地鐵空調(diào)負(fù)荷分析及估算_圖文

1、地鐵空調(diào)負(fù)荷分析及估算鐵道第二勘察設(shè)計院鐘星燦摘要簡要分析不同系統(tǒng)模式的地鐵空調(diào)負(fù)荷組成。重點探討非屏蔽門系統(tǒng)(閉式系統(tǒng)的熱源構(gòu)成、熱量分布規(guī)律,以及空調(diào)負(fù)荷的估算方法。關(guān)鍵詞地鐵空調(diào)動態(tài)負(fù)荷動能分析估算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引言近年來,地鐵已成為解決城市交通問題的重要途徑之一。與早期興建的地鐵相比,人們對如今地鐵的環(huán)境狀況寄予了更高的期望。因此,相關(guān)的技術(shù)問題受到越來越多的關(guān)注。地鐵建設(shè)耗資巨大,設(shè)計時既要確保地鐵環(huán)境合理的溫濕度和相關(guān)的衛(wèi)生要求、有效地控制地鐵環(huán)境災(zāi)害,以維持地鐵運營的基本環(huán)境需求,又必須控制地鐵建設(shè)的投資。因此,針對地鐵環(huán)境空調(diào)負(fù)荷的分析和研究非常必要且具有現(xiàn)實意義。1地鐵環(huán)境空調(diào)負(fù)荷特點地鐵環(huán)境空調(diào)負(fù)荷與普通地面建筑的主要不同之處在于,地鐵列車運行時消耗的能源最終都將以熱的形式

4、分布在地鐵環(huán)境中,成為影響地鐵環(huán)境的動態(tài)負(fù)荷。統(tǒng)計資料表明,對于一個車站與隧道沒有分隔的地鐵環(huán)境,如果把車站環(huán)境視為空調(diào)對象時,這種動態(tài)負(fù)荷約占車站空調(diào)負(fù)荷的70%。另外,地鐵處于地下,故地鐵環(huán)境不受太陽輻射的影響,除了計算冷負(fù)荷時必須考慮室外新風(fēng)的影響之外,在計算地鐵車站自身的空調(diào)冷負(fù)荷時基本可忽略室外環(huán)境的影響。2地鐵空調(diào)系統(tǒng)模式早期建設(shè)的地鐵基本沒有空調(diào)(通風(fēng)是必須的,并且多在緯度偏高的地區(qū)(世界上最早的地鐵于1863年在英國倫敦建成。隨著社會的發(fā)展,空調(diào)系統(tǒng)開始在地鐵環(huán)境中得到了應(yīng)用,原因有:1緯度偏低的地區(qū),室外空氣溫度較高,列車在地下常年運行,地下巖土的蓄熱使得地鐵環(huán)境溫度逐年上升

5、;2人們對其出行的環(huán)境有了更高的期望。現(xiàn)行的地鐵空調(diào)系統(tǒng)基本有兩種模式:屏蔽門系統(tǒng)和非屏蔽門系統(tǒng)。粗略估算,設(shè)有屏蔽門的地下車站,其空調(diào)負(fù)荷約為無屏蔽門地下車站空調(diào)負(fù)荷的三分之一。目前,兩種模式均有選用。非屏蔽門系統(tǒng)的地鐵空調(diào)模式,因其歷史相對久遠(yuǎn),在實際運行的地鐵空調(diào)系統(tǒng)中,依然占有絕對多數(shù)。在屏蔽門系統(tǒng)模式中,屏蔽門將隧道分隔在車鐘星燦,男,1954年3月生,大學(xué),高級工程師610031四川省成都市通錦路3號鐵道第二勘察設(shè)計院地鐵院(0138*E2mail:zxc5454收稿日期:20051101站站臺之外,其車站空調(diào)負(fù)荷受隧道的影響相對較小,負(fù)荷計算相對簡單。而在非屏蔽門系統(tǒng)模式中,車站

