楊 鋆 靳 睿 孟 杰 張 歡△

(1.天津市地下鐵道集團有限公司,天津;2.天津大學,天津)

0 引言

隨著城市化的蓬勃發(fā)展,城市軌道交通建設愈發(fā)重要。地鐵作為城市居民日常出行的主要交通方式之一[1],大大影響著城市未來發(fā)展的態(tài)勢與走向。近年來,隨著碳中和、碳達峰等目標的提出,地鐵站的節(jié)能問題備受關注[2]。其中,地鐵站隧道排熱系統(tǒng)是否有節(jié)能的潛力及如何科學地使用成為一個關鍵問題[3]。要想解決這一問題,通過實地考察、現(xiàn)場測試來進行實驗研究必不可少。

隧道內(nèi)的熱量主要產(chǎn)生于列車與鐵軌的摩擦和空調冷凝器散熱[4]?，F(xiàn)階段,有人認為排熱系統(tǒng)不必設置,因為其對車站隧道降溫效果有限,其對電能的消耗遠大于排熱系統(tǒng)帶來的收益。此外排熱系統(tǒng)的設置還對車站房間布置有較大影響,應該取消[5]。但也有人認為,結合地鐵隧道內(nèi)溫度過高的危害,僅靠列車運行產(chǎn)生的活塞風不足以維持隧道內(nèi)熱環(huán)境,而開啟排熱系統(tǒng)能使隧道內(nèi)溫度短時間內(nèi)下降,進而保證隧道內(nèi)溫度不超標,是地鐵運營不可或缺的環(huán)節(jié)[6]。再加上隧道與公共區(qū)的站臺相連接,如果隧道內(nèi)的余熱累積,還會對公共區(qū)的熱環(huán)境產(chǎn)生影響[4],使得公共區(qū)空調系統(tǒng)能耗無謂增大,不利于節(jié)能。

結合GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》的要求,即列車車廂設置空調、車站設置全封閉站臺時,隧道內(nèi)空氣溫度不得高于40 ℃[7],區(qū)間隧道內(nèi)的二氧化碳日平均體積分數(shù)應小于1.5‰[7-8],以及工程施工難度、工程投資、風道占用空間、管線布置難度等問題,本文針對天津某地鐵站排熱系統(tǒng)進行實測研究。通過對比分析排熱系統(tǒng)不同運行工況下,隧道內(nèi)空氣溫度和二氧化碳濃度、公共區(qū)空氣溫度和空調系統(tǒng)制冷量及排熱風機排熱量,進一步研究排熱系統(tǒng)對于控制隧道內(nèi)溫度、二氧化碳濃度的作用,以及排熱系統(tǒng)對于公共區(qū)熱環(huán)境的影響。

1 車站的選擇及基本概況

選擇天津某運行時間較長且安裝排熱系統(tǒng)及屏蔽門的地鐵站,結合室外氣象條件,在天津夏季最熱的時間進行現(xiàn)場實測,充分接近室外氣溫最高的最不利工況。

該地鐵車站未設置再生能吸收裝置,運營時間長達10 a。圖1、2分別為該地鐵車站排熱系統(tǒng)和排熱風道示意圖。在站臺兩端分別設1個混合風室和1臺排熱風機,軌頂、軌底的風道連接至混合風室,在排熱風機的作用下,將隧道內(nèi)的熱量排至室外,進而達到排熱的目的[9]。故排熱系統(tǒng)有2個出口,需要對其出口風溫分別進行監(jiān)測。

圖1 排熱系統(tǒng)示意圖

圖2 排熱風道示意圖

2 實驗儀器與測點布置

實驗儀器如表1所示。

表1 實驗儀器

2.1 區(qū)間隧道與軌行區(qū)

為了研究隧道內(nèi)的空氣溫度是否超標,在區(qū)間隧道和軌行區(qū)分別布置了溫度測點。區(qū)間隧道部分:在相鄰兩站間的區(qū)間隧道中點處,分別在靠近地面鐵軌和靠近列車車頂?shù)奈恢酶鞑贾?個溫度測點。由于GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》規(guī)定區(qū)間隧道內(nèi)的二氧化碳日平均體積分數(shù)應小于1.5‰(即1 500×10-6),故除溫度測點外,還在區(qū)間隧道最不利處(即相鄰兩站間的區(qū)間隧道中點處)布置二氧化碳測試儀進行全天監(jiān)測記錄。

