上海地铁车站空调负荷分析

上海地铁车站空调负荷分析

1空调负荷高度核算根据《地铁设计规范》（gb5017-2003），地铁站“夏季室外空气计算干球温度，并将近20年末高峰时段的平均干球温度设置为不太低。夏季室外空气计算湿球温度，夏季高峰时段的平均湿球温度为30h。”。新风参数选用晚高峰时刻对应的值是基于地铁客流高峰出现的时间(17时)与《暖通规范》中室外新风每年不保证时间的干球温度时间(12时～14时)正好错峰,以避免峰值叠加,使车站冷负荷计算值偏高,造成能源浪费。该款条文实际上明确了地铁车站的空调负荷最高点总出现在晚高峰。因此,目前地铁设计中均是以地铁晚高峰的客流和新风参数作为车站设计空调负荷。即使早高峰时段的客流要高于晚高峰时段,车站负荷也仍按晚高峰负荷计算,仅车站新风量取值按早高峰客流进行校核。然而,详细分析计算地铁车站全日逐时负荷时可发现,多数情况下车站峰值负荷并不出现在晚高峰,而是在早高峰时段。可见,若按照地铁规范取值计算的车站负荷偏低,会使早高峰时段的车站环境标准得不到保证。2逐时负荷的计算地铁车站的空调负荷主要由人员负荷、新风和屏蔽门风扰负荷、各种设备、风机以及管道温升等部分组成,在详细分析和计算各分项负荷的基础上可以得出车站全天的逐时负荷。2.1地铁车站客流特征人员负荷主要是由乘客热负荷形成的站内冷负荷,取决于车站内的人员数量、活动程度和环境温度。地铁车站内乘客的活动程度应属于轻度劳动的范畴,对应人体全热量约为163.8W/人。车站内乘客的行为特征是“短暂逗留”,即在站厅购票、检票之后,通过楼扶梯进入站台候车。客流高峰期乘客在车站停留的时间一般为3～5min不等,由此流动客流折算为固定客流的比例为6%～9%。再由固定客流量按照人体散热计算车站总体人员负荷,一般车站客流形成的高峰小时负荷为40kW/站～240kW/站。显然,车站的人员负荷同车站流动的客流量成正比,客流逐时变化规律反映了人员负荷的变化。不同的地铁线路与位于城市不同地域的地铁车站客流特征不尽相同。一项对上海运营中的地铁车站调研表明,部分受商业影响大的车站早高峰客流低于晚高峰客流,而一般车站早高峰客流高于晚高峰客流。近年客流预测的数值表明:多数地铁车站早高峰预测的客流量高于晚高峰预测的客流量,对应客流形成的车站人员负荷呈现同样的规律。因此,地铁车站全天的人员负荷逐时最高值不一定出现在晚高峰。图1为2005年～2006年间调研的上海地铁1号线部分车站工作日客流,人民广场站和马戏城站的早高峰客流高于晚高峰客流,陕西南路站和上海火车站站的晚高峰客流高于早高峰客流;图2为某地铁线车站预测设计年度早、晚高峰客流曲线,该线车站预测早高峰客流普遍高于晚高峰客流。2.2空调负荷的逐时变化地铁车站补充的新风量需同时满足乘客卫生标准、维持站内压力平衡和抵御车站各种风扰的要求,其中对后者的要求特别重要。车站全封闭屏蔽门可有效分隔候车区与轨行区,将大量列车产的热阻隔在门外,这使得屏蔽门两侧根据不同需求分设标准成为可能。但是,按照目前施工安装屏蔽门的水平,要求达到屏蔽门完全密封的难度很高。屏蔽门的门与门之间、门体与上、下土建结构之间不可避免地存在缝隙;同时,列车进、出站时引起的车站区间压力剧烈变化,以及车轨区排热风机运行形成轨区的负压,都不同程度地造成车站额外的冷风流失或室外新风入侵车站。2006年,我们曾对上海地铁部分安装屏蔽门的车站进行监测,尤其针对车站内空气扰动、出入口、楼梯口的气流流动规律进行了重点监测。