地鐵環控模擬與分析

摘要： 本文在分析地鐵環控能耗影響因素的基礎上，運用地鐵熱環境模擬軟件（STESS），對我國南方某城市地鐵在不同環控運行模式下的不同位置(隧道和站臺)的風速、風量、壓力、溫度長期(逐月)和短期(逐時)的變化情況、車站環控負荷及全年環控能耗進行模擬與預測，著重討論了通風方案和熱模擬方案與各車站空調負荷和全線全年空調能耗之間的關系，為地鐵環控系統的可行性研究、系統設計、系統運行管理等提供一定的理論依據。關鍵詞 地鐵環控 能耗 模擬與預測

關鍵詞： 地鐵環控 能耗 環控負荷

1 引言
進入二十一世紀，地下空間的開發與利用倍受關注，地鐵在我國已向中等城市發展，地鐵環境質量與能耗的矛盾也日益突出，環控能耗從分布上看主要集中在：一是為保證乘客在車站內舒適與健康，車站內站亭和站臺必要的熱濕環境、空氣質量、聲環境、光環境，而需要的通風空調系統和照明系統等的耗能；二是為保證列車的正常運行及運行時車廂內的通風空調系統正常工作，隧道必需的通風系統的耗能量。

要確定地鐵全線全年總能耗，必須要確定全年逐時能耗，這樣首先應確定在不同運行年段下不同位置的發熱量，求出全線各車站的逐時冷負荷、各車站的逐時總冷負荷，確定裝機容量。本文研究的內容是針對無屏蔽門情況。

2 地鐵工程的概況
我國南方某城市地鐵工程，有16個地下車站。地鐵所在城市設計計算參數為：夏季空調室外計算干球溫度32.4℃，濕球溫度26.9℃；夏季通風室外計算干球溫度28.0℃；冬季通風室外計算干球溫度1.8℃。地鐵工程內設計計算參數為站廳空調計算干球溫度30.0℃，相對濕度45～65％；站臺空調計算干球溫度28.0℃，相對濕度45～65％；車廂內空調計算干球溫度27.0℃，相對濕度45～65％；室外空氣全年平均干球溫度為15.3℃。

地鐵工程無屏蔽門時，影響車站空調系統能耗的因素比較復雜，有車站維護結構和巖土的熱特性參數、室內外空氣參數、設備發熱、照明發熱、人員發熱、發車密度、乘客密度、停靠時間、牽引曲線、通風方案和新風量等。在計算發熱量時將站臺與站臺處的隧道分開考慮。隧道有列車發熱量、列車上乘客發熱量（列車有空調時應為冷凝熱）、隧道照明發熱量及輔助設備(風機等)的發熱量；站臺有人員、照明及設備等發熱量。

3 通風方案與模擬
根據地鐵工程的發車密度、停靠時間和牽引曲線等確定各年段的通風方案。選擇、布置通風機，確定它們的參數和運行模式。該地鐵工程全年采用閉式通風、機械通風和夜間通風相結合的通風方案。

3.1 閉式運行

全線閉式，只有乘客出入口與外界相連，站臺采用獨立的空調系統，列車運行時車站乘客出入口產生活塞風，可作為車站新風補給，如滿足車站新風量要求，則車站空調系統就不需要另外進新風，隧道區間利用列車活塞作用通風換氣。此模式一般用于夏季或冬季。對地鐵全線進行閉式通風模擬，以下給出入地面至車站ST8之間的模擬數據。當發車密度為每小時5對時，車站出入口與隧道的通風換氣量見圖1，正值表示順向，負值表示逆向，單位為m3/s；20對時見圖2。

由圖1、2可知，隨發車密度增加，車站出入口新風量和隧道通風量均增加。按每人在站臺和站廳平均停留時間5.5分鐘計，高峰小時預測各車站客流量最大值為32070人/小時，相當于車站平均每時每刻同時有2138人，高峰小時列車滿載的情況下相當于區間平均每時每刻同時有1386人，新風標準按12.6m3/h.人計，所需新風量為12.3 m3/s即可滿足衛生要求，由圖2可知，各站乘客出入口產生的新風補充量能滿足人員衛生的要求，因此，夏季和冬季閉式運行時可不需其它新風補充。在發車密度每小時20對時，站臺A點和隧道B點處的斷面平均壓力變化見圖3、斷面風量變化見圖4。