6、和隧道無分隔,車站環(huán)境與隧道環(huán)境、列車運行狀況皆不可分離,空調(diào)負(fù)荷的確定相對復(fù)雜?，F(xiàn)就兩種不同的系統(tǒng)模式分別討論其車站空調(diào)負(fù)荷。本文所指的地鐵車站空調(diào)系統(tǒng),主要針對以乘客為服務(wù)對象的車站公共區(qū)。不包含以設(shè)備和管理人員為對象的設(shè)備管理用房(該范圍的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng),常稱為小系統(tǒng);相應(yīng)地,以乘客為服務(wù)對象的公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)則簡稱為大系統(tǒng)。3屏蔽門系統(tǒng)空調(diào)負(fù)荷屏蔽門系統(tǒng)模式下,地下車站可視為一個相對封閉的地下箱形建筑。其熱濕負(fù)荷由以下幾個方面構(gòu)成。3.1機(jī)電負(fù)荷這類負(fù)荷基本是由車站公共區(qū)所有用電設(shè)施產(chǎn)生的,包括自動扶梯、垂直電梯、廣告、照明、緊急疏散指示牌、自動售檢票機(jī)等。可通過各種用電設(shè)施的實際功率

7、很方便地計算得出。3.2人體熱濕負(fù)荷人體熱濕負(fù)荷計算的關(guān)鍵在于確定地鐵車站內(nèi)的具體人數(shù)高峰小時客流量(這一數(shù)據(jù)一般源自當(dāng)?shù)亟煌ㄒ?guī)劃部門的客流預(yù)測報告,計算中尚需考慮車站所處地區(qū)的超高峰系數(shù)。實際上,由于乘客在車站滯留的時間不同,這部分負(fù)荷是動態(tài)負(fù)荷。上車乘客從地面進(jìn)入地鐵站廳、站臺候車、直至進(jìn)入地鐵車廂,全過程大致需要35min;下車乘客經(jīng)車站站臺、站廳直至地面,約需3min。這一過程的平均時間與列車行車計劃相關(guān)(列車到達(dá)本站的時間間隔決定了乘客在站臺的最長滯留時間。當(dāng)上下車乘客在車站滯留的時間確定之后,考慮適當(dāng)?shù)娜杭禂?shù),車站的人體散熱負(fù)荷就確定了。3.3圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷包括車站圍護(hù)

8、結(jié)構(gòu)周圍的土壤傳熱和屏蔽門傳熱以及出入口的對流換熱。土壤傳熱是一個不穩(wěn)定的傳熱過程,與車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)土壤特性、建筑構(gòu)造形式等有關(guān),其計算相對復(fù)雜,不確定因素較多。但是,對于屏蔽門系統(tǒng)的車站空調(diào)負(fù)荷而言,土壤傳熱所占的比例甚微,基本可以忽略不計。屏蔽門隔離了兩個不同的溫度環(huán)境,站內(nèi)環(huán)境與隧道之間的傳熱可以按一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱計算。在確定了車站屏蔽門的面積和材質(zhì)之后,屏蔽門傳熱負(fù)荷就確定了。3.4其他不確定空調(diào)負(fù)荷地鐵車站的建筑形式并不單一,對于淺埋車站或半地下車站,站廳、站臺的設(shè)置形式更為靈活。隨著車站與外部環(huán)境接觸面積的增大,站內(nèi)空調(diào)環(huán)境的影響因素也不斷增多。不同規(guī)模的車站,不同的周邊環(huán)境,其出入口通

