地鐵車站公共區(qū)空調(diào)負(fù)荷的確定
摘 要 分析了影響地鐵車站空調(diào)負(fù)荷的關(guān)鍵因素。簡(jiǎn)略介紹了2 種地鐵熱環(huán)境模擬仿真計(jì)算軟件。指出現(xiàn)有車站空調(diào)負(fù)荷確定中存在有待探討的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞 地鐵車站, 冷負(fù)荷量, 仿真計(jì)算中圖分類號(hào)
車站環(huán)控系統(tǒng)空調(diào)負(fù)荷的合理確定將在很大程度影響到車站規(guī)模及初期投資的大小。本文分析了影響地鐵車站公共區(qū)冷負(fù)荷的因素及其冷負(fù)荷組成形式,介紹了2 種地鐵熱環(huán)境模擬分析軟件。
1 影響車站公共區(qū)冷負(fù)荷的因素
地鐵的地下線路是一座狹長(zhǎng)的地下建筑,除各站出入口和通風(fēng)道口與大氣溝通外,其余可以認(rèn)為基本與大氣隔絕,列車運(yùn)行、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)和乘客都會(huì)散發(fā)大量熱量,車站周圍的地壤通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的滲濕量也很大,加之乘客散濕量,故在這樣一個(gè)封閉的地下空間內(nèi),設(shè)置一套合理的科學(xué)的環(huán)境控制系統(tǒng),以保證車站站廳站臺(tái)區(qū)的相對(duì)溫濕度,是至關(guān)重要的。
1. 1 環(huán)境控制系統(tǒng)運(yùn)行模式
在確定車站空調(diào)負(fù)荷之前,首先要明確環(huán)控系統(tǒng)的運(yùn)行形式。環(huán)控系統(tǒng)的運(yùn)行模式分為開(kāi)式運(yùn)行、閉式運(yùn)行,屏蔽門(mén)模式等形式。表1 為上海地鐵1 號(hào)線典型車站不同制式環(huán)控系統(tǒng)的冷負(fù)荷表。
表1 某典型車站不同制式環(huán)控系統(tǒng)的冷負(fù)荷計(jì)算值
據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)值比較,設(shè)置屏蔽門(mén)的車站空調(diào)負(fù)荷約為開(kāi)/ 閉式車站的1/ 3～1/ 2 , 風(fēng)量也相應(yīng)減少。故目前上海軌道交通7 號(hào)線(M7) 、8 號(hào)線(M8) 及9 號(hào)線(R4) 線均按屏蔽門(mén)運(yùn)行模式進(jìn)行設(shè)計(jì),只是由于近期客流量及通行能力未達(dá)遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)能力,故提出屏蔽門(mén)緩裝的可能性。
1. 2 設(shè)計(jì)高峰小時(shí)客流量
一座車站的設(shè)計(jì)高峰小時(shí)客流量是影響車站空調(diào)負(fù)荷的一個(gè)至關(guān)重要的因素,它直接決定了站內(nèi)乘客的散熱散濕量,間接決定了車站內(nèi)各類售檢票、自動(dòng)扶梯等發(fā)熱設(shè)備的設(shè)置數(shù)量,也決定整個(gè)環(huán)控系統(tǒng)的最小新風(fēng)供給量。
1. 3 車站照明及廣告燈箱的設(shè)置
目前在車站站廳及站臺(tái)層設(shè)置各種廣告燈箱已是十分常見(jiàn)的商業(yè)作法,且根據(jù)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(hào)線車站廣告燈箱發(fā)熱量按150 W/ m2 計(jì),照明燈具按20 W/m2 計(jì);8 號(hào)線的車站廣告燈箱發(fā)熱量按30 kW/ 站(站廳) ,20 kW/ 站(站臺(tái)) 計(jì), 照明燈具按20 W/m2 計(jì);設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)站位所處位置有區(qū)別地進(jìn)行計(jì)算。
1. 4 熱庫(kù)效應(yīng)
由于地鐵周圍地壤是一個(gè)很大的容熱體,起到了夏儲(chǔ)冬放、調(diào)節(jié)地鐵空氣溫度作用,俗稱“熱庫(kù)效應(yīng)”。根據(jù)一些資料記載,傳到地鐵周圍土壤的熱量占地鐵產(chǎn)熱量的25 %～40 % 。這對(duì)節(jié)約能量、減少機(jī)房面積及降低設(shè)備的確起到了很重要作用。若在計(jì)算車站負(fù)荷時(shí)忽視這一效應(yīng),將是能源的一大浪費(fèi)。需要指出的是,島式車站比側(cè)式車站的熱庫(kù)效應(yīng)更明顯。
1. 5 出入口熱滲透及屏蔽門(mén)開(kāi)啟時(shí)熱滲透
每座車站都設(shè)有兩個(gè)以上出入口,如果有換乘節(jié)點(diǎn),還有換乘通道與外界連通。這些出入口與換乘通道無(wú)疑是車站空調(diào)負(fù)荷的“滲透點(diǎn)”。
此外,當(dāng)列車進(jìn)站時(shí),屏蔽門(mén)開(kāi)啟,區(qū)間熱風(fēng)量將被帶入站臺(tái)成為一部分待處理的熱負(fù)荷。以上海7 號(hào)線新村路站為例:地下二層島式車站,其出入口滲透風(fēng)量為12 100 m3/h , 屏蔽門(mén)開(kāi)啟時(shí)區(qū)間換風(fēng)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(jiàn)也是車站負(fù)荷中重要的組成部分。
綜上所述可見(jiàn),地鐵空調(diào)負(fù)荷是受到多方面因素的綜合影響的。
2 車站公共區(qū)冷負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表
