地鐵車站弱電設備間設備發熱量確定方法

王 艷 籃 杰 李國棟 王海濤

(1.中原工學院,鄭州;2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢;3.河南工業大學,鄭州)

0 引言

空調系統能耗占地鐵車站總能耗的比例較大[1]。地鐵車站利用空調系統為地鐵運營提供健康舒適的空氣環境,并為地鐵設備安全運行提供適宜的空氣環境。地鐵車站空調系統優化設計是降低空調系統建設成本和空調系統節能減排的主要技術措施。地鐵電氣設備發熱量導致的空調負荷占地鐵車站設備間空調總負荷的比例最大[2]。地鐵車站空調系統設計需要準確的地鐵設備發熱量數據,然而目前仍缺少準確可靠的地鐵設備發熱量數據和計算分析方法[3-4]。根據設備發熱量估計數據確定地鐵車站設備空調負荷,會引起空調設計負荷偏大,導致空調系統能源浪費和建設成本增加。

地鐵車站弱電設備間一般要求室內氣溫不超過27 ℃,且要求室內空氣相對濕度范圍為40%～60%。現有研究發現,地鐵車站設備管理間空調系統設計負荷經常大于實際負荷[5],地鐵設備間設備發熱量設計值有較大的優化空間[6],設備間濕負荷主要來源于設備間滲透風[7-8],設備功率是確定設備發熱量的重要技術參數。雖然現有研究已經對設備發熱量和設備間空調負荷進行了實測和理論分析研究[9],但是地鐵設備間設備發熱量確定結果缺少準確性驗證,且沒有深入分析影響設備發熱量和空調負荷的主要影響因素[10]。因此,本文提出了一種地鐵車站設備間設備發熱量確定新方法,利用弱電設備發熱量實測數據與模型預測數據相互驗證,可以有效提高弱電設備發熱量確定結果的準確性。結合實際地鐵車站的數據,研究了室內氣溫、地鐵是否運營、安裝設備額定功率、地鐵車站類型和設備房間面積等因素對弱電設備間設備發熱量和空調負荷的影響,從而為地鐵車站弱電設備間空調負荷的設計提供參考。

1 地鐵車站弱電設備發熱量確定方法

1.1 弱電設備間設備發熱量確定方法概述

該方法根據實測弱電設備間送回風比焓、溫濕度和風量,利用焓差原理計算地鐵車站弱電設備間余熱負荷;根據設備外表面溫度、熱流密度和空氣溫度等實測數據,通過分析弱電設備間余熱負荷的構成確定弱電設備發熱量。同時,根據設備表面溫度、空氣溫度、建筑圍護結構內表面溫度等實測數據和弱電設備功率等設計數據,采用建立的弱電設備發熱量預測模型[11]計算確定弱電設備發熱量。最后,通過對比基于焓差原理法的弱電設備發熱量實測數據和弱電設備發熱量模型預測數據,確定地鐵車站弱電設備間設備發熱量,可以有效保證弱電設備間設備發熱量確定結果的準確性。

1.2 基于焓差原理的弱電設備間設備發熱量實測方法

注：Lsa和Lra分別為設備間送風量和回風量,m3/h;ρsa和ρra分別為設備間送風密度和回風密度,kg/m3;hsa和hra分別為設備間送風比焓和回風比焓,J/kg。圖1 空調房間熱平衡原理圖

地鐵車站弱電設備間余熱負荷計算式為

Q=Qwa+Qia+Qhu+Qeq+Qli

(1)

弱電設備間余熱負荷可以根據測量的送風熱量和回風熱量計算得到(空氣焓差法)。式(2)為利用焓差原理計算地鐵車站弱電設備管理用房余熱負荷的計算公式。

Q=Lraρrahra-Lsaρsahsa

(2)

弱電設備間圍護結構余熱可以根據測量的圍護結構內表面熱流密度計算確定,圍護結構余熱可以利用式(3)計算確定。

Qwa=qinAwa

(3)

