上海地鐵車站空調(diào)負(fù)荷分析

上海地鐵車站空調(diào)負(fù)荷分析

1空調(diào)負(fù)荷高度核算根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（gb5017-2003），地鐵站“夏季室外空氣計(jì)算干球溫度，并將近20年末高峰時(shí)段的平均干球溫度設(shè)置為不太低。夏季室外空氣計(jì)算濕球溫度，夏季高峰時(shí)段的平均濕球溫度為30h?！?。新風(fēng)參數(shù)選用晚高峰時(shí)刻對(duì)應(yīng)的值是基于地鐵客流高峰出現(xiàn)的時(shí)間(17時(shí))與《暖通規(guī)范》中室外新風(fēng)每年不保證時(shí)間的干球溫度時(shí)間(12時(shí)～14時(shí))正好錯(cuò)峰,以避免峰值疊加,使車站冷負(fù)荷計(jì)算值偏高,造成能源浪費(fèi)。該款條文實(shí)際上明確了地鐵車站的空調(diào)負(fù)荷最高點(diǎn)總出現(xiàn)在晚高峰。因此,目前地鐵設(shè)計(jì)中均是以地鐵晚高峰的客流和新風(fēng)參數(shù)作為車站設(shè)計(jì)空調(diào)負(fù)荷。即使早高峰時(shí)段的客流要高于晚高峰時(shí)段,車站負(fù)荷也仍按晚高峰負(fù)荷計(jì)算,僅車站新風(fēng)量取值按早高峰客流進(jìn)行校核。然而,詳細(xì)分析計(jì)算地鐵車站全日逐時(shí)負(fù)荷時(shí)可發(fā)現(xiàn),多數(shù)情況下車站峰值負(fù)荷并不出現(xiàn)在晚高峰,而是在早高峰時(shí)段?？梢?若按照地鐵規(guī)范取值計(jì)算的車站負(fù)荷偏低,會(huì)使早高峰時(shí)段的車站環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)得不到保證。2逐時(shí)負(fù)荷的計(jì)算地鐵車站的空調(diào)負(fù)荷主要由人員負(fù)荷、新風(fēng)和屏蔽門風(fēng)擾負(fù)荷、各種設(shè)備、風(fēng)機(jī)以及管道溫升等部分組成,在詳細(xì)分析和計(jì)算各分項(xiàng)負(fù)荷的基礎(chǔ)上可以得出車站全天的逐時(shí)負(fù)荷。2.1地鐵車站客流特征人員負(fù)荷主要是由乘客熱負(fù)荷形成的站內(nèi)冷負(fù)荷,取決于車站內(nèi)的人員數(shù)量、活動(dòng)程度和環(huán)境溫度。地鐵車站內(nèi)乘客的活動(dòng)程度應(yīng)屬于輕度勞動(dòng)的范疇,對(duì)應(yīng)人體全熱量約為163.8W/人。車站內(nèi)乘客的行為特征是“短暫逗留”,即在站廳購票、檢票之后,通過樓扶梯進(jìn)入站臺(tái)候車?？土鞲叻迤诔丝驮谲囌就Ａ舻臅r(shí)間一般為3～5min不等,由此流動(dòng)客流折算為固定客流的比例為6%～9%。再由固定客流量按照人體散熱計(jì)算車站總體人員負(fù)荷,一般車站客流形成的高峰小時(shí)負(fù)荷為40kW/站～240kW/站。顯然,車站的人員負(fù)荷同車站流動(dòng)的客流量成正比,客流逐時(shí)變化規(guī)律反映了人員負(fù)荷的變化。不同的地鐵線路與位于城市不同地域的地鐵車站客流特征不盡相同。一項(xiàng)對(duì)上海運(yùn)營中的地鐵車站調(diào)研表明,部分受商業(yè)影響大的車站早高峰客流低于晚高峰客流,而一般車站早高峰客流高于晚高峰客流。近年客流預(yù)測(cè)的數(shù)值表明:多數(shù)地鐵車站早高峰預(yù)測(cè)的客流量高于晚高峰預(yù)測(cè)的客流量,對(duì)應(yīng)客流形成的車站人員負(fù)荷呈現(xiàn)同樣的規(guī)律。因此,地鐵車站全天的人員負(fù)荷逐時(shí)最高值不一定出現(xiàn)在晚高峰。圖1為2005年～2006年間調(diào)研的上海地鐵1號(hào)線部分車站工作日客流,人民廣場(chǎng)站和馬戲城站的早高峰客流高于晚高峰客流,陜西南路站和上?；疖囌菊镜耐砀叻蹇土鞲哂谠绺叻蹇土?圖2為某地鐵線車站預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)年度早、晚高峰客流曲線,該線車站預(yù)測(cè)早高峰客流普遍高于晚高峰客流。2.2空調(diào)負(fù)荷的逐時(shí)變化地鐵車站補(bǔ)充的新風(fēng)量需同時(shí)滿足乘客衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)、維持站內(nèi)壓力平衡和抵御車站各種風(fēng)擾的要求,其中對(duì)后者的要求特別重要。