严寒地区地铁车站环控系统运行性能实测研究*

清华大学 许峥浩 张 涛 刘晓华呼和浩特市城市轨道交通建设管理有限责任公司 刘占英 张振义 李 晨

0 引言

轨道交通是重要的城市基础设施，当前我国城镇化建设快速发展及“一带一路”倡议全面实施，轨道交通、地铁车站建设飞速发展。列车牵引、车站动力照明是轨道交通用能体系中最主要的2个分项，而通风空调(环控)系统能耗通常在车站能耗中占比最大[1-2]。已有研究指出，北方地区牵引、环控能耗分别占地铁总能耗的1/2和1/3，而南方地区环控能耗占总能耗的1/2左右[3]。因此，地铁车站节能尤其是其环控系统节能是轨道交通节能工作的一项重点。

当前对地铁车站环控系统的研究主要包括冷源选用、能耗分析、通风模式、热环境控制等方面。朱培根等人基于大数据理论，对南京市地铁环控系统的逐时能耗进行了分析，建立了车站典型日逐时能耗模型，实现了不同类型车站的能耗预测[4]；关博文等人在研究中发现，地铁车站存在新风供给过量的现象，在关闭机械新风机的情况下也能够满足人员新风需求[5]；罗辉等人研究发现，在车站能耗中隧道排热风机有较大的节能潜力[6]；杨乐在实测研究中发现，多数情况下轨底排风的温度较低，排热效果差，可考虑取消轨底排风[3]；朱建章等人认为轨底排热的效率低，同时轨底排风系统又占据了空间资源，增加了控制的复杂程度，因此需要进一步讨论取消轨底排热系统的可行性[7]；张雄对取消轨底排风的可行性进行了模拟分析，但对严寒地区应用的实际效果还缺乏进一步的研究[8]。

从国内地铁车站的发展现状来看，地铁车站主要集中在北上广深等特大型城市，集中在寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖等气候区，对于严寒气候区地铁车站的环控系统实际运行性能、节能运行及环控系统如何更合理设计等关键问题尚未得到重视，因此有必要针对相应地铁车站环控系统开展运行节能关键问题的深入研究。本研究针对严寒地区某地铁车站环控系统的实际运行性能及取消轨底排风后的轨行区温度变化情况进行了测试，分析并讨论了不同季节环控系统运行情况及节能优化措施，旨在为严寒地区地铁车站环控系统的设计及运行提供参考。

1 车站概况

1.1 车站基本信息

本研究测试的地铁车站位于严寒地区，选取的车站为该地地铁1号线的2个地下站，具体的车站信息如表1所示，其中A站位于市郊，B站位于商业区。

1.2 环控通风系统

测试站公共区的通风系统(下称大系统)原理图见图1，大系统采用全空气直流通风系统，车站两端各设置一条送风道和一条排风道，在送风机前布置一台冬季小新风机，每端系统设备各承担半个车站公共区的通风系统所需风量，送、排风机均为变频运行，以满足不同风量下的运营需要，大系统的设计计算结果如表2所示。轨行区排风由列车顶排风，排风口与列车空调冷凝器的位置对应，与传统的轨行区通风系统相比，取消了轨底排风。夏季正常运行时，车站大系统开启送、排风机，关闭站台门上方的电动可调风口；过渡季正常运行时，车站大系统关闭送、排风机，开启站台门上方的电动可调风口，从出入口自然补风；冬季正常运行时，车站大系统开启新、排风机，关闭站台门上方的电动可调风口，如表3所示。车站在冬季运行时，为防止室外冷风大量渗入，在各出入口与地面连接处加装了挡风门帘。

表2 大系统通风设计计算结果

1.3 测试方法

为探究严寒地区地铁车站大系统的实际环控系统运行效果及取消轨底排热后轨行区的实际运行效果，本研究在夏季、冬季和过渡季分别对2个车站进行了实地测试，测试内容包括：1) 室外及站内公共区的空气温度及CO2浓度分布；2) 出入口的渗风情况及压差；3) 大系统风机送、排风量；4) 轨行区的温度。其中，出入口风量的测试选取出入口长直通道的中部来进行测试，将断面平均分割成6个区域，每个区域中心处布置1个风速测点，实际的测点布置如图2所示。车站客流情况及列车进出情况由综控室的面板数据统计得到。表4给出了测试仪器的精度，测试分别在2020年1、7、9月进行，测试期间2号线还未开通运行。

