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，運用地鐵熱環(huán)境模擬軟件（STESS），對我國南方某城市地鐵在不同環(huán)控運行模式下的不同位置(隧道和站臺)的風(fēng)速、風(fēng)量、壓力、溫度長期(逐月)和短期(逐時)的變化情況、車站環(huán)控負荷及全年環(huán)控能耗進行模擬與預(yù)測，著重討論了通風(fēng)方案和熱模擬方案與各車站空調(diào)負荷和全線全年空調(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、系統(tǒng)運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

關(guān)鍵詞： 地鐵環(huán)控 能耗 環(huán)控負荷

1 引言
進入二十一世紀，地下空間的開發(fā)與利用倍受關(guān)注，地鐵在我國已向中等城市發(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站內(nèi)舒適與健康，車站內(nèi)站亭和站臺必要的熱濕環(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；二是為保證列車的正常運行及運行時車廂內(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能耗，這樣首先應(yīng)確定在不同運行年段下不同位置的發(fā)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(nèi)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(shè)計計算參數(shù)為：夏季空調(diào)室外計算干球溫度32.4℃，濕球溫度26.9℃；夏季通風(fēng)室外計算干球溫度28.0℃；冬季通風(fēng)室外計算干球溫度1.8℃。地鐵工程內(nèi)設(shè)計計算參數(shù)為站廳空調(diào)計算干球溫度30.0℃，相對濕度45～65％；站臺空調(diào)計算干球溫度28.0℃，相對濕度45～65％；車廂內(nèi)空調(diào)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(diào)系統(tǒng)能耗的因素比較復(fù)雜，有車站維護結(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)車密度、乘客密度、?？繒r間、牽引曲線、通風(fēng)方案和新風(fēng)量等。在計算發(fā)熱量時將站臺與站臺處的隧道分開考慮。隧道有列車發(fā)熱量、列車上乘客發(fā)熱量（列車有空調(diào)時應(yīng)為冷凝熱）、隧道照明發(fā)熱量及輔助設(shè)備(風(fēng)機等)的發(fā)熱量；站臺有人員、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)車密度、?？繒r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，確定它們的參數(shù)和運行模式。該地鐵工程全年采用閉式通風(fēng)、機械通風(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(diào)系統(tǒng)，列車運行時車站乘客出入口產(chǎn)生活塞風(fēng)，可作為車站新風(fēng)補給，如滿足車站新風(fēng)量要求，則車站空調(diào)系統(tǒng)就不需要另外進新風(fēng)，隧道區(qū)間利用列車活塞作用通風(fēng)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(fēng)模擬，以下給出入地面至車站ST8之間的模擬數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)車密度為每小時5對時，車站出入口與隧道的通風(fēng)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(fā)車密度增加，車站出入口新風(fēng)量和隧道通風(fēng)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(yù)測各車站客流量最大值為32070人/小時，相當(dāng)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(dāng)于區(qū)間平均每時每刻同時有1386人，新風(fēng)標準按12.6m3/h.人計，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)補充量能滿足人員衛(wèi)生的要求，因此，夏季和冬季閉式運行時可不需其它新風(fēng)補充。在發(fā)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(fēng)量變化見圖4。

3.2 機械通風(fēng)

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

高峰期的地鐵通風(fēng)。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(fēng)量變化見圖7。

3.3 夜間通風(fēng)

為改善地鐵空氣環(huán)境，同時滿足降溫、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)果見圖8。根據(jù)實際運行情況，每次所開風(fēng)機的臺數(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)工程實際情況，預(yù)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(huán)境的周期特性，在模擬時設(shè)定同一個月的任一天選用相同的通風(fēng)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(diào)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(jié)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(yīng)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(fēng)時的全年空調(diào)能耗模擬結(jié)果見表2。

初期夏季有夜間通風(fēng)時，全線全年空調(diào)總能耗為1459.9萬kWh；無夜間通風(fēng)時，全線全年空調(diào)總能耗為1477.5萬kWh。無夜間通風(fēng)時全線全年的空調(diào)能耗比有夜間通風(fēng)的多17.6萬kWh。如空調(diào)系統(tǒng)的COP＝2.6，則無夜間通風(fēng)時空調(diào)耗電量比有夜間通風(fēng)的多6.77萬kWh。按前面模擬中的夜間通風(fēng)方式，風(fēng)機效率取0.75，每天夜間通風(fēng)1小時，每年6～9四個月按夏季運行，則夜間通風(fēng)風(fēng)機額外總耗電量為28.8萬kWh。初期夜間通風(fēng)風(fēng)機額外耗電量多于減小的空調(diào)耗電量，其值為22.03萬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，全線全年空調(diào)總能耗為1668.5萬kWh，無夜間通風(fēng)時，全線全年空調(diào)總能耗為1690.3萬kWh，無夜間通風(fēng)時空調(diào)耗電量比有夜間通風(fēng)的多8.38萬kWh，近期夜間通風(fēng)風(fēng)機額外耗電量多于減小的空調(diào)耗電量，其值為20.42萬kWh；遠期夏季有夜間通風(fēng)時，全線全年空調(diào)總能耗為2404.6萬kWh，無夜間通風(fēng)時，全線全年空調(diào)總能耗為2412.0萬kWh，無夜間通風(fēng)時全線全年的空調(diào)能耗比有夜間通風(fēng)的多7.4萬kWh，遠期夜間通風(fēng)風(fēng)機額外耗電量多于減小的空調(diào)耗電量，其值為25.95萬kWh，因此近期、遠期夏季夜間通風(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(jié)果，應(yīng)該在對各年段的各熱模擬方案進行全面模擬的基礎(chǔ)上，在站臺和隧道的溫度、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
[1] 朱穎心、秦緒忠、江億，站臺屏蔽門在地鐵熱環(huán)境控制中的經(jīng)濟性分析，《建筑科學(xué)》，1997年第3期；
[2] 朱穎心，水力網(wǎng)絡(luò)流動不穩(wěn)態(tài)過程的算法,清華大學(xué)學(xué)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。