地铁环控模拟与分析

地铁环控模拟与分析

摘要： 本文在分析地铁环控能耗影响因素的基础上，运用地铁热环境模拟软件（STESS），对我国南方某城市地铁在不同环控运行模式下的不同位置(隧道和站台)的风速、风量、压力、温度长期(逐月)和短期(逐时)的变化情况、车站环控负荷及全年环控能耗进行模拟与预测，着重讨论了通风方案和热模拟方案与各车站空调负荷和全线全年空调能耗之间的关系，为地铁环控系统的可行性研究、系统设计、系统运行管理等提供一定的理论依据。关键词 地铁环控 能耗 模拟与预测

关键词： 地铁环控 能耗 环控负荷

1 引言
进入二十一世纪，地下空间的开发与利用倍受关注，地铁在我国已向中等城市发展，地铁环境质量与能耗的矛盾也日益突出，环控能耗从分布上看主要集中在：一是为保证乘客在车站内舒适与健康，车站内站亭和站台必要的热湿环境、空气质量、声环境、光环境，而需要的通风空调系统和照明系统等的耗能；二是为保证列车的正常运行及运行时车厢内的通风空调系统正常工作，隧道必需的通风系统的耗能量。

要确定地铁全线全年总能耗，必须要确定全年逐时能耗，这样首先应确定在不同运行年段下不同位置的发热量，求出全线各车站的逐时冷负荷、各车站的逐时总冷负荷，确定装机容量。本文研究的内容是针对无屏蔽门情况。

2 地铁工程的概况
我国南方某城市地铁工程，有16个地下车站。地铁所在城市设计计算参数为：夏季空调室外计算干球温度32.4℃，湿球温度26.9℃；夏季通风室外计算干球温度28.0℃；冬季通风室外计算干球温度1.8℃。地铁工程内设计计算参数为站厅空调计算干球温度30.0℃，相对湿度45～65％；站台空调计算干球温度28.0℃，相对湿度45～65％；车厢内空调计算干球温度27.0℃，相对湿度45～65％；室外空气全年平均干球温度为15.3℃。

地铁工程无屏蔽门时，影响车站空调系统能耗的因素比较复杂，有车站维护结构和岩土的热特性参数、室内外空气参数、设备发热、照明发热、人员发热、发车密度、乘客密度、停靠时间、牵引曲线、通风方案和新风量等。在计算发热量时将站台与站台处的隧道分开考虑。隧道有列车发热量、列车上乘客发热量（列车有空调时应为冷凝热）、隧道照明发热量及辅助设备(风机等)的发热量；站台有人员、照明及设备等发热量。

3 通风方案与模拟
根据地铁工程的发车密度、停靠时间和牵引曲线等确定各年段的通风方案。选择、布置通风机，确定它们的参数和运行模式。该地铁工程全年采用闭式通风、机械通风和夜间通风相结合的通风方案。

3.1 闭式运行

全线闭式，只有乘客出入口与外界相连，站台采用独立的空调系统，列车运行时车站乘客出入口产生活塞风，可作为车站新风补给，如满足车站新风量要求，则车站空调系统就不需要另外进新风，隧道区间利用列车活塞作用通风换气。此模式一般用于夏季或冬季。对地铁全线进行闭式通风模拟，以下给出入地面至车站ST8之间的模拟数据。当发车密度为每小时5对时，车站出入口与隧道的通风换气量见图1，正值表示顺向，负值表示逆向，单位为m3/s；20对时见图2。

由图1、2可知，随发车密度增加，车站出入口新风量和隧道通风量均增加。按每人在站台和站厅平均停留时间5.5分钟计，高峰小时预测各车站客流量最大值为32070人/小时，相当于车站平均每时每刻同时有2138人，高峰小时列车满载的情况下相当于区间平均每时每刻同时有1386人，新风标准按12.6m3/h.人计，所需新风量为12.3 m3/s即可满足卫生要求，由图2可知，各站乘客出入口产生的新风补充量能满足人员卫生的要求，因此，夏季和冬季闭式运行时可不需其它新风补充。在发车密度每小时20对时，站台A点和隧道B点处的断面平均压力变化见图3、断面风量变化见图4。

3.2 机械通风

为加大车站和隧道区间的冷却或通风，可采用机械通风方式。当发车密度为每小时20对时，乘客出入口与隧道区间的通风换气量见图5，单位为m3/s。如各车站有四台排风机，则可替换使用。由图5可看出，车站新风量明显增大，此运行模式主要用于过渡季节或冬夏

高峰期的地铁通风。此时站台A点和隧道B点处的断面平均压力变化见图6、断面风量变化见图7。

3.3 夜间通风

为改善地铁空气环境，同时满足降温、节能需要，可在夏季凌晨4:00~500期间适当采用夜间通风，模拟结果见图8。根据实际运行情况，每次所开风机的台数和方向可作改变，以使各隧道区间段均匀通风换气和加热冷却。

4 热模拟方案
根据工程实际情况，预制各年段热模拟方案进行模拟，初期热模拟方案见表1。由于地铁热环境的周期特性，在模拟时设定同一个月的任一天选用相同的通风方案组合。对各种热模拟方案进行模拟，计算出全线各位置上的温度值、各车站的空调负荷和全年的运行能耗，综合比较选取合理方案。

5 热模拟结果与分析
热模拟方案确定后，就可进行模拟计算。4-3热模拟方案对应的车站ST7附近A点和隧道B点处的全年月平均逐时温度变化见图9。该地铁工程各年段各车站有无夜间通风时的全年空调能耗模拟结果见表2。

初期夏季有夜间通风时，全线全年空调总能耗为1459.9万kWh；无夜间通风时，全线全年空调总能耗为1477.5万kWh。无夜间通风时全线全年的空调能耗比有夜间通风的多17.6万kWh。如空调系统的COP＝2.6，则无夜间通风时空调耗电量比有夜间通风的多6.77万kWh。按前面模拟中的夜间通风方式，风机效率取0.75，每天夜间通风1小时，每年6～9四个月按夏季运行，则夜间通风风机额外总耗电量为28.8万kWh。初期夜间通风风机额外耗电量多于减小的空调耗电量，其值为22.03万kWh，因此初期夏季夜间通风从节能的角度是不可取的。

近期夏季有夜间通风时，全线全年空调总能耗为1668.5万kWh，无夜间通风时，全线全年空调总能耗为1690.3万kWh，无夜间通风时空调耗电量比有夜间通风的多8.38万kWh，近期夜间通风风机额外耗电量多于减小的空调耗电量，其值为20.42万kWh；远期夏季有夜间通风时，全线全年空调总能耗为2404.6万kWh，无夜间通风时，全线全年空调总能耗为2412.0万kWh，无夜间通风时全线全年的空调能耗比有夜间通风的多7.4万kWh，远期夜间通风风机额外耗电量多于减小的空调耗电量，其值为25.95万kWh，因此近期、远期夏季夜间通风从节能的角度也是不可取的，故夏季不建议采用夜间通风。

以上是对初期、近期和远期方案“4-2”和“4-3”进行的全线全年热模拟得到的部分模拟结果，应该在对各年段的各热模拟方案进行全面模拟的基础上，在站台和隧道的温度、风压、风量满足使用条件的情况下，比较全线全年的综合能耗、考虑初投资及运行管理等必要因素，确定地铁工程环境控制的最佳方案。

参考文献
[1] 朱颖心、秦绪忠、江亿，站台屏蔽门在地铁热环境控制中的经济性分析，《建筑科学》，1997年第3期；
[2] 朱颖心，水力网络流动不稳态过程的算法,清华大学学报, 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。