表3 大系统通风运行模式

图2 出入口渗风测点布置示意图

表4 测量仪器参数

2 环控系统性能分析

2.1 车站温湿度状况

图3a显示了A站和B站夏季室内公共区温度测试结果。从图3a可以看到：运行期间公共区的温度均满足设计要求(低于30 ℃)，室外最高温度高于公共区温度，室外最低温度低于公共区温度；公共区温度在06:00开始逐渐升高，与地铁开始运营的时间一致，温度上升的主要影响因素是站内设备启用及人员乘车带来的负荷；公共区温度在晚高峰过后开始下降，此时主导温度变化的因素为客流密度降低及室外温度下降，因此站内温度开始下降；而在地铁停运后，由于设备关停，负荷降低，同时室外温度较低，因此公共区的温度快速下降；在运行时段内，A站站厅的温度为21.7～23.6 ℃，站台的温度为20.9～21.7 ℃，B站站厅的温度为23.1～24.7 ℃，站台的温度为21.3～23.2 ℃，2个车站的站厅温度均高于站台温度，其中B站由于客流密度大，运行设备较多，因此站厅温度和站台温度均略高于A站。图3b显示了2个车站冬季公共区温度的测试结果。从图3b可以看到：在测试期间室外温度远低于公共区温度，公共区温度均略低于设计要求(高于12 ℃)；由于车站出入口安装了挡风门帘，因此站内温度受室外温度波动的影响较小，在运行时段内，A站站厅的温度为9.2～10.7 ℃，站台的温度为6.2～9.3 ℃，B站站厅的温度为8.0～9.0 ℃，站台的温度为9.0～9.9 ℃。图3c显示了2个车站过渡季公共区温度的测试结果。从图3c可以看到：测试期间，室外全天的温度均低于公共区温度；车站环控系统在过渡季运行时，站台门上方的电动可调风口开启，使得列车活塞风的影响显著加强，站内通风量较大，因此公共区的温度更加均匀，在运行时段内，A站站厅温度为18.9～19.8 ℃，站台温度为19.0～19.5 ℃，B站站厅温度为18.4～19.5 ℃，站台温度为19.3～20.0 ℃，站厅和站台温度接近。

2.2 CO2浓度及渗透风状况

图4显示了夏季A站和B站公共区的CO2浓度测试结果。从图4可以看到：公共区内的CO2体积分数全天均远低于设计要求(低于1 500×10-6)，站内新风充足；在运行时段，A站的CO2体积分数为(308～348)×10-6，B站的CO2体积分数为(288～370)×10-6，室外的CO2体积分数为280×10-6，2个地铁站的CO2浓度均与室外接近；由于B站客流量较大，因此运行时段整体CO2浓度高于A站。

图4 夏季地铁车站室内公共区CO2体积分数测试结果

图5显示了A站某个出入口通道的渗风测试结果，图中正值表示室外新风由出入口流入地铁站，负值相反，对正值部分进行积分可得一个波动周期从该出入口引入了1 706 m3的新风。车站环控系统夏季运行时，站台门上方的电动可调风口关闭，从图5可以看到，出入口依旧存在明显的渗风现象，出入口的风速随着列车的进出呈现明显的周期性波动，单个波动周期的最大风速可达到1.7 m/s。对其他出入口通道的渗风同样进行测试，同时测量了大系统送风机的送风量，得到了整个车站的新风供给情况，测试结果如图6所示。在客流高峰时段，A站大系统的机械新风量为61 807 m3/h，受列车活塞效应影响由出入口引入新风量为36 296 m3/h，总新风量为98 103 m3/h；B站大系统的机械新风量为108 389 m3/h，受列车活塞效应由出入口引入新风量为36 320 m3/h，总新风量为144 709 m3/h。对比A站和B站由活塞效应引起的出入口渗透新风可以得到，在站台门上方的电动可调风口关闭时，出入口的个数对车站由所有出入口引入的总新风量影响较小。