軌行區(qū)部分:在軌底風口及靠近隧道中間高度的廣告燈箱處各布置3個測點。不同高度的測點分別反映不同位置的溫度情況,確保在列車啟動和制動時與鐵軌摩擦產(chǎn)熱、列車空調冷凝器散熱及廣告燈箱散熱等空氣溫度有可能超標的區(qū)域均進行溫度測量。

2.2 排熱風機

除了對隧道內(nèi)空氣溫度的直接監(jiān)測,排熱風機的排熱量也是本實驗研究所關心的。在排熱系統(tǒng)的進出口處布置溫度測點,進而得出進出隧道的空氣溫差;再在排熱風機前后布置風速測點,通過風量計算排熱量。其中,風速測點按照九宮格求平均的方法布置。

2.3 公共區(qū)

不同排熱工況下,站廳站臺的溫濕度及公共區(qū)空調系統(tǒng)制冷量同樣是衡量公共區(qū)空氣是否受到排熱系統(tǒng)影響的一個重要指標。通過在站廳站臺的立柱上布置溫度測點及在環(huán)控機房的組合式空調箱內(nèi)布置溫度、風速測點,得到公共區(qū)的氣溫和制冷量變化情況。公共區(qū)溫度測點布置如圖3所示。

圖3 公共區(qū)溫度測點布置

2.4 室外

室外氣象參數(shù)對本實驗研究也有一定程度的影響,故對室外氣溫也進行了監(jiān)測與記錄。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 實驗研究工況

為了分別研究排熱系統(tǒng)中軌頂、軌底系統(tǒng)的作用,本實驗研究設4種測試工況:軌頂與軌底排熱系統(tǒng)均開啟、軌頂與軌底排熱系統(tǒng)均關閉、只開啟軌頂排熱系統(tǒng)、只開啟軌底排熱系統(tǒng)。為了使實驗數(shù)據(jù)更具有說服性,每種工況均包含客流高峰時段,即早高峰為07:30—09:00,晚高峰為17:00—19:00。

3.2 結果分析

在4種工況下,測試時間內(nèi)溫度均在客流高峰時段達到最高,以下最高溫度即為客流高峰溫度。

3.2.1區(qū)間隧道最不利處靠近地面鐵軌處的溫度

區(qū)間隧道最不利處靠近地面鐵軌處溫度見表2。由表2可以看出:最高溫度與平均溫度受室外氣溫影響明顯,整體趨勢符合室外氣溫的變化規(guī)律,即室外氣溫高的工況對應的最高溫度也高,但最高溫度始終沒有超標;軌頂與軌底排熱系統(tǒng)全部開啟與全部關閉的工況相比,平均溫度基本一致,說明排熱系統(tǒng)啟停的影響小于室外氣溫的影響;對比分析只開啟軌頂排熱系統(tǒng)與只開啟軌底排熱系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)平均溫度僅相差0.1 ℃,再加上不同工況下室外氣溫不同所帶來的差異,對于區(qū)間隧道最不利處靠近地面鐵軌處的空氣溫度并不因只開啟軌頂或軌底排熱系統(tǒng)而產(chǎn)生顯著差別,故設于軌行區(qū)的排熱系統(tǒng)對區(qū)間隧道的影響并不區(qū)分“上下”,即并不因軌頂或軌底風口的位置不同而對區(qū)間隧道產(chǎn)生影響。

表2 區(qū)間隧道最不利處靠近地面鐵軌處溫度 ℃

3.2.2區(qū)間隧道最不利處靠近列車車頂處的溫度

區(qū)間隧道最不利處靠近列車車頂處溫度見表3。由表3可以看出:最高溫度均不超標;依舊受室外氣溫影響較大,隨著室外氣溫的波動,4種工況下的平均溫度波動不超過0.3 ℃,最高溫度波動不超過0.5 ℃,其影響小于室外氣溫所帶來的影響。由于測點位置同樣位于區(qū)間隧道,也能得出排熱系統(tǒng)對其影響小的結論。