式中qin為設備間圍護結構內表面熱流密度,W/m2;Awa為圍護結構內表面面積,m2。

滲透風余熱是指地鐵活塞風效應使室外高溫空氣進入設備間形成的空調余熱負荷。滲透風余熱可以根據測量的送風量、回風量、室內空氣比焓和室外軌行區空氣比焓計算確定。滲透風余熱可以利用式(4)計算確定。需要指出的是,用式(4)計算的滲透風量與真實滲透風量可能有一定的差異,主要原因是地鐵列車進出車站帶來的“活塞風”會產生較大的波動,活塞風引起的滲透風量與房間縫隙及位置、活塞風強弱密切相關。

Qia=(Lraρra-Lsaρsa)(ho-hra)

(4)

式中ho為室外軌行區空氣比焓,J/kg。

1.3 地鐵車站弱電設備間設備發熱量預測模型

弱電設備通過傳導、對流和輻射的傳熱方式與室內空氣、室內物體和建筑圍護結構進行換熱。式(5)～(9)為地鐵車站弱電設備間設備發熱量數學模型,可以利用傳遞函數式(10)求解設備發熱量數學模型[11],計算確定地鐵車站弱電設備間設備實時發熱量。

Qeq=Qeq,cv+Qeq,ra+Qeq,cd

(5)

(6)

(7)

Qeq,cd=KsAc(Teq-Tss)

瑞薩科技公司成立于2003年，可提供大規模集成電路系統的開發、設計、制造、銷售和服務，包括微機、邏輯和模擬設備、分立器件和存儲器產品。瑞薩的汽車電子組件范圍包括資訊系統、安全控制系統、底盤控制系統、車身控制系統及動力傳送控制系統五大類，可提供的解決方案有電動車窗、空氣調節控制、安全氣袋和ABS/穩定裝置等。

(8)

(9)

(10)

式(5)～(10)中Qeq,cv為弱電設備對流散熱量,W;Qeq,ra為弱電設備輻射散熱量,W;Qeq,cd為弱電設備熱傳導散熱量,W;cpa為空氣的比定壓熱容,J/(kg·K);ρa為空氣密度,kg/m3;vf為冷卻風扇產生的空氣流量,m3/s;Tf為冷卻風扇產生的氣流的溫度,K;Ta為室內空氣溫度,K;N為弱電設備數量;h為設備外表面對流換熱系數,W/(m2·K);Aeq,i為第i個設備外表面面積,m2;Teq,i為第i個設備外表面溫度,K;σ為黑體輻射常數,取5.67×10-8W/(m2·K4);εe為設備表面發射率,取0.65;εw為房間圍護結構內表面發射率;Tw為房間圍護結構內表面溫度,K;Ae為設備外表面面積,m2;Aw為房間圍護結構內表面面積,m2;Ks為弱電設備與周圍固體的傳熱系數,W/(m2·K);Ac為弱電設備與周圍固體傳熱的熱傳導面積,m2;Teq為弱電設備外表面溫度,K;Tss為弱電設備周圍固體的外表面溫度,K;β為地鐵弱電設備排熱風機動能和顯示屏光能的等效系數;P為設備功率,W;cp為弱電設備的比定壓熱容,J/(kg·K);m為弱電設備的質量,kg;T為溫度,K;τ為時間,s,在本研究中時間步長為300 s(5 min);G(s)為傳遞函數,其中s為傳遞因子;a0～a5、b0～b4為傳遞系數,根據文獻[11]確定。

