天津市某地铁站排热系统实测研究*

杨 鋆 靳 睿 孟 杰 张 欢△

(1.天津市地下铁道集团有限公司,天津;2.天津大学,天津)

0 引言

随着城市化的蓬勃发展,城市轨道交通建设愈发重要。地铁作为城市居民日常出行的主要交通方式之一[1],大大影响着城市未来发展的态势与走向。近年来,随着碳中和、碳达峰等目标的提出,地铁站的节能问题备受关注[2]。其中,地铁站隧道排热系统是否有节能的潜力及如何科学地使用成为一个关键问题[3]。要想解决这一问题,通过实地考察、现场测试来进行实验研究必不可少。

隧道内的热量主要产生于列车与铁轨的摩擦和空调冷凝器散热[4]。现阶段,有人认为排热系统不必设置,因为其对车站隧道降温效果有限,其对电能的消耗远大于排热系统带来的收益。此外排热系统的设置还对车站房间布置有较大影响,应该取消[5]。但也有人认为,结合地铁隧道内温度过高的危害,仅靠列车运行产生的活塞风不足以维持隧道内热环境,而开启排热系统能使隧道内温度短时间内下降,进而保证隧道内温度不超标,是地铁运营不可或缺的环节[6]。再加上隧道与公共区的站台相连接,如果隧道内的余热累积,还会对公共区的热环境产生影响[4],使得公共区空调系统能耗无谓增大,不利于节能。

结合GB 50157—2013《地铁设计规范》的要求,即列车车厢设置空调、车站设置全封闭站台时,隧道内空气温度不得高于40 ℃[7],区间隧道内的二氧化碳日平均体积分数应小于1.5‰[7-8],以及工程施工难度、工程投资、风道占用空间、管线布置难度等问题,本文针对天津某地铁站排热系统进行实测研究。通过对比分析排热系统不同运行工况下,隧道内空气温度和二氧化碳浓度、公共区空气温度和空调系统制冷量及排热风机排热量,进一步研究排热系统对于控制隧道内温度、二氧化碳浓度的作用,以及排热系统对于公共区热环境的影响。

1 车站的选择及基本概况

选择天津某运行时间较长且安装排热系统及屏蔽门的地铁站,结合室外气象条件,在天津夏季最热的时间进行现场实测,充分接近室外气温最高的最不利工况。

该地铁车站未设置再生能吸收装置,运营时间长达10 a。图1、2分别为该地铁车站排热系统和排热风道示意图。在站台两端分别设1个混合风室和1台排热风机,轨顶、轨底的风道连接至混合风室,在排热风机的作用下,将隧道内的热量排至室外,进而达到排热的目的[9]。故排热系统有2个出口,需要对其出口风温分别进行监测。

图1 排热系统示意图

图2 排热风道示意图

2 实验仪器与测点布置

实验仪器如表1所示。

表1 实验仪器

2.1 区间隧道与轨行区

为了研究隧道内的空气温度是否超标,在区间隧道和轨行区分别布置了温度测点。区间隧道部分:在相邻两站间的区间隧道中点处,分别在靠近地面铁轨和靠近列车车顶的位置各布置4个温度测点。由于GB 50157—2013《地铁设计规范》规定区间隧道内的二氧化碳日平均体积分数应小于1.5‰(即1 500×10-6),故除温度测点外,还在区间隧道最不利处(即相邻两站间的区间隧道中点处)布置二氧化碳测试仪进行全天监测记录。

轨行区部分:在轨底风口及靠近隧道中间高度的广告灯箱处各布置3个测点。不同高度的测点分别反映不同位置的温度情况,确保在列车启动和制动时与铁轨摩擦产热、列车空调冷凝器散热及广告灯箱散热等空气温度有可能超标的区域均进行温度测量。

2.2 排热风机

除了对隧道内空气温度的直接监测,排热风机的排热量也是本实验研究所关心的。在排热系统的进出口处布置温度测点,进而得出进出隧道的空气温差;再在排热风机前后布置风速测点,通过风量计算排热量。其中,风速测点按照九宫格求平均的方法布置。

2.3 公共区

不同排热工况下,站厅站台的温湿度及公共区空调系统制冷量同样是衡量公共区空气是否受到排热系统影响的一个重要指标。通过在站厅站台的立柱上布置温度测点及在环控机房的组合式空调箱内布置温度、风速测点,得到公共区的气温和制冷量变化情况。公共区温度测点布置如图3所示。

