昆明轨道交通通风空调系统节能控制探讨

张立琦

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）

0 引言

城市轨道交通通风空调系统的主要职责就是为人员提供良好的周围空气环境，满足人员及设备的舒适性和安全要求，也是城市轨道交通工程不可或缺的重要组成部分[1]。

影响地铁车站热湿环境的主要因素有车站围护结构、列车运行和站内各种热源和湿源。土壤的蓄放热特性可以调节站内温度范围，列车运行产生活塞通风效应，通过出入口引入大量的室外新风，在过渡季和冬季有效改善站内环境。

王行宇通过实测和DeST 负荷计算[2]，张玉洁结合MATLAB网络模型计算程序和车站自然通风实验台[3]，对出入口进出风量和热环境进行模拟分析，总结出通过调节风机开启台数改变环控模式的变化转换条件，提出了利用自然通风的建议并计算了节能量。A.M.Krasyuk 指出对于浅埋地铁车站，当室外环境温度在8℃以下时，无需机械通风，仅靠列车运行产生的活塞风即可满足站内排除余热余湿的需求[4]。

对于地铁环境温度变化现场实测，国内也有一些研究，但没有考虑活塞风与机械通风的耦合，仅考虑了风机全开和全关两种工况，而且不同地区、不同车站的风量计算结果相差较大。本文通过实测分析昆明实际运行的车站公共区的通风现状，分析出入口活塞渗风特性及其影响因素，讨论不同新风量对车站公共区环境的影响。进而结合实际新风需求，探索公共区通风空调系统合理利用活塞风的节能措施。助力我国提出的“二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和”的承诺[5]。

1 昆明轨道交通制式

昆明轨道交通区间隧道通风系统主要采用开启出站端活塞风井的单活塞开式通风系统，单活塞系统是减少隧道通风系统规模的常用系统[6]，地下车站两端各并联设置2 台隧道风机及一条活塞风道。地下车站排热风系统主要由排热风机、轨顶风道和风道上设置的电动调节阀和手动防火阀组成。一般情况下，排风系统设两组，分别布置在车站两端设备房内，每组设一台风机，各负责半个车站隧道的排风，气流组织采用轨顶排风，补风来自车站两端的活塞风井、相邻区间隧道和车站出入口。

根据昆明的温和气候特点，公共区域不采用空调系统，仅设置机械送风系统，为了提高乘车的安全性，防止乘客有意或无意坠落站台，车站设置起安全隔断作用的站台门，门体与轨顶风道之间留出500mm 空隙，使轨行区与站台公共区域的空间连通，以公共区机械通风结合活塞通风和出入口自然通风的方式，实现车站公共区的通风降温功能[7]。地铁车站通风空调系统中设备容量一般按照运营远期峰值负荷进行选型，公共区通风空调系统在车站运营时间内始终开启[8]。

2 通风设计参数

车站设置有隧道通风系统、车站公共区通风和排烟系统、车站设备及管理用房的通风空调和排烟系统[9]。

车站公共区、区间隧道的夏季通风计算干球温度为20.8℃，冬季通风计算干球温度为8.9℃，设备及管理用房夏季空调计算干球温度26.3℃，夏季通风计算干球温度23.1℃，夏季空调计算湿球温度为19.9℃，冬季通风计算干球温度4.9℃。

车站公共区夏季设计干球温度为26℃，冬季设计干球温度为12℃～17.4℃，区间隧道正常运行时各区段最热月最高平均温度不超过35℃，冬季平均温度不高于地层自然温度17.4℃，但最低不低于5℃，阻塞工况下列车顶部最不利点隧道空气温度≤45℃。车站公共区人员新风量按照30m3/h 计算，车站公共区CO2浓度小于1 500ppm[10]，可吸入颗粒物的日平均浓度低于0.25mg/m3。

3 现场测试

现场测试工作在昆明轨道交通2 号线的金星站展开，开通运营年份为2014 年。该站为典型地下二层岛式车站，地下一层为站厅层，地下二层为站台层，车站总长度为118m，车站有效站台宽度11m。站厅层公共区面积1 544m2，站台层公共区面积1 158m2，车站总建筑面积10 079.12m2。该车站远期晚高峰小时逐时客流量为6 276 人次/h（下行线上客量1 642 人次/h，下客量841 人次/h，上行线上客量462 人次/h，下客量3 331 人次/h）。车站共设置有3 个出入口，车站每端设置1 座活塞/机械通风亭、1 座新风亭和1 座排风亭，均为敞口低风亭。

在地铁车站内平均布置一定数量的温湿度自记仪，全年监测站外、出入口（室外进入站内的进、出站口）、站厅、站台的温湿度值[11]。测试所针对的变量有：车站建筑形式，送风机的运行状况和排热风机的运行状况。测试参数包括：包括站厅、站台内的温湿度。

为了解不同季节不同通风系统运行工况下，车站公共区的热湿环境、空气品质情况，在现场实测时，调整了车站的通风系统运行工况，并在各工况下，测试相关参数，通风统的变量仅为风机的启停状态，包括公共区送风机、区间隧道的排热风机。测试工况如表1 所示。囿于篇幅，下文只介绍冬季正常工况2 以及冬季关闭机械通风系统工况4 的情况。

