轨道交通地下车站过渡季通风模式研究

上海建科建筑节能技术股份有限公司 钱 程

0 引言

地铁活塞风对车站内的环境有着重要的影响。列车进站时，由于活塞风的渗入作用，站内形成正压，站内空气通过人行通道排至室外；列车出站时，由于活塞风的抽吸作用，站内形成负压，室外空气通过人行通道进入站内[1]。目前不少学者对地铁活塞风进行了大量的研究，利用现场实测、数值模拟等手段对其风速、变化规律、影响因素进行了分析[2-4]，但对于活塞风作用下从人行通道渗入站内的新风的定量研究较少。而且有关站内活塞风的研究大多针对非屏蔽门系统，而对于全封闭式屏蔽门系统，业内认为渗入车站公共区域的隧道活塞风量微乎其微，但实际上，采用全封闭式屏蔽门系统的车站也客观存在不容忽视的周期性波动的活塞风[5]。因此，本文采用现场实测的方法，定量化研究装有全封闭式屏蔽门系统的车站在活塞风作用下由人行通道口渗入站内的新风量，通过对比站内实时新风量需求，提出更节能的通风模式，降低地铁站能耗。

1 实验对象和方法简介

1.1 测试概况

1.1.1测试车站基本情况

选取上海轨道交通某地下车站为研究对象。该车站于2010年开通，采用全封闭屏蔽门系统，为非换乘车站。车站设计了如图1所示的通风系统，新风从新风井或由新风机引入，经过混风室、组合式空调机组、送风静压箱送入站内，最终送入室内末端。排风经过室内排风口收集，经回排室、回排风机后送入排风井直接排到室外。

图1 通风系统示意图

目前在过渡季该车站有3种通风模式：第1种为开启组合式空调机组风机和回排风机，关闭新风机；第2种为开启组合式空调机组风机，关闭新风机和回排风机；第3种为开启回排风机，关闭新风机和组合式空调机组。在所有的通风模式中，过渡季新风机均不开启，利用回排风机及组合式空调机组风机驱动，提供新风。

实际调研发现，该车站通常采用第1种通风模式，第2种与第3种通风模式很少使用。据现场工作人员解释：1) 依据他们的经验，多开风机能保障站内新风；2) 乘客投诉站内环境“闷”时，工作人员就会认为站内新风不足，于是加开风机，增加新风量。

1.1.2室外温度

测试日期为2019年4月29—30日，测试期间最高气温为27 ℃，最低气温为16 ℃。

1.1.3逐时客流量

从地铁客票系统调取了测试期间的逐时客流量，比较第1天和第2天客流量及其变化趋势可以发现：1) 第1天和第2天进出站人数峰值相似，第1天峰值为2 420人/h，第2天峰值为2 386人/h；2) 第1天和第2天客流变化趋势相似，进出站总人数在1天之内出现2个高峰，时间为08:00—09:00和17:00—18:00，其余时段人数变化平缓。第1天和第2天的逐时客流量分别如图2、3所示。

图2 第1天逐时客流量

图3 第2天逐时客流量

1.2 风速和CO2浓度测量方法

1.2.1风速测量方法

该车站有4个人行通道，利用热球风速仪(量程0.05～30.00 m/s,分辨率0.01 m/s，-5%≤误差≤5%，且-0.05 m/s≤误差≤0.05 m/s)测量人行通道口的风速。由于热球风速仪无法判断风向，故在热球风速仪测试杆上粘贴轻质丝带，通过丝带的摆动方向判断风速流向。通过全时视频记录仪的记录视频，由人工对热球风速仪的风速记录值与风向进行对应。

考虑到不能长时间在出入口进行人工测试，尤其是上下班高峰期会影响车站正常运营，因此在吊顶上布置风速仪和丝带，并通过摄像机实时记录丝带飘动情况，测试示意图和具体布置如图4所示。

图4 仪器布置点位

1.2.2风速测量误差分析

在通道口1截面上，同时利用4台风速仪测试4个点的风速，并与长期测试点的风速进行对比分析。如表1所示，3组测试工况测点的风速都较为均匀，每组工况的平均风速与长期测点风速之差为-11%～4%左右。考虑到每组工况平均风速与长期测点风速误差不大，可认为长期测点风速近似为截面平均风速。

