地铁车站月平均气温随运营年限演化特性*

王丽慧 曾宪明 张雨蒙 郑 懿 宋 洁

(1.上海理工大学,上海;2.北京房地集团有限公司,北京;3.安徽省建筑设计研究总院股份有限公司,合肥;4.上海申通地铁集团有限公司,上海)

0 引言

伴随着轨道交通的快速发展,地铁车站通风空调系统能耗问题逐渐受到人们的关注。实际运行中地铁行车密度随运营年限增大,在运营初期地铁行车密度相对较低,导致区间隧道空气温度对车站月平均气温的影响较小,同时地铁车站围岩土体在运营初期吸热能力较强,造成初期空调季车站月平均气温较低,车站空调系统提供的冷量大于车站的冷负荷,故而有必要探究地铁车站月平均气温随运营年限的演化特性,为地铁车站通风空调系统的合理运行及车站围岩土体中自然冷量的利用提供一定的数据支撑。

目前地铁车站空气温度相关的既有研究包括地铁车站的热环境、热舒适等。游杰伟通过实测冬季西安某地铁车站空气温度数据,分析得出车站空气温度变化趋势与室外温度变化趋势一致,车站最高温度出现的时间与室外最高温度相比延后3～4 h左右,车站大厅温度略低于地下通道与大厅连接处温度[1]。张文榕通过对西安某地铁车站的测试分析得出,地铁车站冬季空气温度随室外温度波动呈小幅(±2 ℃范围内)变化趋势[2]。谷雅秀等人采用热环境实测和热舒适调查问卷相结合的研究方法,研究了长春地铁1号线某车站的热舒适情况,得出地铁车站公共区80%舒适区的温度范围冬季为9.8～14.3 ℃,过渡季为15.8～21.0 ℃,夏季为22.3～28.2 ℃[3]。笔者团队利用相对热指标RWI计算获得不同室外温度下的地铁车站运行空气温度,分析得到当室外温度处于33.0～37.0 ℃时,推荐车站运行空气温度为30.1～34.4 ℃[4]。徐敏凯等人通过测试和调研苏州某地铁站夏季环境参数,研究了地铁车站的热环境和热舒适性,分析得出夏季热中性温度为26.3 ℃,期望温度为26.5 ℃,80%调研人群的夏季热接受温度范围为25.3～27.0 ℃[5]。

上述研究均是针对车站单年空气温度和热舒适等方面的,而对地铁车站月平均气温的逐年演化特性研究较少。本文基于车站内部空气热平衡方程,选用室外月平均气温和区间隧道月平均气温与车站围岩土体逐月净蓄放热量作为边界条件,建立理论求解模型,得到车站月平均气温在运营初期、中期和远期的逐年演化特性,为车站通风空调系统合理运行和节能提供理论依据。

1 理论建模与实测验证

本文采用的研究思路是对该车站建立空气热平衡理论模型,基于地铁车站围岩土体蓄放热量和区间隧道空气温度的逐年演化,通过理论计算得到不同运营年限下地铁车站月平均气温,并与第5年的地铁车站月平均气温实测值相验证。在车站空气热平衡理论模型中对地铁的车站环境和区间环境作以下说明：

1) 机械通风(空调)行为：地铁车站空调系统的送风量、送风比焓和冷量在运营15年内均为恒定值。

2) 室内热源变化：地铁车站的照明和设备产热均按照单位面积指标计算,在运营15年内为恒定值;车站站厅和站台的人员全热散热量均以成年男子的散热量作为计算依据;车辆编组在运营15年内均设置为8节编组(4动4拖);行车密度随不同运营时期变化,在第1～5年为15对/h,在第6～10年为20对/h,第11～15年为30对/h。