表1 测试工况

4 温度变化特点

4.1 冬季正常工况

在工况2 测试期间，室外空气温度平均值为16.7℃，相对湿度平均值为32%，金星站的站台层，站厅层，出入口通道的平均温度分别为20.4℃，19.0℃，18.3℃，平均相对湿度分别为35%，29%，30%。工况2 期间，金星站各区域温湿度分布情况分别见图 1、2。

图1 冬季工况2 下各测点温度分布情况

图2 冬季工况2 下各测点相对湿度分布情况

数据显示，金星站的温度分布呈现站台层＞站厅层＞出入口通道＞室外的特点，这是由于站台层距离室外最远，在冬季，室外气温较低，与室外相距较远使得室外温度对站台内的影响很小，且由于站台层内列车散热、人员聚集等原因，进一步提高了其空气温度；其次，各区域的温度分布情况如下：站台层的温度分布较为均匀，站厅层次之，出入口通道的温度分布差异最大，温度分布的均匀度可以用来表征该区域不同位置的空气交换程度，由此可知，站台层不同位置的空气交换相差不多，站厅层和出入口通道不同位置的空气流通情况差异较大。并不能从相对湿度中发现明显的分布规律，这是由于相对湿度是由温度和含湿量共同决定的一个参数，二者的变化都会导致相对湿度发生变化。

4.2 冬季关闭机械通风工况

在工况4 测试期间，室外空气温度平均值为15.5℃，相对湿度平均值为34%，金星站的站台层，站厅层，出入口通道的平均温度分别为20.7℃，19.8℃，18.3℃，平均相对湿度分别为37%，35%，34%。工况4 期间，金星站各区域温湿度分布情况分别见图3、4。

图3 冬季工况4 下各测点温度分布情况

图4 冬季工况4 下各测点相对湿度分布情况

数据显示，与工况2 相比，即使工况4 测试期间室外温度有所降低，但车站内各测点的空气温度均有一定升高，站台层平均温度提高0.3℃，站厅层提高0.8℃，出入口通道平均温度未发生变化，整体分布与工况2 相似，符合站台层＞站厅层＞出入口通道＞室外的规律，温度分布的均匀性特征与工况2 相同。工况4 的相对湿度有一定变化，站厅层与出入口通道的变化较大。

4.3 夏季正常工况

在工况2 测试期间，室外空气温度平均值为27.5℃，相对湿度平均值为42.2%，金星站的站台层，站厅层，出入口通道的平均温度分别为24.9℃，25.1℃，25.1℃，平均相对湿度分别为55%，49%，51%。工况2 期间，金星站各区域温湿度分布情况分别见图 5、6。

图5 夏季工况2 下各测点温度分布情况

图6 夏季工况2 下各测点湿度分布情况

数据显示，在夏季，金星站站台层、站厅层和出入口通道的温度相差不大，且均低于室外温度。这与冬季的情形相差较大。这是因为在夏季，车站内没有设置空调系统，而通风系统以及列车的活塞风作用使车站内不断与隧道、室外交换空气，站内的设备、人员等对站内空气的作用效果和引入室外空气的效果相同（均是升温作用），而唯一冷源则是车站所处地层的土壤，因此造成不同区域温度相差不大。

从相对湿度分布可以看出，与冬季不同，夏季站内不同区域的相对湿度分布相对集中，波动幅度一般在10%以内。同样的，站台层、站厅层以及出入口通道的相对湿度相差不大。

4.4 夏季关闭机械通风工况

在工况4 测试期间，室外空气温度平均值为28.0℃，相对湿度平均值为41%，金星站的站台层，站厅层，出入口通道的平均温度分别为25.0℃，25.2℃，25.0℃，平均相对湿度分别为56%，52%，53%。工况4 期间，金星站各区域温湿度分布情况分别见图 7、8。

图7 夏季工况4 下各测点温度分布情况

图8 夏季工况4 下各测点湿度分布情况

数据显示，相比于工况2，工况4 的室外温度有一定升高（0.5℃），车站内不同测点的温度分布均有一定升高，站台层、站厅层平均温度提高0.1℃，出入口通道平均温度降低0.1℃，由此可见，在关闭通风系统后，车站公共区的温度仍然符合设计要求。此外，工况4 的相对湿度变化很小。

5 结论

在目前通风系统的运行方式下，冬季车站公共区的温度高于地铁设计规范的规定，呈现站台层＞站厅层＞出入口通道＞室外的特点，车站公共区的温湿度受列车到站情况影响；经过一天的运营时间后，隧道内的空气温升在3℃左右，且夜间的自然冷却可将其冷却到原始状态，只有当轨行区开启四台排热风机时，才能抑制隧道内的温升，开启两台排热风机作用不大。夏季车站公共区的温度基本满足通风系统的设计目标（不超过26℃），且呈现“距离室外越近，空气温度越高”的特点，各区域的温湿度分布相对稳定，温度均匀性与冬季类似，经过一天的运营后，隧道内的空气温升在1℃左右。在夏季，车站隧道内的排热系统的开启与否对区间隧道内的空气温度的影响很小。

昆明属于温和地区，站台设置非封闭型站台门，车站公共区采用通风系统，利用出入口作为活塞通道，引入室外新鲜空气，为车站及区间隧道进行通风降温。建议昆明轨道交通可结合站内空气温湿度的变化特点，根据运营的实际需要，可以采用间歇通风或者降低送风机运行频率的运行模式，将使其能耗有明显降低。