9、道的長度、數(shù)量也會有所不同。除各個出入口需要考慮適當(dāng)?shù)臐B透負(fù)荷外(譬如按出入口通道截面,以200W/m2計,當(dāng)其通道較長時,也需要按其面積考慮適當(dāng)負(fù)荷。由于實際情況存在較大的差異,需要因地制宜地酌情考慮附加負(fù)荷,不宜簡單統(tǒng)一。屏蔽門在列車停站時開啟,導(dǎo)致站臺與隧道環(huán)境暫時換熱,成為影響站臺空調(diào)環(huán)境最不確定的空調(diào)負(fù)荷。這個負(fù)荷與列車編組、車廂長度、發(fā)車間隔、停站時間相關(guān)。該部分空調(diào)負(fù)荷,目前尚無成熟的計算方法(一些城市地鐵按510m3/s估算其漏風(fēng)量,有待于通過更多的地鐵屏蔽門運行實例,總結(jié)出合理的計算方法。4非屏蔽門系統(tǒng)空調(diào)負(fù)荷當(dāng)車站與行車隧道并無隔離時,地鐵的環(huán)境控制難以將車站和隧道區(qū)別對待

10、。在非空調(diào)季節(jié),該系統(tǒng)地鐵利用列車行進(jìn)產(chǎn)生的活塞效應(yīng),通過設(shè)置在隧道與外界連通的風(fēng)井進(jìn)行自然通風(fēng),以消除環(huán)境的余熱余濕(稱為開式系統(tǒng)。而在空調(diào)季節(jié),系統(tǒng)關(guān)閉設(shè)置在隧道的風(fēng)井,主要依靠地鐵自身的空調(diào)系統(tǒng)控制地鐵環(huán)境(稱為閉式系統(tǒng)。本章討論的非屏蔽門系統(tǒng)的空調(diào)負(fù)荷,即指車站與行車隧道無隔離、系統(tǒng)處于閉式狀況下的空調(diào)負(fù)荷。閉式系統(tǒng)中,車站站臺與區(qū)間隧道之間并無屏障。車站的溫度、濕度及其他衛(wèi)生條件,通過車站空調(diào)系統(tǒng)來實現(xiàn);區(qū)間隧道的溫度,依靠活塞風(fēng)攜帶車站的空調(diào)氣流來維持在設(shè)定范圍內(nèi)。實際上,某一車站的空調(diào)負(fù)荷,包含了相鄰區(qū)間隧道保持設(shè)定環(huán)境條件所必須的空調(diào)負(fù)荷(一般情況下,列車車廂夏季空調(diào)設(shè)計溫度為

11、27。為了使地鐵車站環(huán)境成為合理的過渡環(huán)境,站臺設(shè)計溫度多在28 29,車站站廳設(shè)計溫度30;區(qū)間隧道的設(shè)計溫度,為保障列車車廂空調(diào)外置冷凝器的正常運行,控制在35以下。圖1是一個地鐵車站“島式”站臺平面示意。圖2是一段地鐵站縱剖面示意圖。 圖1地下車站“島式”站臺平面示意圖 圖2地鐵站縱剖面示意圖從圖1,圖2中不難看出,車站的空調(diào)負(fù)荷僅指本站的空調(diào)負(fù)荷。其中站廳空調(diào)負(fù)荷的計算與屏蔽門系統(tǒng)相同。但對于站臺而言,除了少量車站固有的機(jī)電設(shè)備負(fù)荷和人員空調(diào)負(fù)荷外,列車運行發(fā)熱量則成為最主要的負(fù)荷來源,且該負(fù)荷是動態(tài)負(fù)荷。站臺空調(diào)環(huán)境溫度也是一個波動值,其設(shè)計環(huán)境溫度也僅僅是這個波動值的平均概念。在現(xiàn)

