地鐵環(huán)控模擬與分析
摘要： 本文在分析地鐵環(huán)控能耗影響因素的基礎(chǔ)上，運(yùn)用地鐵熱環(huán)境模擬軟件（STESS），對(duì)我國(guó)南方某城市地鐵在不同環(huán)控運(yùn)行模式下的不同位置(隧道和站臺(tái))的風(fēng)速、風(fēng)量、壓力、溫度長(zhǎng)期(逐月)和短期(逐時(shí))的變化情況、車(chē)站環(huán)控負(fù)荷及全年環(huán)控能耗進(jìn)行模擬與預(yù)測(cè)，著重討論了通風(fēng)方案和熱模擬方案與各車(chē)站空調(diào)負(fù)荷和全線全年空調(diào)能耗之間的關(guān)系，為地鐵環(huán)控系統(tǒng)的可行性研究、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)運(yùn)行管理等提供一定的理論依據(jù)。關(guān)鍵詞 地鐵環(huán)控 能耗 模擬與預(yù)測(cè)
關(guān)鍵詞： 地鐵環(huán)控 能耗 環(huán)控負(fù)荷
1 引言
進(jìn)入二十一世紀(jì)，地下空間的開(kāi)發(fā)與利用倍受關(guān)注，地鐵在我國(guó)已向中等城市發(fā)展，地鐵環(huán)境質(zhì)量與能耗的矛盾也日益突出，環(huán)控能耗從分布上看主要集中在：一是為保證乘客在車(chē)站內(nèi)舒適與健康，車(chē)站內(nèi)站亭和站臺(tái)必要的熱濕環(huán)境、空氣質(zhì)量、聲環(huán)境、光環(huán)境，而需要的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)等的耗能；二是為保證列車(chē)的正常運(yùn)行及運(yùn)行時(shí)車(chē)廂內(nèi)的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)正常工作，隧道必需的通風(fēng)系統(tǒng)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(shí)能耗，這樣首先應(yīng)確定在不同運(yùn)行年段下不同位置的發(fā)熱量，求出全線各車(chē)站的逐時(shí)冷負(fù)荷、各車(chē)站的逐時(shí)總冷負(fù)荷，確定裝機(jī)容量。本文研究的內(nèi)容是針對(duì)無(wú)屏蔽門(mén)情況。
2 地鐵工程的概況
我國(guó)南方某城市地鐵工程，有16個(gè)地下車(chē)站。地鐵所在城市設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)為：夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度32.4℃，濕球溫度26.9℃；夏季通風(fēng)室外計(jì)算干球溫度28.0℃；冬季通風(fēng)室外計(jì)算干球溫度1.8℃。地鐵工程內(nèi)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)為站廳空調(diào)計(jì)算干球溫度30.0℃，相對(duì)濕度45～65％；站臺(tái)空調(diào)計(jì)算干球溫度28.0℃，相對(duì)濕度45～65％；車(chē)廂內(nèi)空調(diào)計(jì)算干球溫度27.0℃，相對(duì)濕度45～65％；室外空氣全年平均干球溫度為15.3℃。
地鐵工程無(wú)屏蔽門(mén)時(shí)，影響車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)能耗的因素比較復(fù)雜，有車(chē)站維護(hù)結(jié)構(gòu)和巖土的熱特性參數(shù)、室內(nèi)外空氣參數(shù)、設(shè)備發(fā)熱、照明發(fā)熱、人員發(fā)熱、發(fā)車(chē)密度、乘客密度、停靠時(shí)間、牽引曲線、通風(fēng)方案和新風(fēng)量等。在計(jì)算發(fā)熱量時(shí)將站臺(tái)與站臺(tái)處的隧道分開(kāi)考慮。隧道有列車(chē)發(fā)熱量、列車(chē)上乘客發(fā)熱量（列車(chē)有空調(diào)時(shí)應(yīng)為冷凝熱）、隧道照明發(fā)熱量及輔助設(shè)備(風(fēng)機(jī)等)的發(fā)熱量；站臺(tái)有人員、照明及設(shè)備等發(fā)熱量。
