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地铁车站通风空调系统节能模式探讨

发表时间：2020/7/20 来源：《基层建设》2020年第10期作者：吴志勇

[导读] 摘要：随着城市地铁建设数量和建设里程的不断增加，地铁能耗开始备受关注。地铁车站是地铁系统中人员集散和设备布置的主要场所，与其他地下建筑物所不同的是车站内部的人流量变化较大，空调系统的能耗较大，在地铁运营过程中，地铁车站空调系统是车站内能耗的主要来源，其用电量占车站总用电量的 40%-50%。而车站空调系统耗电量主要来源于地铁车站的大功率空调设备的长时间运行。车站空调系统的能耗大小与车站内负荷有着直

        广州地铁集团有限公司运营事业总部广东广州 510320
        摘要：随着城市地铁建设数量和建设里程的不断增加，地铁能耗开始备受关注。地铁车站是地铁系统中人员集散和设备布置的主要场所，与其他地下建筑物所不同的是车站内部的人流量变化较大，空调系统的能耗较大，在地铁运营过程中，地铁车站空调系统是车站内能耗的主要来源，其用电量占车站总用电量的 40%-50%。而车站空调系统耗电量主要来源于地铁车站的大功率空调设备的长时间运行。车站空调系统的能耗大小与车站内负荷有着直接的关系。因此文章重点就地铁车站通风空调系统节能模式展开分析。
        关键词：地铁车站；通风空调系统；节能模式
        通风空调系统是地铁工程中的重要系统，地铁正常运营时，它为乘客和工作人员提供一个适宜的空气环境。火灾等紧急情况时，它具备防灾排烟、通风功能，保障人身和财产安全。同时，通风空调系统也是地铁各系统中的能耗大户。有统计表明，通风空调系统能耗约占整个地铁用电负荷的40%。因此，如何在通风空调系统的设计、运行模式等环节上进行进一步的优化，找到一些可行的节能措施和途径，对地铁的经济运行具有十分重要的意义。
        一、地铁车站空调系统负荷的组成
        地铁车站按其区间使用功能分为车站公共区间、列车隧道区间和设备管理用房区间。屏蔽门系统车站空调负荷主要包括新风负荷、围护结构热负荷和散热负荷等。屏蔽门地铁车站采用屏蔽门系统，将车站站台与列车行驶隧道相隔开，形成两个互不干扰的环境。列车行驶隧道区间负荷来源于列车的启停散热和其附带的设备散热散湿。在地铁运营期间应及时将区间中产生的热量排出隧道，保证列车的正常运营。排出负荷的主要方法是以活塞风为主，机械式排风为辅，对隧道进行及时排热。地铁车站公共区间负荷和设备管理房负荷的组成基本相同。主要包括散热负荷、新风负荷、围护结构负荷等。车站负荷的组成按其变化状态又可分为动态负荷和非动态负荷。动态负荷随时间、人群密度、行车对数、室内外环境参数等多因素影响。非动态负荷则在车站正常运营期间较为固定，在负荷的预测中属于常量。
        （一）人员负荷
        车站人员负荷主要受车站内总人数的影响，且乘客们在车站中滞留时间长短、性别、年龄大小、劳动强度等均有不同，故车站人员负荷是属于相对动态负荷，难以计算其准确值。一般乘客在车站内滞留时间以以下数据进行估算：上车乘客在车站滞留时间约为 3-5min（其中乘客在站厅滞留时间 1.5 min，站台滞留 1.5 min，候车时间约 0-2 min）；下车乘客在车站滞留时间约为 3.0 min（其中乘客在站厅滞留时间 1.5 min，站台滞留时间 1.5 min）。换乘站的乘客在上车站台滞留时间为一个行车间隔，在下车站台或站厅停留时间为 1.5 min，当乘客通过站厅等其他换乘空间换乘时，则需要考虑在其他换乘空间停留 1.5 min。且整体滞留的平均时间与列车的行车计划有关。车站人员的散热量就算如下：