12、行地鐵的設(shè)計中,地下車站空調(diào)負(fù)荷值多通過計算機(jī)模擬計算。早在20世紀(jì)70年代,美國為適應(yīng)地鐵建設(shè)的需要,編寫了SES (subway environment system 模擬計算程序。以后其版本雖有更新,但其核心并無質(zhì)的改變。隨著地鐵的發(fā)展,近年來一些新的地鐵環(huán)境模擬計算程序相繼問世,旨在更清楚地把握地鐵環(huán)境的氣流運動和熱力傳遞規(guī)律,為通風(fēng)空調(diào)和防災(zāi)系統(tǒng)設(shè)置提供依據(jù)。圖3是某段地鐵的SES 模擬結(jié)果,它顯示了三個車站和相鄰區(qū)間隧道的溫度分布情況(對于隧圖3地鐵線路局部區(qū)段夏季空調(diào)工況模擬溫度分布道而言,僅顯示了列車對開線路上單側(cè)隧道的情況,圖中凹陷部分是車站所在位置。地鐵線路上,由于各車站的

13、規(guī)模、建筑形式不盡相同,區(qū)間隧道的結(jié)構(gòu)形式、長度、坡度也應(yīng)因地制宜,故各個車站和區(qū)間,其空調(diào)負(fù)荷和溫度分布也不同。雖然模擬計算可以比較接近地鐵環(huán)境氣流和熱力分布的真實情況,但模擬計算本身的準(zhǔn)確性卻依賴于所建立的數(shù)學(xué)模型。任何原始數(shù)據(jù)輸入的正確與否,都將直接影響模擬的結(jié)果。就目前國內(nèi)的地鐵建設(shè)情況而言,從開始著手研究直到地鐵運行,35年甚至更長的周期皆有可能。因此,早期方案階段期望獲取大量準(zhǔn)確可靠的原始數(shù)據(jù)幾乎不可能,且方案研究也難以為建立模擬所需要的數(shù)學(xué)模型提供穩(wěn)定的建筑結(jié)構(gòu)形式。在地鐵車站建筑中,除了正常客流所需的公共區(qū)建筑面積以外,在所有為地鐵運行服務(wù)的設(shè)備管理用房中,通風(fēng)空調(diào)專業(yè)所需占用

14、的建筑面積超過一半以上(20世紀(jì)90年代建成的廣州地鐵一號線為非屏蔽門系統(tǒng),其普通設(shè)備管理用房建筑面積的實際統(tǒng)計結(jié)果約為3500m 2,通風(fēng)空調(diào)專業(yè)占用20002100m 2(約占2/3。如果沒有對空調(diào)負(fù)荷的早期估算,相應(yīng)的設(shè)計也難以確定車站必要的建筑規(guī)模。因此,早期估算空調(diào)負(fù)荷對于地鐵空調(diào)設(shè)計是非常必要的。地下車站非屏蔽門系統(tǒng)的空調(diào)負(fù)荷可以分為兩部分:1人員負(fù)荷和機(jī)電負(fù)荷,這部分負(fù)荷計算方法與屏蔽門系統(tǒng)基本相同;2由列車運行散熱產(chǎn)生的負(fù)荷,此部分負(fù)荷是站臺空調(diào)負(fù)荷的主要來源,但由于早期難以準(zhǔn)確計算,故估算就顯得尤為重要?？照{(diào)負(fù)荷的估算方法有多種,其估算的準(zhǔn)確度差異也比較大。地下鐵道設(shè)計與施工

15、1中有比較簡潔的概算法。也有相對有效的過程法。相對而言,筆者比較贊同SubwayEnvironment Design Handbook 2中推薦的估算方法。該方法以統(tǒng)計學(xué)為基礎(chǔ),通過能量守恒的基本原理進(jìn)行分析,并以列車動能作為參照指標(biāo)進(jìn)行估算。1運動負(fù)荷特征一輛?？吭谲囌镜牧熊?由供電系統(tǒng)輸入電力驅(qū)動,使其加速到設(shè)定的速度在隧道區(qū)間運行。此時的運行列車具有自身的運動動能,當(dāng)列車制動?？肯乱卉囌緯r(假定沒有其他因素干預(yù),其動能將100%的轉(zhuǎn)化為熱量。實際上,維持列車正常的勻速運動,仍然需要一定的電力驅(qū)動,這些能量最終都將轉(zhuǎn)化為熱量。對于理論上封閉的地鐵系統(tǒng)而言,這些熱量依然留存在地鐵環(huán)境系統(tǒng)中,

