地铁车站设备房空调负荷实测研究

房 烁 夏美秀 郑进龙

(1. 苏州市轨道交通集团有限公司,215004,苏州;2. 广州地铁设计研究院有限公司,510010,广州//第一作者,助理工程师)

相对于其他地面建筑，一般位于地下的地铁车站与外界环境主要通过出入口通道及地面风亭相连通，车站内部环境受外界干扰较小。但由于车站内部设备多、发热量大，且对环境温湿度要求高，因此，为保证车站内工作人员的安全舒适以及设备的正常运行，必须设置通风空调系统。文献[1]对车站大系统负荷进行了研究，结果表明出入口进风及站台门漏风对大系统负荷具有很大影响；文献[2]对地铁车站中各类电气设备发热量进行了分析，结果表明理论计算值与估算值有较大差异。因此，对车站设备管理用房进行空调冷负荷计算方法研究十分必要。

1 地铁空调系统介绍

地铁车站空调系统分为公共区通风空调系统(简称大系统)和设备管理用房通风空调系统(简称小系统)。大系统在正常运营时，为乘客提供过渡性舒适环境；当车站公共区发生火灾时，能迅速排除烟气，同时为乘客提供一定的迎面风速。小系统正常运营时，应能为地铁工作人员提供舒适的工作环境，且满足设备良好的运行环境；当车站管理、设备用房区发生火灾时，应能排除烟气或隔断火源、烟气，并保持局部区域的相对正压。

本文只针对南方某城市地铁站设备用房的小系统空调冷负荷与设备发热量进行测试研究。

2 小系统负荷组成及其实测研究方法

地铁车站多为地下建筑，几乎不受地面外部条件影响，但根据GB 50157—2013《地铁设计规范》对设备管理用房夏季空调室外计算温湿度的要求，应采用历年平均不保证50 h的干、湿球温度进行小系统空调冷负荷计算。该室外计算温度与民用建筑空调负荷计算室外温度一致。设备房室内环控设计参数如表1所示。

2.1 小系统冷负荷组成

设备房小系统空调冷负荷由设备发热量负荷、围护结构传热负荷、照明负荷、人员负荷、新风负荷等组成。设备发热量负荷是影响设备房间空调系统负荷的重要组成部分。

表1 设备房室内环控设计参数

2.2 空调负荷及设备发热量实测研究方法

设备发热量在室内通过设备与室内空气对流换热、设备与围护结构热辐射、围护结构内表面与空气对流换热3个过程形成室内冷负荷。

设备房围护结构内表面与室内空气的对流换热可以通过测量房间内表面温度、面积以及回风温度得出：

Q1=αwAw(tw-ta)

(1)

式中：

αw——围护结构内表面对流传热系数，取3.9 W/(m2·K)[3]；

Aw——围护结构内表面积，m2；

tw——围护结构内表面温度，°C；

ta——室内空气温度，°C。

设备用房的室内空调负荷可以通过测量设备房空调系统的送、回风风量及送、回风空气温湿度状态得出：

Q2=Laρ(hin-hout)

(2)

式中：

La——送风量，m3/s；

ρ——空气密度，取1.2 kg/m3；

hin——送风焓值，kJ/kg；

hout——回风焓值，kJ/kg。

设备房间内设备与围护结构内表面的辐射换热量[4]可以通过测量房间内表面温度、面积以及设备表面积得到：

(3)

式中：

Ae——设备表面积，m2；

Aw——房间内表面积，m2；

εe——设备表面发射率，取0.65；

εw——房间内表面发射率，取0.85；

Te——设备表面热力学温度，K；

Tw——房间内表面热力学温度，K；

σ——黑体辐射常数，取5.67×10-8W/(m2·K4)。

本研究于2016年6月底对南方某城市地铁车站设备房的空调负荷和设备发热量进行为期10 d的测试。现场实测图见图1。该系统采用全空气空调系统，具体测试方法如下：

(1)使用WSZY-1型温湿度自动记录仪(精度为温度±0.3 ℃，湿度±3%)记录各设备房送、回风温度和湿度。测点位于房间送、回风口处，每个风口布置1个测点，每2 min记录1次数据。