        式中：q 为一般情况下成年男子的平均散热量；nmax为高峰时期客流量（人/h）；n’为群集系数，考虑站内乘客的年龄、性别、健康等级以及密集程度，地铁车站群集系数在此一般取值 0.9，m 为客流密度系数，T 则为每位乘客在公共区域滞留的平均时间。
        （二）照明及设备负荷
        地铁车站内照明及设备负荷属于地铁车站空调系统中非动态负荷的主要部分。地铁车站公共空间电气设备，主要包含自动扶梯、垂直电梯、导向牌、广告牌、指示牌、售票机等。由于地铁车站多属于地下建筑，难以采用自然光照明，故照明设备在车站正常运营期间处于常开状态，照明散热一般按照照明空间的单位面积散热功率和车站照明总面积估算。
        Q=nA
        式中：n 为车站单位面积照明功率，W/㎡；A 为为照明面积，㎡。
        （三）围护结构负荷
        地铁车站结构主体处于地下，可认为周围土壤层温度恒定，围护结构热负荷主要受围护结构的传热系数、传热面积和两侧温差影响，在计算是可归类为非动态负荷。
        （四）新风负荷
        地铁空调系统除了维持车站环境在一定温湿度外，还需保证车站具有足够新鲜空气用以维持室内的空气质量。散热负荷、热湿负荷以及室外环境参数等均影响车站的新风负荷。地铁车站空调在夏季空调工况下，室外空气焓值将高于地铁车站内空气焓值。
        （五）出入口渗透负荷
        由于地铁车站的出入口多位于地面以上，室外的风压和热压导致室外的空气进入地铁车站内部，从而产生一定量的出入口渗透负荷。出入口渗透负荷按热量按面积进行，相对地铁车站公共负荷属于非动态负荷，通常按 200W/㎡进行计算。
        （六）其他负荷
        屏蔽门传热负荷受车站屏蔽门的面积、屏蔽门传热参数以及区间与站台两侧温差等影响。围护结构热负荷收到围护结构的面积、围护结构传热参数及围护结构两侧温差等影响。屏蔽门漏风负荷受隧道内热量、室内外气象参数以及地铁列车屏蔽门开启时长等影响。以上三种负荷在进行负荷计算时均属于非动态负荷。
        二、地铁车站通风空调模式优化
        （一）现有模式
        以广州地铁3号线为例，公共区通风工况只有 3种模式，车站两端的组合式空调柜机和回排风机只能同时投入运行或同时关闭，不能根据现场工况灵活控制。
        （二）新增模式
        新增的通风模式是在原有模式的基础上，与隧道活塞通风结合，既能满足日常运营需求又满足节能要求的通风模式。新增的模式分别是半新风模式、送风模式、排风模式、全活塞风模式、半活塞风模式。
        （三）模式优化方案
        根据地铁车站多出入口的建筑特点，新风量满足空调季节每人12.6M3/h、非空调季节每人30M3/h的条件下，利用隧道活塞通风与车站出入口对车站公共区进行换气，以及隧道活塞风的节能优势，对公共区通风工况下送、排风模式进行全面优化，减少风机的开启数量和开启时间，全面节约风机能耗。优化后的通风模式如表 1 所示。
        表1 通风模式（仅通风工况）

        1.全新风模式即现有的全通风模式，通过开启车站两端的送、排风机，对车站进行全面的通风、换气，增加隧道活塞风作为辅助后，通风效果更佳。
        2.在过渡季节，通过开启车站一端的送风机和另一端的排风机的方式实现车站的通风，可节约一半的风机能耗。
        3.在通风季节，当室内空气质量良好时，通过开启送风机送风，关停排风机，使室内形成正压，通过出入口进行排风，可节约排风机能耗。
        4.在通风季节，当室内空气质量较差时，通过开启排风机排风，关停送风机，使室内形成负压，通过出入口和隧道活塞通风窗引风，可节约送风机能耗。
        5.在冬季，气温较低时，可关停送、排风机，完全利用列车运行产生的活塞风给车站公共区通风，全面节约风机能耗。并可根据实际需要，调整隧道活塞通风窗的开启数量或开度，控制送风量。
        6.通过监测室内、外空气焓值和室内二氧化碳浓度，可实现通风模式的自动运行。模式运行应充分考虑实际能耗，能耗低的模式优先。
        （四）模拟能耗计算
        模拟车站每天运营18小时，每月30天计算电量，共20个车站。半新风模式比全新风模式电量节约50%；送风模式比全新风模式电量节约33.3%；排风模式比全新风模式电量节约66.7%。活塞风模式比全新风模式电量节约100%。如表 2 所示。
        表2 模拟能耗计算

        总之，地铁车站大多建于城市地下，因此地铁车站内的环境与地上建筑有较大的区别，具有不受太阳辐射影响、环境相对封闭的特点。且车站的功能类型不同，车站内空调负荷的组成及影响因素也各有不同。因此对于地铁车站通风空调节能改造而言，通过通风模式的优化，充分利用了隧道活塞风的节能优势，为地铁运营人员提供多种选择，也为地铁通风空调系统设计和节能改造项目提供一定的参考。
        参考文献
        [1]李晓菲.地铁通风空调系统的节能方案及应用效果分析[J].甘肃科技,2019,35(13)
        [2]卢海洋.地铁车站通风空调系统能耗预测与节能[D].广东工业大学,2019
        [3]刘金霞.地铁通风空调系统设计及节能研究[J].节能,2019,38(04)