2 地鐵車站弱電設備發熱量確定結果和影響因素分析

本研究選取鄭州地區的地鐵車站A、B、C作為測試車站,測量和確定地鐵弱電設備間的逐時空調負荷和設備發熱量。A車站是信號集中車站,B、C車站是信號非集中車站。利用式(2)焓差原理計算地鐵車站弱電設備間的余熱負荷,根據式(1)計算確定弱電設備發熱量。利用式(5)～(9)預測弱電設備發熱量,對比弱電設備發熱量預測模型預測結果和實測結果,保證弱電設備發熱量確定結果的準確性,研究室內氣溫、地鐵是否運營、設備額定功率和車站類型等因素對空調負荷和設備發熱量的影響。測量時間為2021年7月19日至10月25日,測量儀器儀表包括：風量罩(精度±12 m3/h)、空氣比焓傳感器(精度±1 J/kg)、空氣溫度傳感器(精度±0.1 ℃)、空氣濕度傳感器(精度±3%)、熱流計(精度±0.1 W/m2)、熱電偶(精度±0.2 ℃)和風速儀(精度±0.04 m/s)。弱電設備測試房間包括通信設備間、信號設備間、AFC(自動售檢票系統)設備間及電源室、綜合監控設備間、民用通信設備間、警用通信設備間、電源整合設備間和屏蔽門控制設備間等設備房間。

2.1 室內氣溫對弱電設備間設備發熱量的影響

研究室內氣溫對弱電設備間空調負荷和設備發熱量的影響有助于確定設備間設計溫度和設計送風量。本研究考慮的弱電設備間類型和數量較多,無法給出全部測量和研究結果,因此本文僅給出了A車站通信設備間的測試和研究結果,選擇該設備間的原因是設備發熱量受室內氣溫影響較大,便于分析和研究室內氣溫對弱電設備間設備發熱量的影響。室內氣溫對其余弱電設備間的影響與該設備間相似。圖2顯示了A車站通信設備間的實測送回風溫度。送風溫度為18.3～27.4 ℃,平均送風溫度為21.72 ℃,送風溫度波動較大;回風溫度為21.9～27.6 ℃,平均回風溫度為24.1 ℃,回風溫度波動也較大。夜間地鐵停止運營期間空調制冷設備不運行,通信設備間送風溫度較高;白天地鐵運營期間空調制冷設備正常運行,通信設備間送風溫度較低。

圖2 A車站通信設備間實測送回風溫度

圖3顯示了A車站通信設備間設備外表面和圍護結構內表面實測溫度。5個設備外表面測點分別布置在5個不同的設備上,測點位置由測試人員根據設備具體情況隨機確定。不同設備外表面溫度差異性較大,最高溫度為45.14 ℃,出現在空調制冷設備停止運行期間;設備外表面最低溫度為23.32 ℃,出現在回風溫度最低時。室內氣溫對設備外表面和圍護結構內表面溫度均有一定影響。設備外表面相同位置處的溫度波動不大,回風溫度大幅升降及波動會引起設備外表面溫度和圍護結構內表面溫度的小幅升降及波動。

圖3 A車站通信設備間設備和圍護結構表面實測溫度

圖4顯示了A車站通信設備間設備外表面(設備外表面測點1處)和圍護結構內表面實測熱流密度。設備外表面熱流密度相對比較穩定,回風溫度的大幅度升高基本沒有引起設備外表面熱流密度的顯著變化。空調制冷設備運行期間圍護結構內表面熱流密度相對比較穩定,存在熱流密度值的小幅度波動;空調制冷設備停止運行期間設備間外部空氣溫度升高,引起圍護結構內表面熱流密度顯著增大。因此,室內氣溫變化對設備外表面熱流密度的影響較小,對圍護結構內表面熱流密度影響較大。