结果表明:地铁正常运行时,车站多数情况下处于负压状态,明显存在由室外经出入口、厅/台楼梯直至站台且稳定持续进入车站的气流;列车进出站、屏蔽门尚未开启时,车站楼扶梯口可显著监测到受活塞风影响的气流扰动。这说明,屏蔽门并没有完全阻隔区间与车站,车站的空调设计必须考虑轨区压力变化通过屏蔽门形成的各种风扰影响。满足车站乘客卫生标准要求的新风量与客流成正比,因此,车站实际新风需求量伴随客流峰谷波动呈同样的规律变化。通过屏蔽门的风扰也有同样的规律,当高峰期列车运行密度大时,列车活塞作用对车站的扰动频率也大;当排热风机采用变频技术变风量运作时,必然在列车高密度时段排风量大,形成轨区的负压度高,从而透过屏蔽门的漏风量也大。以上分析表明:不论是车站对新风的主动需求,还是抵御源自轨区各种风扰的被动新风需求,都与列车行车密度相关,即:行车密度高时,轨区风扰大,导致车站被动新风需求量大。与人员负荷逐时值规律相同,最大的新风及风扰值不一定发生在客流晚高峰期,当早高峰时段的车流密度高于晚高峰时,则早高峰的风扰量也高于晚高峰。与我国建筑物夏季空调冷负荷计算方法相同,地铁的新风焓值是按常量计算的,即按本文开始时提到的《地铁规范》确定的固定数值取值。例如,上海地铁对应晚高峰时段不保证30h的空调计算干球温度为31.9℃,湿球温度为27.0℃,焓值为85.0kJ/kg。但是,空气焓值是湿球温度的单值函数,众多气象监测及研究表明,室外新风的湿球温度在一天中近似周期变化。因此,新风焓值全日也在周期性变化,即:新风焓值也是个时变量。研究地铁空调负荷时,对全日逐时负荷计算不仅应包含新风量、乘客等的时变性,还应当包括新风焓值的逐时变化因素。据资料介绍,室外新风的逐时值可按下式计算: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为夏季新风τ时刻焓(kJ/kg);ts.τ为夏季τ时刻室外空气湿球温度(℃)。图3是按式(1)计算的上海地区夏季新风焓值的变化曲线,早晨虽然干球温度低,但相对湿度大,空气焓值高。上海以上午8:00～9:00时新风焓最高,约91kJ/kg;而相应晚高峰期17:00～18:00时的新风焓仅约80kJ/kg。按照《地铁规范》规定的常量法取用的新风焓值处于两者之间。图2可反映地铁两个高峰时段与规范规定设计取值三者之间的相互关系。查阅上海实际气象参数,其规律与公式反映情况基本相同。图4是上海夏季某日的干球温度、相对湿度变化曲线。热、湿负荷大小对空调系统的规模有着决定性的影响。2.3地铁车站负荷变化地铁车站设置的设备主要包括了电(扶)梯、售检票机、广告、照明、各种指示导向装置等,这些设备正常运行时也会向车站空间散发出热量。统计表明,现在设计的地铁车站各种设备总负荷为160kW/站～400kW/站,平均约250kW/站,个别埋深较深的枢纽车站甚至更大。通常,这些设备形成的负荷不会有明显的时变性。近年来,虽然地铁车站电扶梯也有采用变频技术的趋势,但目前尚没有收集到采用变频技术后电扶梯的发热量发生变化的情况。但无论如何,在地铁早、晚高峰客流时段,车站的各类设备基本投入满负荷工作,发热量也最高。本次计算分析暂将车站设备负荷全日作为常量考虑。2.4风机电机的发热地铁车站公共区空调系统通常采用三风机系统(即空调箱、回排风机和空调小新风机),所有风机电机均为内置式。因此,风机电机的发热均由车站空调系统承担,计算时,风机引起的温升通常按1.5℃考虑。除以上主要负荷外,其它影响车站负荷的还有屏蔽门的传热、车站土建结构的传热和产湿量等,这些占整个车站负荷的权重较小,对总体车站负荷的影响也较小。