地铁车站轨行区上下排热风速实测与分析

王丽慧 任 俊 王晓保 龚 伟 宋 洁

地铁车站轨行区上下排热风速实测与分析

王丽慧1任 俊1王晓保2龚 伟2宋 洁2

1上海理工大学环境与建筑学院
2上海申通轨道交通研究咨询有限公司

地铁车站轨行区排热系统是排出列车制动过程中摩擦生热等热量的有效方式。采用现场实测的研究方法，对上海地铁8个典型车站轨行区上排热和下排热的风口风速进行了逐一测试，通过分析实测数据得知其存在如下一些问题：各风口风速分布不均匀，靠近风机侧风口风速偏大；部分风口因堵塞测不到风速，并存在风速偏小等现象。最后根据上下排热系统实测总风量和排热风机额定风量的差异，计算出排热风机能耗的节能潜力。

轨行区上下排热现场实测排热风机能耗

0 引言

列车在区间隧道内停靠站台过程中，释放大量热量，主要包括车厢内部空调系统通过车体上部冷凝器的散热，列车车轮与轨道之间的摩擦生热，列车运行活塞风从区间隧道内带来的热量。这些热量占列车区间运行总产热量的近50%[1～3]。在闭式系统或屏蔽门系统中，这部分热量若不有效排出，都将会导致区间隧道温度升高和站台温度升高，而地铁车站轨行区上下排热的设计就是为此而设计的。其中，上排热风管以排出车厢空调冷凝器热为主，兼排出区间隧道内的空气热量；下排热风管主要用于列车车辆排热和区间隧道内空气热量的排除。

近年来，有关地铁车站轨行区上下排热的研究日益增多，郝盛[4]通过CFD数值模拟分析得到车站轨行区上排热采用小风口并位于列车冷凝器上方时排热效果更好，能够有效降低车站隧道温度；王峰[5]通过SES数值模拟分析了车站活塞风井风量与轨行区排热风量之间的关系；毕正博[6]分析得到当无轨行区上下排热系统时轨行区最高温度会上升2.9℃，指出轨行区上下排热系统不仅能够在轨行区高温段排热，而且能够使得活塞风井整体换气效率提高。王永镖[7]提出了将轨行区排热量与地铁排热回收热泵系统相结合的思路，并进行了必要的技术经济性分析。

本文针对上海地铁8个车站进行了轨行区上下排热系统运行状况的现场实测，指出现有各站轨行区上下排热系统通风排热存在的问题及成因，并深入分析了排热风机能耗状况。

1 现场实测

本次实测对上海地铁各主要运营线路的共计8个代表车站进行了实测，本文中采用S1～S8表示，实测时间选在无列车运营的零点至凌晨三点的时段，实测内容包括两个主要部分：其一是在排热风机全部开启工况，对轨行区上下排热风口进行逐个风口的风速测定；其二是记录排热风机的铭牌参数，进行风机运营能耗的估算。图1为车站轨行区上下排热风道的相对位置图，图2为上下排热风口的实测照片。

图1 隧道截面上下排热风道相对位置示意图

图2 排热风口现场图

通常设计中，上排热管尺寸3000mm×700mm，每节车厢配备2组风口，每组5个风口，风口中心间距1000mm，共10个，风口尺寸为500mm×1000mm。下排热管尺寸1500mm×1340mm，每节列车配备12组风口，分3组，中间6个风口，风口中心间距1775mm，两边2组各3个风口，风口中心间距为1475mm，风口尺寸为300mm×775mm。实测采用Testo435-2型手持式热线风速仪，其量程为0～20m/s，测试精度为±0.1m/s。风口测点布置如图3所示，左侧为上排热风口，右侧是下排热风口。

图3 排热风口测点布置示意图

2 实测结果与分析

2.1 排热风口实测风速分析

通过上述现场实测，总体来看，现有上海地铁车站轨行区上下排热状况不理想，存在一些共性的问题，下面结合典型车站分析说明。

1）上下排热风口风速分布不均匀

以S6站为例，该站车站轨行区上排热风道共有排风风口38个，下排热风道共有风口54个。车站设计风量约为156455m3/h。图4给出了S6站上下排风风口实测数据图（注：图中编号为1的风口靠近排热风机；红线为各风口的设计排热风速）。从图中可见，S6站各风口风速均达到设计值，但风速不均匀性明显。上排热风道往桂林路方向在第6个风口处风速从5.7m/s降到2.9m/s，两个方向上都是从约1/3风口处风速开始急剧下降。风口风速不均匀，靠近排热风机的风口风速大，最大风速为7m/s，最小风速却不到1m/s，有待改善。两个方向上风口下排热变化基本规律相似，大概在21个风口处两个方向的风速都开始低于2m/s，远小于开始时风口最大风速10m/s。

图4 S6站上下排热实测数据

2）部分风口没有出风

实测中，3～4个车站轨行区上下排热风口存在部分风口无风现象，造成这一现象的原因主要集中在部分风口存在堵塞和风口百叶调节不当的现象。部分风口无风将严重影响轨行区上下排热效果，导致区间隧道温度升高。图5为S3站实测结果（注：图中编号为1的风口靠近排热风机；红线为各风口的设计排热风速），车站轨行区共有上排热风口38个，下排热风口50个，实测过程中，由于其对称性测试一半风口足可。从图中可见，S3站轨行区在排热风机最大功率运行工况下，只有很少一部分风口存在排风现象，排热效果很不理想。