图3 公共区温度测点布置

2.4 室外

室外气象参数对本实验研究也有一定程度的影响,故对室外气温也进行了监测与记录。

3 实验数据分析

3.1 实验研究工况

为了分别研究排热系统中轨顶、轨底系统的作用,本实验研究设4种测试工况:轨顶与轨底排热系统均开启、轨顶与轨底排热系统均关闭、只开启轨顶排热系统、只开启轨底排热系统。为了使实验数据更具有说服性,每种工况均包含客流高峰时段,即早高峰为07:30—09:00,晚高峰为17:00—19:00。

3.2 结果分析

在4种工况下,测试时间内温度均在客流高峰时段达到最高,以下最高温度即为客流高峰温度。

3.2.1区间隧道最不利处靠近地面铁轨处的温度

区间隧道最不利处靠近地面铁轨处温度见表2。由表2可以看出:最高温度与平均温度受室外气温影响明显,整体趋势符合室外气温的变化规律,即室外气温高的工况对应的最高温度也高,但最高温度始终没有超标;轨顶与轨底排热系统全部开启与全部关闭的工况相比,平均温度基本一致,说明排热系统启停的影响小于室外气温的影响;对比分析只开启轨顶排热系统与只开启轨底排热系统,发现平均温度仅相差0.1 ℃,再加上不同工况下室外气温不同所带来的差异,对于区间隧道最不利处靠近地面铁轨处的空气温度并不因只开启轨顶或轨底排热系统而产生显著差别,故设于轨行区的排热系统对区间隧道的影响并不区分“上下”,即并不因轨顶或轨底风口的位置不同而对区间隧道产生影响。

表2 区间隧道最不利处靠近地面铁轨处温度 ℃

3.2.2区间隧道最不利处靠近列车车顶处的温度

区间隧道最不利处靠近列车车顶处温度见表3。由表3可以看出:最高温度均不超标;依旧受室外气温影响较大,随着室外气温的波动,4种工况下的平均温度波动不超过0.3 ℃,最高温度波动不超过0.5 ℃,其影响小于室外气温所带来的影响。由于测点位置同样位于区间隧道,也能得出排热系统对其影响小的结论。

表3 区间隧道最不利处靠近列车车顶处温度 ℃

将位于区间隧道最不利处的不同测点反馈的数据进行对比(见图4),能够更直接地看出区间隧道内热量聚集的位置,位于铁轨附近的空气温度比车顶附近的空气温度高0.1～0.2 ℃,即列车匀速运行摩擦铁轨产生的热量大于列车空调散热量,但均未超过GB 50157—2013《地铁设计规范》规定的40 ℃限值。区间隧道内的热量仅靠列车运行产生的活塞风及隧道四周壁面的冷却即可控制。

图4 区间隧道内不同位置空气温度

3.2.3轨行区内广告灯箱处及轨底风口处空气温度

轨行区内广告灯箱处及轨底风口处空气温度见表4,区间隧道与轨行区空气温度对比见图5。对于竖直高度相同的测点,除去实验误差及外界因素干扰,由于列车在轨行区内完成制动与启动,列车与铁轨的摩擦更大,故轨行区内轨底处的空气温度始终高于区间隧道,最大相差0.7 ℃。排热系统的风口也建在轨行区内,在排热风机的作用下,尤其是轨顶与轨底排热系统均开启时,气流极其不均匀,扰动大,气温高。但轨底附近及广告灯箱等不利位置的最高气温仍不超过40 ℃,故排热系统可以关闭,仅靠活塞效应和隧道壁面及周围土壤自然冷却。

