地铁空调负荷分析及估算_图文

1、地铁空调负荷分析及估算铁道第二勘察设计院钟星灿摘要简要分析不同系统模式的地铁空调负荷组成。重点探讨非屏蔽门系统(闭式系统的热源构成、热量分布规律,以及空调负荷的估算方法。关键词地铁空调动态负荷动能分析估算A n a l ysis a n d e sti m a ti o n of a ir c o n diti o ni n g l o a d si n u n d e r gr o u n d r a il w a yBy Z hong X ingcanAbst r a ctB riefly a nalyses comp osition of t he air conditioning lo

2、ad under diff ere nt system modes.Discusses in detail t he heat source constitution,heat dist ribution,and estimation of t he air conditioning load of t he syste m wit hout platf or m shield doors.Keywor dsunderground railway air conditioning,dyna mic load,kinetic energy,a nalysis,estimation Second

3、Railway Survey&Res earch Institute of China,Chengdu,China0引言近年来,地铁已成为解决城市交通问题的重要途径之一。与早期兴建的地铁相比,人们对如今地铁的环境状况寄予了更高的期望。因此,相关的技术问题受到越来越多的关注。地铁建设耗资巨大,设计时既要确保地铁环境合理的温湿度和相关的卫生要求、有效地控制地铁环境灾害,以维持地铁运营的基本环境需求,又必须控制地铁建设的投资。因此,针对地铁环境空调负荷的分析和研究非常必要且具有现实意义。1地铁环境空调负荷特点地铁环境空调负荷与普通地面建筑的主要不同之处在于,地铁列车运行时消耗的能源最终都将以

4、热的形式分布在地铁环境中,成为影响地铁环境的动态负荷。统计资料表明,对于一个车站与隧道没有分隔的地铁环境,如果把车站环境视为空调对象时,这种动态负荷约占车站空调负荷的70%。另外,地铁处于地下,故地铁环境不受太阳辐射的影响,除了计算冷负荷时必须考虑室外新风的影响之外,在计算地铁车站自身的空调冷负荷时基本可忽略室外环境的影响。2地铁空调系统模式早期建设的地铁基本没有空调(通风是必须的,并且多在纬度偏高的地区(世界上最早的地铁于1863年在英国伦敦建成。随着社会的发展,空调系统开始在地铁环境中得到了应用,原因有:1纬度偏低的地区,室外空气温度较高,列车在地下常年运行,地下岩土的蓄热使得地铁环境温度

5、逐年上升;2人们对其出行的环境有了更高的期望。现行的地铁空调系统基本有两种模式:屏蔽门系统和非屏蔽门系统。粗略估算,设有屏蔽门的地下车站,其空调负荷约为无屏蔽门地下车站空调负荷的三分之一。目前,两种模式均有选用。非屏蔽门系统的地铁空调模式,因其历史相对久远,在实际运行的地铁空调系统中,依然占有绝对多数。在屏蔽门系统模式中,屏蔽门将隧道分隔在车钟星灿,男,1954年3月生,大学,高级工程师610031四川省成都市通锦路3号铁道第二勘察设计院地铁院(0138*E2mail:zxc5454收稿日期:20051101站站台之外,其车站空调负荷受隧道的影响相对较小,负荷计算相对简单。而在非屏蔽门系统模式

6、中,车站和隧道无分隔,车站环境与隧道环境、列车运行状况皆不可分离,空调负荷的确定相对复杂。现就两种不同的系统模式分别讨论其车站空调负荷。本文所指的地铁车站空调系统,主要针对以乘客为服务对象的车站公共区。不包含以设备和管理人员为对象的设备管理用房(该范围的通风空调系统,常称为小系统;相应地,以乘客为服务对象的公共区通风空调系统则简称为大系统。3屏蔽门系统空调负荷屏蔽门系统模式下,地下车站可视为一个相对封闭的地下箱形建筑。其热湿负荷由以下几个方面构成。3.1机电负荷这类负荷基本是由车站公共区所有用电设施产生的,包括自动扶梯、垂直电梯、广告、照明、紧急疏散指示牌、自动售检票机等。可通过各种用电设施的

