型Fig.5 System 3D model

（a）邊界性質(zhì)：速度進口、壓力出口、排氣扇。

（b）列車運動過程：減速、停車及加速。加、減速過程通過動網(wǎng)格模型和導入的UDF 程序?qū)崿F(xiàn)。

（c）動網(wǎng)格采用光滑和自動重畫兩種模型。

（d）熱量分布：根據(jù)列車的運動規(guī)律，車底部散熱量按加速、減速分布，空調(diào)冷凝器熱量在車頂部均勻散發(fā)。

（e）時間步長：0.001。

室外氣象參數(shù)采用標準年7 月28 日的逐時參數(shù)，采用PISO 算法，采用二階迎風格式迭代。

采用兩種方式確定阻力系數(shù)：（1）單一的三維局部阻力的模型，對流體不同流速下的流場進行三維模擬。（2）站臺和隧道的三維模型，根據(jù)流量比相等的原則來確定各阻力系數(shù)。得到活塞風井的阻力系數(shù)如圖6 所示。

圖6 活塞風井的阻力系數(shù)Fig.6 Resistance coefficient of piston air shaft

2.2 屏蔽門漏風量

屏蔽門空調(diào)系統(tǒng)的負荷主要是由人員和燈光設備的負荷構成，由于列車停站后，屏蔽門開啟，站臺和隧道的空氣狀態(tài)不同，隧道氣流會經(jīng)過屏蔽門進出站臺，影響站臺的空調(diào)負荷。因此，通過三維模擬獲得列車停站后屏蔽門開啟和關閉期間隧道和站臺間的漏風量。根據(jù)FLUENT 模擬結(jié)果，隧道空氣進入站臺的流量單側(cè)為2.31m3/s，車站進入站臺的空氣流量單側(cè)為8.47m3/s。每側(cè)列車進站屏蔽門的平均漏風量約為6.16m3/s。

2.3 空調(diào)系統(tǒng)得熱量

（1）客流預測分為早高峰、晚高峰和平均客流預測。青島2 號線有多個站臺，各個站臺的客流數(shù)量不等，通過簡化模型，引入標準車站的概念，對2 號線沿線各車站進行平均標準車站的人數(shù)預測，結(jié)果如下：

晚高峰車站人數(shù)：5739 人/h；

早高峰車站人數(shù)：6182 人/h；

人體顯熱：52W/人；

人體潛熱：129W/人。

（2）照明及其他機械設備散熱

照明：20W/m2；

進/出閘機：550W/臺×20 臺；自動售票機：700W/臺×8 臺；

驗票機：300W/臺×2 臺；票房售票機：400W/臺×4 臺；

電梯：電機及變頻器散熱率為5kW；

通信設備：站廳、站臺總散熱量各為2.5kW。

3 結(jié)果與討論

3.1 空調(diào)期和通風期確定

地鐵站通風空調(diào)系統(tǒng)設備運行持續(xù)時間越長，用電量越大，其年度空調(diào)期的確定是影響設計方案能耗的核心要素。相對于空調(diào)期的概念，通風空調(diào)系統(tǒng)的全年非空調(diào)時段皆視為通風期，利用SES模擬計算結(jié)果，確定青島地鐵不同通風空調(diào)制式的空調(diào)期和通風期。

空調(diào)期模擬參數(shù)選擇如下：

（1）空調(diào)季站臺設計溫度28℃，相對濕度65%；

（2）壁溫：28℃；

（3）空調(diào)季送風狀態(tài)點干球溫度19℃，濕球溫度18℃。

以復合式為例，其通風空調(diào)設置等同于屏蔽門系統(tǒng)，送風參數(shù)以送風量30m3/s，回風量18m3/s，排熱風量90m3/s 為基準，采用全新風運行，當車站內(nèi)平均溫度高于通風設計溫度30℃時，則該溫度對應的時間即為空調(diào)開、關的日期。因此空調(diào)期為7 月19 日～8 月28 日，共計41 天。當車站設計溫度為26℃，室外氣象參數(shù)為20.0℃時，車站內(nèi)的平均溫度值為25.9℃。根據(jù)標準年青島晚高峰（17 點）室外氣溫為20.0℃的日期為5 月19 日和10 月10 日。則送、回、排熱風機開啟的時間段為5 月19 日～7 月18 日及8 月29 日～10 月10 日（7月19 日～8 月28 日為空調(diào)期），共104 天。當車站設計溫度為18℃，室外氣象參數(shù)為8.9℃時，經(jīng)模擬車站內(nèi)的平均溫度值為18℃。根據(jù)標準年青島晚高峰（17 點）室外氣溫為8.9℃的日期為3 月28日和11 月25 日。送風機關閉、排熱風機開啟的時間段為3 月28 日～5 月18 日及10 月11 日～11 月25 日，共98 天。其余時間為不開啟風機的時間，共122 天。表1，表2，表3 分別給出了閉式系統(tǒng)、屏蔽門系統(tǒng)和復合式系統(tǒng)的空調(diào)期和通風期。

