可调通风型站台门系统在济南地铁中的适用性研究

王国富 刘海东 潘 雷

(1. 山东科技大学土木工程与建筑学院 山东青岛 266590； 2. 济南轨道交通集团有限公司 济南 250101)



可调通风型站台门系统在济南地铁中的适用性研究

王国富1，2刘海东2潘 雷2

(1. 山东科技大学土木工程与建筑学院 山东青岛 266590； 2. 济南轨道交通集团有限公司 济南 250101)

根据济南地区的气象条件、地铁运行模式、客流量等特点，研究可调通风型站台门系统在济南地铁中的适用性。以地铁R1线地下车站为例，通过使用计算软件STESS对地下车站隧道内热环境进行模拟计算，并采用年值法对可调通风型站台门系统、集成闭式系统、站台门系统、安全门系统等4种系统的空调制式进行经济性分析。结果表明，济南地铁采用可调通风型站台门系统，可以满足设计规范中对区间隧道内空气温度的要求，并能降低系统运行能耗，节约运行费用，实现城市轨道交通的可持续发展。

城市轨道交通；可调通风型站台门系统；通风空调；模拟；经济性分析

1 研究背景

在地铁建设中，环境控制系统(简称环控系统)的主要作用是创造一个合适的运营环境，不仅为乘客提供安全、卫生、舒适的环境，同时也为列车及设备的运行提供必要的条件。统计表明，环控系统能耗约占整个地铁用电负荷的40%～60%[1]，环控系统方案的合理与否严重影响地铁运营能耗，如何降低其能耗是国内地铁行业研究的重点与发展方向。

济南轨道交通地下车站环控系统方案应从济南市的轨道交通整体要求、运力情况和地理气候等方面综合考虑和选择。由于站台门形式不同，地铁站内的空调通风系统也不同，本文将站台门分为安全门(全高安全门、半高安全门)、屏蔽门、可调通风型站台门。目前在地铁空调通风模式的设计中，安全门系统与站台门系统都得到了广泛应用[2]。可调通风型站台门系统将屏蔽门系统与安全门系统的优点结合起来，在夏季可调通风型站台门转换为屏蔽门，可降低公共区空调冷负荷；在过渡季和冬季，可调通风型站台门转换为安全门，充分利用列车运行的活塞风对区间隧道及站台进行有效通风换气，并对车站公共区进行降温冷却，减少公共区的风机开启时间。笔者就可调通风型站台门系统在济南地区轨道交通中的适用性进行了研究。

2 可调通风型站台门系统

2.1 系统原理

可调通风型站台门系统是在传统屏蔽门的固定门或滑动门上部设置带可控风阀通风口的一种空调制式。可调通风型站台门立面如图1所示，站台门可调风口的结构如图2所示。空调季节屏蔽门上的通风口关闭，采用传统屏蔽门系统运行，有效阻隔轨行区与站台之间的空气流动，不仅可以减少车站空调负荷，提高乘客候车舒适性，还可以减小空调机组装机容量，节约机房面积，从而减少初投资；非空调季节屏蔽门风口开启，采用开式系统运行，由于屏蔽门风口打开，隧道区域与地面出入口形成流动通道，活塞风随列车进出车站同时扰动站台空气，为车站引入新鲜空气，减少车站大系统设备的运行时间，达到节能目的。与屏蔽门系统相比，可调通风型站台门系统在非空调季节采用自然通风维持地铁环境，节约了通风能耗；而与安全门相比，夏季车站空调只需负担车站公共区冷负荷，隧道内可以靠自然通风或机械通风，控制最高温度不高于40℃[3]即可，大大降低了空调系统能耗。整合了屏蔽门系统与闭式系统节能优势的可调通风型站台门系统，可以适用于多种气候分区，实现全年节能运行，其空调通风原理如图3所示。

图1 可调通风型站台门立面

图2 站台门可调风口结构

图3 可调通风型站台门系统空调通风原理

2.2 系统特点

1) 可调通风型站台门系统的通风空调方案在机房面积、设备布置上均与传统的屏蔽门通风空调系统相同，能满足地铁内部通风、空调、消防排烟的功能要求。

2) 与集成闭式系统相比(系统原理如图4所示)，夏季车站公共区空调负荷较小，冷却塔容量相应减少，冷却塔噪声降低，冷却水管径减小，冷却塔布置灵活性增加，可降低地面冷却塔规划条件的协调难度；但增加了活塞风道、排热风道，车站规模略有加大，导致地面规划条件的协调难度有所增加。