7、实际功率很方便地计算得出。3.2人体热湿负荷人体热湿负荷计算的关键在于确定地铁车站内的具体人数高峰小时客流量(这一数据一般源自当地交通规划部门的客流预测报告,计算中尚需考虑车站所处地区的超高峰系数。实际上,由于乘客在车站滞留的时间不同,这部分负荷是动态负荷。上车乘客从地面进入地铁站厅、站台候车、直至进入地铁车厢,全过程大致需要35min;下车乘客经车站站台、站厅直至地面,约需3min。这一过程的平均时间与列车行车计划相关(列车到达本站的时间间隔决定了乘客在站台的最长滞留时间。当上下车乘客在车站滞留的时间确定之后,考虑适当的群集系数,车站的人体散热负荷就确定了。3.3围护结构负荷围护结构负荷包括

8、车站围护结构周围的土壤传热和屏蔽门传热以及出入口的对流换热。土壤传热是一个不稳定的传热过程,与车站围护结构土壤特性、建筑构造形式等有关,其计算相对复杂,不确定因素较多。但是,对于屏蔽门系统的车站空调负荷而言,土壤传热所占的比例甚微,基本可以忽略不计。屏蔽门隔离了两个不同的温度环境,站内环境与隧道之间的传热可以按一维稳态导热计算。在确定了车站屏蔽门的面积和材质之后,屏蔽门传热负荷就确定了。3.4其他不确定空调负荷地铁车站的建筑形式并不单一,对于浅埋车站或半地下车站,站厅、站台的设置形式更为灵活。随着车站与外部环境接触面积的增大,站内空调环境的影响因素也不断增多。不同规模的车站,不同的周边环境,其

9、出入口通道的长度、数量也会有所不同。除各个出入口需要考虑适当的渗透负荷外(譬如按出入口通道截面,以200W/m2计,当其通道较长时,也需要按其面积考虑适当负荷。由于实际情况存在较大的差异,需要因地制宜地酌情考虑附加负荷,不宜简单统一。屏蔽门在列车停站时开启,导致站台与隧道环境暂时换热,成为影响站台空调环境最不确定的空调负荷。这个负荷与列车编组、车厢长度、发车间隔、停站时间相关。该部分空调负荷,目前尚无成熟的计算方法(一些城市地铁按510m3/s估算其漏风量,有待于通过更多的地铁屏蔽门运行实例,总结出合理的计算方法。4非屏蔽门系统空调负荷当车站与行车隧道并无隔离时,地铁的环境控制难以将车站和隧道

10、区别对待。在非空调季节,该系统地铁利用列车行进产生的活塞效应,通过设置在隧道与外界连通的风井进行自然通风,以消除环境的余热余湿(称为开式系统。而在空调季节,系统关闭设置在隧道的风井,主要依靠地铁自身的空调系统控制地铁环境(称为闭式系统。本章讨论的非屏蔽门系统的空调负荷,即指车站与行车隧道无隔离、系统处于闭式状况下的空调负荷。闭式系统中,车站站台与区间隧道之间并无屏障。车站的温度、湿度及其他卫生条件,通过车站空调系统来实现;区间隧道的温度,依靠活塞风携带车站的空调气流来维持在设定范围内。实际上,某一车站的空调负荷,包含了相邻区间隧道保持设定环境条件所必须的空调负荷(一般情况下,列车车厢夏季空调设

11、计温度为27。为了使地铁车站环境成为合理的过渡环境,站台设计温度多在28 29,车站站厅设计温度30;区间隧道的设计温度,为保障列车车厢空调外置冷凝器的正常运行,控制在35以下。图1是一个地铁车站“岛式”站台平面示意。图2是一段地铁站纵剖面示意图。 图1地下车站“岛式”站台平面示意图 图2地铁站纵剖面示意图从图1,图2中不难看出,车站的空调负荷仅指本站的空调负荷。其中站厅空调负荷的计算与屏蔽门系统相同。但对于站台而言,除了少量车站固有的机电设备负荷和人员空调负荷外,列车运行发热量则成为最主要的负荷来源,且该负荷是动态负荷。站台空调环境温度也是一个波动值,其设计环境温度也仅仅是这个波动值的平均概

12、念。在现行地铁的设计中,地下车站空调负荷值多通过计算机模拟计算。早在20世纪70年代,美国为适应地铁建设的需要,编写了SES (subway environment system 模拟计算程序。以后其版本虽有更新,但其核心并无质的改变。随着地铁的发展,近年来一些新的地铁环境模拟计算程序相继问世,旨在更清楚地把握地铁环境的气流运动和热力传递规律,为通风空调和防灾系统设置提供依据。图3是某段地铁的SES 模拟结果,它显示了三个车站和相邻区间隧道的温度分布情况(对于隧图3地铁线路局部区段夏季空调工况模拟温度分布道而言,仅显示了列车对开线路上单侧隧道的情况,图中凹陷部分是车站所在位置。地铁线路上,由于

