嚴寒地區地鐵車站環控系統運行性能實測研究*

清華大學 許崢浩 張 濤 劉曉華呼和浩特市城市軌道交通建設管理有限責任公司 劉占英 張振義 李 晨

0 引言

軌道交通是重要的城市基礎設施，當前我國城鎮化建設快速發展及“一帶一路”倡議全面實施，軌道交通、地鐵車站建設飛速發展。列車牽引、車站動力照明是軌道交通用能體系中最主要的2個分項，而通風空調(環控)系統能耗通常在車站能耗中占比最大[1-2]。已有研究指出，北方地區牽引、環控能耗分別占地鐵總能耗的1/2和1/3，而南方地區環控能耗占總能耗的1/2左右[3]。因此，地鐵車站節能尤其是其環控系統節能是軌道交通節能工作的一項重點。

當前對地鐵車站環控系統的研究主要包括冷源選用、能耗分析、通風模式、熱環境控制等方面。朱培根等人基于大數據理論，對南京市地鐵環控系統的逐時能耗進行了分析，建立了車站典型日逐時能耗模型，實現了不同類型車站的能耗預測[4]；關博文等人在研究中發現，地鐵車站存在新風供給過量的現象，在關閉機械新風機的情況下也能夠滿足人員新風需求[5]；羅輝等人研究發現，在車站能耗中隧道排熱風機有較大的節能潛力[6]；楊樂在實測研究中發現，多數情況下軌底排風的溫度較低，排熱效果差，可考慮取消軌底排風[3]；朱建章等人認為軌底排熱的效率低，同時軌底排風系統又占據了空間資源，增加了控制的復雜程度，因此需要進一步討論取消軌底排熱系統的可行性[7]；張雄對取消軌底排風的可行性進行了模擬分析，但對嚴寒地區應用的實際效果還缺乏進一步的研究[8]。

從國內地鐵車站的發展現狀來看，地鐵車站主要集中在北上廣深等特大型城市，集中在寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖等氣候區，對于嚴寒氣候區地鐵車站的環控系統實際運行性能、節能運行及環控系統如何更合理設計等關鍵問題尚未得到重視，因此有必要針對相應地鐵車站環控系統開展運行節能關鍵問題的深入研究。本研究針對嚴寒地區某地鐵車站環控系統的實際運行性能及取消軌底排風后的軌行區溫度變化情況進行了測試，分析并討論了不同季節環控系統運行情況及節能優化措施，旨在為嚴寒地區地鐵車站環控系統的設計及運行提供參考。

1 車站概況

1.1 車站基本信息

本研究測試的地鐵車站位于嚴寒地區，選取的車站為該地地鐵1號線的2個地下站，具體的車站信息如表1所示，其中A站位于市郊，B站位于商業區。

1.2 環控通風系統

測試站公共區的通風系統(下稱大系統)原理圖見圖1，大系統采用全空氣直流通風系統，車站兩端各設置一條送風道和一條排風道，在送風機前布置一臺冬季小新風機，每端系統設備各承擔半個車站公共區的通風系統所需風量，送、排風機均為變頻運行，以滿足不同風量下的運營需要，大系統的設計計算結果如表2所示。軌行區排風由列車頂排風，排風口與列車空調冷凝器的位置對應，與傳統的軌行區通風系統相比，取消了軌底排風。夏季正常運行時，車站大系統開啟送、排風機，關閉站臺門上方的電動可調風口；過渡季正常運行時，車站大系統關閉送、排風機，開啟站臺門上方的電動可調風口，從出入口自然補風；冬季正常運行時，車站大系統開啟新、排風機，關閉站臺門上方的電動可調風口，如表3所示。車站在冬季運行時，為防止室外冷風大量滲入，在各出入口與地面連接處加裝了擋風門簾。

表2 大系統通風設計計算結果

1.3 測試方法

為探究嚴寒地區地鐵車站大系統的實際環控系統運行效果及取消軌底排熱后軌行區的實際運行效果，本研究在夏季、冬季和過渡季分別對2個車站進行了實地測試，測試內容包括：1) 室外及站內公共區的空氣溫度及CO2濃度分布；2) 出入口的滲風情況及壓差；3) 大系統風機送、排風量；4) 軌行區的溫度。其中，出入口風量的測試選取出入口長直通道的中部來進行測試，將斷面平均分割成6個區域，每個區域中心處布置1個風速測點，實際的測點布置如圖2所示。車站客流情況及列車進出情況由綜控室的面板數據統計得到。表4給出了測試儀器的精度，測試分別在2020年1、7、9月進行，測試期間2號線還未開通運行。