图4 集成闭式系统空调通风原理

3) 在寒冷地区，通过全年能耗分析，可调通风型站台门系统相比屏蔽门系统每年可节省电耗23.4%、节约运行费用26%[4]，且过渡季节越长，节能优势越突出。

4) 与屏蔽门系统(系统原理如图5所示)相比，可调通风型站台门系统在过渡季可以充分利用活塞风来冷却公共区和区间隧道的空气，从而降低非空调季通风系统的运行能耗，节约运行费用。

图5 安全门系统(闭式系统)空调通风原理

3 数值模拟分析

笔者采用STESS[5]软件，针对济南地区气象条件和地铁中远期规划，对空调季及非空调季隧道内空气温度进行模拟分析。

3.1 地铁空气动力学和热力学模型

3.1.1 STESS软件建模

STESS软件简化了地铁环控系统模型，地铁内的气流流动按一维流动处理，地铁隧道当量为圆管，以水力直径为特征尺寸进行数值分析。地铁隧道壁分为两层，内层为维护结构，外界为岩土层。隧道内的空气通过对流换热和热辐射与隧道壁面进行热交换，考虑到墙表面温度变化特性，深层土壤的温度按恒温处理，由于温度梯度很小，隧道轴向传热相对隧道径向传热可忽略，故隧道壁传热的物理模型为深埋双层圆管一维不稳定导热。根据济南轨道交通R1线地下站建立了相应的模型。

3.1.2 数学模型[6-7]

1) 根据已有的物理模型，建立非线性微分方程。

一维流动运动方程为:

(1)

对于特定的某等截面管段i，假定压力变化及阻力损耗呈线性分布，则有：

(2)

其中质量力fxi为：

(3)

式中，fx为流体所受到的质量力，m/s2；G为流体的体积流量，m3/s；g为重力加速度，9.807 m/s2；D、H分别为支路的阻力损失与获得的能量，Pa；L为支路长度，m；p为压力，Pa；S为支路的阻力系数，Pa/(m3/s)2；V为流体流速，m/s；x为距离，m；i为支路序号。

2) 传热计算及温度求解基本原理。

假设所研究的区域具有一、二、三类边界条件，且土壤中不存在热源，则有如下导热微分方程：

(4)

式中，t为温度；ρ为密度；c为比热；λ为导热系数；r代表位置变量；τ代表时间变量；n为边界的外法线方向；∑1、∑2、∑3分别表示第1、2、3类边界条件；Ω为所研究的区域。

3.2 数值模拟计算

根据所建立的数学模型，对R1线隧道内热环境进行分析研究。

3.2.1 工程概况

济南轨道交通R1线工程位于济南市西部新城区，线路全长26.1 km，共设置车站11座，其中地下站4座，高架站7座。济南属于寒冷地区，最热月的平均温度为27.5 ℃，高于25 ℃。轨道交通R1线远期高峰小时对数为30对，列车为6节编组，两者乘积为180，应采用空调系统。

3.2.2 模拟分析模型

济南轨道交通R1线列车选用B型车、6节编组，最大断面流量21 500人次/h(远期单向早高峰客流最大断面)，有效站台120 m，车站长160 m，共设4座地下站台(王府庄站、大杨庄站、济南西站、演马庄站)，最大行车间隔180 s，车站、配线区采用矩形断面，区间采用圆断面，车站其余信息见表1。因R1线前7站为地上站，从王府庄站开始为地下站，王府庄站前为地下隧道的洞口，图6中站1～站4分别代表王府庄站—演马庄站。

表1 R1线地下车站信息

图6 R1线地下站台及隧道示意

3.2.3 模拟分析

利用STESS软件，在排热风量为40 m3/s的标准工况下，对R1线地下隧道内夏季平均温度和冬季平均温度进行模拟分析，结果见图7～8。

从计算结果看，区间隧道的温度呈洞口温度高、线路终点温度低的整体趋势，是活塞风井进风、区间土壤热壑作用、列车发热量等因素影响的综合体现，但对温度波动起决定性作用的主要是出站端活塞风井、列车进站时的制动发热量以及车载冷凝器的发热量。