車站全封閉屏蔽門可有效分隔候車區(qū)與軌行區(qū),將大量列車產(chǎn)的熱阻隔在門外,這使得屏蔽門兩側(cè)根據(jù)不同需求分設(shè)標(biāo)準(zhǔn)成為可能。但是,按照目前施工安裝屏蔽門的水平,要求達(dá)到屏蔽門完全密封的難度很高。屏蔽門的門與門之間、門體與上、下土建結(jié)構(gòu)之間不可避免地存在縫隙;同時(shí),列車進(jìn)、出站時(shí)引起的車站區(qū)間壓力劇烈變化,以及車軌區(qū)排熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行形成軌區(qū)的負(fù)壓,都不同程度地造成車站額外的冷風(fēng)流失或室外新風(fēng)入侵車站。2006年,我們?cè)鴮?duì)上海地鐵部分安裝屏蔽門的車站進(jìn)行監(jiān)測(cè),尤其針對(duì)車站內(nèi)空氣擾動(dòng)、出入口、樓梯口的氣流流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明:地鐵正常運(yùn)行時(shí),車站多數(shù)情況下處于負(fù)壓狀態(tài),明顯存在由室外經(jīng)出入口、廳/臺(tái)樓梯直至站臺(tái)且穩(wěn)定持續(xù)進(jìn)入車站的氣流;列車進(jìn)出站、屏蔽門尚未開啟時(shí),車站樓扶梯口可顯著監(jiān)測(cè)到受活塞風(fēng)影響的氣流擾動(dòng)。這說明,屏蔽門并沒有完全阻隔區(qū)間與車站,車站的空調(diào)設(shè)計(jì)必須考慮軌區(qū)壓力變化通過屏蔽門形成的各種風(fēng)擾影響。滿足車站乘客衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求的新風(fēng)量與客流成正比,因此,車站實(shí)際新風(fēng)需求量伴隨客流峰谷波動(dòng)呈同樣的規(guī)律變化。通過屏蔽門的風(fēng)擾也有同樣的規(guī)律,當(dāng)高峰期列車運(yùn)行密度大時(shí),列車活塞作用對(duì)車站的擾動(dòng)頻率也大;當(dāng)排熱風(fēng)機(jī)采用變頻技術(shù)變風(fēng)量運(yùn)作時(shí),必然在列車高密度時(shí)段排風(fēng)量大,形成軌區(qū)的負(fù)壓度高,從而透過屏蔽門的漏風(fēng)量也大。以上分析表明:不論是車站對(duì)新風(fēng)的主動(dòng)需求,還是抵御源自軌區(qū)各種風(fēng)擾的被動(dòng)新風(fēng)需求,都與列車行車密度相關(guān),即:行車密度高時(shí),軌區(qū)風(fēng)擾大,導(dǎo)致車站被動(dòng)新風(fēng)需求量大。與人員負(fù)荷逐時(shí)值規(guī)律相同,最大的新風(fēng)及風(fēng)擾值不一定發(fā)生在客流晚高峰期,當(dāng)早高峰時(shí)段的車流密度高于晚高峰時(shí),則早高峰的風(fēng)擾量也高于晚高峰。與我國建筑物夏季空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算方法相同,地鐵的新風(fēng)焓值是按常量計(jì)算的,即按本文開始時(shí)提到的《地鐵規(guī)范》確定的固定數(shù)值取值。例如,上海地鐵對(duì)應(yīng)晚高峰時(shí)段不保證30h的空調(diào)計(jì)算干球溫度為31.9℃,濕球溫度為27.0℃,焓值為85.0kJ/kg。但是,空氣焓值是濕球溫度的單值函數(shù),眾多氣象監(jiān)測(cè)及研究表明,室外新風(fēng)的濕球溫度在一天中近似周期變化。因此,新風(fēng)焓值全日也在周期性變化,即:新風(fēng)焓值也是個(gè)時(shí)變量。研究地鐵空調(diào)負(fù)荷時(shí),對(duì)全日逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算不僅應(yīng)包含新風(fēng)量、乘客等的時(shí)變性,還應(yīng)當(dāng)包括新風(fēng)焓值的逐時(shí)變化因素。據(jù)資料介紹,室外新風(fēng)的逐時(shí)值可按下式計(jì)算:hw.r=1.01ts.r+3.9943129e0.0648236ts.r×(2.5+0.00184ts.r)(1)hw.r=1.01ts.r+3.9943129e0.0648236ts.r×(2.5+0.00184ts.r)(1)式中:hw.