16、并成為非屏蔽門系統(tǒng)(閉式系統(tǒng)地鐵環(huán)境的主要熱負(fù)荷。同樣,列車自身的空調(diào)冷凝器釋放的熱量也將隨列車運動沿途分布。與此同時,車站及隧道的固定熱源也因列車運動的影響改變了原有的分布形式。這些熱量的形成與分布,代表了地鐵環(huán)境空調(diào)系統(tǒng)動態(tài)負(fù)荷的特征。2列車運動散熱的影響因素由于列車運動散熱與其動能密切相關(guān),因此,列車的質(zhì)量、發(fā)車頻率、運行速度都將對地鐵環(huán)境的空調(diào)負(fù)荷產(chǎn)生影響。列車質(zhì)量隨著列車的類型、編組以及乘客人數(shù)的不同而不同,列車的質(zhì)量可以預(yù)先確定。由于行車組織的不同,其計劃的發(fā)車頻率也不同。對于地鐵的不同運行階段(初期、中期、設(shè)計期,列車的運行數(shù)量不同。從而需要相應(yīng)的行車計劃,以把握地鐵線路上運行的

17、列車數(shù)量。在運行間距和運行時間確定的前提下,列車在區(qū)間上的平均運行速度可以確定。統(tǒng)計結(jié)果表明,列車在隧道中每一次從啟動運行到制動靜止直至下一次啟動(一個站間運行周期,其環(huán)境全過程的散熱量約為2倍動能。針對不同的列車速度,Subway Environment Design Handbook給出了其環(huán)境散熱的統(tǒng)計情況,如表1所示(1mph=1.6093km/h。當(dāng)然,這個結(jié)果是在一般條件下和一般區(qū)間長度的前提下作出的統(tǒng)計(國內(nèi)地鐵車站設(shè)置間距多在1 km左右,列車在車站之間實際行駛的速度多在40mph左右,且并不包含通風(fēng)效果的影響和其他特例。表1地鐵車站及相連隧道的散熱速度64.372km/h(4

18、0mph96.558km/h(60mph128.744km/h(80mph每輛列車每次停站散熱/kJ 動能比率每輛列車每次停站散熱/kJ動能比率每輛列車每次停站散熱/kJ動能比率列車制動62565114074512502601列車加速141380.226368220.262775470.31三軌受電損失10550.01763300.045289090.116隧道燈光2110.0035280.0049500.004列車附件33760.05443260.0354860.022車載空調(diào)411470.658548630.39685790.273車站燈光、設(shè)備和人員146650.234146650.10

19、4146650.059合計137157 2.192258279 1.835446396 1.784參考動能62565114074512502601實際上,列車的運動散熱主要來源于裝在列車底部的制動電阻格柵散熱和列車車廂攜帶的空調(diào)冷凝器散熱。在不同的運行速度下,列車的運動散熱分配到車站和隧道的比例是不同的。表2和表3是這些散熱量的分布情況。表2電阻格柵散熱量的分布速度留在通過隧道進(jìn)入車站進(jìn)入前方隧道熱量/ (kJ/輛百分?jǐn)?shù)/%熱量/(kJ/輛百分?jǐn)?shù)/%熱量/(kJ/輛百分?jǐn)?shù)/%64.372km/h(40mph2532 4.04378569.91624826.1 80.465km/h(50mph6

20、752 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列車空調(diào)冷凝器散熱量的分布速度留在通過隧道進(jìn)入車站進(jìn)入前方隧道熱量/(kJ/輛百分?jǐn)?shù)/%熱量/(kJ/輛百分?jǐn)?shù)/%熱量/(kJ/輛百分?jǐn)?shù)% 64.372km/h(40mph411510.02880370.0822920.0 80.465km/h(50mph643613.42