13、各车站的规模、建筑形式不尽相同,区间隧道的结构形式、长度、坡度也应因地制宜,故各个车站和区间,其空调负荷和温度分布也不同。虽然模拟计算可以比较接近地铁环境气流和热力分布的真实情况,但模拟计算本身的准确性却依赖于所建立的数学模型。任何原始数据输入的正确与否,都将直接影响模拟的结果。就目前国内的地铁建设情况而言,从开始着手研究直到地铁运行,35年甚至更长的周期皆有可能。因此,早期方案阶段期望获取大量准确可靠的原始数据几乎不可能,且方案研究也难以为建立模拟所需要的数学模型提供稳定的建筑结构形式。在地铁车站建筑中,除了正常客流所需的公共区建筑面积以外,在所有为地铁运行服务的设备管理用房中,通风空调专业

14、所需占用的建筑面积超过一半以上(20世纪90年代建成的广州地铁一号线为非屏蔽门系统,其普通设备管理用房建筑面积的实际统计结果约为3500m 2,通风空调专业占用20002100m 2(约占2/3。如果没有对空调负荷的早期估算,相应的设计也难以确定车站必要的建筑规模。因此,早期估算空调负荷对于地铁空调设计是非常必要的。地下车站非屏蔽门系统的空调负荷可以分为两部分:1人员负荷和机电负荷,这部分负荷计算方法与屏蔽门系统基本相同;2由列车运行散热产生的负荷,此部分负荷是站台空调负荷的主要来源,但由于早期难以准确计算,故估算就显得尤为重要。空调负荷的估算方法有多种,其估算的准确度差异也比较大。地下铁道设

15、计与施工1中有比较简洁的概算法。也有相对有效的过程法。相对而言,笔者比较赞同SubwayEnvironment Design Handbook 2中推荐的估算方法。该方法以统计学为基础,通过能量守恒的基本原理进行分析,并以列车动能作为参照指标进行估算。1运动负荷特征一辆停靠在车站的列车,由供电系统输入电力驱动,使其加速到设定的速度在隧道区间运行。此时的运行列车具有自身的运动动能,当列车制动停靠下一车站时(假定没有其他因素干预,其动能将100%的转化为热量。实际上,维持列车正常的匀速运动,仍然需要一定的电力驱动,这些能量最终都将转化为热量。对于理论上封闭的地铁系统而言,这些热量依然留存在地铁环境

16、系统中,并成为非屏蔽门系统(闭式系统地铁环境的主要热负荷。同样,列车自身的空调冷凝器释放的热量也将随列车运动沿途分布。与此同时,车站及隧道的固定热源也因列车运动的影响改变了原有的分布形式。这些热量的形成与分布,代表了地铁环境空调系统动态负荷的特征。2列车运动散热的影响因素由于列车运动散热与其动能密切相关,因此,列车的质量、发车频率、运行速度都将对地铁环境的空调负荷产生影响。列车质量随着列车的类型、编组以及乘客人数的不同而不同,列车的质量可以预先确定。由于行车组织的不同,其计划的发车频率也不同。对于地铁的不同运行阶段(初期、中期、设计期,列车的运行数量不同。从而需要相应的行车计划,以把握地铁线路

17、上运行的列车数量。在运行间距和运行时间确定的前提下,列车在区间上的平均运行速度可以确定。统计结果表明,列车在隧道中每一次从启动运行到制动静止直至下一次启动(一个站间运行周期,其环境全过程的散热量约为2倍动能。针对不同的列车速度,Subway Environment Design Handbook给出了其环境散热的统计情况,如表1所示(1mph=1.6093km/h。当然,这个结果是在一般条件下和一般区间长度的前提下作出的统计(国内地铁车站设置间距多在1 km左右,列车在车站之间实际行驶的速度多在40mph左右,且并不包含通风效果的影响和其他特例。表1地铁车站及相连隧道的散热速度64.372km

18、/h(40mph96.558km/h(60mph128.744km/h(80mph每辆列车每次停站散热/kJ 动能比率每辆列车每次停站散热/kJ动能比率每辆列车每次停站散热/kJ动能比率列车制动62565114074512502601列车加速141380.226368220.262775470.31三轨受电损失10550.01763300.045289090.116隧道灯光2110.0035280.0049500.004列车附件33760.05443260.0354860.022车载空调411470.658548630.39685790.273车站灯光、设备和人员146650.23414665