τ為夏季新風(fēng)τ時(shí)刻焓(kJ/kg);ts.τ為夏季τ時(shí)刻室外空氣濕球溫度(℃)。圖3是按式(1)計(jì)算的上海地區(qū)夏季新風(fēng)焓值的變化曲線,早晨雖然干球溫度低,但相對(duì)濕度大,空氣焓值高。上海以上午8:00～9:00時(shí)新風(fēng)焓最高,約91kJ/kg;而相應(yīng)晚高峰期17:00～18:00時(shí)的新風(fēng)焓僅約80kJ/kg。按照《地鐵規(guī)范》規(guī)定的常量法取用的新風(fēng)焓值處于兩者之間。圖2可反映地鐵兩個(gè)高峰時(shí)段與規(guī)范規(guī)定設(shè)計(jì)取值三者之間的相互關(guān)系。查閱上海實(shí)際氣象參數(shù),其規(guī)律與公式反映情況基本相同。圖4是上海夏季某日的干球溫度、相對(duì)濕度變化曲線。熱、濕負(fù)荷大小對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的規(guī)模有著決定性的影響。2.3地鐵車站負(fù)荷變化地鐵車站設(shè)置的設(shè)備主要包括了電(扶)梯、售檢票機(jī)、廣告、照明、各種指示導(dǎo)向裝置等,這些設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)也會(huì)向車站空間散發(fā)出熱量。統(tǒng)計(jì)表明,現(xiàn)在設(shè)計(jì)的地鐵車站各種設(shè)備總負(fù)荷為160kW/站～400kW/站,平均約250kW/站,個(gè)別埋深較深的樞紐車站甚至更大。通常,這些設(shè)備形成的負(fù)荷不會(huì)有明顯的時(shí)變性。近年來,雖然地鐵車站電扶梯也有采用變頻技術(shù)的趨勢(shì),但目前尚沒有收集到采用變頻技術(shù)后電扶梯的發(fā)熱量發(fā)生變化的情況。但無論如何,在地鐵早、晚高峰客流時(shí)段,車站的各類設(shè)備基本投入滿負(fù)荷工作,發(fā)熱量也最高。本次計(jì)算分析暫將車站設(shè)備負(fù)荷全日作為常量考慮。2.4風(fēng)機(jī)電機(jī)的發(fā)熱地鐵車站公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)通常采用三風(fēng)機(jī)系統(tǒng)(即空調(diào)箱、回排風(fēng)機(jī)和空調(diào)小新風(fēng)機(jī)),所有風(fēng)機(jī)電機(jī)均為內(nèi)置式。因此,風(fēng)機(jī)電機(jī)的發(fā)熱均由車站空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān),計(jì)算時(shí),風(fēng)機(jī)引起的溫升通常按1.5℃考慮。除以上主要負(fù)荷外,其它影響車站負(fù)荷的還有屏蔽門的傳熱、車站土建結(jié)構(gòu)的傳熱和產(chǎn)濕量等,這些占整個(gè)車站負(fù)荷的權(quán)重較小,對(duì)總體車站負(fù)荷的影響也較小。3考慮列車進(jìn)線周延時(shí),車站負(fù)荷以按固定方向發(fā)生經(jīng)對(duì)上海某典型地鐵車站公共區(qū)全日負(fù)荷進(jìn)行逐時(shí)分析計(jì)算,選定的車站模型中早、晚高峰時(shí)段的列車運(yùn)行密度相同,均為30對(duì)/h,車站流動(dòng)客流晚高峰時(shí)段略高。按該站工作日售檢票機(jī)統(tǒng)計(jì)客流計(jì)算客流小時(shí)分布系數(shù),全日各時(shí)間段的客流量按此計(jì)算。選定模型中小時(shí)客流為265人/h～15127人/h,其中早高峰時(shí)段人數(shù)約1.3萬人/h,晚高峰約1.5萬人/h,相當(dāng)于車站小時(shí)固定人數(shù)為10～473人。車站軌區(qū)的排熱風(fēng)機(jī)總風(fēng)量為100m3/s,全日列車行車密度在6對(duì)/h～30對(duì)/h之間,設(shè)排熱風(fēng)機(jī)排風(fēng)量根據(jù)列車開行密度分級(jí)變風(fēng)量,由此,通過屏蔽門的漏風(fēng)量與排熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行風(fēng)量、列車運(yùn)行對(duì)數(shù)相關(guān)。據(jù)此計(jì)算車站的小時(shí)新風(fēng)量約10m3/s～15m3/s,由列車進(jìn)站正壓影響進(jìn)入站內(nèi)的區(qū)間風(fēng)量約2.2m3/s～5m3/s。