3考虑列车进线周延时,车站负荷以按固定方向发生经对上海某典型地铁车站公共区全日负荷进行逐时分析计算,选定的车站模型中早、晚高峰时段的列车运行密度相同,均为30对/h,车站流动客流晚高峰时段略高。按该站工作日售检票机统计客流计算客流小时分布系数,全日各时间段的客流量按此计算。选定模型中小时客流为265人/h～15127人/h,其中早高峰时段人数约1.3万人/h,晚高峰约1.5万人/h,相当于车站小时固定人数为10～473人。车站轨区的排热风机总风量为100m3/s,全日列车行车密度在6对/h～30对/h之间,设排热风机排风量根据列车开行密度分级变风量,由此,通过屏蔽门的漏风量与排热风机运行风量、列车运行对数相关。据此计算车站的小时新风量约10m3/s～15m3/s,由列车进站正压影响进入站内的区间风量约2.2m3/s～5m3/s。新风的逐时焓值按式(1)计算。为此,列车运行时间段内新风焓值约为77.5kJ/kg～90.8kJ/kg,以早晨8:00～9:00时为最高。从理论上分析,通过屏蔽门入侵站台的区间空气焓值也是时变量,为减少计算工作量,本次仅通过计算机程序近似预测全日4个典型时间段的区间空气状态,其余时段参照邻近时间段内插。计算中,站内空气状态暂按固定值设定,即:站厅为29C℃/60%,站台28℃/64.8%,混合后焓值约67.8kJ/kg。车站的各类设备和风机、管道温升负荷计算约556kW,运行时段暂按恒定值考虑。按两种方法计算车站负荷进行比对。方法一:新风焓值按逐时变化取值(时变新风焓);方法二:新风焓值按规范规定的常量取值(固定新风焓)。两种方法中,车站主要四类负荷中的人员、新风及风扰负荷是时变量,与时间、列车行运密切相关,据此计算的车站全日运行期18h的逐时负荷曲线(见图5)。计算结果表明:采用方法一,即使本次选定的车站模型中晚高峰行车密度与早高峰相同,车站的流动客流晚高峰值还略高,计算得出的全日负荷高峰时段仍发生在早高峰,表明新风逐时焓值的影响更大;采用方法二,常规的计算结果基本与客流变化相同,晚高峰客流略高,致使晚高峰的负荷略高。按方法一计算得出的全日最高负荷较常规计算结果高出约10%。当客流预测早高峰高于晚高峰时,正好全日新风焓值的高峰与客流高峰相遇,两种方法计算的偏差还要趋大。以上分析表明,车站负荷真实的峰值点多发生在早高峰时段,若按地铁规范规定的晚高峰时段计算车站负荷会使整个车站的冷负荷偏低,理论上远期空调期每天早高峰时段会有1～2h的时段站内标准不能保证。这样,地铁车站全年整个空调期内的不保证时间将远远超过30h。4晚、晚高峰时段本文计算分析的结果并不是个案。一方面,室外新风焓按时变量计算时,一般城市新风焓值的峰值正好处于地铁运行期的早高峰时段(7:30～9:30时),如图6所示(图中曲线表示新风焓值逐时值,水平线表示地铁车站设计取值)是高于按照地铁规范设定的晚高峰时段的取值。另一方面,地铁客流预测的列车开行密度早高峰要高于晚高峰,车站的早高峰客流量高于晚高峰者居多。这表明:室外新风焓值的全日峰值与地铁的早高峰客流重叠,车站负荷出现两峰值叠加,使地铁车站的高峰负荷多发生在早高峰时段。因此,按地铁规范规定的“夏季空调室外空气计算干球温度,采用近20年晚高峰负荷时平均每年不保证30h的干球温度”的要求,虽然新风量按早高峰时客流量配置,但一般情况下计算结果会使车站负荷偏低,这使得车站全年不保证时间大大超过30h。按照《采暖通风与空气调节设计规范》的条款要求,施工图阶段必须逐时计算空气调节区域的冷负荷。鉴于地铁客流的明显特征和新风焓值的全日变化特