表3 區(qū)間隧道最不利處靠近列車車頂處溫度 ℃

將位于區(qū)間隧道最不利處的不同測點反饋的數(shù)據(jù)進行對比(見圖4),能夠更直接地看出區(qū)間隧道內(nèi)熱量聚集的位置,位于鐵軌附近的空氣溫度比車頂附近的空氣溫度高0.1～0.2 ℃,即列車勻速運行摩擦鐵軌產(chǎn)生的熱量大于列車空調散熱量,但均未超過GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》規(guī)定的40 ℃限值。區(qū)間隧道內(nèi)的熱量僅靠列車運行產(chǎn)生的活塞風及隧道四周壁面的冷卻即可控制。

圖4 區(qū)間隧道內(nèi)不同位置空氣溫度

3.2.3軌行區(qū)內(nèi)廣告燈箱處及軌底風口處空氣溫度

軌行區(qū)內(nèi)廣告燈箱處及軌底風口處空氣溫度見表4,區(qū)間隧道與軌行區(qū)空氣溫度對比見圖5。對于豎直高度相同的測點,除去實驗誤差及外界因素干擾,由于列車在軌行區(qū)內(nèi)完成制動與啟動,列車與鐵軌的摩擦更大,故軌行區(qū)內(nèi)軌底處的空氣溫度始終高于區(qū)間隧道,最大相差0.7 ℃。排熱系統(tǒng)的風口也建在軌行區(qū)內(nèi),在排熱風機的作用下,尤其是軌頂與軌底排熱系統(tǒng)均開啟時,氣流極其不均勻,擾動大,氣溫高。但軌底附近及廣告燈箱等不利位置的最高氣溫仍不超過40 ℃,故排熱系統(tǒng)可以關閉,僅靠活塞效應和隧道壁面及周圍土壤自然冷卻。

表4 軌行區(qū)內(nèi)廣告燈箱處及軌底風口處空氣溫度 ℃

圖5 區(qū)間隧道與軌行區(qū)空氣溫度對比

3.2.4排熱系統(tǒng)排熱量

對于軌頂軌底排熱系統(tǒng)排熱量的問題,本研究著眼于活塞風井入口處和排熱系統(tǒng)出口處的空氣溫度,入口與出口的空氣溫度如圖6所示。

圖6 進出隧道的空氣溫度對比

要判斷排熱系統(tǒng)究竟帶走了多少熱量,就需要以隧道為研究對象,找到空氣進出隧道的通道。在忽略軌行區(qū)與站臺屏蔽門之間的滲透風量的情況下,由于排熱風機的作用,使得室外的高溫空氣從活塞風井進入隧道,而隧道內(nèi)的空氣通過排熱系統(tǒng)出口離開。測試結果表明,經(jīng)過軌頂軌底排熱系統(tǒng)后到達出口處的空氣溫度始終處于27～28 ℃,均低于通過活塞風井進入隧道的空氣溫度。這意味著溫度較高的室外空氣在進入排熱系統(tǒng)所負責區(qū)域的過程中,得到了土建風道、隧道壁面、土壤等物體的降溫,盡管列車行駛過程中也產(chǎn)生熱量,但都得到了隧道本身的冷卻,故實際排出隧道的空氣的溫度較低。在這種情況下,引入隧道的熱量全由壁面土壤等承擔,排熱系統(tǒng)并沒有起到排熱的作用?？紤]到實驗研究期間室外最高氣溫十分接近天津市最炎熱時的氣溫,故可以驗證即使完全關閉排熱系統(tǒng)也是可行的。

3.2.5公共區(qū)氣溫及空調系統(tǒng)制冷量

本實驗研究的最后部分以探究排熱系統(tǒng)運行模式對公共區(qū)空氣溫度及空調系統(tǒng)制冷量的影響為目標,通過對比溫度等參數(shù)的變化,確定其影響程度。由于公共區(qū)與室外通過人員出入口等通道連接,室外氣溫也是影響公共區(qū)空氣溫度及空調系統(tǒng)制冷量的一個重要因素,需要予以考慮。