表1 閉式系統(tǒng)空調(diào)期、通風期Table 1 Air-conditioning period and ventilation period of closed system

表2 屏蔽門系統(tǒng)空調(diào)期、通風期Table 2 Air-conditioning period and ventilation period of platform screen doors system

表3 復合式系統(tǒng)空調(diào)期、通風期Table 3 Air-conditioning period and ventilation period of composite system

3.2 系統(tǒng)能耗分析

根據(jù)SES 模擬結(jié)果，不同系統(tǒng)的逐日能耗由圖7 給出。容易看出，對于不同模式而言，空調(diào)期的單日能耗閉式系統(tǒng)最高，復合式系統(tǒng)與屏蔽門系統(tǒng)相同。復合式系統(tǒng)與屏蔽門系統(tǒng)相比，由于復合式系統(tǒng)設備配置與其完全相同，夏季空調(diào)期部分重合；不同的是，復合式系統(tǒng)有條件開啟通風窗，利用隧道列車運動的活塞通風效果，從而縮短了空調(diào)期。

圖7 不同系統(tǒng)模式逐日能耗Fig.7 Daily energy consumption of different system modes

閉式系統(tǒng)、屏蔽門系統(tǒng)和復合式空調(diào)系統(tǒng)通風能耗、空調(diào)能耗及總能耗對比圖如圖8 所示，復合式系統(tǒng)全年運行能耗為最低，為364134kWh，分別比閉式系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)能耗低8%和35.5%。就空調(diào)能耗而言，復合式系統(tǒng)全年能耗最低，為225102kWh。閉式系統(tǒng)的通風能耗最低，為113652kWh。

3.3 現(xiàn)場實測結(jié)果

在2020 年4-5 月和10-11 月份通風季下，對麥島站、海游路站及華樓山站三個采用上部開閉式站臺門通風空調(diào)系統(tǒng)的車站采用不同的控制策略。4 月、5 月運行策略為關閉站內(nèi)站臺門通風窗，采用大系統(tǒng)通風設備，10 月、11 月開啟站內(nèi)站臺門通風窗，關閉大系統(tǒng)通風設備。如表4 所示，10月、11 月份這三個站在關閉大系統(tǒng)設備后，其車站通風空調(diào)用電量均有減少，最低節(jié)能率約為30%，麥島站節(jié)能率最高，可達36.77%，三個站在10 月和11 月的總節(jié)約電能52207kW/h。

表4 實測耗電量對比Table 4 Comparison of measured power consumption

4 結(jié)論

（1）復合式系統(tǒng)是針對青島地區(qū)空調(diào)季節(jié)短、非空調(diào)季節(jié)長的氣候特點而“量身打造”，是在完全安全可靠的基礎上，結(jié)合閉式系統(tǒng)、屏蔽門系統(tǒng)的優(yōu)點所作出的新型節(jié)能技術方案，為國內(nèi)大量處于南北過渡地帶的地區(qū)提供了一個經(jīng)濟實用的地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)方案。

（2）研究通過SES 軟件確定青島地鐵2 號線相鄰三個標準車站通風空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)期和通風期，進而比較了閉式系統(tǒng)、屏蔽門系統(tǒng)和復合式系統(tǒng)的逐日能耗和全年能耗。得出空調(diào)期的單日能耗復合式系統(tǒng)與屏蔽門系統(tǒng)低于閉式系統(tǒng)，且復合式系統(tǒng)空調(diào)期更短。就全年而言，復合式系統(tǒng)運行能耗最低，為364134kWh。

（3）現(xiàn)場實測結(jié)果表明，采用復合式系統(tǒng)的3 個車站（麥島站、海游路站、華樓山路站）在通風季實施采用開啟站臺門上部通風窗，同時關閉大系統(tǒng)通風設備策略節(jié)約電能共計52207kW/h，節(jié)能率最高可達36.77%。