3) 系统方案：屏蔽门系统典型双层岛式地铁车站。

1.1 地铁车站空气热平衡理论模型

根据热平衡原理对地铁车站空气换热量进行分析,得到地铁车站内空气的热平衡理论模型。车站空气温度受到多种因素综合影响,其中主要影响因素为地铁车站出入口漏风和屏蔽门渗透风携带热量、屏蔽门传热量、围岩土体蓄放热量、空调送风携带热量及人员、设备和照明产生的热量[6]。为简化理论计算作以下假设：1) 将地铁车站站厅和站台当作一个整体空间,且车站内空气温度分布均匀。2) 不考虑地铁车站空气和区间隧道空气含湿量的逐年演变。3) 不考虑地铁车站运行时段早高峰、晚高峰、平峰及其他时段对车站出入口漏风量和屏蔽门渗透风量的影响,本文采用车站出入口漏风量和屏蔽门渗透风量的月平均值。地铁车站内空气热平衡方程如下：

ΔQ=ρGC(hw-hp)τ+ρGP(hq-hp)τ+KF(tq-tp)τ+ρGm(hs-hp)τ+QT+QP+QZ+QS

(1)

式中 ΔQ为地铁车站空气热量变化量,kJ;ρ为空气密度,kg/m3;GC为车站出入口月平均漏风量,m3/h;hw为室外月平均空气比焓,kJ/kg;hp为车站月平均空气比焓,kJ/kg;τ为地铁车站运营时间,h;GP为车站屏蔽门月平均渗透风量,m3/h;hq为区间隧道月平均空气比焓,kJ/kg;K为地铁车站屏蔽门传热系数,W/(m2·K);F为屏蔽门面积,m2,屏蔽门尺寸为2.0 m×2.2 m(长×高),共计60扇;tq为区间隧道月平均气温,℃;tp为车站月平均气温,℃;Gm为车站空调月平均送风量,m3/h;hs为车站空调送风月平均空气比焓,kJ/kg;QT为车站围岩土体逐月净蓄放热量,kJ;QP为人员散热量,kJ;QZ为照明散热量,kJ;QS为设备散热量,kJ。

地铁车站空气热平衡计算模型示意图见图1。

注：QC为地铁车站出入口漏风量引起的热量变化;QPS为区间隧道侧与车站侧温差引起的地铁站屏蔽门传热量;Qm为空调季地铁车站空调送风逐时携带的热量;QPC为地铁车站屏蔽门渗透风量引起的热量变化。图1 地铁车站热平衡计算模型示意图

1.2 地铁车站月平均空气温度理论求解参数确定

地铁车站月平均空气温度主要受室外空气温度、区间隧道空气温度、围岩土体蓄放热量及空调季车站空调系统通风的影响,因此地铁车站空气热平衡理论模型的参数确定主要由以下三部分组成。

1) 室外侧参数确定。

室外侧参数有2个：地铁车站出入口漏风量和室外空气比焓。在热平衡方程中采用车站出入口月平均漏风量和室外月平均空气比焓,其中车站出入口月平均漏风量随行车密度不同而改变,而室外月平均空气比焓在15年内不变。笔者团队的课题组前期基于不同行车密度的车站实测结果,对车站空气热平衡方程进行了求解,确定了本文所采用的不同行车密度下各月车站出入口月平均漏风量[7]。室外月平均空气比焓由实测某一年的上海地区室外气象参数确定。

2) 室内侧参数确定。

室内侧参数有3个：车站空调送风量、车站空调送风比焓和地铁车站围岩土体蓄放热量。在热平衡方程中采用车站空调月平均送风量和车站空调送风月平均空气比焓,且两者在15年内不变;而围岩土体逐月净蓄放热量在15年内逐年变化。地铁车站空调月平均送风量和送风比焓由实测得到,其送风量为144 000 m3/h,送风比焓为55.78 kJ/kg。对于地铁车站围岩土体逐月净蓄放热量,课题组前期通过ANSYS对不同年限地铁车站围岩土体温度场和蓄放热量情况进行了模拟[8],并在地铁车站土体缩尺模型实验台[9]进行了验证,具体见图2。

