王春旺，李曉鋒

（清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京 100084）

1 研究背景

國內(nèi)目前對軌排系統(tǒng)的研究集中在軌排風(fēng)口的分布優(yōu)化、風(fēng)機(jī)節(jié)能潛力的分析、風(fēng)機(jī)運行的控制策略、風(fēng)機(jī)的實際排熱效果等。王麗慧等[2]對上海地鐵8 個典型站的軌排系統(tǒng)風(fēng)量進(jìn)行了測試，得出軌排系統(tǒng)實際風(fēng)量與設(shè)計風(fēng)量的差異，并理論計算了排熱風(fēng)機(jī)能耗潛力。羅輝等[3]通過建立車站隧道排熱計算模型，提出了軌排系統(tǒng)節(jié)能的運行方式，并實測了運行效果。李娟等[4]對蘇州地鐵2號線車站隧道溫度進(jìn)行了測試，認(rèn)為軌排風(fēng)機(jī)不具備設(shè)置的必要性。蔣志祥等[5]在冬季工況下對上海地鐵7 號線某站排熱系統(tǒng)進(jìn)行了測試，并根據(jù)測試結(jié)果提出了相關(guān)控制策略。郭永楨等[6]通過對西安某地鐵站軌道排熱系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，提出了適合于西安地區(qū)軌道排熱系統(tǒng)的節(jié)能運行策略。唐凱[7]采用實測結(jié)果加數(shù)值模擬的方法，對軌排系統(tǒng)取消軌底排風(fēng)的可行性進(jìn)行了研究，分析了列車再生制動效率及列車時速對結(jié)果的影響。其余學(xué)者[8-11]多采用數(shù)值模擬的方法，研究軌排系統(tǒng)對地鐵隧道熱環(huán)境的影響。

以上研究雖不乏實測數(shù)據(jù)分析，但研究對象均為運營初、近期的地鐵路線，且所在氣候區(qū)多為夏熱冬冷地區(qū)，結(jié)論缺乏一定的說服力，而采用數(shù)值模擬研究的方法又缺少實測數(shù)據(jù)的支撐。另外，列車停靠站時冷凝器周圍會聚集大量的高溫空氣，軌排風(fēng)機(jī)運行對冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度會產(chǎn)生何種影響也未見相關(guān)研究的報道。因此，針對以上研究狀況，筆者對華南地區(qū)某運行條件已達(dá)遠(yuǎn)期要求的地鐵線路進(jìn)行現(xiàn)場實測，內(nèi)容包括車站隧道空氣溫度、區(qū)間隧道空氣溫度，同時對該線路運行列車的空調(diào)冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)行了測試。通過分析開、關(guān)軌排工況下，車站隧道、區(qū)間隧道及列車空調(diào)冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度的變化規(guī)律，得出了軌排系統(tǒng)的排熱效果，說明軌排系統(tǒng)的必要性，也為軌排系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

2 測試內(nèi)容及方法

針對研究需求，測試對象需選擇中國最熱地區(qū)達(dá)到遠(yuǎn)期工況的地鐵線路，所以選擇了華南地區(qū)某城市的地鐵線路，測試時間為2017 年7 月，為當(dāng)?shù)刈顭嵩隆Ｔ摼€路于2009 年開通運行，至測試開展時已運行9 年，圖1 為該線路各車站遠(yuǎn)期預(yù)測日客流量與測試期間實際日客流量的對比。從客流量的對比可以看出，該線路的實際運行工況已接近遠(yuǎn)期設(shè)計的運行工況。線路運行列車為6 節(jié)編組，列車制動采取再生制動方式。

圖1 線路各車站實際客流量與預(yù)測客流量對比 Figure 1 Actual passenger flow and forecast passenger flow comparison

2.1 車站隧道溫度測點布置

車站隧道溫度測試包括車站隧道空氣溫度測試及軌頂和軌底排風(fēng)口溫度測試兩部分內(nèi)容。在中間車廂停靠位置沿高度方向，設(shè)上、中、下3 種高度測點，T 代表上部測點，M 代表中部測點，B 代表下部測點，分別距離軌底地面3.5、1.5、0.5m。軌頂排風(fēng)口布置了1 個測點，位于站臺排熱風(fēng)室的軌頂干管排風(fēng)口處，軌底排風(fēng)口沿站臺長度方向布置了3 個測點，如圖2所示，測試儀器如表1 所示。