圖4 A車站通信設備間設備和圍護結構表面實測熱流密度

圖5顯示了A車站通信設備間實測逐時全熱負荷、圍護結構余熱、滲透風余熱、設備發熱量和設計負荷。實測的逐時全熱負荷為6.06～11.44 kW,平均為9.39 kW,遠小于設計負荷24.50 kW。實測的逐時圍護結構余熱為1.43～2.13 kW,平均為1.74 kW。實測的逐時滲透風余熱為-0.05～0.74 kW,平均為0.38 kW。實測的逐時設備發熱量為5.01～9.14 kW,平均設備發熱量為7.77 kW。模型計算的逐時設備發熱量與實測的逐時設備發熱量吻合很好,最大偏差為0.89 kW,最大相對誤差為10.2%,表明實測的逐時設備發熱量具有較高的準確性和可靠性。設備發熱量占通信設備間空調余熱的74.74%～85.78%,設備發熱量占通信設備間空調余熱的比例較大。圍護結構余熱占通信設備間空調余熱的14.22%～23.70%。滲透風余熱占通信設備間空調余熱的-0.50%～7.21%。全熱負荷明顯大于顯熱負荷,表明該設備間存在較大的濕負荷,A車站是新建車站,弱電設備間圍護結構濕度較大,且地鐵活塞風也會使該弱電設備間存在較大的滲透風量,滲透風的濕度偏大,兩者綜合作用導致該設備間的全熱負荷明顯大于顯熱負荷。地鐵停止運營期間實測的滲透風量較小,實測的全熱負荷仍然大于實測的顯熱負荷,說明潮濕的圍護結構是該通信設備間濕負荷的主要來源。測試時熱流計測量的是測量點總的傳熱速率,包括測量點的輻射換熱、對流換熱和傳導換熱。該通信設備間的濕負荷占比較大,因此房間空調余熱負荷是指空調房間的全熱負荷,顯熱負荷在本研究中只起到參考作用,因此本文沒有給出該通信設備間的顯熱負荷。

圖5 A車站通信設備間逐時全熱負荷、圍護結構余熱、滲透風余熱、設備發熱量和設計負荷

2.2 地鐵是否運營對弱電設備發熱量的影響

在A車站民用通信設備間開展了地鐵運營對弱電設備間逐時空調余熱影響的試驗測試研究。選擇該設備間的原因是設備發熱量受地鐵是否運營影響較大,設備發熱量變化基本可以不考慮其他因素的影響,室內氣溫對其余弱電設備間的影響與該設備間相似。圖6顯示了A車站民用通信設備間實測送回風溫度。送風溫度為19.4～21.4 ℃,送風溫度波動較小;回風溫度為24.9～25.9 ℃,回風溫度很穩定,波動也較小。

圖6 A車站民用通信設備間實測送回風溫度

圖7顯示了A車站民用通信設備間設備外表面實測溫度和圍護結構內表面實測溫度。5個設備外表面測點分別布置在5個不同的設備上,測點位置由測試人員根據設備具體情況隨機確定。不同設備外表面溫度差異性較大,送回風溫度的小幅波動沒有引起設備外表面溫度和圍護結構內表面溫度的顯著變化。

圖7 A車站民用通信設備間設備和圍護結構表面實測溫度

圖8顯示了A車站民用通信設備間設備外表面實測熱流密度和圍護結構內表面實測熱流密度。設備外表面溫度較高(設備外表面1處)引起設備外表面熱流密度相對較大,圍護結構內表面溫度較低導致圍護結構內表面熱流密度相對較小;設備外表面熱流密度波動幅度大于圍護結構內表面熱流密度波動幅度;地鐵運營期間的設備外表面熱流密度均值略大于地鐵停止運營期間的均值;由于送回風溫度和風量沒有顯著變化,圍護結構內表面熱流密度沒有顯著變化。以上情況表明地鐵是否運營對民用通信設備間設備發熱量有較大的影響。究其原因是民用通信設備間是設置中國移動、聯通、電信等機柜的專用弱電設備間,地鐵運營時乘客的通信和上網活動會增加弱電設備的發熱量,非運營期間則幾乎沒有乘客的通信和上網活動,因此民用通信設備間設備發熱量受地鐵是否運營的影響較大。另外,分析圖5可知,通信設備間的設備發熱量較小值也出現在地鐵停止運營期間,表明其他弱電設備間也有相似的弱電設備發熱量規律。