表4 轨行区内广告灯箱处及轨底风口处空气温度 ℃

图5 区间隧道与轨行区空气温度对比

3.2.4排热系统排热量

对于轨顶轨底排热系统排热量的问题,本研究着眼于活塞风井入口处和排热系统出口处的空气温度,入口与出口的空气温度如图6所示。

图6 进出隧道的空气温度对比

要判断排热系统究竟带走了多少热量,就需要以隧道为研究对象,找到空气进出隧道的通道。在忽略轨行区与站台屏蔽门之间的渗透风量的情况下,由于排热风机的作用,使得室外的高温空气从活塞风井进入隧道,而隧道内的空气通过排热系统出口离开。测试结果表明,经过轨顶轨底排热系统后到达出口处的空气温度始终处于27～28 ℃,均低于通过活塞风井进入隧道的空气温度。这意味着温度较高的室外空气在进入排热系统所负责区域的过程中,得到了土建风道、隧道壁面、土壤等物体的降温,尽管列车行驶过程中也产生热量,但都得到了隧道本身的冷却,故实际排出隧道的空气的温度较低。在这种情况下,引入隧道的热量全由壁面土壤等承担,排热系统并没有起到排热的作用。考虑到实验研究期间室外最高气温十分接近天津市最炎热时的气温,故可以验证即使完全关闭排热系统也是可行的。

3.2.5公共区气温及空调系统制冷量

本实验研究的最后部分以探究排热系统运行模式对公共区空气温度及空调系统制冷量的影响为目标,通过对比温度等参数的变化,确定其影响程度。由于公共区与室外通过人员出入口等通道连接,室外气温也是影响公共区空气温度及空调系统制冷量的一个重要因素,需要予以考虑。

室外与站厅站台温度见表5。由表5可以看出:在4种工况下,站厅的平均温度比站台高0.3～0.8 ℃;站台与站厅相比,更易受到隧道内热空气的影响,且在排热系统全部关闭的情况下,站台空气平均温度比排热系统全部开启工况高0.2 ℃,最高温度高0.5 ℃;只开启轨顶或轨底排热系统的工况,站台空气温度相差0.1 ℃。虽然排热工况发生改变,但对公共区气温的影响不超过0.5 ℃。公共区温度波动不大,空调系统制冷量的变化如图7所示。排热系统全部开启和全部关闭所对应的室外气温最为接近,空调系统制冷量相差30 kW。只开轨顶和只开轨底排热系统的工况,空调系统制冷量相差25 kW左右,其原因为室外气温差异(1 ℃)和客流量差异(500人次)。进而得出结论:轨行区内排热系统的启停对公共区空气温度的影响很小,可以忽略;反映在空调系统制冷量上的变化也很小,故排热系统的节能潜力主要在其本身能否关闭甚至取消上。

表5 室外与站厅站台温度 ℃

图7 公共区空调系统制冷量

通过对以上不同工况下的平均温度及客流高峰时段所达到的最高温度的分析,不难发现,仅从温度不超标的角度考虑,可以关闭排热风机。但考虑到远期客流量增大,车厢内的二氧化碳浓度是否仍然可以满足人员卫生要求这一问题,排热风机有无排除二氧化碳的作用还有待研究。

3.2.6区间隧道二氧化碳浓度

由于车厢内的新风来自于隧道,故对区间隧道最不利处的二氧化碳浓度进行监测,结果见图8、9。数据显示,客流高峰时段的区间隧道最不利处二氧化碳体积分数均为550×10-6左右,远小于规范中规定的1 500×10-6限值。由此可见,排热风机对客流高峰时段的二氧化碳浓度影响不大。不同工况下仅在平峰时段有20×10-6的差异,也在测量精度误差之内。故排热风机对区间隧道二氧化碳浓度的影响甚小。

图8 排热系统全开/全关工况下区间隧道 最不利处CO2体积分数对比

图9 不同工况下区间隧道最不利处CO2体积分数对比

4 结论

1) 在4种不同的排热工况下,区间隧道最不利处及轨行区内热量容易聚集的位置空气温度均不超过规范限值。

2) 轨行区内的空气温度高于区间隧道,平均高0.5～0.7 ℃。列车在进入车站停稳后,屏蔽门打开,乘客上下车,短时间内轨行区与站台空气的流通对于轨行区来说是正面影响,即温度低的空气进入,起到了冷却作用。列车运行时的活塞效应及四周壁面自然冷却,足以使轨行区内的空气温度也不超标。

3) 排热系统对区间隧道的影响由于距离长而很小,其影响小于室外气温的影响。

4) 排热系统出口空气温度低于活塞风井入口空气温度,即空气被土建结构、隧道及风道冷却,并没有带走隧道内的热量,故排热系统没有发挥排热作用。

5) 排热系统对公共区的热环境及空调系统制冷量的影响不大,出于节能的目的,可以忽略。

6) 区间隧道的二氧化碳浓度随客流高峰呈周期性变化,均小于规范限值,且排热风机的启停对其峰值无明显影响。