2.2 區(qū)間隧道空氣溫度測試

參考文獻(xiàn)[12]的測試方法，區(qū)間隧道空氣溫度測點布置在區(qū)間隧道的中間位置，測試儀器的安裝高度距軌行面約1.5 m，現(xiàn)場測點布置及示意如圖3所示。

2.3 列車空調(diào)冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度測試

車站軌排系統(tǒng)的設(shè)置是為了保證區(qū)間隧道溫度滿足規(guī)范要求，保證列車空調(diào)能夠正常運行，因此列車空調(diào)冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度測試更能直觀地反映出區(qū)間熱環(huán)境對列車空調(diào)的影響。

圖2 軌行區(qū)現(xiàn)場測點布置 Figure 2 Measuring points in subway station tunnel

表1 測試儀器的主要參數(shù) Table 1 The main parameters of the test instrument

圖3 區(qū)間隧道現(xiàn)場測點布置 Figure 3 Measuring points in tunnel

在6 節(jié)車廂對應(yīng)的車頂冷凝器外罩上，各布置1個移動電源及傳感器，如圖4 所示。傳感器的安裝位置與冷凝器翅片有一定的安全距離，可保證采集數(shù)據(jù)的有效性，能真實反映冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度。

以已知K、Ca和Mg含量的樣品為本底，在樣品中準(zhǔn)確加入一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行回收率試驗。然后根據(jù)樣品原含量、加標(biāo)量和加標(biāo)后樣品含量計算回收率。結(jié)果表明，K、Ca和Mg的加標(biāo)回收率分別為97.84%、95.43%、89.80%，能夠滿足分析要求。

圖4 冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度測點布置 Figure 4 Condenser inlet air temperature measuring points

3 測試結(jié)果分析

3.1 車站隧道溫度測試結(jié)果

圖5 為車站隧道連續(xù)一周的空氣溫度，該線路當(dāng)時軌排風(fēng)機(jī)處于常開模式，出于測試需要，在7～9 日3 天全線關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)。可以看出，空氣溫度波動頻繁，說明受行車影響較大，圖中的尖峰值對應(yīng)列車?？空緯r刻，表明此時溫度上升明顯，列車空調(diào)冷凝器向隧道內(nèi)排出了大量的冷凝熱；空氣溫度在1 個工作日中有2 次峰值溫度，分別對應(yīng)地鐵運營的早、晚高峰；沿高度方向，底部與中部溫度基本一致，平均溫度均為35.4℃，上部空氣平均溫度高出1℃，為36.4℃，這是由于列車停靠站時，上部測點的位置離列車頂部冷凝器的位置更近，所以溫度較高。綜合來看，上、中、下空氣測點平均溫度35.4℃，與中部空氣溫度測點基本一致。

圖5 車站隧道實時溫度 Figure 5 Subway station tunnel real-time temperature

圖6 是一個典型工作日車站隧道溫度的變化規(guī)律?？梢钥闯?，車站隧道的空氣溫度在早9:00 和晚19:00左右出現(xiàn)兩次峰值溫度，對應(yīng)地鐵運營的早晚高峰期，早上6:00 地鐵開始運營，隧道溫度逐漸升高，至早高峰時到達(dá)第一個峰值溫度；早高峰過后，發(fā)車對數(shù)減少，溫度呈下降趨勢，此后雖然室外溫度繼續(xù)上升，溫度升高了近3℃(9:00—13:00)，但由于該時間段內(nèi)列車發(fā)車對數(shù)未變，所以隧道溫度基本保持穩(wěn)定，直至晚高峰到達(dá)第二個峰值溫度。晚高峰后，隨著發(fā)車對數(shù)的減少，溫度逐漸降低，地鐵停運后，溫度逐漸降至最低。由典型日的隧道空氣溫度變化規(guī)律可知，隧道溫度受室外溫度的波動影響較小，受行車對數(shù)的影響較大。