(2)使用TSI Model 8710 DP-CALC型风量罩(精度为±3%)测量各房间送、回风风量。由于送、回风风量较为稳定，最终风量值取3次测量值的平均值。

(3) 利用VarioCAM热成像仪(精度为±1.5 ℃)测量小系统各房间及设备表面温度，每4 h测量1次，连续测量2 d。

(4)测量各房间内表面面积及设备表面积。

a) 温湿度自动记录仪b) 风量罩c) 热成像仪

图1 现场实测图片

3 设备房冷负荷计算值与实测值分析

3.1 设备房空调冷负荷设计计算

南方某城市地铁车站设备管理用房空调冷负荷设计计算值如表2所示。

表2中冷负荷值以地铁车站远期客流及行车对数为基础，根据各系统专业提资设备发热量及各项负荷计算公式计算得到。

从表2可以看出，民用通信设备室、环控电控室、开关柜室、整流变压器室的计算空调冷负荷较大，尤其是0.4 kV开关柜室达到61.7 kW，单位面>积冷负荷达456 W/m2。设计计算负荷偏大，必然导致设备配置偏大、实际荷载率低、空调设备长期运行于非高效工作区、能耗加大等不良问题。为达到空调设计方案优化、合理选择冷水机组及空调机组容量、减少投资费用的目的，本研究对地铁车站上述设备房冷负荷及设备发热量进行了实测，进而指导及校正空调设计的合理性。

表2 某地铁站设备房空调冷负荷计算值统计

3.2 设备房空调冷负荷实测计算

对各设备房的空调系统送、回风温湿度及风量进行实测，再由公式(1)、(2)、(3)计算得出室内空调冷负荷值及设备发热量值，如图2和图3所示。

图2 某地铁站设备房空调冷负荷及设备发热量的实测值对比图

图3 某地铁站设备房空调冷负荷的夜间与白天实测值对比图

图2中考虑了设备房通过围护结构传热的失热量，因此，图中设备发热量测试数据比空调负荷大，且设备发热量形成的空调负荷起决定性作用。

图3所示各设备房的白天与夜间测试结果值趋于稳定，差值在0.1～0.8 kW之间波动，说明设备房负荷和设备发热量与室外环境及行车对数无明显关系。图中各数据取逐时最大值。

3.3 设计与实测冷负荷值对比分析

图4为某站设计负荷值与实测值对比结果。由图可见，设计值远大于实测负荷值及设备发热量值。其中专用通信电源室、民用通信设备、环控电控室及开关柜室等变电所设备房负荷设计值与实测值相差60%以上，警用通信设备室、配电室及站台门设备室的计算值与实测值相差较少，差值在20%～40%范围内。实测结果也说明空调负荷值有较大的优化空间，尤其是需要核实设备发热量提资值的准确性，这对于空调系统节能改造具有较大的参考价值。

4 结论

本文提出了一种对地铁车站设备发热量进行实测的方法，并对南方某城市地铁车站设备房空调冷负荷及设备发热量进行了实测研究。研究结果表明，设备房实测空调负荷及设备发热量值全天保持稳定，但均比设计计算值小很多，偏差在20%～77%范围内。该研究结果有利于在设计阶段合理降低设备发热量取值，避免因设计计算空调冷负荷偏大而导致设备选型配置偏大，设备功耗增大，长期运行不节能，投资费用增加等恶性问题。本研究不足之处是短时段的测试数据不能代表整个空调季的空调负荷情况。今后，还需要进一步对多个车站长时间的连续测试数据来获得更真实可靠的结果。

图4 某站设备房空调冷负荷设计值与实测值及设备发热量实测值对比图