圖8 A車站民用通信設備間設備和圍護結構表面實測熱流密度

圖9顯示了A車站民用通信設備間實測逐時全熱負荷、圍護結構余熱、滲透風余熱、設備發熱量和設計負荷。實測的逐時全熱負荷為15.17～18.58 kW,平均全熱負荷為17.37 kW,遠小于設計負荷34.7 kW;實測的逐時圍護結構余熱為2.2～2.6 kW,平均圍護結構余熱為2.5 kW;實測的逐時設備發熱量為12.58～16.02 kW,平均設備發熱量為14.85 kW;模型計算的逐時設備發熱量與實測的逐時設備發熱量吻合很好,最大偏差為0.8 kW,最大相對誤差為9.1%,表明模型計算的逐時設備發熱量具有較高的準確性和可靠性;試驗測試期間A車站民用通信設備間圍護結構余熱和滲透風余熱變化均很小,因此計算設備發熱量變化時基本可以不考慮圍護結構余熱和滲透風余熱變化的影響。A車站民用通信設備間的測試結果表明：地鐵運營期間設備發熱量大于非運營期間設備發熱量,地鐵非運營期間設備發熱量最大減小幅度為21.62%;地鐵運營期間全熱負荷大于非運營期間全熱負荷,地鐵非運營期間全熱負荷最大減小幅度為18.35%。因此,地鐵是否運營對民用通信設備間空調余熱和設備發熱量有較大的影響。

圖9 A車站民用通信設備間逐時全熱負荷、圍護結構余熱、滲透風余熱、設備發熱量和設計負荷

2.3 設備額定功率對弱電設備發熱量的影響

選擇A、B、C車站的綜合監控設備間進行設備額定功率對弱電設備間逐時空調余熱影響的試驗測試研究。其他弱電設備間的研究結果與綜合監控設備間相似。A車站是通信信號集中的普通地鐵地下車站,綜合監控設備間建筑面積為31.87 m2,設備額定功率為6.2 kW。B車站是通信信號非集中的地鐵換乘車站,綜合監控設備間建筑面積為31.08 m2,設備額定功率為4.9 kW。C車站是層高較大、具有夾層的通信信號非集中的地鐵車站,綜合監控設備間建筑面積為47.88 m2,設備額定功率為5.3 kW。

圖10顯示了A、B、C車站綜合監控設備間的實測全熱負荷和設備發熱量。經與模型計算的逐時設備發熱量對比和驗證,實測的逐時設備發熱量具有較高的準確性和可靠性。設備發熱量占綜合監控設備間全熱負荷的65.21%～93.73%,地鐵運營期間設備發熱量大于非運營期間的設備發熱量,運營期間全熱負荷大于非運營期間全熱負荷。3個地鐵車站的綜合監控設備間全熱負荷和設備發熱量峰值的大小順序為A車站(設備發熱量峰值6.58 kW)>C車站(設備發熱量峰值4.82 kW)>B車站(設備發熱量峰值4.16 kW)。設備發熱量峰值與設備額定功率密切相關,設備發熱量峰值受建筑面積和地鐵地下車站類型的影響不大。因此,應將設備額定功率作為確定弱電設備間設備發熱量和全熱負荷的重要依據。

圖10 綜合監控設備間實測全熱負荷和設備發熱量

3 結論

針對地鐵空調負荷設計缺少準確可靠的設備發熱量數據問題,本文提出了一種地鐵車站弱電設備間設備發熱量確定新方法,該方法利用弱電設備發熱量實測結果和發熱量預測模型預測結果確定地鐵車站弱電設備間設備發熱量,預測模型預測結果和實測結果可以相互驗證,可以有效提高弱電設備發熱量確定結果的準確性。研究了室內氣溫、地鐵是否運營、設備額定功率和車站類型等因素對弱電設備間空調負荷和設備發熱量的影響。主要研究結論如下：

1) 提出的地鐵車站弱電設備間設備發熱量確定方法可以有效提高設備發熱量確定結果的準確性。

2) 室內氣溫對設備外表面和圍護結構內表面溫度及圍護結構內表面熱流密度有較大影響,對設備外表面熱流密度有較小的影響。

3) 地鐵是否運營對地鐵車站弱電設備間空調余熱和設備發熱量有較大影響,地鐵運營期間弱電設備間設備發熱量大于非運營期間設備發熱量。

4) 地鐵車站弱電設備間設備發熱量峰值與安裝設備的額定功率密切相關,設備發熱量峰值受建筑面積和地鐵地下車站類型的影響不大。