表3 大系統通風運行模式

圖2 出入口滲風測點布置示意圖

表4 測量儀器參數

2 環控系統性能分析

2.1 車站溫濕度狀況

圖3a顯示了A站和B站夏季室內公共區溫度測試結果。從圖3a可以看到：運行期間公共區的溫度均滿足設計要求(低于30 ℃)，室外最高溫度高于公共區溫度，室外最低溫度低于公共區溫度；公共區溫度在06:00開始逐漸升高，與地鐵開始運營的時間一致，溫度上升的主要影響因素是站內設備啟用及人員乘車帶來的負荷；公共區溫度在晚高峰過后開始下降，此時主導溫度變化的因素為客流密度降低及室外溫度下降，因此站內溫度開始下降；而在地鐵停運后，由于設備關停，負荷降低，同時室外溫度較低，因此公共區的溫度快速下降；在運行時段內，A站站廳的溫度為21.7～23.6 ℃，站臺的溫度為20.9～21.7 ℃，B站站廳的溫度為23.1～24.7 ℃，站臺的溫度為21.3～23.2 ℃，2個車站的站廳溫度均高于站臺溫度，其中B站由于客流密度大，運行設備較多，因此站廳溫度和站臺溫度均略高于A站。圖3b顯示了2個車站冬季公共區溫度的測試結果。從圖3b可以看到：在測試期間室外溫度遠低于公共區溫度，公共區溫度均略低于設計要求(高于12 ℃)；由于車站出入口安裝了擋風門簾，因此站內溫度受室外溫度波動的影響較小，在運行時段內，A站站廳的溫度為9.2～10.7 ℃，站臺的溫度為6.2～9.3 ℃，B站站廳的溫度為8.0～9.0 ℃，站臺的溫度為9.0～9.9 ℃。圖3c顯示了2個車站過渡季公共區溫度的測試結果。從圖3c可以看到：測試期間，室外全天的溫度均低于公共區溫度；車站環控系統在過渡季運行時，站臺門上方的電動可調風口開啟，使得列車活塞風的影響顯著加強，站內通風量較大，因此公共區的溫度更加均勻，在運行時段內，A站站廳溫度為18.9～19.8 ℃，站臺溫度為19.0～19.5 ℃，B站站廳溫度為18.4～19.5 ℃，站臺溫度為19.3～20.0 ℃，站廳和站臺溫度接近。

2.2 CO2濃度及滲透風狀況

圖4顯示了夏季A站和B站公共區的CO2濃度測試結果。從圖4可以看到：公共區內的CO2體積分數全天均遠低于設計要求(低于1 500×10-6)，站內新風充足；在運行時段，A站的CO2體積分數為(308～348)×10-6，B站的CO2體積分數為(288～370)×10-6，室外的CO2體積分數為280×10-6，2個地鐵站的CO2濃度均與室外接近；由于B站客流量較大，因此運行時段整體CO2濃度高于A站。

圖4 夏季地鐵車站室內公共區CO2體積分數測試結果

圖5顯示了A站某個出入口通道的滲風測試結果，圖中正值表示室外新風由出入口流入地鐵站，負值相反，對正值部分進行積分可得一個波動周期從該出入口引入了1 706 m3的新風。車站環控系統夏季運行時，站臺門上方的電動可調風口關閉，從圖5可以看到，出入口依舊存在明顯的滲風現象，出入口的風速隨著列車的進出呈現明顯的周期性波動，單個波動周期的最大風速可達到1.7 m/s。對其他出入口通道的滲風同樣進行測試，同時測量了大系統送風機的送風量，得到了整個車站的新風供給情況，測試結果如圖6所示。在客流高峰時段，A站大系統的機械新風量為61 807 m3/h，受列車活塞效應影響由出入口引入新風量為36 296 m3/h，總新風量為98 103 m3/h；B站大系統的機械新風量為108 389 m3/h，受列車活塞效應由出入口引入新風量為36 320 m3/h，總新風量為144 709 m3/h。對比A站和B站由活塞效應引起的出入口滲透新風可以得到，在站臺門上方的電動可調風口關閉時，出入口的個數對車站由所有出入口引入的總新風量影響較小。