图7 标准工况下左、右线冬季平均温度曲线

图8 标准工况下左、右线夏季平均温度曲线

从图7～8可见，全线的温度分布呈以下规律：

1) 由于列车进站时的制动效应以及列车空调冷凝器的散热作用，车站隧道的温度普遍高于相邻区间隧道的温度，夏季时两者平均温差超过2 ℃。

2) 区间隧道的温度与相邻车站隧道的温度具有相同的变化趋势，当车站隧道的温度较高时，相邻区间隧道的温度也较高；当车站隧道的温度较低时，相邻区间隧道的温度也较低。

3) 冬季因受室外空气的影响，洞口处空气温度较低，隧道内空气温度较高，靠近线路终点空气温度趋于平稳。

4) 由图8可知，地下站区间隧道夏季温度为29.7～30.6 ℃(图中阴影部分为区间隧道，非阴影部分为轨行区)，符合地铁设计规范对区间隧道内空气夏季最高不超过35 ℃的要求，因车辆顶部有空调散热，模拟结果中车站轨行区温度较高，为32.2～33.4 ℃，由于屏蔽门可完全阻隔轨行区与站台公共区，因此车站公共区温度不受轨行区影响，满足设计温度的要求。由图7可知，地下车站远期冬季区间隧道最低平均温度为15.2～15.9 ℃，符合设计规范的要求。

4 经济效益分析

笔者结合济南市轨道交通R1线工程的特点，对传统闭式系统、屏蔽门系统、集成闭式系统、可调通风型站台门系统，分别从运行能耗、土建投资、设备投资和维护费用等方面进行综合经济比较[8-10]。

4.1 运行能耗

按照远期通风空调负荷，笔者分不同季节对传统闭式、集成闭式、屏蔽门系统及可调通风型站台门系统的运行能耗进行了对比，见表2。

表2 四种通风空调制式全年运行能耗对比 kW

由表2可知，可调通风型站台门系统通过调整可控风口的开启与关闭，切换系统的运行模式使耗电量大幅降低。空调季节可控风口关闭，空调系统耗电量为集成闭式系统的79%，保持了屏蔽门系统空调季节的节能优势；非空调季节可控风口开启，按照安全门系统运行，可有效利用隧道活塞风进行通风，站台站厅通风能耗大幅降低，耗电量为集成闭式系统的60%。

4.2 年综合费用

笔者采用年值法对4种制式的空调系统进行动态比较。建立系统费用年值数学模型，权衡投资费用和运行费用，寻求技术上和经济上的最佳选配方案。

4.2.1 系统综合费用年值

系统综合费用年值用折算费用来表示，包括初投资、年运行费用(电费或燃气费)、年维护费用，即：

C0=Cr+Cm+(A/P,i,n)(C-S)+Si

(5)

其中

式中，C0为费用年值，元/a；Cr为年运行费用，元/a；Cm为年维护费用，元/a；(A/P,i,n)为资本回收系数；C为土建和站台门、风机、表冷器、冷水机组、水泵、冷却塔等设备的初投资，元；S为资本投资的净残值，元；i为不变折现率；u为现时折现率；f为通货膨胀率；n为设备使用年限，年；P为净现值，元。

4.2.2 年运行费用、维护费用的构成

1) 地铁环控系统的年运行费用Cr主要包括系统空调、通风运行时风机、冷水机组和水泵等辅助设备的运行费用，即单位电价乘以系统年度总耗电量，则：

Cr=c×∑P

(6)

式中，c为电费的单位价格，元/kWh，参照济南电价，按0.63元/kWh计算。

2) 年维护费用Cm包括空调通风系统机组的维修、保养，管理人员工资福利等费用，其影响因素很多，要给出确切的数值是很困难的，笔者采用估算法，按设备初投资C的一定比例计算维护管理费用，即每年维护费为：

Cm=ε×C

(7)

式中，ε为计取系数，取ε=0.03 。

4.2.3 4种空调制式年综合费用对比

通风空调设备、站台门、供电设备等使用寿命在20年左右，所以确定比较的期限为20年。地下车站的土建使用年限为100年，所以按100年进行折算，贷款年利率按6.55%计算。通过式(5)～(7)计算4种空调制式的年综合运行费用，计算结果见表3。