室外與站廳站臺溫度見表5。由表5可以看出:在4種工況下,站廳的平均溫度比站臺高0.3～0.8 ℃;站臺與站廳相比,更易受到隧道內(nèi)熱空氣的影響,且在排熱系統(tǒng)全部關閉的情況下,站臺空氣平均溫度比排熱系統(tǒng)全部開啟工況高0.2 ℃,最高溫度高0.5 ℃;只開啟軌頂或軌底排熱系統(tǒng)的工況,站臺空氣溫度相差0.1 ℃。雖然排熱工況發(fā)生改變,但對公共區(qū)氣溫的影響不超過0.5 ℃。公共區(qū)溫度波動不大,空調系統(tǒng)制冷量的變化如圖7所示。排熱系統(tǒng)全部開啟和全部關閉所對應的室外氣溫最為接近,空調系統(tǒng)制冷量相差30 kW。只開軌頂和只開軌底排熱系統(tǒng)的工況,空調系統(tǒng)制冷量相差25 kW左右,其原因為室外氣溫差異(1 ℃)和客流量差異(500人次)。進而得出結論:軌行區(qū)內(nèi)排熱系統(tǒng)的啟停對公共區(qū)空氣溫度的影響很小,可以忽略;反映在空調系統(tǒng)制冷量上的變化也很小,故排熱系統(tǒng)的節(jié)能潛力主要在其本身能否關閉甚至取消上。

表5 室外與站廳站臺溫度 ℃

圖7 公共區(qū)空調系統(tǒng)制冷量

通過對以上不同工況下的平均溫度及客流高峰時段所達到的最高溫度的分析,不難發(fā)現(xiàn),僅從溫度不超標的角度考慮,可以關閉排熱風機。但考慮到遠期客流量增大,車廂內(nèi)的二氧化碳濃度是否仍然可以滿足人員衛(wèi)生要求這一問題,排熱風機有無排除二氧化碳的作用還有待研究。

3.2.6區(qū)間隧道二氧化碳濃度

由于車廂內(nèi)的新風來自于隧道,故對區(qū)間隧道最不利處的二氧化碳濃度進行監(jiān)測,結果見圖8、9。數(shù)據(jù)顯示,客流高峰時段的區(qū)間隧道最不利處二氧化碳體積分數(shù)均為550×10-6左右,遠小于規(guī)范中規(guī)定的1 500×10-6限值。由此可見,排熱風機對客流高峰時段的二氧化碳濃度影響不大。不同工況下僅在平峰時段有20×10-6的差異,也在測量精度誤差之內(nèi)。故排熱風機對區(qū)間隧道二氧化碳濃度的影響甚小。

圖8 排熱系統(tǒng)全開/全關工況下區(qū)間隧道 最不利處CO2體積分數(shù)對比

圖9 不同工況下區(qū)間隧道最不利處CO2體積分數(shù)對比

4 結論

1) 在4種不同的排熱工況下,區(qū)間隧道最不利處及軌行區(qū)內(nèi)熱量容易聚集的位置空氣溫度均不超過規(guī)范限值。

2) 軌行區(qū)內(nèi)的空氣溫度高于區(qū)間隧道,平均高0.5～0.7 ℃。列車在進入車站停穩(wěn)后,屏蔽門打開,乘客上下車,短時間內(nèi)軌行區(qū)與站臺空氣的流通對于軌行區(qū)來說是正面影響,即溫度低的空氣進入,起到了冷卻作用。列車運行時的活塞效應及四周壁面自然冷卻,足以使軌行區(qū)內(nèi)的空氣溫度也不超標。

3) 排熱系統(tǒng)對區(qū)間隧道的影響由于距離長而很小,其影響小于室外氣溫的影響。

4) 排熱系統(tǒng)出口空氣溫度低于活塞風井入口空氣溫度,即空氣被土建結構、隧道及風道冷卻,并沒有帶走隧道內(nèi)的熱量,故排熱系統(tǒng)沒有發(fā)揮排熱作用。

5) 排熱系統(tǒng)對公共區(qū)的熱環(huán)境及空調系統(tǒng)制冷量的影響不大,出于節(jié)能的目的,可以忽略。

6) 區(qū)間隧道的二氧化碳濃度隨客流高峰呈周期性變化,均小于規(guī)范限值,且排熱風機的啟停對其峰值無明顯影響。