圖6 典型日隧道空氣實時溫度 Figure 6 Typical daily tunnel air real-time temperature

從圖5 可以看出，軌排風(fēng)機(jī)關(guān)閉后，溫度曲線有上升趨勢。為了更詳細(xì)地分析軌排風(fēng)機(jī)關(guān)閉前后空氣溫度的變化趨勢，開、關(guān)軌排風(fēng)機(jī)各選擇一天進(jìn)行對比，測點選擇上部最不利溫度測點。根據(jù)線路列車運行計劃表，兩天的行車計劃一致。開軌排風(fēng)機(jī)時，室外平均溫度30.7℃，最高溫度35℃；關(guān)軌排風(fēng)機(jī)時，室外平均溫度30.1℃，最高溫度34.5℃；兩天的室外溫度基本接近，如圖7 所示?？梢钥闯?，軌排風(fēng)機(jī)關(guān)閉后，無論是站臺隧道內(nèi)有車(圖中的尖峰數(shù)據(jù))還是無車，空氣溫度均有上升。這說明，軌排風(fēng)機(jī)的開啟 對列車?？空緯r冷凝熱的排出是有利的。開軌排風(fēng)機(jī)時全天平均溫度36.5℃，日最高小時溫度37.2℃，關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)后全天平均溫度37.2℃，日最高小時溫度37.9℃，分別升高了0.7℃。

圖7 開、關(guān)軌排車站隧道上部測點溫度對比 Figure 7 Temperature comparison of measuring points in the upper part of tunnel

進(jìn)一步，將開、關(guān)軌排風(fēng)機(jī)時晚高峰(18:00—19:00)的測點溫度進(jìn)行對比(見圖8)，開軌排風(fēng)機(jī)時晚高峰室外溫度34.2℃，關(guān)軌排風(fēng)機(jī)時室外溫度32.1℃。與開啟軌排風(fēng)機(jī)相比，關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)后，測點溫度明顯升高。圖9 為該時段站臺停車及無車時測點的平均溫度統(tǒng)計。站臺停車時，開啟軌排風(fēng)機(jī)測點平均溫度37.6℃，關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)后溫度升高至38.6℃，升高了1.0℃；站臺無車時，開啟軌排風(fēng)機(jī)測點平均溫度36.6℃，關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)后為37.3℃，升高了0.7℃。

圖8 晚高峰開、關(guān)軌排風(fēng)機(jī)，車站隧道測點溫度對比 Figure 8 Comparison of temperature of tunnel measuring points in evening peak hours

圖9 晚高峰開、關(guān)軌排車站風(fēng)機(jī)，隧道測點平均溫度對比 Figure 9 Comparison of average temperature of tunnel measuring points in evening peak hours

3.2 軌排風(fēng)口溫度測試結(jié)果

軌排風(fēng)口的溫度更能直接體現(xiàn)排熱系統(tǒng)的排熱效果，圖10 為軌頂、軌底排風(fēng)口溫度與隧道空氣測點溫度及室外空氣溫度的對比?？梢钥闯?，軌頂排風(fēng)溫度明顯高于軌底排風(fēng)溫度，軌頂排風(fēng)溫度要高于隧道上部測點溫度，軌底排風(fēng)溫度在早、晚高峰期間高于中部空氣測點溫度，其余時間與中部空氣測點溫度重合甚至低于后者，說明列車?？空竞螽a(chǎn)熱的主要來源是冷凝器散熱。

圖10 軌排風(fēng)溫度與隧道空氣溫度對比 Figure 10 Temperature comparison of exhaust outlet and subway station tunnel

從溫度的時間變化規(guī)律來看，早、晚高峰期間軌頂排風(fēng)溫度明顯高于其他時間的相關(guān)溫度，從10:00—17:00 排風(fēng)溫度基本保持不變，這是由于該時間段內(nèi)列車發(fā)車對數(shù)均勻，均為每小時12 對發(fā)車，因此隧道內(nèi)產(chǎn)熱均勻，該時段內(nèi)排風(fēng)溫度比較穩(wěn)定。