由表3可知，可调通风型站台门系统土建投资与传统屏蔽门系统一致，因在屏蔽门上增设可开启/关闭的风口，其他设备投资稍有增加。空调季可调通风型

表3 4种通风空调制式年综合费用对比

站台门系统按屏蔽门系统运行，空调冷负荷小；非空调季节风口开启，充分利用活塞风冷却公共区，减少了风机的开启时间及运行能耗，故由表3可以看出，可调通风型站台门系统的空调、通风系统设备年耗电费用及年运营费用与其他系统相比最低，具有经济优势。

5 结论

1) 通过数值模拟分析，济南地区地下车站采用可调通风型站台门系统符合地铁设计规范对区间隧道内空气温度的要求。

2) 根据济南地区气候特点，采用可调通风型站台门系统，由于站台门上风口可开启/关闭，既保留了在空调季节的节能优势，又可在非空调季节有效利用活塞风，节能效果明显。

3) 通过对比传统闭式系统、集成闭式系统、屏蔽门系统、可调通风型站台门系统的运行费用及年综合费用，可知可调通风型站台门系统经济性最优。

可调通风型站台门系统作为一种新的空调制式系统，能够满足济南市轨道交通的环控要求，同时可以降低系统运行能耗，节约运行费用，实现城市轨道交通的可持续发展，符合济南轨道交通建设“四节一环保”的绿色地铁理念。

[1] 陈海辉,曾莹莹.地铁屏蔽门环控系统的经济分析[J].华南大学学报：理工版,2003,17(4):33-37.

[2] 李国庆.用于地铁的可调通风型站台门系统综合技术研究[D].天津：天津大学,2012.

[3] 地铁设计规范:GB 50157—2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[4] 朱颖心,秦绪忠,江亿.站台屏蔽门在地铁热环境控制中的经济性分析[J].建筑科学,1997(4):42-46.

[5] 李国庆.城市轨道交通通风空调多功能设备集成系统[J].暖通空调,2009,39(5): 31-32.

[6] 朱培根,朱颖心,李晓峰.地铁环控模 拟 与 分 析[J].地 下空间,2004,24(2):161-165.

[7] 朱培根,朱颖心,李晓峰.地铁通风与热模拟方案及其分析[J].流体机械,2004,32(11):39-42.

[8] 董书芸.北方城市地铁活塞风对地铁环境的影响规律及其有效利用[D].天津:天津大学,2008.

[9] 由世俊,刘运雷,张欢.北方城市地铁站台屏蔽门系统节能分析[C]//全国暖通空调制冷2008年学术年会资料集,北京：2008:42-46.

[10] 王春,冯炼,刘应清.成都地铁环控设计中系统模式比选[J].中国铁道科学,2005,26(1): 67-72.

(编辑：王艳菊)

Research on Adjustable Ventilation Platform Door System in Jinan Rail Transit

Wang Guofu1，2Liu Haidong2Pan Lei2

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590;2. Jinan Rail Transit Group Co., Ltd., Jinan 250101)

Considering some important factors such as meteorological phenomena, mode of operation, and volume of passenger flow, applicability study on adjustable ventilation platform doors system in Jinan rail transit was studied. Taking R1 of Jinan urban rail transit as a case, the adjustable ventilation platform doors system was analyzed by using simulation software STESS to simulate the thermal environment of subway. By using annual value method, this paper analyzes the economic function of adjustable ventilation platform doors system, platform screen door system, etc. The results show that, the adjustable ventilation platform door system can meet the subway design specifications and become more energy efficient, and the sustainable development of urban rail transit can be realized.

urban rail transit; adjustable ventilation platform doors system; ventilation and air conditioning; simulation; techno-economic analysis

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.05.020

2015-11-18

2015-12-01

王国富，男，研究员，从事城市轨道交通工程研究，

潘雷，男，硕士，高级工程师，从事绿色地铁研究。

山东省自然科学基金(ZR2014EEM029，ZR2014EEQ028)

U231.4

A

1672-6073(2016)05-0099-05

metro_jinan@126.com