21、880360.01276626.6 96.558km/h(60mph865115.82880352.51740831.7 112.651km/h(70mph1097317.82880346.62194535.6 128.744km/h(80mph1329419.42880342.02648238.6由于列車運動同時影響了地鐵環(huán)境中固定熱源的散熱分布,以至地鐵環(huán)境的空調(diào)負(fù)荷實際分布情況皆與列車的運動狀態(tài)相關(guān)。表4所示即為綜合所有熱源散熱量分布的情況。表4地鐵環(huán)境所有熱源散熱量分布速度留在通過隧道進(jìn)入車站進(jìn)入前方隧道熱量/ (kJ/輛百分?jǐn)?shù)/%熱量/(kJ/輛百分?jǐn)?shù)/%熱量/(kJ/輛百分?jǐn)?shù)/%6

22、4.372km/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通過表24可以了解地鐵環(huán)境的散熱分布。這些數(shù)據(jù)是一組在動態(tài)環(huán)境下熱量分布的基本范例,是根據(jù)列車有關(guān)時間/距離運動的一個側(cè)面得到的結(jié)果。而設(shè)計中地鐵環(huán)境散

23、熱分布比較精確的取值是采用表5。表5地鐵環(huán)境散熱分布初步設(shè)計估算值速度各部分比例/%留在通過隧道進(jìn)入車站進(jìn)入前方隧道64.372km/h(40mph10702080.465km/h(50mph12632596.558km/h(60mph155530112.651km/h(70mph184735128.744km/h(80mph2040403地鐵環(huán)境散熱分布的估算步驟通過初期確定的列車類型,確定列車質(zhì)量(載有乘客的車廂質(zhì)量及列車編組,通過行車計劃確定列車在各個車站之間的最高行駛速度,以確定列車的動能。設(shè)定散熱量為2倍動能。按表5確定車站和隧道的熱量分布。按照以上步驟確定的僅僅是一輛列車的狀況,通

24、過行車計劃掌握單位時間的計劃行車對數(shù)(例如,當(dāng)計劃行車對數(shù)為30對/h時,其車站到發(fā)列車為60輛/h,則地鐵環(huán)境散熱量的分布狀況就可以基本了解。在獲得地鐵環(huán)境散熱分布的條件下,根據(jù)車站和隧道的設(shè)計環(huán)境參數(shù),不難確定空調(diào)負(fù)荷。這一結(jié)果也就是期望獲得的早期空調(diào)負(fù)荷的估算結(jié)果。雖然這個估算值并不是最終的設(shè)計值,但對于地鐵設(shè)計的初步階段,其精確度已經(jīng)足夠,尤其對早期方案確定和車站規(guī)模確定都將大有幫助。5結(jié)語本文對地鐵環(huán)境空調(diào)負(fù)荷僅作了粗略的分析,但希望能有助于與同行共同探索地鐵環(huán)境空調(diào)設(shè)計的特點。參考文獻(xiàn)1施仲衡.地下鐵道設(shè)計與施工M.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,19972United State Department of Transportation.Subwaynuwironmental design handbookM.Washington DC,19783鐵道第二勘察設(shè)計院,廣州市地下鐵道總公司.回顧與思考廣州市地下鐵道一號線工程設(shè)計總結(jié)M.北京:中國鐵道出版社,2002(上接第59頁3結(jié)論311本文建立了除濕冷卻空調(diào)系統(tǒng)中除濕塔的傳質(zhì)傳熱模型,在滿足空調(diào)要求的工況下選擇參數(shù)進(jìn)行了模擬計算。312入口溶液溫度和濃度對除濕性能影響較大,入口空氣溫度對其影響則相對較小。3.3空氣除濕后的狀態(tài)參數(shù)對空調(diào)送風(fēng)溫度有著直接影響,提高除濕塔的除濕性能,尤其是控制入口溶液