圖11 為早高峰8:00—9:00、下午14:00—15:00、晚高峰18:00—19:00 軌頂排風(fēng)溫度與室外溫度對比。早晚高峰期間，軌頂排風(fēng)溫度明顯高于室外溫度，下午室外溫度最高時，列車停車時排風(fēng)溫度高出室外溫度1.3℃，車站無車時排風(fēng)溫度低于室外溫度約1℃；下午該線路行車對數(shù)為12 對/h，即前一趟車離站后，下一趟車需要5 min 才能到站。由圖10 可以看出， 這段時間內(nèi)軌底排風(fēng)溫度要低于隧道空氣溫度，這是因為該時間段隧道內(nèi)產(chǎn)熱量較少，同時軌排風(fēng)機(jī)的抽吸作用導(dǎo)致站臺冷空氣滲入隧道，軌底風(fēng)口的排熱作用并無體現(xiàn)，甚至可理解為在“排冷”，軌排風(fēng)口的整體排熱效果并不理想。

圖11 不同時段軌頂排風(fēng)溫度 Figure 11 OTE (over track exhaust) air temperature in different periods

3.3 區(qū)間隧道溫度測試結(jié)果

圖12 為區(qū)間隧道空氣測試結(jié)果，可以看出區(qū)間隧道空氣的變化規(guī)律與車站隧道空氣溫度基本一致，區(qū)間隧道空氣溫度要低于車站隧道空氣溫度；測試期間區(qū)間空氣溫度日平均值34.6℃，車站隧道空氣溫度日平均值35.4℃。從圖12 中還可以看出，關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)后，區(qū)間空氣溫度也呈上升趨勢：日平均溫度由34.4℃升高至35.2℃，升高0.8℃；日最高小時溫度由35.1℃升高至36.0℃，升高0.9℃(見圖13)。

圖12 區(qū)間隧道實時溫度 Figure 12 Interval tunnel real-time temperature

圖13 開、關(guān)軌排區(qū)間隧道測點溫度對比 Figure 13 Temperature comparison of measuring points in interval tunnel

3.4 列車?yán)淠鬟M(jìn)風(fēng)溫度測試結(jié)果

設(shè)置軌道排熱風(fēng)機(jī)的目的是保證在遠(yuǎn)期工況下列車空調(diào)能正常運行，通過對冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度的測試，能夠真實地反映開、關(guān)軌排風(fēng)機(jī)工況下列車在區(qū)間隧道和?？空竞罄淠鬟M(jìn)風(fēng)溫度的變化規(guī)律。

圖14 是晚高峰期間列車沿下行首站至尾站空調(diào)冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度變化曲線，進(jìn)風(fēng)溫度基本在36℃～45℃之間；根據(jù)行車計劃統(tǒng)計出列車在區(qū)間內(nèi)及?？空緯r的進(jìn)風(fēng)溫度(見圖15)，區(qū)間隧道內(nèi)冷凝器的平均進(jìn)風(fēng)溫度36.5℃，?？空竞蟮钠骄鶞囟?0.3℃。

圖14 開啟軌排風(fēng)機(jī)晚高峰冷凝器進(jìn)風(fēng)實時溫度 Figure 14 Real-time air inlet temperature of condenser in the evening

圖15 開啟軌排風(fēng)機(jī)晚高峰冷凝器進(jìn)風(fēng)平均溫度 Figure 15 Average inlet air temperature of condenser in the evening peak

圖16、17 為關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)后冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度的變化。可以看出，冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度上限值頻繁超過45℃，列車?？空竞筮M(jìn)風(fēng)平均溫度42.7℃，升高2.4℃，且隨著列車位置的變化呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，尤其在靠近線路中間位置的車站冷凝器，進(jìn)風(fēng)溫度升高明顯，甚至超過50℃。不難推測，這與車站在晚高峰期間的客流量相關(guān)，該線路中部位置處于市中心地段，晚高峰期間列車載客量猛增，勢必導(dǎo)致列車?yán)淠魃崃看蠓仍黾?，使隧道熱環(huán)境進(jìn)一步惡化，更不利于冷凝器散熱。值得說明的是，在測試結(jié)束當(dāng)天，地鐵運維部門反饋，該趟列車在運行晚高峰期間，列車空調(diào)冷凝器多次觸發(fā)高溫保護(hù)，導(dǎo)致空調(diào)無法正常運行。

