摘 要 分析了影响地铁车站空调负荷的关键因素。简略介绍了2 种地铁热环境模拟仿真计算软件。指出现有车站空调负荷确定中存在有待探讨的问题。
关键词 地铁车站, 冷负荷量, 仿真计算中图分类号
车站环控系统空调负荷的合理确定将在很大程度影响到车站规模及初期投资的大小。本文分析了影响地铁车站公共区冷负荷的因素及其冷负荷组成形式,介绍了2 种地铁热环境模拟分析软件。
1 影响车站公共区冷负荷的因素
地铁的地下线路是一座狭长的地下建筑,除各站出入口和通风道口与大气沟通外,其余可以认为基本与大气隔绝,列车运行、设备运转和乘客都会散发大量热量,车站周围的地壤通过围护结构的渗湿量也很大,加之乘客散湿量,故在这样一个封闭的地下空间内,设置一套合理的科学的环境控制系统,以保证车站站厅站台区的相对温湿度,是至关重要的。
1. 1 环境控制系统运行模式
在确定车站空调负荷之前,首先要明确环控系统的运行形式。环控系统的运行模式分为开式运行、闭式运行,屏蔽门模式等形式。表1 为上海地铁1 号线典型车站不同制式环控系统的冷负荷表。
表1 某典型车站不同制式环控系统的冷负荷计算值
据以往的工程经验值比较,设置屏蔽门的车站空调负荷约为开/ 闭式车站的1/ 3～1/ 2 , 风量也相应减少。故目前上海轨道交通7 号线(m7) 、8 号线(m8) 及9 号线(r4) 线均按屏蔽门运行模式进行设计,只是由于近期客流量及通行能力未达远期设计能力,故提出屏蔽门缓装的可能性。
1. 2 设计高峰小时客流量
一座车站的设计高峰小时客流量是影响车站空调负荷的一个至关重要的因素,它直接决定了站内乘客的散热散湿量,间接决定了车站内各类售检票、自动扶梯等发热设备的设置数量,也决定整个环控系统的最小新风供给量。
1. 3 车站照明及广告灯箱的设置
目前在车站站厅及站台层设置各种广告灯箱已是十分常见的商业作法,且根据车站站位位于市中心的繁华度越甚,其广告灯箱及布置的密度就越密。
上海9 号线车站广告灯箱发热量按150 w/ m2 计,照明灯具按20 w/m2 计;8 号线的车站广告灯箱发热量按30 kw/ 站(站厅) ,20 kw/ 站(站台) 计, 照明灯具按20 w/m2 计;设计中应根据站位所处位置有区别地进行计算。
1. 4 热库效应
由于地铁周围地壤是一个很大的容热体,起到了夏储冬放、调节地铁空气温度作用,俗称“热库效应”。根据一些资料记载,传到地铁周围土壤的热量占地铁产热量的25 %～40 % 。这对节约能量、减少机房面积及降低设备的确起到了很重要作用。若在计算车站负荷时忽视这一效应,将是能源的一大浪费。需要指出的是,岛式车站比侧式车站的热库效应更明显。
1. 5 出入口热渗透及屏蔽门开启时热渗透
每座车站都设有两个以上出入口,如果有换乘节点,还有换乘通道与外界连通。这些出入口与换乘通道无疑是车站空调负荷的“渗透点”。
此外,当列车进站时,屏蔽门开启,区间热风量将被带入站台成为一部分待处理的热负荷。以上海7 号线新村路站为例:地下二层岛式车站,其出入口渗透风量为12 100 m3/h , 屏蔽门开启时区间换风量为9 500 m3/ h。这部分换气量所带出的热渗透约为100 kw , 可见也是车站负荷中重要的组成部分。
综上所述可见,地铁空调负荷是受到多方面因素的综合影响的。
2 车站公共区冷负荷统计表
以上海轨道交通7、8 、9 及4 号线(明珠线二期) 来看,地下车站公共区冷负荷统计表采用表2 的组成形式。现以上海7 号线某地下二层岛式车站为例,分析其公共区的冷负荷量(见表2) 。
表2 ×× 站公共区冷负荷统计表
在得出车站热负荷及散湿量后,经焓湿图进行一次回风过程处理,取得车站空调系统盘管处理冷量及空调机组送风量。
从表1 可见,地铁空调负荷的制约因素众多,且各项因素存在很大阶段变数。如:列车引起的活塞风和发热量随列车行车速度不断变化。区间热渗透量随区间隧道不同时期壁温变化而变化。客流、车站不恒定,而导致站内负荷的变化。故如果能够通过计算机的模拟仿真计算,细化车站不同运行时间的负荷变化,无疑是最理想的节能计算方式。这也是传统手工计算方式所无法达到的。
3 地铁热环境的模拟仿真计算
早在1911 年10 月,国外就对有关车辆在隧道中引起的活塞效应进行测试。1951 年,美国交通部城市客运署成功开发了ses(swbway environment simulation) 软件,用于地铁长期热环境的仿真模型计算。目前上海地铁环控系统的模拟计算软件仍采用ses 软件系统。
从上世纪80 年代开始,清华大学开发出地铁热环境模拟分析软件stess 。此软件采用新的水力网络不稳定过程算法,改进了传热计算模型,使之能够适应较为复杂的隧道及车站断面形状;且采取了长短时间步长相结合的方法,可保证模拟的计算精度。在给定系统形式和运行方式后,此软件可计算出地铁内各种散热散湿量,比较准确地模拟预测地铁隧道及车站近期、远期不同客流及车流情况下的实际通风量及湿度变化过程,校验系统设计及运行方式能否达到要求,确定合理的结构形式和运行方案。stess 软件已在北京、天津、南京及德黑兰等国内外城市十几项地铁工程中应用,取得了较好的效果。
计算机仿真模拟计算,给合理确定地铁车站的空调负荷,或结合远近期运营工况分期实施环控设备等,作出十分必要的技术支持。这也将是轨道交通设计中一个仍需长足发展的科研方向。
4 有待讨论的问题
目前,上海9 号线及7 号线的环控运行模式,均为设置屏蔽门系统、考虑有缓装的可能性。在9 号线的总体设计技术要求提出:在根据设置屏蔽门情况下,确定远期负荷后,因有缓装屏蔽门的可能性, 而预留20 % 的设计冷量。在7 号线的《初步设计技术要求》中同样提出“ 在屏蔽门缓装期间,考虑冷量增加,无换乘车站增加25 % , 换乘车站增加35 % , 并在此基础上进行设备配置。”
但笔者认为,屏蔽门缓装主要缘于近期客流流量小于远期设计客流,初期隧道壁温优于运营多年后的壁温,故为节省初期投资,暂缓安装。若在设备设计选型时,在满足远期空调负荷基础上再乘预留系数,似乎有略显保守之嫌,车站环控机房、通风道面积都将相应增大要求。这种单位以预留系数来解决屏蔽门缓装期间空调负荷问题,还有待进一步探讨。
参考文献
1 樊 玲,冯 炼. 利用“相对热流指标”对地铁系统设计温度的探讨. 城市轨道交通究,2002(1) :50～52
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