图2 不同运营年限地铁车站围岩土体逐月净蓄放热量

3) 区间隧道侧参数确定。

区间隧道侧参数有3个：车站屏蔽门渗透风量、区间隧道空气温度和空气比焓。在热平衡方程中均采用月平均值,其中车站屏蔽门月平均渗透风量随行车密度不同而改变,区间隧道月平均气温和月平均空气比焓在15年内逐年变化。课题组前期基于对不同行车密度车站的实测结果,对车站空气热平衡方程进行了求解,确定了本文所采用不同行车密度下各月车站屏蔽门月平均渗透风量[7];区间隧道月平均温度根据课题组前期进行的SES模拟得到[10],具体见图3,并结合实测的区间隧道月平均空气湿度共同得到区间隧道月平均空气比焓。

图3 不同运营年限区间隧道月平均气温

人员散热量QP、照明散热量QZ及设备散热量QS可根据文献[11]得出,再根据上文确定的室外侧、室内侧和区间隧道侧的参数,其中室外空气温度、空调送风比焓均以某一年的月平均实测值代入,不随运营年限改变,而区间隧道空气温度和比焓及车站围岩土体蓄放热量则以不同运营年限的月平均值代入。本文重点研究车站月平均气温随运营年限的演化规律,热平衡方程左边为车站逐月空气热量变化量ΔQ,右边各项热量按照不同月份进行计算,将比焓与车站空气温度的关系式(2)代入式(1),即可求出不同年限车站月平均气温。

hp=1.01tp+(2 500+1.84tp)d

(2)

式中d为车站空气含湿量,g/kg。

1.3 典型年地铁车站月平均气温理论计算结果实测验证

选取上海地区某运营第5年的典型双层岛式地铁车站,并进行1年以上的现场监测,监测对象为地铁车站站厅与站台典型位置的空气温湿度。分别在地铁车站站厅和站台中部3.5 m高度处各布置1个空气温湿度测点。测试仪器为纽扣式温湿度记录仪,测量范围为温度-40～85 ℃、相对湿度0～100%,精度为温度±0.01 ℃、相对湿度±5%,数据采集时间为30 min。图4显示了地铁车站月平均气温实测值与理论计算值的比较,因实测值为车站运营第5年的全年空气温度,故选取第5年车站计算温度与之相验证。

图4 运营第5年地铁车站气温实测值与理论计算值对比

如图4所示,地铁车站月平均气温理论计算值与实测值较为吻合,计算最大误差在7月,为9.20%,最小误差在12月,为0.64%,逐月平均误差为5.60%,满足整体误差在10%以内,说明车站空气热平衡理论计算结果具有可靠性。

2 地铁车站月平均气温逐年演化结果分析

2.1 运营第1年地铁车站月平均气温

对地铁车站月平均气温进行热平衡理论计算,求得运营第1年地铁车站月平均气温理论值,如图5所示。

图5 运营第1年地铁车站、区间隧道和室外月平均气温对比

由图5可以看出,运营第1年室外和区间隧道的空气温度基本相同。空调季车站通风空调系统对车站月平均气温起主要控制作用,非空调季室外和区间隧道空气温度对车站月平均气温的影响较大。具体表现为：空调季,车站空调系统开启,6月车站空气温度有所下降,随后7、8、9、10月的车站月平均气温分别为24.4、24.3、24.0、24.2 ℃,其车站月平均气温基本维持在24 ℃左右;而非空调季,受室外和区间隧道空气温度的影响,地铁车站月平均气温在第1年的1—5月逐渐上升,在5月达到22.9 ℃;除此之外,受到车站围岩土体放热量的影响,11、12月地铁车站空气温度分别为20.2 ℃和14.8 ℃,均高于同期室外空气温度和区间隧道空气温度。

2.2 地铁车站不同运营时期月平均气温演化特性

将5年划分为1个运营时间段,分为运营初期(第1～5年)、中期(第6～10年)和远期(第11～15年)。通过现场调研得出车站空调系统冷量为708 kW(远期最不利工况),为探究不同运营时期夏季车站空调系统的节能空间,给出此冷量下不同运营时期车站月平均气温逐年演化情况,并与站厅站台空调设计温度平均值29 ℃(站厅和站台空调设计温度分别为30、28 ℃)进行比较[12],如图6所示。