3 通風(fēng)方案與模擬
根據(jù)地鐵工程的發(fā)車(chē)密度、停靠時(shí)間和牽引曲線等確定各年段的通風(fēng)方案。選擇、布置通風(fēng)機(jī)，確定它們的參數(shù)和運(yùn)行模式。該地鐵工程全年采用閉式通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)和夜間通風(fēng)相結(jié)合的通風(fēng)方案。
3.1 閉式運(yùn)行
全線閉式，只有乘客出入口與外界相連，站臺(tái)采用獨(dú)立的空調(diào)系統(tǒng)，列車(chē)運(yùn)行時(shí)車(chē)站乘客出入口產(chǎn)生活塞風(fēng)，可作為車(chē)站新風(fēng)補(bǔ)給，如滿足車(chē)站新風(fēng)量要求，則車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)就不需要另外進(jìn)新風(fēng)，隧道區(qū)間利用列車(chē)活塞作用通風(fēng)換氣。此模式一般用于夏季或冬季。對(duì)地鐵全線進(jìn)行閉式通風(fēng)模擬，以下給出入地面至車(chē)站ST8之間的模擬數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)車(chē)密度為每小時(shí)5對(duì)時(shí)，車(chē)站出入口與隧道的通風(fēng)換氣量見(jiàn)圖1，正值表示順向，負(fù)值表示逆向，單位為m3/s；20對(duì)時(shí)見(jiàn)圖2。
由圖1、2可知，隨發(fā)車(chē)密度增加，車(chē)站出入口新風(fēng)量和隧道通風(fēng)量均增加。按每人在站臺(tái)和站廳平均停留時(shí)間5.5分鐘計(jì)，高峰小時(shí)預(yù)測(cè)各車(chē)站客流量最大值為32070人/小時(shí)，相當(dāng)于車(chē)站平均每時(shí)每刻同時(shí)有2138人，高峰小時(shí)列車(chē)滿載的情況下相當(dāng)于區(qū)間平均每時(shí)每刻同時(shí)有1386人，新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)按12.6m3/h.人計(jì)，所需新風(fēng)量為12.3 m3/s即可滿足衛(wèi)生要求，由圖2可知，各站乘客出入口產(chǎn)生的新風(fēng)補(bǔ)充量能滿足人員衛(wèi)生的要求，因此，夏季和冬季閉式運(yùn)行時(shí)可不需其它新風(fēng)補(bǔ)充。在發(fā)車(chē)密度每小時(shí)20對(duì)時(shí)，站臺(tái)A點(diǎn)和隧道B點(diǎn)處的斷面平均壓力變化見(jiàn)圖3、斷面風(fēng)量變化見(jiàn)圖4。
3.2 機(jī)械通風(fēng)
為加大車(chē)站和隧道區(qū)間的冷卻或通風(fēng)，可采用機(jī)械通風(fēng)方式。當(dāng)發(fā)車(chē)密度為每小時(shí)20對(duì)時(shí)，乘客出入口與隧道區(qū)間的通風(fēng)換氣量見(jiàn)圖5，單位為m3/s。如各車(chē)站有四臺(tái)排風(fēng)機(jī)，則可替換使用。由圖5可看出，車(chē)站新風(fēng)量明顯增大，此運(yùn)行模式主要用于過(guò)渡季節(jié)或冬夏
高峰期的地鐵通風(fēng)。此時(shí)站臺(tái)A點(diǎn)和隧道B點(diǎn)處的斷面平均壓力變化見(jiàn)圖6、斷面風(fēng)量變化見(jiàn)圖7。
3.3 夜間通風(fēng)