以上海軌道交通7、8 、9 及4 號(hào)線(明珠線二期) 來(lái)看,地下車站公共區(qū)冷負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表采用表2 的組成形式。現(xiàn)以上海7 號(hào)線某地下二層島式車站為例,分析其公共區(qū)的冷負(fù)荷量(見(jiàn)表2) 。
表2 ×× 站公共區(qū)冷負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表
在得出車站熱負(fù)荷及散濕量后,經(jīng)焓濕圖進(jìn)行一次回風(fēng)過(guò)程處理,取得車站空調(diào)系統(tǒng)盤(pán)管處理冷量及空調(diào)機(jī)組送風(fēng)量。
從表1 可見(jiàn),地鐵空調(diào)負(fù)荷的制約因素眾多,且各項(xiàng)因素存在很大階段變數(shù)。如:列車引起的活塞風(fēng)和發(fā)熱量隨列車行車速度不斷變化。區(qū)間熱滲透量隨區(qū)間隧道不同時(shí)期壁溫變化而變化。客流、車站不恒定,而導(dǎo)致站內(nèi)負(fù)荷的變化。故如果能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)的模擬仿真計(jì)算,細(xì)化車站不同運(yùn)行時(shí)間的負(fù)荷變化,無(wú)疑是最理想的節(jié)能計(jì)算方式。這也是傳統(tǒng)手工計(jì)算方式所無(wú)法達(dá)到的。
3 地鐵熱環(huán)境的模擬仿真計(jì)算
早在1911 年10 月,國(guó)外就對(duì)有關(guān)車輛在隧道中引起的活塞效應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。1951 年,美國(guó)交通部城市客運(yùn)署成功開(kāi)發(fā)了SES(Swbway Environment Simulation) 軟件,用于地鐵長(zhǎng)期熱環(huán)境的仿真模型計(jì)算。目前上海地鐵環(huán)控系統(tǒng)的模擬計(jì)算軟件仍采用SES 軟件系統(tǒng)。
從上世紀(jì)80 年代開(kāi)始,清華大學(xué)開(kāi)發(fā)出地鐵熱環(huán)境模擬分析軟件STESS 。此軟件采用新的水力網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定過(guò)程算法,改進(jìn)了傳熱計(jì)算模型,使之能夠適應(yīng)較為復(fù)雜的隧道及車站斷面形狀;且采取了長(zhǎng)短時(shí)間步長(zhǎng)相結(jié)合的方法,可保證模擬的計(jì)算精度。在給定系統(tǒng)形式和運(yùn)行方式后,此軟件可計(jì)算出地鐵內(nèi)各種散熱散濕量,比較準(zhǔn)確地模擬預(yù)測(cè)地鐵隧道及車站近期、遠(yuǎn)期不同客流及車流情況下的實(shí)際通風(fēng)量及濕度變化過(guò)程,校驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行方式能否達(dá)到要求,確定合理的結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)行方案。STESS 軟件已在北京、天津、南京及德黑蘭等國(guó)內(nèi)外城市十幾項(xiàng)地鐵工程中應(yīng)用,取得了較好的效果。
計(jì)算機(jī)仿真模擬計(jì)算,給合理確定地鐵車站的空調(diào)負(fù)荷,或結(jié)合遠(yuǎn)近期運(yùn)營(yíng)工況分期實(shí)施環(huán)控設(shè)備等,作出十分必要的技術(shù)支持。這也將是軌道交通設(shè)計(jì)中一個(gè)仍需長(zhǎng)足發(fā)展的科研方向。
4 有待討論的問(wèn)題
目前,上海9 號(hào)線及7 號(hào)線的環(huán)控運(yùn)行模式,均為設(shè)置屏蔽門(mén)系統(tǒng)、考慮有緩裝的可能性。在9 號(hào)線的總體設(shè)計(jì)技術(shù)要求提出:在根據(jù)設(shè)置屏蔽門(mén)情況下,確定遠(yuǎn)期負(fù)荷后,因有緩裝屏蔽門(mén)的可能性, 而預(yù)留20 % 的設(shè)計(jì)冷量。在7 號(hào)線的《初步設(shè)計(jì)技術(shù)要求》中同樣提出“ 在屏蔽門(mén)緩裝期間,考慮冷量增加,無(wú)換乘車站增加25 % , 換乘車站增加35 % , 并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)備配置。”
但筆者認(rèn)為,屏蔽門(mén)緩裝主要緣于近期客流流量小于遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)客流,初期隧道壁溫優(yōu)于運(yùn)營(yíng)多年后的壁溫,故為節(jié)省初期投資,暫緩安裝。若在設(shè)備設(shè)計(jì)選型時(shí),在滿足遠(yuǎn)期空調(diào)負(fù)荷基礎(chǔ)上再乘預(yù)留系數(shù),似乎有略顯保守之嫌,車站環(huán)控機(jī)房、通風(fēng)道面積都將相應(yīng)增大要求。這種單位以預(yù)留系數(shù)來(lái)解決屏蔽門(mén)緩裝期間空調(diào)負(fù)荷問(wèn)題,還有待進(jìn)一步探討。
參考文獻(xiàn)
1 樊 玲,馮 煉. 利用“相對(duì)熱流指標(biāo)”對(duì)地鐵系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度的探討. 城市軌道交通究,2002(1) :50～52