圖5 夏季地鐵車站出入口滲風測試結果

圖6 夏季地鐵車站風量測試結果

圖7顯示了A站和B站工作日及雙休日典型日的客流變化情況。從圖7可以看到：在工作日，2個車站客流均呈現出明顯的早高峰和晚高峰情形，而在雙休日則沒有明顯的雙波峰，在白天客流分布均勻，同時雙休日的日高峰客流在上午出現的時間段會比工作日的早高峰滯后；對于A站，由于其為標準站且位于郊區，因此客流峰值低于B站，且雙休日的客流顯著低于工作日；而B站位于商業區，因此客流量較大，且雙休日的客流與工作日接近；A站峰值客流為349人/h，按總新風量計算得到人均新風量為281 m3/(人·h)，僅依靠出入口滲透新風量計算得到人均新風量為104 m3/(人·h)；B站峰值客流為924人/h，按總新風量計算得到人均新風量為157 m3/(人·h)，僅依靠出入口滲透新風量計算得到人均新風量為39 m3/(人·h)。車站的新風供給充足，僅依靠出入口的滲透新風能夠滿足設計規范要求的閉式運行時人均新風量12.6 m3/(人·h)。

冬季運行時，由于車站出入口加裝了擋風門簾，列車活塞效應所引起的出入口滲風現象顯著減弱。圖8顯示了A站某個出入口門簾處的壓差波動情況(室外壓力減去室內壓力)。從圖8可以看到，在出入口門簾處，室內外壓差隨列車呈現顯著的周期性波動，波動范圍為-15～10 Pa，門簾的阻擋作用顯著。

圖8 冬季地鐵車站出入口壓差測試結果

過渡季時車站環控系統采用開式運行，站臺門上方的電動可調風口開啟，利用活塞效應從出入口進行補風。圖9顯示了A站某個出入口通道的滲風測試結果。從圖9可以看到，出入口的風速隨著列車的進出呈現明顯的周期性波動，最大風速可達到2.7 m/s，一個波動周期從該出入口引入了3 612 m3的新風。對其他出入口通道的滲風同樣進行測試，得到了整個車站的新風供給情況，測試結果如圖10所示。在車站開式運行時，由于B站的出入口數量較多，因此活塞效應從各出入口引入的總新風量顯著大于A站，根據圖7的典型日客流情況進行計算，得到在客流高峰時段，A站的人均新風量為189 m3/(人·h)，B站的人均新風量為129 m3/(人·h)，能夠滿足設計規范要求的閉式運行時人均新風量30 m3/(人·h)。

圖9 過渡季地鐵車站出入口滲風測試結果

圖10 過渡季地鐵車站風量測試結果

2.3 軌底溫度變化

圖11顯示了A站下行軌道列車進出站引起的軌底溫度波動情況。從圖11可以看到，列車進站導致軌底溫度上升0.7 ℃，在列車離站后，隧道內活塞風迅速將列車制動引起的熱負荷帶走，取消軌底排熱后，軌底未出現熱量積累的現象。圖12、13分別顯示了夏季和過渡季軌底溫度全天的測試結果。從圖12、13可以看到：夏季測試中，在地鐵運行時段，軌底溫度呈鋸齒狀緩慢上升的趨勢，日最高溫度出現在16:00—19:00，其中A站軌行區測試溫度為18～21 ℃，B站軌行區測試溫度為19～22 ℃，軌底全天溫升小于1 ℃，且在夜間停運后迅速降溫；A站軌行區的平均溫度低于B站，這是由于B站位于商業區，周邊土壤溫度更高導致的；2個車站過渡季軌行區的平均溫度略低于夏季，而過渡季室外溫度顯著低于夏季，室外溫度的變化對于軌行區溫度的影響較小，軌行區溫度受土壤溫度的影響較大。

圖11 夏季地鐵車站軌行區瞬時溫度波動測試結果

3 結論

1) 嚴寒地區地鐵車站由于夏季室外溫度較低，且土壤溫度較低，公共區溫度為20.9～24.7 ℃，可滿足公共區溫度控制要求；冬季由于室外溫度過低，公共區溫度為6.2～10.7 ℃，略低于設計規范要求，需進一步減小冬季室外冷風滲透帶來的影響；過渡季公共區溫度為18.4～20.0 ℃，滿足公共區溫度控制要求。

2) 列車活塞效應對車站影響顯著，閉式及開式運行時出入口滲透新風量均可滿足人員新風需求，考慮到公共區溫度遠低于設計規范要求，可關閉機械通風系統。

3) 夏季軌底溫度低于22 ℃，且列車?？恳鸬乃矔r溫升小于1 ℃，且在列車出站后迅速降溫，無明顯熱量聚集現象，全天溫升小于1 ℃，表明取消軌底排風不會引起軌底溫度過高。

本研究結論可為嚴寒地區地鐵車站環控系統設計及運行策略提供參考，由于所測試的地鐵站處于運營初期，本研究結論對于遠期工況的適用性將在后續研究中進一步分析。