19、0.104146650.059合计137157 2.192258279 1.835446396 1.784参考动能62565114074512502601实际上,列车的运动散热主要来源于装在列车底部的制动电阻格栅散热和列车车厢携带的空调冷凝器散热。在不同的运行速度下,列车的运动散热分配到车站和隧道的比例是不同的。表2和表3是这些散热量的分布情况。表2电阻格栅散热量的分布速度留在通过隧道进入车站进入前方隧道热量/ (kJ/辆百分数/%热量/(kJ/辆百分数/%热量/(kJ/辆百分数/%64.372km/h(40mph2532 4.04378569.91624826.1 80.465km/h(50

20、mph6752 6.96393765.32711527.8 96.558km/h(60mph1540410.98714861.93819327.2 112.651km/h(70mph2933115.311310258.94916625.8 128.744km/h(80mph5591822.313694754.75739523.0表3列车空调冷凝器散热量的分布速度留在通过隧道进入车站进入前方隧道热量/(kJ/辆百分数/%热量/(kJ/辆百分数/%热量/(kJ/辆百分数% 64.372km/h(40mph411510.02880370.0822920.0 80.465km/h(50mph64361

21、3.42880360.01276626.6 96.558km/h(60mph865115.82880352.51740831.7 112.651km/h(70mph1097317.82880346.62194535.6 128.744km/h(80mph1329419.42880342.02648238.6由于列车运动同时影响了地铁环境中固定热源的散热分布,以至地铁环境的空调负荷实际分布情况皆与列车的运动状态相关。表4所示即为综合所有热源散热量分布的情况。表4地铁环境所有热源散热量分布速度留在通过隧道进入车站进入前方隧道热量/ (kJ/辆百分数/%热量/(kJ/辆百分数/%热量/(kJ/辆百分

22、数/%64.372km/h(40mph7069 5.18957565.34051429.6 80.465km/h(50mph138217.210972657.56720735.3 96.558km/h(60mph250059.713293851.510033638.8 112.651km/h(70mph4135812.115889246.314264441.6 128.744km/h(80mph7058415.818273640.819413143.4通过表24可以了解地铁环境的散热分布。这些数据是一组在动态环境下热量分布的基本范例,是根据列车有关时间/距离运动的一个侧面得到的结果。而设计中地

23、铁环境散热分布比较精确的取值是采用表5。表5地铁环境散热分布初步设计估算值速度各部分比例/%留在通过隧道进入车站进入前方隧道64.372km/h(40mph10702080.465km/h(50mph12632596.558km/h(60mph155530112.651km/h(70mph184735128.744km/h(80mph2040403地铁环境散热分布的估算步骤通过初期确定的列车类型,确定列车质量(载有乘客的车厢质量及列车编组,通过行车计划确定列车在各个车站之间的最高行驶速度,以确定列车的动能。设定散热量为2倍动能。按表5确定车站和隧道的热量分布。按照以上步骤确定的仅仅是一辆列车的

24、状况,通过行车计划掌握单位时间的计划行车对数(例如,当计划行车对数为30对/h时,其车站到发列车为60辆/h,则地铁环境散热量的分布状况就可以基本了解。在获得地铁环境散热分布的条件下,根据车站和隧道的设计环境参数,不难确定空调负荷。这一结果也就是期望获得的早期空调负荷的估算结果。虽然这个估算值并不是最终的设计值,但对于地铁设计的初步阶段,其精确度已经足够,尤其对早期方案确定和车站规模确定都将大有帮助。5结语本文对地铁环境空调负荷仅作了粗略的分析,但希望能有助于与同行共同探索地铁环境空调设计的特点。参考文献1施仲衡.地下铁道设计与施工M.西安:陕西科学技术出版社,19972United State Department of Transportation.Subwaynuwironmental design handbookM.Washington DC,19783铁道第二勘察设计院,广州市地下铁道总公司.回顾与思考广州市地下铁道一号线工程设计总结M.北京:中国铁道出版社,2002(上接第59页3结论311本文建立了除湿冷却空调系统中除湿塔的传质传热模型,在满足空调要求的工况下选择参数进行了模拟计算。312入口溶液温度和浓度对除湿性能影响较大,入口空气温度对其影响则相对较小。3.3空气除湿后的状态参数对空调送风温度有着直接影响,提高除湿塔的除湿性能,尤其是控制入口溶液