為改善地鐵空氣環(huán)境，同時(shí)滿足降溫、節(jié)能需要，可在夏季凌晨4:00~500期間適當(dāng)采用夜間通風(fēng)，模擬結(jié)果見(jiàn)圖8。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，每次所開(kāi)風(fēng)機(jī)的臺(tái)數(shù)和方向可作改變，以使各隧道區(qū)間段均勻通風(fēng)換氣和加熱冷卻。
4 熱模擬方案
根據(jù)工程實(shí)際情況，預(yù)制各年段熱模擬方案進(jìn)行模擬，初期熱模擬方案見(jiàn)表1。由于地鐵熱環(huán)境的周期特性，在模擬時(shí)設(shè)定同一個(gè)月的任一天選用相同的通風(fēng)方案組合。對(duì)各種熱模擬方案進(jìn)行模擬，計(jì)算出全線各位置上的溫度值、各車(chē)站的空調(diào)負(fù)荷和全年的運(yùn)行能耗，綜合比較選取合理方案。
5 熱模擬結(jié)果與分析
熱模擬方案確定后，就可進(jìn)行模擬計(jì)算。4-3熱模擬方案對(duì)應(yīng)的車(chē)站ST7附近A點(diǎn)和隧道B點(diǎn)處的全年月平均逐時(shí)溫度變化見(jiàn)圖9。該地鐵工程各年段各車(chē)站有無(wú)夜間通風(fēng)時(shí)的全年空調(diào)能耗模擬結(jié)果見(jiàn)表2。
初期夏季有夜間通風(fēng)時(shí)，全線全年空調(diào)總能耗為1459.9萬(wàn)kWh；無(wú)夜間通風(fēng)時(shí)，全線全年空調(diào)總能耗為1477.5萬(wàn)kWh。無(wú)夜間通風(fēng)時(shí)全線全年的空調(diào)能耗比有夜間通風(fēng)的多17.6萬(wàn)kWh。如空調(diào)系統(tǒng)的COP＝2.6，則無(wú)夜間通風(fēng)時(shí)空調(diào)耗電量比有夜間通風(fēng)的多6.77萬(wàn)kWh。按前面模擬中的夜間通風(fēng)方式，風(fēng)機(jī)效率取0.75，每天夜間通風(fēng)1小時(shí)，每年6～9四個(gè)月按夏季運(yùn)行，則夜間通風(fēng)風(fēng)機(jī)額外總耗電量為28.8萬(wàn)kWh。初期夜間通風(fēng)風(fēng)機(jī)額外耗電量多于減小的空調(diào)耗電量，其值為22.03萬(wàn)kWh，因此初期夏季夜間通風(fēng)從節(jié)能的角度是不可取的。
近期夏季有夜間通風(fēng)時(shí)，全線全年空調(diào)總能耗為1668.5萬(wàn)kWh，無(wú)夜間通風(fēng)時(shí)，全線全年空調(diào)總能耗為1690.3萬(wàn)kWh，無(wú)夜間通風(fēng)時(shí)空調(diào)耗電量比有夜間通風(fēng)的多8.38萬(wàn)kWh，近期夜間通風(fēng)風(fēng)機(jī)額外耗電量多于減小的空調(diào)耗電量，其值為20.42萬(wàn)kWh；遠(yuǎn)期夏季有夜間通風(fēng)時(shí)，全線全年空調(diào)總能耗為2404.6萬(wàn)kWh，無(wú)夜間通風(fēng)時(shí)，全線全年空調(diào)總能耗為2412.0萬(wàn)kWh，無(wú)夜間通風(fēng)時(shí)全線全年的空調(diào)能耗比有夜間通風(fēng)的多7.4萬(wàn)kWh，遠(yuǎn)期夜間通風(fēng)風(fēng)機(jī)額外耗電量多于減小的空調(diào)耗電量，其值為25.95萬(wàn)kWh，因此近期、遠(yuǎn)期夏季夜間通風(fēng)從節(jié)能的角度也是不可取的，故夏季不建議采用夜間通風(fēng)。
以上是對(duì)初期、近期和遠(yuǎn)期方案“4-2”和“4-3”進(jìn)行的全線全年熱模擬得到的部分模擬結(jié)果，應(yīng)該在對(duì)各年段的各熱模擬方案進(jìn)行全面模擬的基礎(chǔ)上，在站臺(tái)和隧道的溫度、風(fēng)壓、風(fēng)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(yùn)行管理等必要因素，確定地鐵工程環(huán)境控制的最佳方案。
參考文獻(xiàn)
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