圖16 關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)晚高峰冷凝器實時進(jìn)風(fēng)溫度 Figure 16 Real-time air inlet temperature of condenser in the evening peak after closing the fan

圖17 關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)晚高峰冷凝器進(jìn)風(fēng)平均溫度 Figure 17 Average inlet air temperature of condenser in the evening peak after closing the fan

冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度測試數(shù)據(jù)表明：當(dāng)列車在區(qū)間隧道內(nèi)走行時，關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)對空調(diào)影響不大；但當(dāng)列車?？空緯r，關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)對冷凝器散熱影響較大。由于列車停站后與空氣對流效果變差，冷凝器排放的高溫空氣聚集在站臺隧道內(nèi)不能被有效排出，冷凝器周圍的空氣溫度快速升高，瞬時進(jìn)風(fēng)溫度超過45℃，有的站甚至超過50℃，超過冷凝器正常工作溫度的上限(45℃)[1]，致使列車空調(diào)無法工作。

4 結(jié)論與探討

對華南地區(qū)某一運營遠(yuǎn)期線路的軌排系統(tǒng)的排熱效果進(jìn)行測試，主要結(jié)論如下：

1) 測試期間(7 月)，車站隧道中部測點的平均溫度為35.4℃，日最高小時溫度36.3℃，下部測點溫度與中部相當(dāng)，上部測點溫度比中部溫度高約1℃。

2) 區(qū)間隧道測點溫度比車站隧道溫度低約0.8℃，日最高小時溫度低約1℃。

3) 軌頂排風(fēng)溫度明顯高于站臺隧道空氣溫度，軌底排風(fēng)溫度在早晚高峰期間高于隧道空氣溫度，其余時刻與隧道空氣溫度相當(dāng)，甚至低于后者，軌頂風(fēng)口總體排熱效果優(yōu)于軌底風(fēng)口。

4) 關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)后，車站隧道最不利測點的平均溫度升高0.7℃，日最高小時溫度升高0.7℃；區(qū)間隧道測點的平均溫度升高0.8℃，日最高小時溫度升高0.9℃。車站隧道及區(qū)間隧道空氣溫度有明顯升高趨勢，說明開啟軌排風(fēng)機(jī)能有效抑制隧道溫升。

5) 關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)后，晚高峰列車?？空纠淠鞯倪M(jìn)風(fēng)平均溫度由40.3℃升高至42.7℃，升高了2.4℃，部分車站列車停站后冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度超過50℃，影響列車空調(diào)的正常運行，軌排風(fēng)機(jī)能夠有效抑制列車?？空酒陂g冷凝器進(jìn)風(fēng)溫升。

以上結(jié)果表明，在華南地區(qū)，對于運營遠(yuǎn)期地鐵線路，關(guān)閉軌排風(fēng)機(jī)后，區(qū)間隧道溫度、車站隧道溫度雖然仍滿足規(guī)范要求(不超過40℃)，但晚高峰列車?？空酒陂g冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度已頻繁超過45℃，導(dǎo)致空調(diào)無法正常運行，因此在晚高峰期間應(yīng)開啟軌排風(fēng)機(jī)進(jìn)行排熱。當(dāng)前高峰期行車對數(shù)為24 對/h，如果達(dá)到遠(yuǎn)期設(shè)計工況30對/h，隧道熱環(huán)境勢必會更加惡劣，冷凝器超溫情況會更加嚴(yán)重，軌排風(fēng)機(jī)的排熱作用愈發(fā)重要，這說明在該地區(qū)設(shè)置軌排風(fēng)機(jī)的必要性。同時，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)軌底風(fēng)口的排熱效果并不理想，這也為后續(xù)優(yōu)化軌排系統(tǒng)設(shè)計提供了參考依據(jù)。