表1 截面风速与长期测试点风速对比

1.2.3新风量计算方法

图5 单个通道内的有效渗入新风量计算方法

在计算出每个通道口的逐时新风量G之后，可以累加G1、G2、G3、G4的风量，求得站内总渗入新风量Gz。

1.2.4地下车站人员需求新风量

地下车站人员包含工作人员和乘车人员，工作人员取实际人数15人，乘车人员根据车站票务系统取站内逐时人数，人均新风量按设计规范取为12.6 m3/(人·h)[6]，乘车人员人均进站和出站时间根据列车区间行驶时间估算，进站时间为10 min，出站时间为5 min。地下车站人员需求新风量由式(1)计算。

12.6 m3/(人·h)

(1)

式中Gx为地下车站人员需求新风量，m3/h；Nj为每小时进站人数，人/h；Nc为每小时出站人数，人/h；Ng为工作人员数，人。

1.2.5CO2浓度测量方法

在站台和站厅按图6布置CO2浓度测试仪器，自动记录站内CO2浓度变化情况。

图6 CO2浓度测试仪器布置示意图

2 实验工况

在过渡季，轨道交通地下车站存在开风机增加新风量供应的现象。为了验证不同风机模式下的站内新风量，共设计了3种测试模式：第1种为单开排风机模式；第2种为风机全关模式；第3种为风机全开模式。在该车站进行了不同通风模式下的CO2浓度测试。

3 车站不同风机开启模式下由通道渗入站内的新风量

3.1 车站风机开启模式

该车站风机开启模式实际情况为：第1天维持单开回排风机(08：00—19:00)；第2天08:00—10:00保持风机全关，10:00—15:00空调风机和回排风机全开。

3.2 车站人员新风需求量

根据式(1)计算人员新风需求量，第1天需求高峰值为4 003 m3/h，第2天需求高峰值为4 108 m3/h，2天非高峰期间风量范围为1 500～2 000 m3/h。第1天与第2天的人员新风需求量分别如图7、8所示。

图7 第1天人员新风需求量

图8 第2天人员新风需求量

3.3 车站通道渗入站内新风量

3.3.1通道口逐时通风量

综合比较3种通风模式下各个通风口风量可以发现，车站同一端相对的2个出入口存在风向相反、风量差异较大的现象，如单排模式下通道A保持进风的状态，风量均值达到77 190 m3/h，而通道B保持流出的状态，风量均值达到-18 236 m3/h，通道C保持进风的状态，风量均值达到35 087 m3/h，通道D保持流出的状态，风量均值达到-18 236 m3/h，即从通道A和C进入站内的风部分从通道B和D流出。其他通风模式亦存在上述现象，3种通风模式下4个通道的逐时通风量如图9～11所示。

图9 单排风模式4个通道逐时通风量

图10 风机全关模式4个通道逐时通风量

图11 风机全开模式4个通道逐时通风量

3.3.2通道口渗入站内有效新风量

累加4个通道风量，得到进入站内的有效新风量。如图12所示，地铁站第1天采用单排风模式，即只开回排风机，进入站内的新风量通常由地铁运行造成的活塞风和回排风造成，进入站内的平均新风量为8.4万m3/h，远高于室内人员需求新风量。

图12 单开回排风机出入口渗入新风量

图13显示了第2天08:00—09:00风机全关模式下出入口渗入新风量。地铁站内新风量主要是由地铁运行造成的活塞风组成，进入站内的平均新风量为1.8万m3/h，出入口渗入新风量也高于地铁内人员需求新风量。

图13 风机全关模式下出入口渗入新风量

图14显示了第2天10:00—15:00风机全开模式下出入口渗入新风量。进入站内的新风量不仅由地铁运行造成的活塞风和回排风组成，也包含空调箱风机直接抽取的室外新风，新风量达到1.4万m3/h左右，也高于人员新风量需求。若加上空调箱风机送入站内的风量(空调箱额定风量为4万m3/(台·h)，共4台)，则在活塞风、回排风机、空调箱风机耦合作用下，整个站内新风量可达13.4万m3/h。