3.2 機械通風

為加大車站和隧道區間的冷卻或通風，可采用機械通風方式。當發車密度為每小時20對時，乘客出入口與隧道區間的通風換氣量見圖5，單位為m3/s。如各車站有四臺排風機，則可替換使用。由圖5可看出，車站新風量明顯增大，此運行模式主要用于過渡季節或冬夏

高峰期的地鐵通風。此時站臺A點和隧道B點處的斷面平均壓力變化見圖6、斷面風量變化見圖7。

3.3 夜間通風

為改善地鐵空氣環境，同時滿足降溫、節能需要，可在夏季凌晨4:00~500期間適當采用夜間通風，模擬結果見圖8。根據實際運行情況，每次所開風機的臺數和方向可作改變，以使各隧道區間段均勻通風換氣和加熱冷卻。

4 熱模擬方案
根據工程實際情況，預制各年段熱模擬方案進行模擬，初期熱模擬方案見表1。由于地鐵熱環境的周期特性，在模擬時設定同一個月的任一天選用相同的通風方案組合。對各種熱模擬方案進行模擬，計算出全線各位置上的溫度值、各車站的空調負荷和全年的運行能耗，綜合比較選取合理方案。

5 熱模擬結果與分析
熱模擬方案確定后，就可進行模擬計算。4-3熱模擬方案對應的車站ST7附近A點和隧道B點處的全年月平均逐時溫度變化見圖9。該地鐵工程各年段各車站有無夜間通風時的全年空調能耗模擬結果見表2。

初期夏季有夜間通風時，全線全年空調總能耗為1459.9萬kWh；無夜間通風時，全線全年空調總能耗為1477.5萬kWh。無夜間通風時全線全年的空調能耗比有夜間通風的多17.6萬kWh。如空調系統的COP＝2.6，則無夜間通風時空調耗電量比有夜間通風的多6.77萬kWh。按前面模擬中的夜間通風方式，風機效率取0.75，每天夜間通風1小時，每年6～9四個月按夏季運行，則夜間通風風機額外總耗電量為28.8萬kWh。初期夜間通風風機額外耗電量多于減小的空調耗電量，其值為22.03萬kWh，因此初期夏季夜間通風從節能的角度是不可取的。

近期夏季有夜間通風時，全線全年空調總能耗為1668.5萬kWh，無夜間通風時，全線全年空調總能耗為1690.3萬kWh，無夜間通風時空調耗電量比有夜間通風的多8.38萬kWh，近期夜間通風風機額外耗電量多于減小的空調耗電量，其值為20.42萬kWh；遠期夏季有夜間通風時，全線全年空調總能耗為2404.6萬kWh，無夜間通風時，全線全年空調總能耗為2412.0萬kWh，無夜間通風時全線全年的空調能耗比有夜間通風的多7.4萬kWh，遠期夜間通風風機額外耗電量多于減小的空調耗電量，其值為25.95萬kWh，因此近期、遠期夏季夜間通風從節能的角度也是不可取的，故夏季不建議采用夜間通風。

以上是對初期、近期和遠期方案“4-2”和“4-3”進行的全線全年熱模擬得到的部分模擬結果，應該在對各年段的各熱模擬方案進行全面模擬的基礎上，在站臺和隧道的溫度、風壓、風量滿足使用條件的情況下，比較全線全年的綜合能耗、考慮初投資及運行管理等必要因素，確定地鐵工程環境控制的最佳方案。

參考文獻
[1] 朱穎心、秦緒忠、江億，站臺屏蔽門在地鐵熱環境控制中的經濟性分析，《建筑科學》，1997年第3期；
[2] 朱穎心，水力網絡流動不穩態過程的算法,清華大學學報, 1989年第5期,第29卷；
[3] Ming-Tsun Ke, Tsung-Che Cheng, Wen-Por Wang, Numerical simulation for optimizing the design of subway environmental control system, Building and Environment, No37, 2002。