图5 夏季地铁车站出入口渗风测试结果

图6 夏季地铁车站风量测试结果

图7显示了A站和B站工作日及双休日典型日的客流变化情况。从图7可以看到：在工作日，2个车站客流均呈现出明显的早高峰和晚高峰情形，而在双休日则没有明显的双波峰，在白天客流分布均匀，同时双休日的日高峰客流在上午出现的时间段会比工作日的早高峰滞后；对于A站，由于其为标准站且位于郊区，因此客流峰值低于B站，且双休日的客流显著低于工作日；而B站位于商业区，因此客流量较大，且双休日的客流与工作日接近；A站峰值客流为349人/h，按总新风量计算得到人均新风量为281 m3/(人·h)，仅依靠出入口渗透新风量计算得到人均新风量为104 m3/(人·h)；B站峰值客流为924人/h，按总新风量计算得到人均新风量为157 m3/(人·h)，仅依靠出入口渗透新风量计算得到人均新风量为39 m3/(人·h)。车站的新风供给充足，仅依靠出入口的渗透新风能够满足设计规范要求的闭式运行时人均新风量12.6 m3/(人·h)。

冬季运行时，由于车站出入口加装了挡风门帘，列车活塞效应所引起的出入口渗风现象显著减弱。图8显示了A站某个出入口门帘处的压差波动情况(室外压力减去室内压力)。从图8可以看到，在出入口门帘处，室内外压差随列车呈现显著的周期性波动，波动范围为-15～10 Pa，门帘的阻挡作用显著。

图8 冬季地铁车站出入口压差测试结果

过渡季时车站环控系统采用开式运行，站台门上方的电动可调风口开启，利用活塞效应从出入口进行补风。图9显示了A站某个出入口通道的渗风测试结果。从图9可以看到，出入口的风速随着列车的进出呈现明显的周期性波动，最大风速可达到2.7 m/s，一个波动周期从该出入口引入了3 612 m3的新风。对其他出入口通道的渗风同样进行测试，得到了整个车站的新风供给情况，测试结果如图10所示。在车站开式运行时，由于B站的出入口数量较多，因此活塞效应从各出入口引入的总新风量显著大于A站，根据图7的典型日客流情况进行计算，得到在客流高峰时段，A站的人均新风量为189 m3/(人·h)，B站的人均新风量为129 m3/(人·h)，能够满足设计规范要求的闭式运行时人均新风量30 m3/(人·h)。

图9 过渡季地铁车站出入口渗风测试结果

图10 过渡季地铁车站风量测试结果

2.3 轨底温度变化

图11显示了A站下行轨道列车进出站引起的轨底温度波动情况。从图11可以看到，列车进站导致轨底温度上升0.7 ℃，在列车离站后，隧道内活塞风迅速将列车制动引起的热负荷带走，取消轨底排热后，轨底未出现热量积累的现象。图12、13分别显示了夏季和过渡季轨底温度全天的测试结果。从图12、13可以看到：夏季测试中，在地铁运行时段，轨底温度呈锯齿状缓慢上升的趋势，日最高温度出现在16:00—19:00，其中A站轨行区测试温度为18～21 ℃，B站轨行区测试温度为19～22 ℃，轨底全天温升小于1 ℃，且在夜间停运后迅速降温；A站轨行区的平均温度低于B站，这是由于B站位于商业区，周边土壤温度更高导致的；2个车站过渡季轨行区的平均温度略低于夏季，而过渡季室外温度显著低于夏季，室外温度的变化对于轨行区温度的影响较小，轨行区温度受土壤温度的影响较大。

图11 夏季地铁车站轨行区瞬时温度波动测试结果

3 结论

1) 严寒地区地铁车站由于夏季室外温度较低，且土壤温度较低，公共区温度为20.9～24.7 ℃，可满足公共区温度控制要求；冬季由于室外温度过低，公共区温度为6.2～10.7 ℃，略低于设计规范要求，需进一步减小冬季室外冷风渗透带来的影响；过渡季公共区温度为18.4～20.0 ℃，满足公共区温度控制要求。

2) 列车活塞效应对车站影响显著，闭式及开式运行时出入口渗透新风量均可满足人员新风需求，考虑到公共区温度远低于设计规范要求，可关闭机械通风系统。

3) 夏季轨底温度低于22 ℃，且列车停靠引起的瞬时温升小于1 ℃，且在列车出站后迅速降温，无明显热量聚集现象，全天温升小于1 ℃，表明取消轨底排风不会引起轨底温度过高。

本研究结论可为严寒地区地铁车站环控系统设计及运行策略提供参考，由于所测试的地铁站处于运营初期，本研究结论对于远期工况的适用性将在后续研究中进一步分析。