新風(fēng)的逐時(shí)焓值按式(1)計(jì)算。為此,列車運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)新風(fēng)焓值約為77.5kJ/kg～90.8kJ/kg,以早晨8:00～9:00時(shí)為最高。從理論上分析,通過屏蔽門入侵站臺(tái)的區(qū)間空氣焓值也是時(shí)變量,為減少計(jì)算工作量,本次僅通過計(jì)算機(jī)程序近似預(yù)測(cè)全日4個(gè)典型時(shí)間段的區(qū)間空氣狀態(tài),其余時(shí)段參照鄰近時(shí)間段內(nèi)插。計(jì)算中,站內(nèi)空氣狀態(tài)暫按固定值設(shè)定,即:站廳為29C℃/60%,站臺(tái)28℃/64.8%,混合后焓值約67.8kJ/kg。車站的各類設(shè)備和風(fēng)機(jī)、管道溫升負(fù)荷計(jì)算約556kW,運(yùn)行時(shí)段暫按恒定值考慮。按兩種方法計(jì)算車站負(fù)荷進(jìn)行比對(duì)。方法一:新風(fēng)焓值按逐時(shí)變化取值(時(shí)變新風(fēng)焓);方法二:新風(fēng)焓值按規(guī)范規(guī)定的常量取值(固定新風(fēng)焓)。兩種方法中,車站主要四類負(fù)荷中的人員、新風(fēng)及風(fēng)擾負(fù)荷是時(shí)變量,與時(shí)間、列車行運(yùn)密切相關(guān),據(jù)此計(jì)算的車站全日運(yùn)行期18h的逐時(shí)負(fù)荷曲線(見圖5)。計(jì)算結(jié)果表明:采用方法一,即使本次選定的車站模型中晚高峰行車密度與早高峰相同,車站的流動(dòng)客流晚高峰值還略高,計(jì)算得出的全日負(fù)荷高峰時(shí)段仍發(fā)生在早高峰,表明新風(fēng)逐時(shí)焓值的影響更大;采用方法二,常規(guī)的計(jì)算結(jié)果基本與客流變化相同,晚高峰客流略高,致使晚高峰的負(fù)荷略高。按方法一計(jì)算得出的全日最高負(fù)荷較常規(guī)計(jì)算結(jié)果高出約10%。當(dāng)客流預(yù)測(cè)早高峰高于晚高峰時(shí),正好全日新風(fēng)焓值的高峰與客流高峰相遇,兩種方法計(jì)算的偏差還要趨大。以上分析表明,車站負(fù)荷真實(shí)的峰值點(diǎn)多發(fā)生在早高峰時(shí)段,若按地鐵規(guī)范規(guī)定的晚高峰時(shí)段計(jì)算車站負(fù)荷會(huì)使整個(gè)車站的冷負(fù)荷偏低,理論上遠(yuǎn)期空調(diào)期每天早高峰時(shí)段會(huì)有1～2h的時(shí)段站內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)不能保證。這樣,地鐵車站全年整個(gè)空調(diào)期內(nèi)的不保證時(shí)間將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過30h。4晚、晚高峰時(shí)段本文計(jì)算分析的結(jié)果并不是個(gè)案。一方面,室外新風(fēng)焓按時(shí)變量計(jì)算時(shí),一般城市新風(fēng)焓值的峰值正好處于地鐵運(yùn)行期的早高峰時(shí)段(7:30～9:30時(shí)),如圖6所示(圖中曲線表示新風(fēng)焓值逐時(shí)值,水平線表示地鐵車站設(shè)計(jì)取值)是高于按照地鐵規(guī)范設(shè)定的晚高峰時(shí)段的取值。另一方面,地鐵客流預(yù)測(cè)的列車開行密度早高峰要高于晚高峰,車站的早高峰客流量高于晚高峰者居多。這表明:室外新風(fēng)焓值的全日峰值與地鐵的早高峰客流重疊,車站負(fù)荷出現(xiàn)兩峰值疊加,使地鐵車站的高峰負(fù)荷多發(fā)生在早高峰時(shí)段。因此,按地鐵規(guī)范規(guī)定的“夏季空調(diào)室外空氣計(jì)算干球溫度,采用近20年晚高峰負(fù)荷時(shí)平均每年不保證30h的干球溫度”的要求,雖然新風(fēng)量按早高峰時(shí)客流量配置,但一般情況下計(jì)算結(jié)果會(huì)使車站負(fù)荷偏低,這使得車站全年不保證時(shí)間大大超過30h。按照《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》的條款要求,施工圖階段必須逐時(shí)計(jì)算空氣調(diào)節(jié)區(qū)域的冷負(fù)荷。鑒于地鐵客流的明顯特征和新風(fēng)焓值的全日變化特