图14 风机全开模式下出入口渗入新风量

比较3种通风模式下通道渗入的新风量可知：单开回排风机模式的新风量最大，其次为风机全关，最小为风机全开；风机全关和风机全开2种模式新风量相差不大。由于风机全关时进入站内的新风只有由通道渗入的新风，没有风机送入的新风，故其新风量是最小的，最多可以满足9 200人/h(进站4 600人/h和出站4 600人/h)的客流量。

单开回排风机模式下通道渗入新风量最大，因为通道渗入新风量不仅包含了由活塞风引起的渗入新风，也包含了由回排风机引起的室外空气进入站内的新风。风机全关模式下通道渗入新风量则全是由活塞风引起的；风机全开模式下通道渗入新风量由活塞风、回排风机、空调箱风机耦合引起。如果回排风机排出风量与空调箱风机补风量相等，那么通道渗入新风量只由活塞风引起；如果回排风机排出风量小于空调箱风机补风量，那么通道渗入新风量应该为活塞风引起的渗入新风减去排风量和补风量的差值，这也能说明为什么风机全开模式下通道渗入新风量小于风机全关模式。

4 不同风机模式下站内CO2浓度

进行风量测试的同时，也监测了该车站内的CO2浓度，结果如图15所示。3种模式下站内CO2体积分数低于设计规范规定值1 500×10-6。一天之内CO2浓度出现2个高峰，第1个出现在08：00—09：00，第2个出现在17:00—18：00，为人员上下班的高峰期。

图15 不同通风模式下站内CO2体积分数

比较单开回排风机和风机全开模式，第1天和第2天10：00—15:00平均进出站总人数分别为567、526人/h，CO2体积分数平均值分别为654×10-6和576×10-6。2种风机运行模式所服务的人数相差不大，站内CO2体积分数相差78×10-6，但都满足站内CO2浓度的要求，从节约能耗的角度考虑，单开回排风机模式优于风机全开。

比较风机全关和单开回排风机模式，第1天和第2天早高峰时进出站总人数分别为2 420、2 386人/h，第1天单开回排风机模式下CO2体积分数峰值达到821×10-6，第2天风机全关模式下CO2体积分数峰值达到816×10-6。2种风机运行模式所服务的人数相差不大，站内CO2浓度控制效果也一致，从节能的角度考虑，风机全关模式优于单开回排风机。

综上所述，3种通风模式下的站内CO2浓度都满足设计规范要求。从节约能耗的角度考虑，风机全关模式是地下车站过渡季通风的最佳选择。

5 节能量估算

在过渡季内，若该车站客流量小于等于测试工况及站内温湿度满足规范要求时，相比于目前采用的风机全开模式，采用风机全关的模式，依靠活塞风引起的通道渗入新风保障站内新风供应，每年最多可以节约风机电量8.19万kW·h。具体计算过程如下：过渡季为3月初至5月初和10月中旬至11月中旬，共91 d；每天06:00—23:00运行，共计18 h；回排风机功率为15 kW/台，实测运行功率为10 kW/台左右，空调箱风机功率为22 kW/台，实测运行功率为15 kW/台左右，每天运行2台回排风机和空调箱风机；则每年过渡季可节约电量P=2台×(10 kW/台+15 kW/台)×18 h/d×91 d=81 900 kW·h。

6 结论

在本文测试工况下，即客流量峰值小于等于2 420人/h时，可以得出如下结论：

1) 实测表明，在单开回排风机、风机全关、风机全开3种模式下，由人行通道渗入站内的新风量能满足人员新风需求，其中单开回排风机时通道渗入站内新风量最大，风机全开和风机全关模式渗入新风量相当。

2) 比较单开回排风机、风机全关、风机全开3种模式下站内CO2浓度可知，3种通风模式下站内CO2浓度控制效果一致，且CO2体积分数低于设计规范规定值1 500×10-6，满足站内CO2浓度控制要求。

3) 客流量小于等于测试工况及站内温湿度满足规范要求时，建议该车站在过渡季使用风机全关的模式，相比于目前地铁车站使用的风机全开模式，每年最多可节电8.19万kW·h。