图6 第1～15年不同运营时期地铁车站月平均气温逐年演化图

由图6a可知,运营初期车站月平均气温逐年递增,递增速率较为平缓,初期车站月平均气温最大温升为2.5 ℃,最高气温出现在第5年的8月,为26.4 ℃。此时地铁行车密度较低,为15对/h,所以屏蔽门渗透风量和区间隧道内列车产生的热源相对较小,车站空气得到的屏蔽门的传热量及渗透风的对流换热量相对较小,同时车站围岩土体吸热能力较好,导致初期夏季车站月平均气温均低于站厅站台空调设计温度平均值,说明初期车站空调系统按远期最不利工况运行,提供的冷量远大于车站的冷负荷,因此在运营初期车站空调系统具有一定的节能空间。

由图6b可知,运营中期车站月平均气温高于初期,最高气温出现在第10年的8月,为30.2 ℃,其温升幅度也高于初期,最大温升为3.0 ℃。因为中期地铁行车密度增大为20对/h,加大了屏蔽门的渗透风量和区间隧道内列车产生的热源,使得车站空气得到的屏蔽门的传热量及渗透风的对流换热量增大,而运营中期车站围岩土体吸热能力较初期有所下降,综合导致了运营中期车站月平均气温的升高。在运营第6、7年的夏季,车站月平均气温低于站厅站台空调设计温度平均值,说明在运营中期车站通风空调系统也具备一定的节能空间;而第8～10年夏季车站月平均气温与站厅站台空调设计温度平均值较为接近,此时空调系统处于最佳运行状态。

由图6c可知,运营远期车站月平均气温高于初期和中期,最高气温出现在第15年的8月,为34.9 ℃。运营远期区间隧道为极限工况,即地铁行车密度为30对/h,并且区间隧道土体蓄放热为饱和状态,其列车产生的热源和屏蔽门渗透风量较初期明显增大,此时区间隧道内温度较高,导致车站空气得到的屏蔽门的传热量及渗透风的对流换热量相对较大,而运营远期车站围岩土体吸热能力较初期产生较大衰减,此时车站空调系统提供的冷量不足,导致车站月平均气温跃升至34.9 ℃,高于站厅站台空调设计温度平均值29 ℃。说明当运营远期区间隧道温度较高时,需对车站空调系统进行调节来确保乘客的舒适性。

由于第11年后区间隧道空气温升较小,且车站围岩土体蓄放热量也达到了稳定,车站月平均气温在第11年后基本保持不变,故仅对前10年7—9月车站月平均气温呈现逐年上升的趋势进行线性拟合,可得到前10年7—9月车站月平均气温演化的拟合公式,见表1。

2.3 地铁车站月平均气温逐年演化特性

对运营15年内地铁车站月平均气温进行逐年热平衡理论计算,其中地铁车站室外空气温度均为上海地区某一年的室外月平均气温,不同年限车站围岩土体逐月净蓄放热量和区间隧道月平均气温分别如图2、3所示。由地铁车站内空气热平衡方程可得出逐年地铁车站月平均气温,如图7所示。

表1 前10年7—9月车站月平均气温拟合结果

图7 不同年限地铁车站月平均气温逐年演化图

由图7可知：运营15年内地铁车站月平均气温呈现逐年升高趋势,在第1、5、10年的8月,地铁车站月平均气温分别为24.3、26.4、30.2 ℃;第1～5 年温升较慢,升高了2.1 ℃,第6～10年温升较快,升高了3.8 ℃;前5年月平均气温上升幅度低于后5年,是因为地铁行车密度在第5年后增大,导致屏蔽门渗透风量和区间隧道内列车产生的热源增大,进而增大了车站空气得到的屏蔽门的传热量及渗透风的对流换热量;在第11年车站月平均气温突然升高,且第11～15年车站月平均气温基本不变,为探究原因,将运营第10～15年的车站、区间隧道空气温度逐年进行对比,如图8所示。