图5 S3站轨行区上下排热实测数据

图6 S2站上排热实测数据

3）风口风速小于设计风速

在存在各个风口风速不均匀现象的同时，上下排热风口的实际风速小于设计风速的现象也非常突出。图6为S2站上排热实测结果（注：图中编号为1的风口靠近排热风机；红线为各风口的设计排热风速），该站上排热风口共有32个，从上下行线的实测数据可见，几乎所有风口的实测风速均小于设计值，这将导致上排热不充分，区间隧道温度控制不利。这主要是因为排热系统的局部阻力和沿程阻力过大造成的，实际地铁风管施工过程往往受到空间和布局的限制，导致实际的系统阻力大于设计值，而使总体风速降低。

2.2 各车站特征参数对比分析

将各个车站上下排热的平均风速作为特征速度，将之与设计院提供的设计风速进行对比，并且将每个车站实测的各个风口的风速作为样本，计算其标准差以表征其均匀性。如图7和表1所示，除了部分车站的下排热平均风速等够达到设计风速外，上排热均不能达到要求，像S3站（0.39/1.10）、S4站（0.07/1.10）、S5站（0.14/1.30）更是连设计风速的30%都未达到(前边是实际风速、后边是设计风速)；并且从标准差的计算中，可以看出各个站排热风口都存在很严重的不均匀现象。总的来说，从目前所测试的8个典型车站轨行区上下排热的数据来看，上下排热系统效果很不理想。

图7 各车站特征风速与标准差

表1 各车站上下排热均值、标准差与设计风速（单位：m/s）

2.3 排热风机能耗分析

实测过程中，各站的排热风机均按照额定工况运，而由于上下排热系统和风口末端的各种问题，大部分车站的实际排热风量与额定风量之间存在一定的差异，由式（1）可知，风机风量与功率之间存在如下关系：

式中：Q为风机风量，m/s；N为风机功率，kW；下标m为额定工况。

由各车站排热系统实际排风量推算出正常工况下风机应该消耗的功率，与风机实际的消耗功率（额定工况下为额定功率）进行对比，由式（2）可计算得到，因排热风道设计运营存在的问题所导致的风机能耗浪费率η，这也是下一步上、下排热风道优化设计运营的节能潜力所在。

表2给出了7个车站总风量的实测结果，通过与风机额定风量对比，可以计算得到各个车站风机能耗浪费率η。其中，因中山公园站上排热风道已拆除，未进行计算。从表2可见，不同车站风机浪费率不同，额定风量与实测风量差别越大，风机能耗浪费率越大。

表2 轨行区上下排热风机能耗计算

3 结论

通过对上海既有8个地铁车站上下排热系统的现场实测，分析得到轨行区上下排热系统运行存在如下几个主要问题：上下排热各风口风速不均匀，且一般靠近风机侧风速较大；部分风口存在堵塞现象；部分风口风速低于额定风速现象。最后通过对比上下排热系统的实测风量与额定风量的关系，提出排热风机能量浪费率的定义，分析了上下排热系统设计运营优化带来排风风机节能潜力空间。

[1]杨巨澜.地铁通风空调系统变频技术方案探讨[J].制冷与空调, 2008,22(4):37-41

[2]丁剑哄,朱伟峰,叶倩,等.屏蔽门对地铁站内环境影响的实验研究[J].建筑科学,2006,22(6A):58-60

[3]匡江红,余斌.地铁空调通风环境控制系统的节能探讨[J].能源研究与信息,2003,(4):218-222

[4]郝盛.地铁车站隧道轨顶排热风口设置形式研究[J].建筑热能通风空调,2011,20(6):45-47

[5]王峰,雷波.地铁隧道通风系统节能研究[J].地下空间与工程学报,2012,8(1):172-176

[6]毕正博.屏蔽门制式地铁轨行区通风模式研究[D].成都:西南交通大学硕士论文,2012

[7]王永镖,李炳熙.地铁排热回收热泵系统的技术经济性分析[J].沈阳工程学院学报,2005,1(1):26-29

Me a s ure m e nt Study on Subw a y Sta tion Tunne l Exha us t Sys te m a nd Fa n Ene rgy Cons um ption Ana lys is

WANG Li-hui1,REN Jun1,WANG Xiao-bao2,GONG Wei2,SONG Jie2
1 School of Environment and Architecture,University of Shanghai for Science and Technology
2 Shanghai Shentong Rail Transit Research Consulting Co.,Ltd.

Subway station tunnel exhaust system is an effective way to discharge the heat during train braking process. By testing eight typical Shanghai subway station tunnel exhaust outlet wind velocity,the measured data was analyzed that its existence some questions as follows:uneven distribution of each tuyere wind speed,bigger wind velocity near fan side,part of outlets having no speed because of blocking,and existing small wind phenomena.At last,according to the difference between the measured total volume and nominal air delivery of exhaust fan,the potential of exhaust fan consumption was calculated.

subway station tunnel exhaust system,on-site measurement,exhaust fan consumption

1003-0344（2014）04-025-4

2013-7-15

王丽慧（1978～），女，副教授，博士；上海市杨浦区上海理工大学环境与建筑学院407室（200093）；E-mail:66amy99@126.com基金项目：国家自然科学基金（50908147）