地鐵車站公共區空調負荷的確定

摘　要　分析了影響地鐵車站空調負荷的關鍵因素。簡略介紹了2 種地鐵熱環境模擬仿真計算軟件。指出現有車站空調負荷確定中存在有待探討的問題。
關鍵詞　地鐵車站, 冷負荷量, 仿真計算中圖分類號　
　　車站環控系統空調負荷的合理確定將在很大程度影響到車站規模及初期投資的大小。本文分析了影響地鐵車站公共區冷負荷的因素及其冷負荷組成形式,介紹了2 種地鐵熱環境模擬分析軟件。
1 　影響車站公共區冷負荷的因素
地鐵的地下線路是一座狹長的地下建筑,除各站出入口和通風道口與大氣溝通外,其余可以認為基本與大氣隔絕,列車運行、設備運轉和乘客都會散發大量熱量,車站周圍的地壤通過圍護結構的滲濕量也很大,加之乘客散濕量,故在這樣一個封閉的地下空間內,設置一套合理的科學的環境控制系統,以保證車站站廳站臺區的相對溫濕度,是至關重要的。
1. 1 　環境控制系統運行模式
在確定車站空調負荷之前,首先要明確環控系統的運行形式。環控系統的運行模式分為開式運行、閉式運行,屏蔽門模式等形式。表1 為上海地鐵1 號線典型車站不同制式環控系統的冷負荷表。


表1 　某典型車站不同制式環控系統的冷負荷計算值　　　　　

　　據以往的工程經驗值比較,設置屏蔽門的車站空調負荷約為開/ 閉式車站的1/ 3～1/ 2 , 風量也相應減少。故目前上海軌道交通7 號線(M7) 、8 號線(M8) 及9 號線(R4) 線均按屏蔽門運行模式進行設計,只是由于近期客流量及通行能力未達遠期設計能力,故提出屏蔽門緩裝的可能性。
1. 2 　設計高峰小時客流量
一座車站的設計高峰小時客流量是影響車站空調負荷的一個至關重要的因素,它直接決定了站內乘客的散熱散濕量,間接決定了車站內各類售檢票、自動扶梯等發熱設備的設置數量,也決定整個環控系統的最小新風供給量。
1. 3 　車站照明及廣告燈箱的設置
目前在車站站廳及站臺層設置各種廣告燈箱已是十分常見的商業作法,且根據車站站位位于市中心的繁華度越甚,其廣告燈箱及布置的密度就越密。
上海9 號線車站廣告燈箱發熱量按150 W/ m2 計,照明燈具按20 W/m2 計;8 號線的車站廣告燈箱發熱量按30 kW/ 站(站廳) ,20 kW/ 站(站臺) 計, 照明燈具按20 W/m2 計;設計中應根據站位所處位置有區別地進行計算。
1. 4 　熱庫效應
由于地鐵周圍地壤是一個很大的容熱體,起到了夏儲冬放、調節地鐵空氣溫度作用,俗稱“熱庫效應”。根據一些資料記載,傳到地鐵周圍土壤的熱量占地鐵產熱量的25 %～40 % 。這對節約能量、減少機房面積及降低設備的確起到了很重要作用。若在計算車站負荷時忽視這一效應,將是能源的一大浪費。需要指出的是,島式車站比側式車站的熱庫效應更明顯。

1. 5 　出入口熱滲透及屏蔽門開啟時熱滲透
每座車站都設有兩個以上出入口,如果有換乘節點,還有換乘通道與外界連通。這些出入口與換乘通道無疑是車站空調負荷的“滲透點”。
此外,當列車進站時,屏蔽門開啟,區間熱風量將被帶入站臺成為一部分待處理的熱負荷。以上海7 號線新村路站為例:地下二層島式車站,其出入口滲透風量為12 100 m3/h , 屏蔽門開啟時區間換風量為9 500 m3/ h。這部分換氣量所帶出的熱滲透約為100 kW , 可見也是車站負荷中重要的組成部分。
綜上所述可見,地鐵空調負荷是受到多方面因素的綜合影響的。
2 　車站公共區冷負荷統計表
以上海軌道交通7、8 、9 及4 號線(明珠線二期) 來看,地下車站公共區冷負荷統計表采用表2 的組成形式。現以上海7 號線某地下二層島式車站為例,分析其公共區的冷負荷量(見表2) 。
表2 　×× 站公共區冷負荷統計表

　　在得出車站熱負荷及散濕量后,經焓濕圖進行一次回風過程處理,取得車站空調系統盤管處理冷量及空調機組送風量。
從表1 可見,地鐵空調負荷的制約因素眾多,且各項因素存在很大階段變數。如:列車引起的活塞風和發熱量隨列車行車速度不斷變化。區間熱滲透量隨區間隧道不同時期壁溫變化而變化。客流、車站不恒定,而導致站內負荷的變化。故如果能夠通過計算機的模擬仿真計算,細化車站不同運行時間的負荷變化,無疑是最理想的節能計算方式。這也是傳統手工計算方式所無法達到的。
3 　地鐵熱環境的模擬仿真計算
早在1911 年10 月,國外就對有關車輛在隧道中引起的活塞效應進行測試。1951 年,美國交通部城市客運署成功開發了SES(Swbway Environment Simulation) 軟件,用于地鐵長期熱環境的仿真模型計算。目前上海地鐵環控系統的模擬計算軟件仍采用SES 軟件系統。
從上世紀80 年代開始,清華大學開發出地鐵熱環境模擬分析軟件STESS 。此軟件采用新的水力網絡不穩定過程算法,改進了傳熱計算模型,使之能夠適應較為復雜的隧道及車站斷面形狀;且采取了長短時間步長相結合的方法,可保證模擬的計算精度。在給定系統形式和運行方式后,此軟件可計算出地鐵內各種散熱散濕量,比較準確地模擬預測地鐵隧道及車站近期、遠期不同客流及車流情況下的實際通風量及濕度變化過程,校驗系統設計及運行方式能否達到要求,確定合理的結構形式和運行方案。STESS 軟件已在北京、天津、南京及德黑蘭等國內外城市十幾項地鐵工程中應用,取得了較好的效果。
計算機仿真模擬計算,給合理確定地鐵車站的空調負荷,或結合遠近期運營工況分期實施環控設備等,作出十分必要的技術支持。這也將是軌道交通設計中一個仍需長足發展的科研方向。
4 　有待討論的問題
目前,上海9 號線及7 號線的環控運行模式,均為設置屏蔽門系統、考慮有緩裝的可能性。在9 號線的總體設計技術要求提出:在根據設置屏蔽門情況下,確定遠期負荷后,因有緩裝屏蔽門的可能性, 而預留20 % 的設計冷量。在7 號線的《初步設計技術要求》中同樣提出“ 在屏蔽門緩裝期間,考慮冷量增加,無換乘車站增加25 % , 換乘車站增加35 % , 并在此基礎上進行設備配置。”
但筆者認為,屏蔽門緩裝主要緣于近期客流流量小于遠期設計客流,初期隧道壁溫優于運營多年后的壁溫,故為節省初期投資,暫緩安裝。若在設備設計選型時,在滿足遠期空調負荷基礎上再乘預留系數,似乎有略顯保守之嫌,車站環控機房、通風道面積都將相應增大要求。這種單位以預留系數來解決屏蔽門緩裝期間空調負荷問題,還有待進一步探討。

參考文獻
1 　樊　玲,馮　煉. 利用“相對熱流指標”對地鐵系統設計溫度的探討. 城市軌道交通究,2002(1) :50～52