图8 第10～15年地铁车站、区间隧道月平均气温

由图8可知,在运营第11年时,夏季区间隧道月平均气温产生了跃升现象。产生此现象的原因是实际地铁行车密度在运营远期较大,并且区间隧道围岩土体蓄放热也达到了饱和状态,使得夏季区间隧道温度超标。为探究运营远期区间隧道温度超标的情况,课题组前期模拟了运营远期的区间隧道月平均气温,将其设定为极限工况,即行车密度设置为30对/h,区间隧道土体蓄放热设置为饱和状态[10]。因为地铁行车密度在运营远期增大,使得屏蔽门渗透风量和区间隧道内列车产生的热源增大,增加了车站空气得到的传热量和对流换热量,导致第10年至第11年8月时车站月平均气温由30.2 ℃上升至34.9 ℃,温升为4.7 ℃,说明随着运营年限的增加,区间隧道空气温度对车站月平均气温的影响逐渐增强。随后在运营第11～15年时,因为运营远期的行车密度保持不变,区间隧道空气温升较小,并且车站围岩土体蓄放热为饱和状态,所以使得运营远期车站空气温度变化较小。

2.4 运营第1～15年地铁车站空气温升特性

为进一步研究运营第1～15年不同月份的地铁车站月平均气温温升情况,将运营第15年与第1年不同月份的地铁车站月平均气温对应相减,得到运营第15年较第1年不同月份的地铁车站月平均气温的温升值,如图9所示。

图9 第15年较第1年地铁车站月平均气温的温升情况

由图9可知：运营第15年较第1年地铁车站空气温升在夏季6—9月偏高,过渡季2—5月及10月适中,冬季11、12月和1月较小;最大温升出现在夏季8月,为10.6 ℃,最小温升出现在冬季1月,为3.1 ℃。地铁车站围岩土体蓄放热量和区间隧道空气温度随运营年限逐年递增,使得车站空气温度也逐年上升,夏季室外空气温度较高,车站空气温升较大,而冬季室外空气温度较低,车站空气温升较小。

3 结论

本研究基于地铁车站空气热平衡理论模型,对运营15年内不同运营年限地铁车站月平均气温进行理论计算,具体结论如下：

1) 运营第1年地铁车站月平均气温在1—5月温度逐渐升高;6—10月因地铁车站空调系统开启,车站内部空气温度波动较小;11—12月车站月平均气温缓慢下降,但始终高于室外和区间隧道空气温度。该变化趋势主要受年度室外空气温度波、区间隧道空气温度波和地铁车站围岩土体蓄放热量及夏季地铁车站空调系统开启的影响。

2) 地铁车站运营初期,最高气温出现在第5年的8月,为26.4 ℃;运营中期,最高空气温度出现在第10年的8月,为30.2 ℃;运营远期,最高空气温度出现在第15年的8月,为34.9 ℃。运营初期及部分运营中期车站空气温度均低于站厅站台空调设计温度的平均值,说明此时车站空调系统的冷量较大,车站通风空调系统具有一定的节能空间。而运营远期,在区间隧道为极限工况时车站空气温度较高,说明若区间隧道产生温度超标现象,此时需对通风空调系统进行一定的调节,来确保车站乘客的舒适性。

3) 在运营初、中、远期,地铁车站行车密度逐渐增大,导致不同运营时期区间隧道空气的温升幅度不同,从而影响车站月平均气温的温升幅度,在初、中、远期车站空气温升分别为2.1、3.8、4.7 ℃,说明随着运营年限的增加,区间隧道空气温度对车站月平均气温的影响逐渐增大。

4) 车站月平均气温随运营年限逐年升高,运营第15年较第1年,月平均气温最小温升出现在1月,为3.1 ℃;最大温升出现在8月,为10.6 ℃。